1.目的与意义

1.1选题的目的与意义

传统意义上的码垛是指将一个个独立的物料通过特定的模式堆码成垛，从而便于机器对物料进行搬运、输送、卸料、存储等操作^［1］。 八十年代以前，工业自动化技术低下，科技落后，此时码垛多数采用的是人工堆垛的方式。人工堆垛简单来说就是通过人力对袋装的货物进行一件件的堆垛，从装料、搬运至卸料完全依靠人力劳动进行。这种堆码方式吞吐量小，效率低下，对劳动力要求高，从而增加了企业的用人成本，除此之外不同工人身体素质强弱不一，生产节拍不固定，每小时码垛的吞吐量都不确定，导致只能大概预估生产周期，整个生产线系统柔性低，偶有无法保证按预期生产计划完工的状况出现^[2]。八十年代以后，随着日本、美国等国家将机器人技术运用于码垛工艺后，自动码垛的研究得到了飞速的发展^[3] 。码垛机器人凭借其结构紧凑，占地面积小以及能够处理多种物料同时堆垛等复杂情况的能力，得到了越来越多的企业的青睐并迅速打开了工业码垛的市场^[4]。时至今日，码垛机器人已广泛应用于物流作业^[5]。我国作为传统的工业大国，工业一直是立国之本，实现高度自动化、智能化则是现阶段我国工业的发展转型的目标。无论是下到柴米油盐等轻质量的生活日用品的包装堆垛，还是上到各种家用电器、建筑材料的搬运输送，都需要通过码垛机器人进行高效率的码垛才能保证生产线的生产水平始终处于一个较高的状态。

目前国际的码垛机器人市场主要被欧洲、日本的机器人公司所垄断，国内厂制造的码垛机器人在中国的市场占有率不足10%^[6]。而国内市场中，我国码垛机器人的结构形式主要有直角坐标型、关节型两种形式^[7]。直角坐标型码垛机器人具有控制简单、定位精度高等优点，但其占据的空间比较大、工作范围相对较小。相较于直角坐标型机器人，关节型码垛机器人结构更加紧凑，作业范围大，机构运动灵活，能够满足现代化的码垛要求，应用更加广泛，但其承载力相对较小，承载货物的范围也小。

本次毕业设计提出对关节型袋装码垛机器人的结构进行优化设计，将大大提高其整体结构的刚性、承载力以及工作范围，使袋装码垛生产线柔性大大增强，而这契合我国工业未来发展的方向。因此本次毕业设计具有非常重要的工程应用价值和实际意义。

1.2国内外研究现状

从1959年由恩格尔伯格发明的第一台机器人以来，机器人的发展相当迅速，它是自动执行分配给它的工作^[8]，可以在人类的操作下工作，也可以按照预先编写好的程序代码独立工作，其终极目的就是代替人类去完成一些机械性、重复性或存在重大安全隐患的工作^[9]。而码垛机器人就是代替工人完成搬运批量工件的一种机器人，比如在可口可乐生产线上，数以万计的可乐被装箱包装好后运输至仓库暂时存储，这些搬运过程在过去都是使用人力来完成搬运工作，使用人力不仅生产效率低下，而且会大大增大企业的用人成本，因此码垛机器人顺势而生。

码垛机器人技术在国外起步较早，瑞典和日本是最早将工业机器人应用于码垛技术的两个国家。1974年，ABB公司研发出了全球第一台全电控式工业机器人^[10]。随着技术累积，最近ABB公司研制出了全球速度最快的紧凑型四轴码垛机器人ABB-IRB460（图2-1）。在工作节拍方面，每小时最快可以达到2190次，工作空间的直径达到2400mm，在运行速度方面，较相同类型的机器人提升了15%左右，在占地面积方面，只是同类机器人的4/5，在工厂狭小空间内的高速作业，ABB-IRB460将更加适用^[11]。日本安川公司紧随ABB公司，从1977年研制出第一台全电动工业机器人到现在，已经在全球范围内生产了13万多台机器人。其旗下MP系列（图2-2）就是专门应用于码垛作业的，其中OTOMAN-MPL160码垛机器人最大负载为160kg,最大工作半径为3159mm，最大码垛高度为2623mm，最大工作速率为1650循环/小时^[12]。除了ABB公司和安川公司，全球知名的码垛机器人供应商还有：日本发那科（FANUC）、不二越、德国的KUKA等。其中日本发那科（FANUC）^[13]码垛机器人（图2-3）的主要型号有：CR-35iA、M-410Ib/450、M-410Ic/185、M-710iC/50H、M-900iB/400L、R-2000Ib/100H等。那智(NACHI)不二越公司的LP系列4轴码垛机器人LP130/180/210（图2-4）具有占地面积小、操作便捷、高速码垛、装载方式自由灵活的特点。其中LP130型机器人的工作速度在搬运130kg重量的物体时可达1500次/h^[14]。德国KUKA机器人公司旗下的Titan系列（图2-5）是目前市场上功能最为突出的机器人，主要应用于包装及筛选，承载能力可以达到1300kg，最大作用范围3202mm，重复定位精度也能达到±0.2mm。当KUKA机器人长时间处于待机状态时，其伺服系统就会自动关闭，降低运行功耗，减少运行成本。同时KUKA机器人配有助力弹簧，用于降低驱动电机负载，提高机器人的承载能力。