2. 码垛工艺与垛型基础

码垛不是把箱子“堆起来”这么简单。机器人码垛工作站能否长期稳定运行，首先取决于工艺设计：要码什么、码成什么样、每层怎么摆、层与层怎么咬合、整垛能承受多大加速度。这些问题在方案阶段没有定清楚，到了现场往往表现为垛型歪斜、底层压溃、节拍不达标，甚至整垛倒塌。本节围绕码垛任务需求、垛型分类、层叠规则、稳定性要求和常见码垛模式展开，为后续的机器人选型、夹具设计和轨迹规划提供依据。

一、码垛任务需求：先量化，再设计

码垛任务需求的核心是把客户的语言翻译成工程参数。常见的输入包括：单箱尺寸（长×宽×高，单位 mm）、单箱重量（kg）、纸箱或周转箱的承压能力、码垛高度上限、托盘规格、每小时产量（箱/小时或垛/小时）、可用场地尺寸以及是否混码。以某食品车间为例：纸箱 400×300×250 mm，重 12 kg，托盘 1200×1000 mm，要求码高不超过 1800 mm（含托盘高 150 mm），产能 800 箱/小时。这些数据直接决定每垛箱数、层数和节拍上限。

计算每垛箱数时，先确定码高可用空间：1800 − 150 = 1650 mm，按箱高 250 mm 计算，最多 6 层（6×250 = 1500 mm，余 150 mm 安全余量）。再按托盘平面排布确定每层箱数。若采用 400×300 的箱型在 1200×1000 托盘上横竖混排，每层可放 10 箱（示例排布：沿 1200 方向放 3 个 400 长边，沿 1000 方向放 2 个 300 短边，再补 4 箱旋转 90° 填充），则每垛 60 箱。产能 800 箱/小时对应约 13.3 垛/小时，即单垛循环时间约 270 s，扣除换垛、输送时间，机器人单箱抓取节拍需控制在 4 s 以内。这些数字是后续选型与仿真校核的基准。

二、垛型分类与层叠规则

垛型按层内排布方式可分为：行列式（整齐码放，箱与箱边对齐）、交错式（相邻层旋转 90° 或错位半个箱长）、旋转式（每层整体旋转一定角度）、混合式（同一层内横竖混排）以及异形垛（针对不同箱型或留孔需求）。行列式外观整齐、便于计数，但层间咬合弱；交错式通过层间错位形成互锁，稳定性明显更好，是纸箱码垛最常用的形式。

层叠规则要解决三个问题：层内怎么排、层间怎么转、边缘怎么收。层内排布需保证箱体不超出托盘边缘（一般允许外伸不超过 0~20 mm，视托盘和缠绕膜工艺而定），并尽量让重量均匀分布。层间旋转常见做法是奇数层与偶数层相差 90°，使上层箱体压在下层箱体的接缝处，形成“锁扣”。边缘收口则要求最外层箱体尽量齐平，避免出现悬空箱角。对于承压较弱的纸箱，还应控制每层箱体的受力方向，让瓦楞方向与承压方向一致。

三、稳定性要求与校核方法

稳定性要求通常从三个维度提出：抗倾覆、抗滑移和抗压溃。抗倾覆校核关注整垛重心投影是否落在支撑面内，一般要求重心偏移不超过支撑面短边的 1/3。抗滑移校核关注层间摩擦系数与水平惯性力的关系，若机器人搬运加速度为 a，则层间所需摩擦系数 μ ≥ a/g。例如加速度 2 m/s² 时，μ ≥ 0.2，普通纸箱间摩擦系数约 0.3~0.4，通常满足，但若箱面覆膜或潮湿，摩擦系数可能降到 0.15 以下，此时必须增加防滑措施或降低加速度。

抗压溃校核则要计算底层箱体承受的上方总重。以上述 12 kg 纸箱、6 层为例，底层单箱承受上方 5 层重量，若每层 10 箱，底层单箱承压约 5×12 = 60 kg（实际受力还取决于层间排布和箱体刚度）。若纸箱堆码强度（安全系数取 3~5）不足，应减少层数、改用加强箱或增加托盘支撑。工程上常用“堆码强度 = 单箱抗压强度 / 安全系数”来估算允许堆码层数，安全系数通常取 3 以上。

四、常见码垛模式与选择依据

常见码垛模式包括：整层码垛（机器人一次抓取整层，效率高，适合小箱轻载）、单箱码垛（逐箱抓取，柔性好，适合大箱重载或混码）、混合码垛（不同箱型在同一托盘上组合，需软件排样）、旋转码垛（每层旋转固定角度，用于圆形或异形件）以及留孔码垛（为通风、穿带或叉车留出通道）。选择时主要看产能、箱重、箱型一致性和是否混码。产能 800 箱/小时以上、单箱 15 kg 以下，整层码垛往往更经济；若箱型多、批量小，单箱码垛配合视觉识别更灵活。

把上述参数整理成一张工艺卡，是码垛工作站设计最直接的交付物。示例工艺卡字段包括：箱型尺寸、单箱重量、托盘规格、每层箱数、层数、每垛箱数、码垛模式、层间旋转方式、允许加速度、缠绕膜层数。现场调试时，先按工艺卡码一垛，用直尺测量四角垂直度（偏差应小于 10 mm），再以最大加速度运行 10 个循环，观察是否有层间滑移或箱体变形。若垂直度超差，优先检查层间旋转角度和底层排布；若出现滑移，则降低加速度或增加防滑纸。只有工艺参数经过验证，后续的机器人轨迹和夹具设计才有可靠基础。