4. 工件与垛型分析

在MOTOMAN机器人搬运码垛系统中，末端执行器抓什么、怎么放、放多高、放几层，最终都由工件特性和垛型设计共同决定。很多码垛项目失败并非机器人本体能力不足，而是工件分析不到位：纸箱鼓包导致层间错位、袋装物料滑移造成整垛倾覆、桶装物料重心偏移引发局部塌陷。因此，本节从物料特性出发，建立“工件—抓取—垛型—稳定性”的分析链路，并给出可执行的码垛模式设计方法。

一、三类典型工件的物理特性与抓取约束

纸箱类工件通常为瓦楞纸板结构，表面平整、刚性较好，但存在压缩变形和回弹。关键参数包括长×宽×高、满箱重量、堆码强度（通常以空箱抗压值表示）、表面摩擦系数。以常见500mm×400mm×300mm的纸箱为例，满箱重量约12～18kg，箱体允许的最大堆码层数受抗压强度限制，一般不超过5～7层。抓取方式多采用真空吸盘或夹板式夹具，吸盘直径需覆盖箱面有效吸附区域，避免吸在封箱胶带或印刷油墨区导致漏气。

袋装物料（如25kg或50kg的编织袋、纸袋）具有明显的柔性变形特征：抓取时袋体下垂、重心随姿态变化，码放后袋体之间相互嵌入，形成“自锁”但同时也带来层间不平整。袋装物料的关键参数是袋长、袋宽、装料后厚度、休止角（反映流动性）以及袋与袋之间的摩擦系数。抓取通常采用托底式夹爪或叉式夹具，从袋体两侧或底部托入，避免直接夹持中部造成破袋。

桶装物料（如20L塑料桶、200L钢桶）属于刚性回转体，重心高、单件重量大，抓取点通常为桶口法兰或桶身加强筋。关键参数包括桶径、桶高、满桶重量、重心高度、桶底与托盘的接触面积。桶装码垛最怕的是偏心载荷和层间点接触，因此常采用交错排列或加隔板的方式分散压力。

二、垛型稳定性的三个判据

垛型是否稳定，不能只看“放上去没倒”，而应从三个层面判断。第一是抗倾覆稳定性：整垛重心投影必须落在支撑面内，且留有安全裕度。对于高宽比大的垛型，倾覆力矩随层数增加而增大，通常要求重心偏移量不超过支撑面短边的1/6。第二是抗滑移稳定性：层间摩擦力必须大于水平惯性力，机器人加减速、托盘搬运时的振动都会产生水平力。第三是抗压溃稳定性：底层工件承受上方全部重量，纸箱类需校核底层抗压强度，桶装类需校核桶壁屈曲载荷。

以纸箱码垛为例，若单箱重量15kg，码6层，底层单箱承受上方5层共75kg。若纸箱抗压强度标注为8000N（约816kg），安全系数约10，看似充足；但实际堆码强度受湿度、堆码时间、印刷开孔影响，通常取标注值的30%～50%作为长期承载能力，即2400～4000N，安全系数降至3～5，仍可接受但需控制层数。若增加到8层，底层承压105kg，安全系数进一步下降，此时应改用交错式并加隔板，或降低单垛层数。

三、码垛模式设计方法

码垛模式设计本质上是“在托盘平面内排列工件，使层间形成咬合，同时满足机器人可达性和节拍要求”。常用模式包括：正交错缝式（每层旋转90°）、压缝式（上层压在下层接缝处）、风车式（四件围成风车形）、蜂窝式（桶装常用）。选择依据是工件长宽比、托盘尺寸和层数。

以1200mm×1000mm标准托盘、500mm×400mm纸箱为例，单层可排6箱（2×3），剩余边距100mm。若采用正交错缝式，奇数层2×3排列，偶数层旋转90°后变为3×2排列，层间形成十字咬合，抗倾覆能力显著提升。机器人码放时，每层需要示教6个放置点，奇数层与偶数层各一套点位，共12个点位。若节拍要求每小时600箱，即每6秒一箱，机器人需在6秒内完成抓取、移动、放置、返回，路径规划应尽量缩短层内移动距离，采用“S形”或“回字形”遍历顺序。

四、从工件分析到码垛参数的落地流程

实际项目中，建议按以下顺序推进：先测量工件三维尺寸和重量，再测定表面摩擦系数和抗压强度，然后根据托盘尺寸计算单层排列数和层数，接着选择码垛模式并校核稳定性，最后在机器人示教器中建立层点位和层间过渡点。对于袋装物料，还需在夹具上增加整形机构，在放置前将袋体压平，减少层高波动。对于桶装物料，应在托盘上先放置定位框或隔板，防止桶体滚动。

码垛模式确定后，还需在机器人程序中设置层计数和模式切换逻辑。例如用寄存器R1记录当前层数，奇数层调用P_ODD点位组，偶数层调用P_EVEN点位组，每层完成后R1加1，达到总层数后输出“垛满”信号，等待托盘更换。这样既保证垛型一致，也便于故障时从任意层恢复。