3. 码垛工艺与垛型设计基础

码垛不是把箱子一层层往上堆那么简单。对UR协作机器人码垛系统而言，垛型设计直接决定了机器人末端需要走什么轨迹、抓取节拍能否达标、整垛在搬运和仓储中是否稳定。本节围绕“层、列、行、交错、旋转、混合垛型”六个基本概念展开，并说明纸箱、袋装、桶装三类典型物料的码垛要求。

一、层、列、行：垛型的三个基本维度

在码垛工艺中，层（Layer）指同一水平高度上所有物料的集合，是机器人一次完整铺放循环的产物；行（Row）指沿某一方向排列的一排物料；列（Column）指垂直于行方向的排列。以常见的600mm×400mm纸箱、托盘尺寸1200mm×1000mm为例：沿托盘1200mm方向放3箱（3×400=1200），沿1000mm方向放2箱（2×600=1200，超出1000），实际需调整为2箱（2×400=800）或旋转后放2箱（2×600=1200，仍超出）。因此单层常设计为“3×2”或“2×2+旋转补位”的组合。

层与层之间可以完全对齐（同层同向），也可以交错或旋转。对齐垛型编程简单、节拍快，但层间咬合弱；交错和旋转能显著提升整垛抗倾覆能力，代价是机器人需要额外的旋转动作和更复杂的路径规划。

二、交错与旋转：稳定性的来源

交错（Interlock）指相邻两层在水平方向上错开半个物料宽度，使上层物料的接缝不落在下层接缝的正上方。以纸箱为例，若第1层为3列×2行，第2层整体沿行方向偏移200mm（半个箱宽），则上下层接缝错开，整垛形成“砖墙式”咬合。交错量通常取物料宽度的1/3～1/2，过小起不到咬合作用，过大则边缘悬空、底层受压不均。

旋转（Rotation）指同一层内部分物料绕竖直轴旋转90°或180°后放置。旋转常用于两种情况：一是托盘尺寸与物料尺寸不整除时，用旋转件填补边角空隙；二是整层旋转90°形成“旋转层”，与相邻层形成交叉咬合。旋转层对机器人末端工具的要求更高，需要确认吸盘或夹爪在旋转后仍能可靠抓取，且旋转中心与物料重心尽量重合。

三、混合垛型：同一托盘上的多种排列

混合垛型指同一托盘上存在两种或以上不同的层排列方式，常见形式包括：

• 同层混合：一层内既有正向箱也有旋转箱，用于填满托盘边角；
• 层间混合：正向层与旋转层交替，形成交叉咬合；
• 分区混合：托盘划分为两个区域，分别码放不同规格或不同方向的物料。

混合垛型的编程复杂度明显高于单一垛型。以UR机器人为例，需要在程序中对每一层单独定义放置点阵列，并确保层与层之间的过渡不产生碰撞。建议在PolyScope中为每一层建立独立的“层程序”，用变量控制层号、旋转角度和偏移量，避免逐点硬编码。

四、三类物料的码垛要求

纸箱是码垛中最常见的物料。纸箱码垛的核心要求是“不压溃、不鼓包、不滑移”。设计时需确认纸箱的抗压强度（通常以堆码强度BCT表示），并据此限制最大堆码层数。例如某三层瓦楞纸箱BCT约为3500N，单箱重量8kg，安全系数取3，则允许堆码层数约为3500/(8×9.8×3)≈14层，实际取10～12层留余量。纸箱表面摩擦系数低时，交错层和旋转层尤为必要。

袋装物料（如面粉、饲料、化工粉料）具有流动性，码垛后袋体易变形、垛型易塌陷。袋装码垛通常采用“压缝”方式：每层袋子相互压住上一层的接缝，且整垛呈梯形收口，底部宽、顶部窄。袋装物料不宜使用吸盘，多采用夹爪或托板式末端工具。码放时需保证袋口朝向一致，避免袋口外露导致整垛松散。

桶装物料（如涂料桶、润滑油桶）通常为圆柱形，码垛方式与箱、袋差异较大。桶装码垛分为“立放”和“卧放”两种：立放时桶底承压，适合刚性桶，层间可加隔板；卧放时桶身承压，适合需要节省高度的场景，但必须加装层间隔板防止滚动。桶装垛型多为“蜂窝式”或“矩形阵列”，蜂窝式排列密度高但编程复杂，矩形阵列简单但稳定性稍差。UR机器人抓取桶装物料时，末端工具需根据桶径和重量选择抱夹式或托底式。

五、垛型设计检查要点

完成垛型设计后，建议按以下要点复核：

• 托盘尺寸与物料尺寸是否匹配，边角余量是否超过物料宽度的1/4；
• 最大堆码层数是否在物料抗压强度允许范围内；
• 交错层或旋转层的设置是否覆盖了整垛高度的1/3以上；
• 机器人末端工具在旋转和交错放置时是否存在干涉或碰撞风险；
• 整垛重心是否落在托盘中心区域，偏心率是否可控。

掌握层、列、行、交错、旋转和混合垛型的基本规则后，下一步需要把这些规则转化为UR机器人可执行的放置点阵列和运动路径。垛型设计是编程的输入，编程是垛型设计的落地，两者必须保持一致。