機器人上下料系統(tǒng)仿真設(shè)計*

□ 王衛(wèi)華 □ 李 林 □ 曾俊皓 □ 黃靜怡 □ 雷 鳴

1.廣東白云學院 機電工程學院 廣州 510450 2.蘇州大學文正學院 江蘇蘇州 215104

1 設(shè)計背景

工業(yè)機器人代替人工的生產(chǎn)方式是目前智能制造行業(yè)發(fā)展的主要趨勢,可以實現(xiàn)高效、穩(wěn)定、精確生產(chǎn),自動化程度高,具有很強的適應性[1-6]。由此可見,對工業(yè)機器人系統(tǒng)進行研究極其重要。

目前,對機器人上下料系統(tǒng)仿真設(shè)計的研究較為有限。李玉爽等[7]對機器人與數(shù)控機床上下料系統(tǒng)進行了仿真,以驗證機器人選型的合理性。高茂源等[8]對上下料機器人的性能參數(shù)進行實時調(diào)整,獲得了最優(yōu)的機器人作業(yè)性能參數(shù)與生產(chǎn)節(jié)拍。陸晨芳等[9]設(shè)計了一套自動上下料工作站,實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的自動化與無人化。

筆者以水龍頭上下料生產(chǎn)線為研究對象,利用IRB 120六自由度關(guān)節(jié)型機器人在流水線上對水龍頭進行上下料操作,對機器人上下料系統(tǒng)進行仿真設(shè)計。在設(shè)計中,應用SolidWorks軟件構(gòu)建機器人上下料系統(tǒng)各部件的三維模型,導入RobotStudio軟件對空間布局進行規(guī)劃,以構(gòu)建雙工位生產(chǎn)線,并進行仿真。

2 系統(tǒng)總體布局

機器人上下料系統(tǒng)由工業(yè)機器人、輸送裝置、可編程序控制器和其它外圍設(shè)備組成。系統(tǒng)以可編程序控制器為控制核心,對外圍設(shè)備與工作機器人等裝置進行連接與管理,實現(xiàn)工業(yè)機器人與其它設(shè)備的配合工作。在機器人上下料系統(tǒng)中,選用IRB120機器人,具有緊湊、敏捷、輕量化等特點,可快速拾取、組裝零件。應用SolidWorks軟件和RobotStudio軟件構(gòu)建的機器人上下料系統(tǒng)布局如圖 1所示。

3 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)的工作流程如下:輸送線1、2分別將底座和手柄兩個零件輸送至輸送線末端,工業(yè)機器人移動到上料位置處夾持底座,再移動到組裝臺上方,將底座放入固定支架;根據(jù)所設(shè)置的節(jié)拍,工業(yè)機器人再次移動到上料位置,夾持手柄,移動到組裝臺上方,完成兩個零件的裝配;將裝配完成的水龍頭成品下料、拾取,并存放在倉庫中;輸送線1、2末端安裝有傳感器,當檢測到零件離開后,自動上料,進行下一次組裝。機器人上下料流程如圖2所示。

▲圖1 機器人上下料系統(tǒng)布局

▲圖2 機器人上下料流程

4 仿真總體設(shè)計

通過RobotStudio軟件搭建一個虛擬機器人工作平臺,利用虛擬機器人模擬操作,編制離線程序,可以有效實現(xiàn)自動化和智能化操作,大大提高工作效率。

利用SolidWork軟件構(gòu)建機器人上下料系統(tǒng)各部件的三維模型,導出為SAT格式,并導入RobotStudio軟件,利用RobotStudio軟件對系統(tǒng)空間布局進行規(guī)劃,創(chuàng)建IRB 120六自由度關(guān)節(jié)型機器人模型,構(gòu)建雙工位生產(chǎn)線布局。設(shè)置仿真運行輸入、輸出信號和動態(tài)組件,編制離線程序,進行仿真。

機器人上下料系統(tǒng)仿真模型如圖3所示。

▲圖3 機器人上下料系統(tǒng)仿真模型

5 輸入、輸出信號

仿真應用中,標準輸入、輸出板所提供的常用信號有數(shù)字輸入信號、數(shù)字輸出信號、模擬輸入信號、模擬輸出信號、輸送線跟蹤信號[10]。通常輸入、輸出板是掛在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備,將工業(yè)機器人的輸入、輸出信號與動態(tài)組件的輸入、輸出信號相關(guān)聯(lián),即工業(yè)機器人端的輸出信號作為動態(tài)組件的輸入信號,動態(tài)組件的輸出信號作為工業(yè)機器人端的輸入信號。動態(tài)組件可以看作一個與工業(yè)機器人進行輸入、輸出通信的模擬可編程序控制器,通過離線編寫上下料系統(tǒng)程序,實現(xiàn)上下料系統(tǒng)的整體仿真。筆者配置通信板卡,設(shè)定地址為10。機器人上下料系統(tǒng)的輸入、輸出信號分配見表1。

表1 機器人上下料系統(tǒng)輸入、輸出信號分配

6 動態(tài)組件

在RobotStudio軟件中,創(chuàng)建機器人上下料系統(tǒng)的仿真模型,機器人手爪、上料機構(gòu)、輸送裝置、下料機構(gòu)等部件的動態(tài)效果均影響整個系統(tǒng)。軟件中的動態(tài)組件能夠?qū)崿F(xiàn)動畫效果。

將機器人手爪作為一個機械裝置,創(chuàng)建動態(tài)組件。首先,添加動態(tài)子組件,一般包括PoseMover、Attacher、Detacher、LineSensor等。然后,設(shè)定各子組件的屬性連接,即A組件的動作會引起B(yǎng)組件的變化。最后,創(chuàng)建動態(tài)組件所需的輸入、輸出信號,輸入啟動信號為diStart,延遲信號為diDelay,用于與各動態(tài)子組件進行信號交互。動態(tài)組件如圖 4所示。動態(tài)組件的動態(tài)仿真模擬了真實的工業(yè)機器人為機器人上下料系統(tǒng)工作的過程。

▲圖4 動態(tài)組件

7 系統(tǒng)程序

根據(jù)所創(chuàng)建的機器人上下料系統(tǒng)仿真模型,利用RobotStudio軟件進行離線編程。根據(jù)機器人上下料系統(tǒng)工作流程、輸入和輸出信號、動態(tài)組件,離線編程并示教目標點。程序中,需設(shè)定三個關(guān)鍵點:起始點、水龍頭拾取點、放置基準點。拾取點可由固定的傳感器進行檢測,放置點與設(shè)置的坐標系和位置計算有關(guān)。

在系統(tǒng)中,需要示教的點共有18個,包括6個安全位置點、3個零件關(guān)鍵點、9個中間過渡點,以滿足工業(yè)機器人姿態(tài)動作要求。

根據(jù)任務要求,按照機器人上下料系統(tǒng)的裝配過程,編制離線程序。機器人上下料系統(tǒng)部分程序如圖 5所示。

8 結(jié)束語

筆者主要以機器人上下料系統(tǒng)為研究對象,創(chuàng)建機器人上下料系統(tǒng)仿真模型,通過對仿真模型進行軌跡規(guī)劃,實現(xiàn)水龍頭的裝配。

RobotStudio軟件仿真結(jié)果表明,系統(tǒng)可以實現(xiàn)水龍頭組件的無人裝配作業(yè),利用工業(yè)機器人上下料在一定程度上提高了生產(chǎn)效率。

隨著智能制造行業(yè)的發(fā)展,工業(yè)機器人已被廣泛應用于自動化生產(chǎn)線。筆者結(jié)合SolidWorks軟件建模功能及RobotStudio軟件仿真,實現(xiàn)了一臺工業(yè)機器人在兩條流水線配合作業(yè)。通過實時改變工業(yè)機器人的作業(yè)性能參數(shù),對機器人上下料過程中的速度進行優(yōu)化調(diào)整,得到最優(yōu)的工業(yè)機器人作業(yè)生產(chǎn)節(jié)拍,為自動化生產(chǎn)線的調(diào)試與工業(yè)機器人作業(yè)性能的優(yōu)化提供了一定的理論依據(jù)。

▲圖5 機器人上下料系統(tǒng)部分程序