摘要：碼垛機器人在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用，其高效、精準的性能極大地提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量。然而，在長期運行過程中，碼垛機器人可能會出現(xiàn)多種故障，不僅影響生產(chǎn)效率，還可能導致產(chǎn)品質量下降。本文通過對碼垛機器人常見故障的分析，結合實際案例，深入探討故障產(chǎn)生的原因，并提出針對性的改善措施。研究結果表明，通過優(yōu)化吸盤設計、增加儲氣罐、緊固信號線路、優(yōu)化抓取動作設計、精確設置垛型參數(shù)、提升機器人運動精度以及解決循環(huán)煙箱質量問題等措施，可以顯著提高碼垛機器人的抓取成功率和碼垛整齊度，減少故障次數(shù)，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量。
關鍵詞：碼垛機器人；常見故障；改善措施；案例研究
一、引言
碼垛機器人是自動化生產(chǎn)線上不可或缺的設備之一，廣泛應用于物流、倉儲、煙草等行業(yè)。其主要功能是將貨物按照預設的規(guī)則進行堆疊，以提高倉儲效率和物流運輸?shù)谋憷浴Ｈ欢?，在長期運行過程中，碼垛機器人可能會因各種原因出現(xiàn)故障，影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量。因此，對碼垛機器人的常見故障進行分析，找出故障產(chǎn)生的根本原因，并制定科學有效的改善措施，對于提高設備運行可靠性、保障生產(chǎn)連續(xù)性、降低企業(yè)運營成本具有重要的現(xiàn)實意義。
二、碼垛機器人概述
1.工作原理
碼垛機器人的控制系統(tǒng)接收任務指令后，選擇路徑與抓取策略，通過光電傳感器、接近開關等定位貨物位置，利用真空吸盤或機械夾爪執(zhí)行抓取動作，由伺服電機[1]驅動機械臂按預設垛型將貨物堆疊至目標托盤。在此過程中，通過編碼器、力傳感器等校準位置并監(jiān)測狀態(tài)，任務完成后反饋數(shù)據(jù)至管理系統(tǒng)。其核心依賴于控制系統(tǒng)、機械結構、驅動與傳感系統(tǒng)之間的高效協(xié)同，實現(xiàn)從貨物識別到堆疊的自動化作業(yè)，系統(tǒng)重復定位精度可達±0.5mm，適用于多行業(yè)貨物碼垛場景。
2.應用場景
在煙草行業(yè)，碼垛機器人主要用于成品卷煙的入庫和出庫環(huán)節(jié)。入庫時，碼垛機器人從輸送帶抓取煙箱，整齊碼放在托盤上，支持動態(tài)調整和多規(guī)格煙箱處理，同時具備質量檢測與追溯功能。出庫時，碼垛機器人逐層拆垛，將煙箱放置到輸送帶，支持快速換型和庫存管理，還可搬運空托盤，實現(xiàn)自動化搬運。通過與生產(chǎn)線、倉庫管理系統(tǒng)[2]集成，碼垛機器人提高了煙草行業(yè)物流效率和倉儲管理水平。
三、碼垛機器人常見故障類型及原因分析
碼垛機器人在運行過程中存在三類典型故障：無抓取任務、抓取失敗，以及碼垛不齊。本文系統(tǒng)梳理了各類典型故障的具體表現(xiàn)，并深入探究其背后的根本原因，旨在為碼垛機器人故障的診斷與排除提供清晰的思路和依據(jù)。
1.無抓取任務
碼垛機器人在運行過程中可能出現(xiàn)“無抓取任務”的故障，即機器人因抓取準備條件不滿足而無法執(zhí)行抓取動作，造成入庫煙箱的堆積，如圖1所示。其原因主要包括以下幾點：
圖1 無抓取任務
（1）托盤未到位：鏈式輸送機發(fā)生卡滯導致碼垛組盤的托盤未到指定位置，或碼垛位的托盤到位檢測開關發(fā)生移位，導致未檢測到托盤。
（2）煙箱計數(shù)錯誤：卷煙通道牌號下達失敗、進入通道的煙箱計數(shù)信息丟失、計數(shù)器損壞，或其他牌號卷煙誤入本通道時，均會導致煙箱計數(shù)錯誤，進而使得各通道任務分配指令陷入循環(huán)，無法正常下達抓取任務。
（3）氣缸未歸位：機器人需在氣缸將煙箱推至設定位置后方可執(zhí)行下一步動作，若控制推板的氣缸因潤滑不良導致不能準確歸位，系統(tǒng)將判斷抓取條件不滿足，從而不生成抓取任務。
（4）系統(tǒng)重啟：機器人因故重啟后，可能會出現(xiàn)托盤數(shù)據(jù)與實物數(shù)量不符的情況，導致系統(tǒng)無法正確識別當前任務狀態(tài)，進而導致無法正確執(zhí)行抓取任務。
2.抓取失敗
抓取失敗是碼垛機器人在運行過程中最常見的故障之一，主要表現(xiàn)為機器人產(chǎn)生抓取動作后，吸盤在抓取煙箱的瞬間停止，或抓取后剛抬臂時煙箱掉落，如圖2所示。其原因主要包括以下幾個方面：
圖2 抓取失敗
（1）壓縮空氣壓力不足：碼垛機器人的抓取動作依賴于壓縮空氣提供動力，其氣壓的穩(wěn)定性和充足性對抓取效果至關重要。雖然工廠提供的氣壓通常能滿足碼垛機器人的最低要求（一般為0.3MPa），但在實際運行中，仍可能出現(xiàn)氣壓不足的問題，主要原因包括瞬間流量[3]不足、氣壓波動、管道泄漏等。
（2）夾具和煙箱接觸不良：吸盤的破損、老化、有異物以及煙箱不水平、煙箱破損或表面褶皺等引起的吸盤漏氣，導致真空壓力開關檢測值低于設定值，從而碼垛機器人的抓取成功反饋信號未產(chǎn)生。
（3）真空壓力開關損壞或接線松動：夾具上的真空壓力開關破損損壞，或信號線路出現(xiàn)松動或破損，導致抓取反饋信號發(fā)出后未能傳輸至控制系統(tǒng)，從而影響抓取動作的準確性和及時性。
3.碼垛不齊
碼垛不整齊是碼垛機器人的另一個常見故障，主要表現(xiàn)為機器人在煙箱堆疊過程中出現(xiàn)位置偏差、傾斜、錯位等現(xiàn)象，造成煙箱垛型不齊及煙箱縫隙過大等情況，如圖3所示。這不僅會影響煙箱的存儲和運輸，還可能導致煙箱倒塌，造成產(chǎn)品損壞和安全隱患。其原因主要包括以下幾點：
圖3 碼垛不齊
（1）抓取動作設計冗余：抓取動作設計冗余是指機器人在抓取煙箱時執(zhí)行了一些不必要的動作，這些動作會導致抓取過程不流暢，從而影響碼垛的整齊度。具體表現(xiàn)為多余的動作、動作不流暢、缺乏靈活性等。
（2）垛型參數(shù)設置不精確與機器人運動精度問題：垛型參數(shù)[4]的設置和機器人的運動精度[5]直接影響煙箱的放置位置，是導致碼垛不整齊的重要原因。具體包括參數(shù)偏差、動態(tài)調整不足、程序設計缺陷、關節(jié)磨損、重復定位精度不足、機械振動等。
（3）循環(huán)煙箱[6]質量問題：循環(huán)使用的煙箱在多次使用過程中可能出現(xiàn)變形、損壞或表面不平整等問題，導致機器人在抓取和放置過程中出現(xiàn)位置偏差，影響碼垛整齊度。
四、改善措施及實施效果
針對碼垛機器人運行中出現(xiàn)的無抓取任務、抓取失敗、碼垛不齊三類主要故障，我們分別制定并實施了針對性的改善措施，經(jīng)實際應用驗證，各類故障均得到有效控制，設備運行效率顯著提升。
1.無抓取任務故障改善措施及實施效果
無抓取任務故障，其核心問題在于抓取準備條件不滿足，涉及托盤到位、煙箱計數(shù)、氣缸狀態(tài)及系統(tǒng)數(shù)據(jù)等多個環(huán)節(jié)。因此，改善措施需從導致條件不滿足的原因入手，通過優(yōu)化檢測、強化系統(tǒng)、做好維護及校準數(shù)據(jù)等方法，解決根本問題。具體措施如下：
（1）托盤到位檢測優(yōu)化：定期檢查和調整托盤到位檢測開關的位置，確保其能精準識別托盤是否到位，避免因檢測失誤導致無任務觸發(fā)。
（2）煙箱計數(shù)系統(tǒng)優(yōu)化：強化卷煙牌號切換過程的監(jiān)控，保障切換成功；同時對計數(shù)系統(tǒng)進行升級，減少計數(shù)信息丟失的情況。
（3）氣缸維護與潤滑：按計劃對氣缸進行維護保養(yǎng)，定期添加潤滑油，解決因潤滑不足導致的歸位不準問題，確保氣缸動作精準。
（4）系統(tǒng)重啟后的數(shù)據(jù)校準：機器人重啟后，及時對托盤數(shù)據(jù)進行校準，保證系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)與實物數(shù)量一致，防止數(shù)據(jù)不匹配引發(fā)無抓取任務。
實施效果：根據(jù)對某煙草工業(yè)企業(yè)的設備故障記錄的統(tǒng)計顯示，2024年4～6月實施上述措施后，無抓取任務故障次數(shù)降低為1次，較1～3月（實施前）的12次減少了91.67%。
2.抓取失敗故障改善措施及實施效果
抓取失敗故障，通過對設備運行狀態(tài)的實地排查，發(fā)現(xiàn)故障主要源于壓縮空氣系統(tǒng)穩(wěn)定性不足、夾具和吸盤性能下降、真空壓力開關工作異常三方面原因?；诖?，從系統(tǒng)優(yōu)化、部件維護、材料升級等維度制定了以下改善措施：
（1）壓縮空氣系統(tǒng)優(yōu)化：安裝儲氣罐以增加氣壓儲備，保障抓取瞬間的氣壓流量；定期檢查維護氣壓管道、接頭和閥門，修復泄漏問題；制定每月檢查計劃，對氣壓表、儲氣罐等部件進行全面排查。
（2）夾具[7]和吸盤維護：制定科學的吸盤更換計劃，依據(jù)使用時間和磨損程度定期更換；定期清理吸盤表面雜物，檢查磨損與密封性能；選用高質量材料并優(yōu)化吸盤結構，增加與煙箱的接觸面積以提升吸力。
（3）真空壓力開關維護：定期檢查真空壓力開關的工作狀態(tài)，及時更換損壞部件；緊固信號線路接頭，確保絕緣層無老化破損；選用耐磨損、抗干擾的高質量信號線路，減少傳輸故障。
實施效果：某煙草工業(yè)企業(yè)在成品分揀入庫過程中，機器人抓取失敗故障頻發(fā)，通過對其物流中心維修班設備運行故障記錄統(tǒng)計顯示，2024年6月由此故障造成的機器人每班停止等待時間為42分鐘，嚴重影響了卷煙成品的入庫效率，該維修班經(jīng)過與機器人生產(chǎn)廠家溝通，在月底檢修中采取了增加穩(wěn)壓氣罐、更換破損吸盤、維護真空壓力開關等一系列措施后，7月份再未出現(xiàn)機器人抓取失敗故障，機器人每班的停止等待時間縮短為5分鐘，效率較6月份提高了740%，且極大減少了維修人員的勞動強度。
3.碼垛不齊故障改善措施及實施效果
為解決碼垛不齊的故障問題，團隊結合設備運行數(shù)據(jù)分析與現(xiàn)場實地觀察，精準定位出三大核心誘因：機器人抓取動作存在冗余、垛型參數(shù)設置偏差且運動精度欠佳、循環(huán)煙箱本身存在質量缺陷。據(jù)此，分別從優(yōu)化動作設計、校準參數(shù)精度、強化質量管控三個維度，制定了如下改善措施：
（1）抓取動作設計優(yōu)化：分析并簡化機器人抓取路徑，去除多余動作，垛型合格率明顯提高，組盤時間也顯著降低；通過視覺傳感器實時檢測煙箱信息，動態(tài)調整抓取路徑和力度；設計自適應抓取動作，適應不同尺寸和重量的煙箱。
（2）垛型參數(shù)設置與運動精度優(yōu)化：用高精度工具測量煙箱參數(shù)并準確錄入程序；每月用高精度工具校準機器人關節(jié)，保障運動精度；增加動態(tài)調整模塊，依據(jù)傳感器數(shù)據(jù)自動修正垛型參數(shù)。
（3）循環(huán)煙箱質量問題改善：在循環(huán)煙箱進入生產(chǎn)線前，增加煙箱復檢環(huán)節(jié)，全面檢測尺寸、重量和外觀，修復或更換不合格煙箱；優(yōu)化膠帶與煙箱的配合（如增加加壓滾輪），避免封箱導致的變形；建立煙箱質量追溯系統(tǒng)，跟蹤記錄每個煙箱的質量狀態(tài)。
表1 碼垛不齊改善對照表
實施效果：某煙草工業(yè)企業(yè)物流中心通過優(yōu)化抓取路徑、優(yōu)化垛型參數(shù)與運動精度及改善循環(huán)煙箱質量等措施后，機器人因碼垛不齊而產(chǎn)生的故障極大地減少，碼垛整齊度從3月的81.1%提升至4月的95%，平均組盤用時由3月份的12.35分鐘縮短至8.22分鐘，極大地提升了分揀線的入庫效率。煙草工業(yè)企業(yè)物流中心2025年3～4月的數(shù)據(jù)對比參見表1。
五、預防措施
為了減少碼垛機器人故障的發(fā)生，提高設備的可靠性和生產(chǎn)效率，建議采取以下預防措施：
（1）定期維護保養(yǎng)：定期檢查和維護碼垛機器人的關鍵部件，如吸盤、夾具、氣壓系統(tǒng)、真空過濾器等，及時發(fā)現(xiàn)和處理潛在問題。例如，每班利用換班時間，對機器人吸盤和真空發(fā)生器濾網(wǎng)進行吹掃，每周對吸盤進行一次全面檢查，每月對氣壓系統(tǒng)進行一次檢修。
（2）操作人員培訓：加強對操作人員的培訓，使其熟悉設備操作流程和注意事項，嚴格按照規(guī)范操作，減少因操作不當導致的故障。培訓內容可包括設備的基本原理、操作步驟、常見故障判斷及處理方法等。
（3）定期檢查煙箱質量：遇到煙箱不平整、膠帶不牢靠等問題及時溝通物資供應科業(yè)務人員協(xié)調解決?？稍跓熛溥M入生產(chǎn)線前設置專門的質檢崗位，對煙箱質量進行嚴格把控，確保投入使用的循環(huán)煙箱滿足要求。
（4）定期更換易損件：定期更換吸盤、夾具、真空過濾器等易損件，確保設備處于良好運行狀態(tài)。根據(jù)易損件的使用壽命和設備的運行情況，制定合理的更換計劃。
六、結論
碼垛機器人在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用，但其故障問題不容忽視。本文通過對碼垛機器人常見的無抓取任務、抓取失敗、碼垛不齊等故障類型進行深入分析，找出了故障產(chǎn)生的原因，并提出了針對性的改善措施。結合實際案例，驗證了這些改善措施的有效性。實施結果表明，通過優(yōu)化吸盤設計、增加儲氣罐、緊固信號線路、優(yōu)化抓取動作設計、精確設置垛型參數(shù)、提升機器人運動精度以及解決循環(huán)煙箱質量問題等措施，可以顯著提高碼垛機器人的抓取成功率和碼垛整齊度，減少故障次數(shù)，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量。同時，采取定期維護保養(yǎng)、操作人員培訓、定期檢查煙箱質量、定期更換易損件等預防措施，可以進一步減少故障的發(fā)生，提高設備的可靠性和穩(wěn)定性。
未來，隨著自動化技術的不斷發(fā)展，碼垛機器人將更加智能化、高效化。但在發(fā)展過程中，仍需持續(xù)關注其故障問題，不斷優(yōu)化和改進技術和管理措施，以滿足工業(yè)生產(chǎn)的更高要求。
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