基于RobotStudio的機器人分類碼垛工作站設計

程丙南，郭 俊，梅志松，李艷軍，王 陳

(蕪湖安普機器人產業技術研究院有限公司，安徽 蕪湖 241007)

在工業生產中，存在著大量重復性動作，例如組裝、搬運、打包等。隨著人力成本的日漸增加，工業機器人越來越多地被應用于這些場合，尤其是碼垛作業[1]。

碼垛大多為工業生產的后道工序，產品種類多，體積、重量較大，導致人工作業效率低、危險性高。將工業機器人用于碼垛工序，使其按照預先設定的碼垛方式，逐個逐層將各種產品從生產線上取走，分類擺放在規定托盤或其他載體上，無需人工操作，極大地提高了效率和安全，降低了生產成本[2]。

對于碼垛機器人，若使用示教再現的現場編程方式，則存在精度低、效率低、后期改動維護復雜等問題。所以，為提高編程效率，使編程者遠離危險的工作環境，改善編程環境，機器人虛擬離線編程逐漸被廣泛應用[3]。但在很多情況下，離線編程未能很好地考慮實際情況，例如速度、垛型等問題。其基本思想是利用離線仿真技術，構造虛擬機器人及其工作環境；在虛擬模型中引入機器人和場景，同時操作者能夠操縱機器人在場景中移動，可以選擇不同的觀察角度，從不同的側面觀察機器人的運動情況；可以在計算機屏幕上引導虛擬機器人末端執行器運動，進行虛擬在線示教，產生機器人作業軌跡，由此生成機器人語言程序，將編輯好的程序保存在PC機上，并傳送給機器人控制器。

本文以四自由度關節型機器人IRB660為研究對象，運用SolidWorks軟件建立碼垛工作站的三維實體模型，導入RobotStudio，再利用Smart組件設置動態效果[4]，并進行仿真，為機器人編程和調試提供安全靈活的環境，提高編程效率，指導現場生產，在一定程度上提高了現場操作人員的安全性，減輕了現場調試的工作量。

1 分類碼垛工作站設計思路

整體思路如圖1流程圖所示。工作站中的物體模型利用SolidWorks繪制，機器人模型由RobotStudio創建，二者共同組建工作站硬件部分；產品在傳送帶上運行及信號傳遞的仿真效果，則由Smart組件負責；機器人程序與Smart組件共同構成工作站的軟件部分。

圖1 設計流程圖

1.1 工作站結構

工作站總覽如圖2所示。主體機器人型號為IRB660；碼垛盤和機器人底座、夾具均用SolidWorks繪制；輸送鏈、控制柜、示教器、安全圍欄均來自RobotStudio自帶部件庫。其中，夾具需要添加工具屬性，創建工具坐標系，使其能被RobotStudio識別為工具，并通過拖動安裝至機器人法蘭盤上，控制柜、示教器、安全圍欄僅作為圖形，不參與仿真。

圖2 工作站總圖

1.2 動態設計

目前，大多同類設計采用的是，產生一個物體，機器人將其搬走，再產生下一個物體，這與實際嚴重不符。所以，本工作站設計物體連續產生，且種類隨機。那么，則存在當輸送鏈前端產生物體模型時，控制產生此物體模型的信號并不能立即發送至機器人，而是在物體到達輸送鏈末端時，才向機器人發送對應信號。所以，產生物體模型和向機器人傳送信號的動作不是同步進行，即連續產生了多個物體模型后，第一個物體模型才到達輸送鏈末端。因此，當Smart組件發出信號，產生物體模型時，要鎖存此信號，并在需要時發送至機器人。為解決此問題，本文采用動態設計。工作站動態設計為Smart組件的編制，主要有兩部分：一是隨機產生兩種不同物體模型，二是向機器人發送物體對應信號[5]。

2 分類碼垛工作站設計流程

2.1 建立模型

用SolidWorks繪制機器人底座、夾具、托盤模型，保存為STEP格式，然后導入RobotStudio，由于本文著重介紹工作站設計，對SolidWorks建模不做贅述。需要注意的是，將機器人夾具模型導入后，由于后續坐標系建立及Smart組件編輯需要，必須對其進行設置，將其設定為系統可以識別的工具，可以直接安裝到機器人六軸法蘭盤上。

2.2 工作站搭建

第一步，修改機器人底座的本地原點，將底座原點修改至頂部合適位置，這樣即可通過拖動直接將機器人安裝至底座上；第二步，打開機器人工作空間顯示，將兩個托盤排放至合適位置；第三步，從RobotStudio自帶的模型庫中，導入輸送鏈模型，為了仿真更接近實際效果，使輸送鏈上可以同時存在多個物體，導入了兩個模型，并進行拼接，再結合機器人工作區域，擺放至合適位置，如圖3所示。至此，已完成工作站設計必要硬件部分的搭建[6]。

圖3 工作站必要硬件部分圖

2.3 Smart組件編輯

2.3.1準備工作

仿真中，Smart組件整體邏輯為：仿真開始后，產生一個物體模型，顏色隨機，紅色或藍色(代表兩類不同產品)；該物體模型從輸送鏈前端往機器人方向運動，當一個物體模型移動一段距離后，產生下一個物體模型，這樣依此類推，達到傳送帶運送產品的仿真效果，且每次產生的物體模型是隨機的，即不確定紅色還是藍色，這樣模擬實際生產效果。最后，當物體模型移動到輸送鏈末端時，所有物體模型暫停運動，并向機器人發送對應信號，機器人控制工具移動至設定位置，抓取物體模型，將其擺放至設定位置，其中，工具抓取、松開物體模型的動作，也是由Smart組件完成。

2.3.2隨機產生兩種不同物體模型

利用Smart組件中的“生成隨機數”組件，結合判斷大小的組件，即可實現隨機產生兩種信號的組件結構，如圖4所示。之后，在將這兩個信號接入Source組件，產生模型復制體，模擬產品連續進入輸送鏈的效果。

圖4 產生兩種不同物體模型Smart組件邏輯原理圖

2.3.3物體運動及信號傳遞

前文提到，利用Source組件產生模型復制體。但是，由于復制體不止一個，需要將Source組件產生的復制體添加至Queue組件中，再利用LinearMover組件，使這些復制體沿直線運動，模擬產品在輸送鏈上運動的效果。

利用PlaneSensor組件(面傳感器)來傳遞信號，如圖5所示。當工作站開始運行時，只有第一次產生模型復制體的信號由仿真組件給出，之后，利用1號面傳感器的下降沿信號，觸發產生模型復制體；當復制體運動到輸送鏈末端，觸發8號面傳感器時，再把此復制體對應的信號傳給機器人；所以，產生一個模型復制體的信號，需要利用2次，因此要用多個面傳感器，結合LogicSRLatch組件和LogicGate組件，將信號保持并傳遞下去，圖6表示了復制體經過1號、2號面傳感器時的信號保持及傳遞，第3至7號面傳感器同理。

圖5 面傳感器布局圖

圖6 面傳感器信號傳遞圖

2.3.4機器人抓取、松開動作

抓取、松開動作所需的組件為Attacher和Detacher組件。將LineSensor組件(線傳感器)安裝到夾具中心，當復制體移動到輸送鏈末端，機器人接收到產品信號后，則激活線傳感器，同時，末端復制體觸發線傳感器，激活Attacher組件，實現夾具抓住物體的效果；當機器人將物體移動至設定位置時，機器人取消激活線傳感器，利用此信號激活Detacher組件，實現夾具松開物體的效果[5]。

2.4 機器人I/O信號設定

機器人的標準I/O板提供的信號有數字輸入DI、數字輸出DO、模擬輸入AI、模擬輸出AO。I/O板是下掛在DeviceNet現場總線下的設備，此處采用DSQC651板，設定地址為10，連接總線為DeviceNet。碼垛工作站I/O信號如表1所示[8]。

表1 機器人I/O信號

2.5 RAPID編程

碼垛程序編寫思路：示教基準點、計算擺放偏移量。碼垛程序編寫主要示教點：起始點、抓取基準點、擺放基準點(兩個)、過渡點。不同于大多碼垛工作站，將產品緊密擺放，本項目為了接近實際效果，模型之間留出空隙；將模型的一個面設置為白色，代表實際生產中粘貼產品信息的位置。所以，碼垛時這一面始終對著外面，利用過渡點進行姿態調整，奇數層和偶數層的垛型如圖7a、b所示[9]。

圖7 垛型及基準點圖

以圖7c圈中基準點為原點建立工件坐標系，所有產品的擺放位置，即相對于基準點的空間坐標，將由此點偏移計算得出。圖中標注了XY軸正方向，Z軸正方向為豎直向上。許多碼垛項目采用物體頂點進行偏移計算，存在無法兼容多種不同尺寸產品的問題，所以，這里使用物體的中心點，結合其長寬高數據，可以使偏移計算公式，適用任意尺寸，計算得出各點坐標如表2所示。

表2 各碼垛點坐標

需要注意的是，由于每層的第二個物體相對于第一個物體，均需要旋轉180°，而機器人編程時，旋轉180°無法確定方向，不能直接使用軸運動指令旋轉，所以需要拆分成兩次旋轉，每次旋轉90°。

最后，設計復位程序，利用CRobT指令讀取當前位置，再改變其Z軸坐標值，即可實現豎直向上移動，最后移動到Home點，完成復位。比起許多設計中采用的過渡點復位法，這種復位方法，在實際中可以有效避免機器人碰撞周圍物體，更加安全、高效。

2.6 工作站整體邏輯設定

機器人系統與Smart組件的I/O邏輯連接，即為工作站邏輯設定，如圖8所示。

圖8 工作站邏輯圖

3 仿真模擬

完成上述設定，進行仿真模擬，期間效果如圖9所示。當某一托盤滿垛(8層、每層5個)，仿真會自動停止并復位。效率上可達到10 s碼垛一個產品，足以滿足實際生產中的需求。

圖9 仿真模擬圖

4 總結

本文根據工業實際生產情況，用SolidWorks繪制所需模型，在RobotStudio中選擇合適的四自由度工業機器人，搭建一個自動化碼垛工作站。為了更加貼近實際，利用Smart組件，對被碼垛物體的種類進行設定；再通過編程、工作站邏輯設定，實現全自動碼垛仿真。

與大多碼垛工作站設計相比，本工作站設計更加貼近實際效果，在仿真中實現了產品連續、種類隨機、垛型合理；在程序設計上，示教點極少，程序精煉，效率高。

該設計為實際生產中碼垛機器人編程提供了可靠的思路、方法，但存在實際生產中，坐標系建立及碼垛位置偏移方向達不到理論精度的問題，因此程序無法直接套用至實際項目中。所以，優化程序、路徑等內容將作為后續的研究目標。

簡而言之，仿真設計是為了方便現場調試，減少工程師任務量，降低調試危險度，提高編程效率；同時，使工業機器人在碼垛作業上的應用更加便捷、廣泛、安全、可靠。