基于ROBOGUIDE的多功能機器人工作站設計與仿真

李向陽， 王俊

（1.南京康尼電氣技術有限公司，南京210038；2.南京農業大學，南京210095）

0 引 言

目前工業機器人作為現代工業的三大支柱之一，已在汽車制造、電子電氣、橡膠塑料、冶金、鑄造、食品、化工、玻璃、家電、煙草等行業領域被廣泛用于焊接、噴涂、搬運、涂膠、碼垛、裝配等[1]。Roboguide是日本FANUC工業機器人專用仿真軟件，能夠實現機器人系統布局設計和機器人動作模擬仿真功能，也可以對機器人動作的干涉和工作范圍進行分析，同時還能夠生成機器人離線程序等。本文利用Roboguide9.1仿真平臺，構建了多功能機器人工作站，并對工作站功能進行仿真分析，仿真結果驗證了工作站布局和各功能模塊設計的合理性。

多功能機器人工作站的功能要求是通過在快換工具庫內更換不同功能的子抓手工具（多功能工作站設計有單吸盤工具、示教工具、氣爪工具3種），配合不同的功能模塊實現在同一個功能平臺上的工件傳輸與搬運、軌跡規劃、碼垛、裝配等功能。

1 多功能機器人工作站仿真模型的設計開發及處理

本文仿真構建的多功能機器人工作站主要由基礎功能平臺、FANUC六自由度LR Mate 200iD-4S工業機器人、快換工具庫、工件傳輸與搬運模塊、軌跡規劃模塊、碼垛與裝配模塊等功能模塊組成。工作站以LR Mate 200iD-4S工業機器人的工作范圍R=550 mm為參考，確定各功能模塊在機器人周圍的初始布局。

通過三維設計軟件，如SolidWorks、UG等依據工作站將要實現的功能，參考機器人的工作范圍進行各功能模塊的尺寸大小和功能設計，設計完成后對每個功能組件進行預處理以方便導入Roboguide仿真平臺。預處理時，首先將每個功能組件處理為組件固定部分、工件及運動零件或組件（如氣缸伸縮運動時的推桿及連接推塊）3部分，再以其底面幾何中心為原點設定為右手直角坐標系，最后分別單獨存儲為仿真平臺能夠識別的IGES、STL等格式。

2 構建多功能機器人工作站仿真平臺

Roboguide仿真平臺包括建模、布局、編程、仿真四大模塊，通過使用虛擬機器人控制技術來仿真模擬實際機器人作業[2]。下面將在前述已預處理的三維模型基礎上，進行工作站仿真平臺的搭建。

2.1 新建New Work Cell并導入與實際配套的機器人

雙擊已安裝好的“ROBOGUIDE”圖標，按步驟依次選擇“New Cell”、“HandlingPRO”（搬運功能），在Name后輸入框內輸入“多功能機器人工作站”，選擇“Create a new robot with the default HandlingPRO config.”，再選擇最高版本V9.1，再選擇與實際機器人對應的“LR HandlingTool(H551)”，再選擇與實際機器人對應的型號“Robot H754 LR Mate 200iD/4S”，再添加附加設備項目，如不添加額外的機器人或變位機，直接下一步添加各種應用類型內的軟件功能“Software Options”，可以添加附加軸控制、碼垛、伺服槍設置、視覺等功能，本示例選擇默認，在“Languages”選擇“English Dictionary”后按下一步，最后按“Finish”完成生成仿真環境。

2.2 添加功能組件構建多功能機器人仿真平臺

依據三維軟件中各功能組件的布局，在仿真環境內的不同目錄內添加已預處理好的三維模型，由于Roboguide仿真平臺是采用運動零件或部件的顯示與隱藏控制來實現工件的運動或抓取的，因此要在所有需要的位置添加工件并設置相關參數。構建多功能機器人仿真平臺的布局參考及仿真平臺如圖1所示。

圖1 多功能機器人工作站仿真平臺和初始布局

1）Parts目錄，添加工件，與其它功能模塊關聯使用。用鼠標右擊Parts，選擇Add Part→Single CAD File，在三維模型放置目錄選擇快換工具庫所對應的單吸盤工具、示教工具、氣爪工具，工件傳輸與搬運模塊對應的工件，軌跡規劃模塊對應的校準尖錐，碼垛與裝配模塊的工件及包裝用盒蓋等進行添加，并在設置選項卡的Mass設定參考質量，在Scale設定比例（本文全部設定為1）。

2）Fixtures目錄，添加程序執行時固定不動的設備組件。用鼠標右擊Fixtures，選擇Add Fixture→Single CAD File，在三維模型放置目錄選擇基礎工作臺架和軌跡規劃模塊進行添加，并在設置選項卡的Location內設置位置和角度。

3）Machines目錄，添加程序執行時需要運動的設備組件。同Fixtures目錄的添加設備，用鼠標右擊Machines添加快換工具庫、工件傳輸與搬運模塊、碼垛與裝配模塊，其中添加快換工具庫和碼垛與裝配模塊后需要在模塊設置選項Parts內添加相應的工件，并在Parts選項內的Part Offset選項設定每個工件的相對位置。在工件傳輸與搬運模塊則需要用Link方式設計自動落料、氣缸頂出、皮帶傳輸3個運動零件，設置Link方式時，先在LinkCAD選項內，CAD File選擇對應文件路徑的工件，LocationAxis Origin設置工件在功能模塊內的相對位置，Scale設置尺寸；在General選項，設置工件的移動方向；在Motion選項內，Motion Control Type 設置控制方式為Device I/O Controlled，Axis Type設置運動方式為Linear（直線），設置適當的運動速度，Inputs選項的Output Dev（控制方式）設置為Robot Controller1，IO Tag設置為機器人控器的對應I/O標簽，Value選擇ON或OFF，Location在Value為ON時設置為工件移動的終點位置（長度值），在Value為OFF時設置為工件回退位置（為0），同理，在Outputs選項設置相應標簽并設置相應的Value和Location值；在Simulation選項內，對會被抓取或放置的工件選中Allow part to picked和Allow part to be placed，同時設置時間為0sec。

4）Obstacles目錄，添加障礙物，可將圍欄、控制器等與機器人動作無關的設備添加在此目錄內。在本仿真平臺內，同Fixtures目錄的添加設備，添加機器人控制器、示教器、示教工具尖錐等并設置相對位置。

5）機器人末端工具的添加。多功能機器人工作站的末端工具分為母側和子抓手，添加和設置手爪的過程中需要用到的選項卡為General、UTOOL、Parts和Simulation。添加時依據編程設定UT：1（搬運吸盤）、UT：2（碼垛吸盤）、UT：3（碼垛氣抓）、UT：4（軌跡工具），如圖2所示。

圖2 多功能機器人工作站的末端工具設置

6)機器人Dressout目錄添加。機器人本體上Dressout目錄添加的主要有底座、管線支架和管線等。在仿真平臺Dressout目錄中添加機器人底座。

3 多功能機器人工作站離線編程與仿真驗證

Roboguide仿真平臺編寫機器人程序時，可利用其提供的Move To功能快速移動到目標點，同時在實際操作機器人時是通過PLC或機器人控制信號來控制電磁閥實現氣缸動作的，仿真則需要通過Simulation Program模擬程序來實現動作。編程模擬程序的操作方法為：先右鍵點擊目錄中的Programs，再選擇Add Simulation Program，然后彈出命名窗口，確定程序名字后點擊確定，最后彈出Simulation Program Editor編輯程序窗口。在編輯窗口的Rrecord菜單下是插入運動指令功能，Forward是執行當前指令功能，Inst菜單下的Pickup和Drop是抓取和放下工件功能，其它是插入其它指令功能。對軌跡規劃模塊編寫的仿真程序如圖3所示，通過執行程序發現，機器人在動作過程中出現多次MOTN-023報警（姿態有奇異點報警），經多次驗證后發現是因為所設計機器人末端示教工具子抓手角度設計不合理所致，把現有彎曲角度45°改為30°，再次驗證后問題得到解決。對其它功能模塊進行同理驗證，修改或調整不合理設計。

圖3 軌跡規劃模塊仿真程序

4 結 語

通過對多功能機器人工作站仿真平臺進行仿真分析，在工作站實施加工制造前，對不合理之處進行修改調整。設備制造完成后，直接導入局部處理的仿真程序，其執行結果與仿真結果基本一致，為設備安裝、調試及盡快投放市場節省了時間和成本[3]。其仿真程序經局部處理后可在機器人本體上直接執行，有助于工業機器人的教學和培訓，減少了因失誤或操作不當而造成的設備硬件損壞。