码垛机发展现状及趋势探究

潘知瑶，费叶琦,2※，马竹樵，张明宇，刘雨浩

（1.南京理工大学紫金学院智能制造学院，南京 210046；2.南京林业大学机械电子工程学院，南京 210037）

0 引言

码垛技术作为一项随物流行业、仓储行业迅速扩张而不断发展的新兴技术，被广泛应用于食品、化工、建筑、仓储等各项领域。码垛技术可分为人工码垛以及机械自动码垛两种[1]，由于中国庞大的人力资源市场，起初码垛动作的实现主要以人工为主，但是人工码垛过程中，随着工作时长的增加，工人工作疲劳程度逐渐增大以至于工作效率及准确性降低，而机械式码垛设备就有效地改善了这一问题。一台机械式码垛设备虽然在前期引进、安装、调试等过程中缺少固有优势，但是由于码垛机的使用寿命以及后续实际生产中因安装码垛机带来的订单承接能力的提升，在整个生成周期中均摊成本后，实际成本远低于人工码垛。根据结构以及应用场合，可将码垛设备分为桥式码垛机、码垛机器人以及高位全自动码垛机[2]。工业生产规模的逐渐增大，导致了原来越多的企业选择不断引进适合自身产品的机械码垛设备。

随着大型机械式液压码垛机在工业生产中不断推广，大多数国产码垛机固有的精度差、故障率高、占地面积较大等问题也给工厂实际生产、调试、维修带来了巨大压力。所以大型企业更多倾向于选择发展较成熟、效率和精度更高的进口码垛设备。但是进口码垛设备价格居高不下，中小型企业难以承担，也并未在中国实现大规模市场占领。因此不断有技术人员根据国产码垛设备的特点及需求对其进行改良，以实现码垛机的经济性与工作性能的平衡。

1 国外码垛机研究进展

现代机器人技术最初应用于20 世纪70 年代末的日本和瑞士。1974 年，瑞典公司ABB 成功研发了用于运输和码放货物的电控式工业机器人IRB6。随着工业互联网的不断发展，工业机器人和人工智能技术日趋成熟，如瑞典的ABB 系列、日本的FUJI系列、德国的KUKA系列等[3]。

日本安川公司的MPL100Ⅱ为5 轴垂直多关节码垛机，设备结构简单工作转速较低，适用于高速高精度码垛、取件。瑞典ABB 公司的IRB660 采用4 轴设计，具有极高的重复定位精度和轨迹精度，即使在极为恶劣的生产环境中仍能保持相对稳定的性能，通用性强，工作速度和工作范围可以适应大部分工作需求。KUKA 开发的KRAGILUS 小型码垛机[4]工作速度快，精度高，完成拣选、搬运、堆垛及卸载等工作任务只需要较短的工作周期，主要运用于高速、高负荷工作过程。FANUC 开发的RobotM-410iB/160 智能码垛机[5]，依靠灵敏的视觉感测器，从而实现运输物品的动态码放和精准重复定位，并且由于其具备复杂的多轴手腕，分拣、贴标、插取、搬运等工作内容也可以较好地完成。美国炼油公司JTM 选用6 轴码垛机Motoman Model UP 165[6]实现箱装和桶装润滑油的码垛。采用PLC控制，使用专为产品具体特点设计的真空吸端执行机构，一次可携带两箱箱子或3 桶，每年完成的码垛工作总量可高达200000 桶和150000 箱润油,为人工工作量的2 倍左右。Hershey公司通过3台Motoman码垛机器人[7]将3条生产线的不同类型的糖果纸箱集中在同一个货盘上，最后运输到运输中心。每个机器人都有一个灵活的真空吸附系统，可以自动控制触发手的数量，从而实现纸箱吸附数量、形状的灵活更换。

J Norberto Pires[8]研发了玻璃码垛系统，以ABBS4C 为控制器、PLC37-300 为外围设备、真空吸附装置为运输设备，以ABB IRB 4400 工业机器人为基础，实现了玻璃的搬运与码放的工作要求。Mansour Abtahi等[9]设计的一种的并联机器人的标定方法，N Stareevie 等[10]研究的四自由度机器人的运动策略等途径当应用于码垛设备的工作过程中时，可以有效提高设备运行的有效性与准确率。

国外码垛机大多负载范围广泛、动作速度快，品牌型号众多。主要采用的结构形式为多关节型，针对不同形状的物品采用不同的接触末端执行器，以PC 开放式控制系统实现码垛机工作进程的快速性、稳定性、准确性。针对以串联机构为主的传统码垛机器人所存在的系统刚性差、运动耦合等问题采取了一系列技术改进。

2 国内码垛机研究进展

中国将机器人技术应用于工业领域起步较晚，同时由于符合设备要求的基础配件国内供应不足，在时间、技术、零件、成本等多重因素的影响下，导致码垛设备的发展一度停滞不前[11]。但是随着中国综合国力的不断提升，基础制造业水平日渐增长，工业机器人研究水准不断提高，而码垛机器人技术也随之有所发展。例如上海沃迪出品的“TRIOWIN”TPR系列品牌码垛机器人[12]在中国科学院上海科技查新咨询中心审核下，被评定为技术水平达国内领先、国际先进水平。

2.1 码垛设备结构改良

沈阳新松机器人自动化股份有限公司成功开发了SRM 系列码垛机器人，维护成本低，耐磨性好，可同时满足多条生产线的终端堆垛作业。SRM120A 系列机型具有速度快、可靠性高、工作连续性强等优势，在能够同时满足多条生产线的工作要求的前提下，仍能维持较低的生产成本和较长的使用寿命。SRM13A 是最小巧、最轻盈的货盘堆垛机器人。采用轻量化设计，机械结构紧凑，从而节省占地面积，实现运送功能更为高效、精准、可靠。哈尔滨博实自动化设备有限公司开发的RB300 型码垛机器人[13]，配置紧凑，占地面积小，由于其灵活的编组方式可实现不同类型的包装袋的码垛任务。

李成伟等[14]研究了一种4 自由度并联关节式搬运码垛机器人，通过对码垛机器人手抓的更换实现对硬纸箱、塑料箱、编织袋等不同类型货物的运输、码垛。从兰强等[15]研发了一种自动堆垛式码垛机构在对物品进行堆垛、码放的同时完成了打包的工作，减少了企业货物占地面积，合理降低仓储成本，提高了码垛设备的灵活性与利用率。惠小强[16]设计了一种全自动拆码垛一体机，通过气动装置实现货物的拆卸、码放，利用马达驱动丝杆及换向器以保证设备的稳定性，在保证设备机构简单、提升生产效率的同时有效降低了工人的学习成本。王春晓[17]研发了一种自动拆码垛机，将拆垛、码垛、运输等功能集成一体，提高了设备的集成度以及生产效率的同时有效降低了生产及空间成本。王汝贵等[18]研发的变胞式码垛机器人，将变胞式机构的概念与码垛机结构设计有机结合，使码垛机构在单、双自由度之间灵活变换，有效兼顾了码垛设备稳定性、灵活性的双重工作需求。陈雷等[19]研发了一种高效多功能全自动拆垛、码垛、装车一体机，将大体积的重型货物进行合理拆分后再进行处理，并将多项功能集合，提高了产品的生产效率及自动化程度。吴刚等人研发了一种立柱高速码垛机，通过伺服电机驱动同步带轮实现托盘的上下移动，运动平稳，抗冲击性能好，便于调节不同尺寸的产品码垛。崔丽娟[20]设计了一种圆柱坐标悬臂式码垛机，完成了货物抓取后，通过立柱旋转实现货物位置的更改、码放，能够灵活的实现动作换型。徐雪萌等[21]设计研制的瓦楞纸箱板自动码垛机机械手以AHP法为设计方案，采用旋转、交错式码垛方案，通过双机械手完成码放、抓取等动作，在保证稳定性、满足工作需求的基础下，扩大了适用范围，降低了生产成本。

2.2 码垛设备软件优化

上海交通大学机器人研究所协同沃迪自动化装备股份有限公司，对TPR200 型高速码垛机器人进行模拟仿真[22]，通过简洁的人机交互界面设定各项参数，采用PID 和PDFF 并行为码垛设备的控制系统结构，获得仿真结果以实现码垛机性能的提升。天津渤化永利化工股份有限公司通过合理调节码垛设备在工作过程中的光电时长，使码垛货物能够到达既定位置，实现了码垛机故障率的大幅下降[23]。

余晓明[24]研究设计了在米袋码垛系统中运用的四自由度圆柱坐标型码垛机器人，主运动控制系统基于英国的TRIOMC206X，具有较高的控制运算水平，对码垛机末端执行器的定位更为精准。黄海燕[25]研究的立体仓库码垛机控制系统以S7-1200PLC 为基础，通过变频器控制码垛机运行，变频调速、安全连锁等系统共同作用，确保码垛机运输过程中的稳定性与准确率的同时有效减少人力成本。钱振华等[26]设计了一种针对食品包装箱码垛的控制系统，该系统以HMI和PLC为基础，不仅能够有效提高码垛设备的工作效率与工作精度，而且人机交互方面更为友好，降低了操作员的培训成本。康瑞芳等[27]以视觉码垛为实现途径，使用ARM 微控制器设计了合理的码垛控制系统，在码垛动作过程中可以实现自动纠错，有效提高了设备的可行性与准确率。李永梅等[28]选用西门子S7—1200PLC 为主控制器，在分析码垛设备的运动轨迹的基础上设计码垛设备系统，实现合理的运输路径规划及完成货物码放。郭亚奎[29]设计的码垛设备操作系统以ARM+FPG 硬件平台和Linux 操作系统为基础，针对圆柱坐标型码垛机的工作特点，有效提升了码垛设备的工作精度以及稳定性。赵玉信[30]将磁悬浮技术应用于直角坐标码垛机的直线运动单元，有效降低了码垛机在工作过程中由于摩擦造成的损耗的同时保证了设备的平稳运行。柏甫荣[31]将直角坐标码垛机的控制系统的不同模块进行分工，各自独立设计，不仅使设备系统搭建难度降低，也减少了后续的系统维护成本。韩明淇等[32]设计物流包裹码垛机，通过PLC 有效实现码垛设备各部件的灵活控制，极大提高了码垛机的自动化程度，降低了人力成本。

在码垛机性能优化方面，国内主要以测绘、模仿国外先进的同类设备为主，然后根据中国市场的实际需求进行设计改进。但由于基础工业发展与工业发达国家仍有一定差距，虽然高校与科研机构对于码垛机的结构与系统设计已经有了一定的进展，但是缺乏对综合市场以及企业的实际生产情况的深入了解，核心零部件的制造技术也没有持续有效地推进，导致实际生产制造过程中材料质量、尺寸精度无法达到设计需求，国内自主研发生产的码垛机在国内市场占比并不高，面临同类型进口产品缺乏竞争力，只能以中低端市场为主要发展方向，实际应用领域也较为狭隘。

3 码垛机现存问题

随着科学技术及综合实力的不断提高，虽然国内自主研发的码垛设备的研究已有了较大的进展，但仍存在一系列问题。

（1）产品批量推广难度较大。由于市场上产品的种类繁多、差异性大，用户需求以及操作环境的多样性，导致了码垛设备的批量化、标准化难以实现，使码垛设备的生产成本较高，于市场中缺乏一定的竞争能力。同时因为精度高、适应性强的码垛机器人的购买成本以及维护成本都居高不下的原因，难以拓展中小型企业市场。

（2）设备适应能力有限。一旦产品的外形或者包装有所改变，码垛设备就无法及时进行识别与检验，导致设备空等时间增长，无法满足适应不同产品与环境的需求。同时，由于当下码垛设备主要应用在日常生产中，在诸如失温、高压、高污染等极具不确定性的工作环境中极易导致码垛设备的损坏，从而出现严重故障，无法满足正常工作需求，因而需要投入大量人力成本。

（3）可靠性无法得到保障。在高重复性、高速的工业生产过程中，虽然码垛设备需要实现的只是抓取、转移、码放等简单动作，但是生产过程中巨大的累计误差不可忽视。因此，需要考虑工作过程中的运动平稳性和位置准确度。

（4）机器视觉技术仍有缺陷。机器视觉技术的提升可以有效提高码垛设备对于不同产品与包装的适应能力，但是在采集物品图像以及对物品进行动态捕捉获得有效信息的过程中仍存在一定问题，同时图像的分析及处理的计算速度也是需要解决的难题之一。

（5）应用范围狭窄。目前码垛设备主要应用于通用性强的工业领域，药品、食品、高精零件、芯片等领域因码放精度要求高，小微型码垛设备较少；而针对大型、重载的码垛设备也缺乏一定的研发投入。

（6）软件发展与基础工业不匹配。虽然当下学术领域针对码垛设备的算法、软件等方面的研究已经有了一定的深入进展，但是由于基础工业发展不平衡、不充分，码垛机设计层面的要求达到了，但是在实际零件生产、组装过程中，符合精度要求的零件生产、装配设备极为稀缺，实际生产困难重重。

4 未来发展方向及改进措施

存在的诸多问题同时也推进了码垛机器人的持续发展，以满足市场对于码垛设备的功能需求，可从以下几方面进行探索与改进。

（1）持续推进码垛机的自动化、智能化发展。单一的机械码垛结构由于效率、精度等问题已不断被以现代化的机械结构和电子信息技术相结合的新型码垛机所替代，而码垛机的自动化主要体现于自主运输、自动控制等方面。应合理加强码垛机器人与感应机构的有效结合以及控制系统、软件的升级换代：如根据检测装置和感应机构分析结果对周围的实际环境以及产品进行建模，通过软件对实际生产过程进行模拟仿真，确定产品的具体位置姿态以及相应外形特征，针对产品所对应的不同的型号、包装、重量，选择不同的加持装置与码垛设备型号，调整夹持方式与夹持力度。

（2）推动码垛机向多元化发展。降低操作系统的编程难度，使码垛设备的日常维护、故障检修等功能可以通过操作人员的简单编程实现，不再依靠单一的人工操作，从而大大降低人工失误的可能性。除此之外，在选取码垛机器人的生产材料、组成原件与标准零件时应注重选取工作强度高、生产精度高、耐磨性好的元件，以实现通过提高制造精度与装配精度从而提升码垛设备的整体工作性能。通过优化码垛机结构，提高码垛机的工作强度与运行效率，从而实现码垛机整体的生产运输效率的提高。

（3）提高码垛设备适应性。随着商品市场的不断发展以及电商快递领域发展带来的中小型客户的不断增加，从而导致固定产品、固定尺寸的码垛机器人的使用领域不断缩减、使用效率不断降低，无法满足用户需求。因此要增加码垛机的功能性、适应性，不再以单一产品的运输、码垛为设计目标，加强发展与创新能力，开发多功能末端执行器，向可以满足不同数量、不同材质、不同形状、不同尺寸的产品的码垛的方向发展，通过将机器人本体固定在导轨上，可以进一步扩大码垛机器人工作空间。

（4）优化码垛机设备系统。应用通用的开放式码垛机械系统，基于标准操作系统开发易于操作和控制的通用语言框架和简单算法。通过该系统，不同的码垛机器人打破了不同机器语言和服务站之间存在的壁垒，为码垛机的人际互动发展创造条件。

5 结束语

国内码垛机技术较以往技术进步较大，但实际生产过程中产品的多样性导致目前的码垛设备较低的通用性难以满足此需求，尽管码垛机的控制系统等软件部分已经获得了有效进展，由于基础制造的发展，普通机床加工的零部件仍无法满足码垛机在设计过程中的精度、质量要求，设备的工作性能与经济性难以得到统一，距离大规模、多行业普遍应用仍具有一定差距。因此，需总结、吸收国外先进码垛设备的优势，对比、创新，努力攻克精度低、适应性差、生产成本过高等问题，提高码垛机的自动化、智能化、多元化，从而进一步扩大我国自主研发生产的码垛机的技术优势，以实现国产码垛机的持续产业化。