基于快換夾具和視覺的機器人裝配工作站仿真設計*

馮凌云，郭燦彬，朱旭義，王彩芳

(廣東機電職業技術學院電氣技術學院，廣州 510515)

0 引言

隨著《中國制造2025》制造強國戰略的進一步推進，智能制造已成為我國傳統制造業轉型升級的必然趨勢[1]。裝配作為產品制造的重要環節，在很大程度上決定了產品最終質量、制造成本和生產周期[2]。傳統人工裝配方法不僅費時費力、成本不斷升高，而且難以保證產品質量的一致性，已無法滿足快速多變的市場需求。機器人替代人工生產是未來制造業重要的發展趨勢，是實現智能制造的基礎，也是未來實現工業自動化、數字化、智能化的保障。使用機器人進行產品裝配可以大幅度減少人工，保障產品裝配的工藝和質量，提高生產效率和經濟效益。

當前產品設計日趨精致巧妙，在產品正式生產前通過仿真手段規劃、驗證產品裝配的工藝路線愈顯重要，已成為裝配工藝設計中最重要的研究內容[3]。機器人裝配工作站的虛擬仿真是借助計算機仿真技術，在虛擬環境中仿真產品的裝配流程，對裝配過程中機器人的作業軌跡、運行姿態、生產節拍等進行模擬。在早期設計階段驗證產品裝配的工藝性和合理性，以便及早發現問題，解決問題，從而有效降低生產成本和安全風險，提高產品質量和生產效率。文獻[4-8]對此進行了探索和研究，在計算機環境里搭建了機器人虛擬裝配工作站或生產線，實現了產品裝配工藝的仿真、調試和分析。以上成果一方面主要研究單個夾具對固定位置的零部件進行拾取和裝配，大大限制了工業機器人功能和性能的發揮。另一方面也沒有系統論述路徑規劃、重要程序數據定義、仿真調試及性能優化等關鍵問題。

本文在復雜產品裝配過程中采用了便于快速更換的多個夾具，同時引入了機器視覺來引導機器人完成裝配任務，提高了機器人的靈活性和對外部環境變化的適應力。利用SolidWorks(以下簡稱SW)和RobotStudio(以下簡稱RS)聯合建立了機器人虛擬裝配工作站，并系統論述了機器人虛擬裝配設計的實現方法。該工作站可依靠帶驅動的仿真模型，模擬產品裝配全過程，幫助技術人員得到一個可行并較優的產品裝配工藝路線，進而指導實際生產。

1 模型搭建及工作流程

關節是實現工業機器人各種運動的活動聯接，對機器人性能有直接影響，以某公司機器人關節產品為案例研究產品裝配工藝設計與仿真技術。待裝配的機器人關節模型樣品如圖1所示，由關節基座、電機、減速器、輸出法蘭等零部件組成，其中關節基座下方貼有RFID(Radio Frequency Identification)標簽，用于產品追溯。

圖1 工業機器人關節組成部件

1.1 搭建工作站模型

RS是市場上領先的工業機器人虛擬仿真軟件，采用了VirtualRobot TM技術，能夠在計算機環境下布置各種器件和設備的模型來構建場景，十分形象地模擬工業機器人自動化生產過程。但RS重在機器人仿真和智能環境的搭建，造型建模功能比較有限，因此大多數情況下還需要使用專業的CAD 軟件進行建模等操作后再由接口導入。

為完成裝配工作站建模和布局，首先使用專業CAD 軟件SW設計出產品零部件、工具快換單元、立庫單元、旋轉供料單元、裝配單元、輸送帶、視覺相機等裝配工作站的三維仿真模型，然后生成SAT格式文件并導入至RS環境中，接著導入軟件內置的IRB120小型六軸工業機器人模型，最后根據產品的工藝特點合理分布模型，將工作站設備調節在機器人的工作空間內以實現有序裝配。構建的工業機器人虛擬裝配工作站如圖2所示。

圖2 機器人關節裝配工作站模型及整體布局

1.2 產品裝配工作流程

裝配流程如下，首先檢測工作站零部件原料庫存，如庫存齊備則機器人從立庫原料區拾取關節基座至RFID讀寫器正上方約3 cm處懸停3 s，模擬RFID讀寫器寫入裝配起始時間等生產信息；隨后工業機器人將基座放置于裝配單元處夾緊固定，并從旋轉供料單元拾取電機裝配到基座中；接著減速器和輸出法蘭依次從井式供料單元出料落于輸送帶前端，并經輸送帶運送至末端停止；然后視覺相機拍照獲取減速器或輸出法蘭的旋轉角度和位置數據，并引導機器人先后抓取減速器和輸出法蘭裝配到基座中得到成品。最后工業機器人拾取機器人關節成品至RFID讀寫器正上方懸停3 s，待RFID讀寫器寫入裝配完成時間等生產信息后放置于立庫成品區。

2 工作站動態Smart組件的設計

在RS仿真軟件中搭建工作站模型后，還需要讓站內的各個設備變得“智能”，既能獨立動作又能聯動運行。RS支持智能環境的搭建，可以通過創建Smart組件(也稱智能組件)賦予模型動作或邏輯特性。采用模塊化思想設計工作站內各設備的Smart組件。

2.1 末端夾具設計與Smart組件

末端夾具是安裝在工業機器人末端用來完成裝配作業不可缺少的的操作工具。為滿足產品零部件的裝配要求，在工具快換單元中設計了三種不同類型的末端夾具，如圖3所示。其中弧口夾具用于拾取關節底座，平口夾具用于拾取電機，吸盤用于拾取減速器和輸出法蘭，并配置了工具快速更換裝置，以實現夾具的快速自動換裝。快速更換裝置使機器人的應用更具柔性，由主盤端、副盤端兩部分組成，主盤端安裝在工業機器人第六軸手腕上，副盤端安裝在末端夾具上。兩端的連接采用鋼珠球鎖緊的方式，原理是主盤本體通過活塞推出6個在徑向均勻分布的鋼珠球，嚙合鎖緊副盤端本體的鋼球卡槽，實現兩端的鎖緊連接，達到快速換取夾具的目的。

圖3 機器人末端夾具

末端夾具Smart組件主要功能是模擬夾具的抓取和釋放動作，可按照文獻[9]中方法設計組件。同理，可設計快速更換裝置的Smart組件，能夠實現機器人換裝夾具。

2.2 傳送帶Smart組件設計

傳送帶的作用是運送減速器和輸出法蘭，其Smart組件功能主要包括：在傳送帶前端以隨機角度和位置交替生成零部件(減速器或輸出法蘭)、零件隨著傳送帶向前運動、零件到達傳送帶末端后停止運動、零件被移走后再次在前端生成零件，依次循環，組件設計可參考文獻[9]。

2.3 視覺相機Smart組件設計

零件位姿識別是自動化裝配過程中不可缺少的重要環節，對裝配的質量有至關重要的影響。視覺相機的引入可令機器人根據零件的實際位置、角度動態調整抓取點，從而實現高精度、高效率地裝配。在RS中創建相機Smart組件模擬拍照識別功能。減速器或輸出法蘭運送至傳送帶末端時，接觸到安裝于末端的PlaneSensor(面傳感器)子組件停止移動。面傳感器的輸出信號SensorOut首先激活兩個LogicalGate[NOP] (邏輯延時)子組件分別延時0.3 s和0.5 s。時間到，延時子組件先后激活Show(顯示)與Hide(隱藏)子組件對相機光源(用透明的圓錐體模擬)進行顯示/隱藏操作，實現相機拍照時光源閃爍仿真的效果，如圖4所示。然后利用PositionSensor(位置監控)子組件對面傳感器檢測到的零部件進行位置監控，得到位置向量和角度向量，最后分別經RapidVariable(控制器變量)子組件將數據發送到機器人程序內聲明的位置數據(Flang_Pos)和角度數據(Flang_Orient)變量中，進而引導機器人動作。組件設計如圖5所示，屬性間的有向線段表明子組件之間的屬性傳遞關系，I/O信號間的有向線段表明子組件之間的信號邏輯關系。

(a)光源顯示 (b)光源隱藏圖4 視覺相機拍照仿真效果

圖5 視覺相機Smart組件設計圖

2.4 其它設備Smart組件設計

工作站中其它重要設備有立庫單元、旋轉供料單元、裝配單元。立庫單元包含2層3列共6個倉位，上層為關節基座原料區，下層為成品區。旋轉供料單元包含6個倉位，用于存放電機。裝配單元是通過氣缸驅動夾爪伸出的方式實現對關節基座的夾緊定位。以立庫單元為例，其Smart組件主要功能是模擬光電傳感器判斷倉位內是否有物料，可以在倉位中放置LineSensor(線傳感器)子組件并將其輸出信號SensorOut作為倉位狀態的反饋信號輸出。

3 工作站I/O信號及邏輯設計

3.1 工作站I/O信號

在實際工程應用中，為實現邏輯控制，機器人必須通過 PLC與外部設備建立一定的邏輯關系并進行I/O通信[10]。在虛擬裝配工作站中，Smart 組件即可看作外部設備，在工作站邏輯中將組件的I/O信號與機器人系統I/O信號關聯，模擬PLC與機器人通信，再離線編寫機器人的程序和調試，即可模擬生產現場。機器人關節裝配工作站的部分I/O信號如表1所示。

3.2 工作站邏輯

在工作站邏輯設計界面中進行夾具、傳送帶、視覺相機、立庫單元等Smart組件與機器人系統的信號通信，建立裝配工作站動態組件邏輯關系如圖6所示。

圖6 裝配工作站動態組件邏輯關系

表1 工作站I/O信號

4 機器人控制程序設計

在搭建好機器人關節裝配工作站的三維仿真模型后，根據裝配工作流程、設計的Smart 組件和配置的I/O信號，就可以進行機器人的路徑規劃，并編寫相應的控制程序。通過使用RS強大的離線編程功能，可以在虛擬條件下完成目標點的示教，程序數據的創建，例行程序的編寫。

4.1 路徑規劃

復雜產品的裝配工藝較為復雜，為便于路徑規劃，可以用表格列出工業機器人在裝配作業過程中的關鍵路徑節點。如表2所示，機器人關節裝配工作站的關鍵路徑節點(即示教點)數共16個，為方便處理，將其中歸屬同類設備相同用途的多個節點用數組進行存儲，如ToolPos[3]用于記錄3個夾具的取放位置。作業路徑順序為⑩→①→④/⑤/⑥→→→→①→②→→→②→③→→→→→③→①→→→⑦/⑧/⑨→①→⑩。以上路徑節點，除Phome和GJMid點外均為工業機器人的作業點，一般不直接通過運動指令到達，而是先運動至正上方靠近作業點的接近點，再緩慢下移到達作業點執行動作指令。作業完成后同樣需要先經過接近點再運動到下一個位置。接近點用Offs偏移功能指令實現，可極大減少示教工作量。

表2 關節裝配路徑節點

4.2 程序數據

編制工業機器人程序之前，需要定義三個重要的程序數據來構建必要的編程環境，包括工具數據tooldata、工件坐標wobjdata和載荷數據loaddata，以便程序指令調用。三種末端夾具的工具數據Tool1(弧口夾具)、Tool2(平口夾具)、Tool3(吸盤工具)采用“六點”法設定。

載荷數據可手動測算或調用LoadIdentify服務例行程序自動測算[11]。在減速器和輸出法蘭的標準拾取位置處(幾何中心)采用“三點”法創建工件坐標Wobj_Pick，其作用是當工件實際位置與標準位置不一致時，通過相機反饋數據更新該坐標而無需重復示教或編程，機器人仍可正常拾取并完成裝配，這與實際中視覺引導機器人作業的原理是類似的，如圖7所示。

(a) 標準位置 (b) 實際位置圖7 減速器和輸出法蘭拾取位置處工件坐標

4.3 離線編程

ABB機器人控制程序采用RAPID語言，程序可以在RS虛擬示教器上編寫，也可以在 RAPID 編輯器中編寫。采用模塊化設計思想構建程序，由主程序Main調用各個特定功能的例行程序，例行程序由若干指令組成并且還可調用其它例行程序，從而控制工業機器人完成整個裝配任務，程序結構及流程如圖8所示。

圖8 工業機器人關節裝配程序結構及流程圖

以輸出法蘭裝配例行程序和視覺識別例行程序為例，部分關鍵指令說明如下：

PROC rFlange()! 輸出法蘭裝配例行程序

ToolPosTmp:=ToolPos{3}；！獲取吸盤工具取放位置

ToolPick；！調用取工具例行程序

PulseDOPLength:=0.2, Do_Feed；!井式供料

WaitDI DI_BoxInPos,1；!等待傳送帶送料到位

Vision()；!調用視覺識別例行程序

MoveJ offs(FlangPick,0,0,150) ,v200,fine,Tool3WObj:=Wobj_Pick；!到達輸出法蘭拾取位置上方接近點

MoveL FlangPick,v100,fine,Tool3WObj:=Wobj_Pick；!根據工件坐標到達輸出法蘭實際位置

Set Do_Grip3；!吸盤吸附輸出法蘭

WaitTime 1；!延時1 S

MoveL offs(FlangPick,0,0,150) ,v200,fine,Tool3WObj:=Wobj_Pick；!到達拾取輸出法蘭上方接近點

MoveJ offs(FlangPut,0,0,60),v200,fine,Tool3；! 到達輸出法蘭裝配位置上方接近點

MoveL FlangPut,v100,fine,Tool3；! 到達輸出法蘭裝配位置

MoveL RelTool(FlangPut,0,0,0Rz:=90),v20,fine, Tool3；!輸出法蘭旋轉90°鎖緊

ReSet Do_Grip3；!吸盤釋放輸出法蘭

WaitTime 1；! 延時1 S

MoveL offs(FlangPut,0,0,60)，v200，fine，Tool3；!到達輸出法蘭裝配位置上方接近點

ToolPut;! 調用放工具例行程序

ENDPROC

PROC Vision()! 視覺識別例行程序

WaitDI DI_CamOK,1；!等待視覺識別完成反饋信號

Wobj_Pick.oframe.trans:= Flang_Pos；!更新工件坐標系Wobj_Pick的位置數據

Wobj_Pick.oframe.rot:= Flang_Orient；!更新工件坐標系Wobj_Pick的姿態數據

ENDPROC

5 仿真調試與分析

借助RS簡潔高效的調試環境，可以對設計的虛擬裝配工作站進行測試和調試。首先在仿真設定界面中勾選要測試的Smart組件，同時取消勾選機器人控制器。然后單擊“仿真控制”選項卡的“播放”按鈕運行，激活組件功能。接著在虛擬示教器或RAPID 編輯器中單步執行機器人程序，觀察動畫仿真運行效果、I/O信號變化情況等，逐一確認Smart組件或控制程序的邏輯錯誤并糾正。調試過程中，通過創建和設置碰撞監控模塊可以排查產品裝配過程中的碰撞干涉。最后，在仿真設定界面中將組件和控制器全部勾選并單擊“播放”按鈕，經調試驗證的工作站能夠按正常流程運行，作業點位與預設點位準確一致，裝配過程中無干涉碰撞現象發生。

利用RS的信號分析器功能可實時觀測機器人的作業時間和電機總消耗能量。以改善生產節拍、減少能耗為目標，筆者在仿真環境中經過大量實驗與分析，總結出影響目標達成的相關因素及對應優化措施。逐條按照優化措施調整機器人，會引起節拍和能耗的變化，如表3所示。最終可將機器人調整至最佳狀態，生產節拍由193 s縮短為157 s，電機總能耗由3853 J降低為3089 J。仿真結果表明優化措施是有效可行的，優化后的裝配工藝路線是相對合理的。

表3 生產節拍、能耗的影響因素及優化措施

6 結束語

本文結合SW與RS搭建了機器人關節裝配工作站仿真模型，根據裝配工藝和流程要求，設計了便于快速更換的機器人末端夾具、傳送帶、視覺相機等設備以及對應的Smart組件，并通過I/O信號建立組件間的邏輯連接，模擬了機器人與各外圍設備之間的通信；在工作站構建的基礎上，進行了路徑規劃、關鍵程序數據設定和離線編程；通過RS的仿真調試功能可直觀地檢查出工作站的邏輯錯誤和碰撞風險，并利用信號分析器實現了對裝配機器人優化措施實施效果的觀察和驗證。該方案可以為以機械臂為中心的裝配工藝設計、裝配過程仿真和裝配效率優化提供理論依據和試驗平臺。另外，文中設計的工作站已經實際生產并用作高校、科研院所的教學和實驗平臺。