碼垛機器人常見故障及改善措施研究

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摘要：碼垛機器人在現代工業生產中發揮著重要作用，其高效、精準的性能極大地提高了生產效率和產品質量。然而，在長期運行過程中，碼垛機器人可能會出現多種故障，不僅影響生產效率，還可能導致產品質量下降。本文通過對碼垛機器人常見故障的分析，結合實際案例，深入探討故障產生的原因，并提出針對性的改善措施。研究結果表明，通過優化吸盤設計、增加儲氣罐、緊固信號線路、優化抓取動作設計、精確設置垛型參數、提升機器人運動精度以及解決循環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，從而提高生產效率和產品質量。

關鍵詞：碼垛機器人；常見故障；改善措施；案例研究

作者：欒博

陜西中煙工業有限責任公司延安卷煙廠

一

引言

碼垛機器人是自動化生產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。其主要功能是將貨物按照預設的規則進行堆疊，以提高倉儲效率和物流運輸的便利性。然而，在長期運行過程中，碼垛機器人可能會因各種原因出現故障，影響生產效率和產品質量。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、保障生產連續性、降低企業運營成本具有重要的現實意義。

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測狀態，任務完成后反饋數據至管理系統。其核心依賴于控制系統、機械結構、驅動與傳感系統之間的高效協同，實現從貨物識別到堆疊的自動化作業，系統重復定位精度可達±0.5mm，適用于多行業貨物碼垛場景。

2.應用場景

在煙草行業，碼垛機器人主要用于成品卷煙的入庫和出庫環節。入庫時，碼垛機器人從輸送帶抓取煙箱，整齊碼放在托盤上，支持動態調整和多規格煙箱處理，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，實現自動化搬運。通過與生產線、倉庫管理系統[2]集成，碼垛機器人提高了煙草行業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。本文系統梳理了各類典型故障的具體表現，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。

1.無抓取任務

碼垛機器人在運行過程中可能出現“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生移位，導致未檢測到托盤。

（2）煙箱計數錯誤：卷煙通道牌號下達失敗、進入通道的煙箱計數信息丟失、計數器損壞，或其他牌號卷煙誤入本通道時，均會導致煙箱計數錯誤，進而使得各通道任務分配指令陷入循環，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，系統將判斷抓取條件不滿足，從而不生成抓取任務。

（4）系統重啟：機器人因故重啟后，可能會出現托盤數據與實物數量不符的情況，導致系統無法正確識別當前任務狀態，進而導致無法正確執行抓取任務。

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，主要表現為機器人產生抓取動作后，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，或信號線路出現松動或破損，導致抓取反饋信號發出后未能傳輸至控制系統，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，主要表現為機器人在煙箱堆疊過程中出現位置偏差、傾斜、錯位等現象，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。具體表現為多余的動作、動作不流暢、缺乏靈活性等。

（2）垛型參數設置不精確與機器人運動精度問題：垛型參數[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。具體包括參數偏差、動態調整不足、程序設計缺陷、關節磨損、重復定位精度不足、機械振動等。

（3）循環煙箱[6]質量問題：循環使用的煙箱在多次使用過程中可能出現變形、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、氣缸狀態及系統數據等多個環節。因此，改善措施需從導致條件不滿足的原因入手，通過優化檢測、強化系統、做好維護及校準數據等方法，解決根本問題。具體措施如下：

（1）托盤到位檢測優化：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。

（2）煙箱計數系統優化：強化卷煙牌號切換過程的監控，保障切換成功；同時對計數系統進行升級，減少計數信息丟失的情況。

（3）氣缸維護與潤滑：按計劃對氣缸進行維護保養，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）系統重啟后的數據校準：機器人重啟后，及時對托盤數據進行校準，保證系統記錄數據與實物數量一致，防止數據不匹配引發無抓取任務。

實施效果：根據對某煙草工業企業的設備故障記錄的統計顯示，2024年4～6月實施上述措施后，無抓取任務故障次數降低為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的實地排查，發現故障主要源于壓縮空氣系統穩定性不足、夾具和吸盤性能下降、真空壓力開關工作異常三方面原因。基于此，從系統優化、部件維護、材料升級等維度制定了以下改善措施：

（1）壓縮空氣系統優化：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，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：某煙草工業企業在成品分揀入庫過程中，機器人抓取失敗故障頻發，通過對其物流中心維修班設備運行故障記錄統計顯示，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，該維修班經過與機器人生產廠家溝通，在月底檢修中采取了增加穩壓氣罐、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據分析與現場實地觀察，精準定位出三大核心誘因：機器人抓取動作存在冗余、垛型參數設置偏差且運動精度欠佳、循環煙箱本身存在質量缺陷。據此，分別從優化動作設計、校準參數精度、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）垛型參數設置與運動精度優化：用高精度工具測量煙箱參數并準確錄入程序；每月用高精度工具校準機器人關節，保障運動精度；增加動態調整模塊，依據傳感器數據自動修正垛型參數。

（3）循環煙箱質量問題改善：在循環煙箱進入生產線前，增加煙箱復檢環節，全面檢測尺寸、重量和外觀，修復或更換不合格煙箱；優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，跟蹤記錄每個煙箱的質量狀態。

表1 碼垛不齊改善對照表

實施效果：某煙草工業企業物流中心通過優化抓取路徑、優化垛型參數與運動精度及改善循環煙箱質量等措施后，機器人因碼垛不齊而產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。煙草工業企業物流中心2025年3～4月的數據對比參見表1。

五

預防措施

為了減少碼垛機器人故障的發生，提高設備的可靠性和生產效率，建議采取以下預防措施：

（1）定期維護保養：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、真空過濾器等，及時發現和處理潛在問題。例如，每班利用換班時間，對機器人吸盤和真空發生器濾網進行吹掃，每周對吸盤進行一次全面檢查，每月對氣壓系統進行一次檢修。

（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務人員協調解決。可在煙箱進入生產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。根據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

碼垛機器人在工業生產中發揮著重要作用，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，通過優化吸盤設計、增加儲氣罐、緊固信號線路、優化抓取動作設計、精確設置垛型參數、提升機器人運動精度以及解決循環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，提高生產效率和產品質量。同時，采取定期維護保養、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生，提高設備的可靠性和穩定性。

未來，隨著自動化技術的不斷發展，碼垛機器人將更加智能化、高效化。但在發展過程中，仍需持續關注其故障問題，不斷優化和改進技術和管理措施，以滿足工業生產的更高要求。

參考文獻:

[1]郭瑩.工業機器人手臂伺服電動機控制優化設計[J].中國機械,2025,(13):36-38,43.

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[4]王昌杰.工業機器人碼垛功能的設計與實現[D].華中科技大學,2017.

[5]孔思琦.工業機器人六軸運動控制中電子技術的精度提升探究[J].信息系統工程,2025,(05):

52-55.

[6]秦珅,姚剛,王長杰,等.提高煙箱箱裝質量的改進措施[J].物流技術與應用,2023,28(05):123-127.

[7]永發(河南)模塑科技發展有限公司.一種雙向可調節真空吸盤機器人專用夾具[R].河南: 永發(河南)模塑科技發展有限公司, 2022-10-25.

———— 物流技術與應用融媒 ————

編輯、排版：王茜

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