基于IRobotSIM工業機器人上下料工作站仿真設計*

馮玉飛，鄧三鵬，祁宇明

(天津職業技術師范大學機器人及智能裝備研究院，天津 300222)

0 引 言

隨著德國工業4.0、美國工業互聯網及中國制造2025的提出，智能制造、自動化裝備等產業得到重點關注，我國制造業目前正在推進以提高產品質量和企業生產效率為目標的“機器換人”[1-3]，工業機器人極大地提高了五軸機床上下料效率，降低了人員安全事故的發生率，快速滿足工廠的大批量生產，提高了企業的市場競爭力[4]。

生產線節拍是影響著企業生產效率重要因素，在生產線投入進行前，通常需要耗費大量的人力和物力資源進行生產線節拍設計和調試，而且一旦訂單需求發生改變，又可能需要重新進行生產線節拍設計和調試，文獻檢索發現生產線的節拍分析多以工業機器人調試為主，仿真優化工具主要是RobotStudio和ROBO GUIDE，很少考慮到傳送帶、數控機床與工業機器人之間的協同設計[5-7]。

為提高工業機器人上下料工作站的設計效率，筆者通過對新設計的工作站進行全周期生產過程動態模擬和多視角觀察，得出單一工序的生產節拍，通過調節工業機器人和傳送帶的位置和運行速度，達到優化工作站空間布局和生產節拍的目的，解決了生產線現場調試周期長的問題[8-11]。

1 上下料工作站整體布局

工業機器人上下料工作站如圖1所示，主要包括工業機器人、末端執行器、五軸機床、毛坯件傳送帶、成品傳送帶和托盤等。工業機器人通過末端執行器夾持毛坯件和成品件；毛坯件傳送帶用于輸送毛坯件，成品傳送帶用于把托盤輸送至工業機器人放置成品件的位置，當托盤滿載后自動將滿載的托盤輸送至成品傳送帶末端，同時輸送下一個托盤。

圖1 工業機器人上下料工作站布局

2 搭建上下料工作站場景

在SolidWorks環境中設計工業機器人、五軸機床、傳送帶等組件的三維幾何模型，并將設計好的三維幾何模型以.stp格式導入IRobotSIM仿真環境中，通過拖拽三維幾何模型搭建工作站空間布局，建立工業機器人和五軸機床運動模型。

2.1 工業機器人運動模型建立

在IRobotSIM仿真環境中，將工業機器人合并為底座、末端執行器和運動軸(一軸、二軸、三軸、四軸、五軸、六軸)三大部分，在各運動軸旋轉中心位置安裝旋轉關節，并設置旋轉關節的運動最小行程、行程范圍和當前位置，按照從底座到六軸的順序拖動旋轉關節和運動實體，采用樹形結構建立各軸運動單元與旋轉關節的運動關系，如圖2所示；建立執行器末端點和目標點，采用DLS阻尼最小二乘法實現執行器末端點與目標點逼近運算。

圖2 工業機器人運動模型

2.2 五軸機床運動模型建立

將五軸機床合并為底座、防護門、機床夾具、機床X軸、機床Y軸和機床主軸，其中防護門、夾具、機床X軸、Y軸均屬于直線運動，機床主軸為連續旋轉運動；可以在防護門、機床夾具、機床X軸、Y軸的運動單元安裝平移關節，并設置平移關節的運動最小行程、行程范圍和當前位置模擬各單元直線運動，在機床主軸添加旋轉關節，并將旋轉關節設置為無限行程模擬主軸連續旋轉運動，五軸機床關節樹如圖3所示。

圖3 五軸機床關節樹

3 設定上下料工作站生產節拍

工業機器人上下料工作站仿真運行需要4個線性腳本同時驅動，通過線程腳本驅動各個運動單元按照設定的程序運動，實現從毛坯件到成品件的出料、上料、下料和收納動作仿真。線性腳本1的功能是將毛坯件輸送至工業機器人的抓取位置，同時觸發工業機器人抓取毛坯件；線性腳本2的功能是通過與工業機器人雙向通信確定毛坯件的位置，啟動五軸機床加工毛坯件程序，線程腳本1、2如表1所列。

表1 線程腳本1、2

線性腳本3的功能是工業機器人夾持毛坯件放置在五軸機床加工臺，將加工完的成品件放置在托盤中，完成2兩臺五軸機床輪流上料和下料；線性腳本4的功能是當托盤滿載后，成品輸送帶自動將托盤輸送至末端，同時輸送新的托盤，線性腳本3、4如表2所列。

表2 線性腳本3、4

4 上下料工作站仿真運行

在IRobotSIM的虛擬環境中真實地模擬工作站的生產加工動態過程，通過多視角觀察和碰撞檢測，驗證工作站空間布局的合理性，如圖4所示，并記錄單一加工節拍生產時間，如表3所示。

圖4 工業機器人上下料工作站多視角過程

表3 單一加工工位生產節拍

通過調整設備的位置坐標，對工作站的空間布局進行優化；毛坯件從檢測位置輸送到抓取位置時間為4 s，工業機器人運動到抓取位置為2 s，在抓取毛坯件過程中，工業機器人等待時間為2 s，通過調節傳送帶輸送速度和移動距離傳感器的檢測位置，將毛坯件從檢測位置輸送到抓取位置時間調整為2.1 s，工業機器人等待時間調整為0.1 s，降低了工業機器人上下料的等待時間。若要繼續提高上下料效率，可通過增加托盤輸送速度、毛坯件輸送速度，或提高工業機器人的運動速度來實現。

5 結 語

分別對工業機器人上下料工作站的組成、工作站場景的搭建、工作站生產節拍的設定以及工作站仿真分析四個方面進行了論述，在IRobotSIM仿真環境中，通過對工作站進行全周期生產過程動態模擬和多視角觀察，驗證工作站的可行性、可靠性，找到工作站前期研發設計可能存在的缺陷。通過調整工業機器人、傳送帶等設備的位置坐標，優化工作站的空間布局；通過調整工業機器人運行速度、傳送帶輸送速度以及毛坯件投放周期等生產參數，優化工作站的生產節拍，加快了生產線調試和迭代更新速度，為生產線建設或者工藝改進提供了新的智能解決方案。