工業機器人寫字工作站的研究*

武永強，于 濤，車恒恒

(1.遼寧工業大學 機械工程與自動化學院，遼寧 錦州 121000;2.塔里木大學 機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300)

0 引言

工業機器人憑借其優越的性能以及成熟的離線編程環境，在我國工業領域應用十分廣泛。用機器人代替人進行作業時，必須預先對機器人發出指示,規定機器人應該完成的動作和作業的具體內容，這個過程就稱為對機器人的編程[1]。

對于工業機器人編程，一般可以分為兩種情況：一種是在示教器上直接編程，這種編程方法方便、快捷，適用于簡單的程序編輯；另一種是在相應的軟件中離線編程，然后再載入機器人控制柜中，這種編程方法復雜、可靠，適用于復雜的編程。

本文為了完善工業機器人寫字工作站的編程、實現復雜字體的書寫、提高機器人編程效率，對離線編程技術進行了研究，使用RobotStudio離線編程軟件完成了工業機器人寫字工作站的建立及虛擬仿真，并通過實驗完成了特定字體的書寫，驗證了該離線編程方法的有效性。

1 工業機器人寫字工作站的建立

工業機器人寫字工作站的建立在工業機器人離線編程中起著至關重要的作用，直接影響到工業機器人在現場作業中的可靠性[2-5]。

工業機器人寫字工作站主要由ABB IRB120機器人、機器人基座、機器人控制柜、控制柜底座、末端工具Pen、桌面、寫字工作臺、字體模型和地板Floor等組成。采用RobotStudio建立的工業機器人寫字工作站如圖1所示。

圖1 工業機器人寫字工作站

2 Smart組件的使用

在離線編程軟件RobotStudio中，工業機器人的末端工具Pen不能在寫字工作臺上留下書寫痕跡，所以不能夠直接看到寫字的路徑，RobotStudio中的Smart組件專門解決此問題[6-8]。

在工業機器人寫字工作站中設置了顯示路徑的Smart組件和顯示筆畫的Smart組件，以“武”字的第一筆為例，路徑及筆畫顯示效果如圖2所示。

圖2 “武”字的第一筆路徑及筆畫顯示效果

在工業機器人落筆時顯示路徑，可以直觀地看到工業機器人末端工具Pen的筆尖沿著所示路徑運行。在該路徑運行完成起筆時顯示筆畫，表明該筆畫寫完。顯示路徑和筆畫的Smart組件設計分別如圖3和圖4所示。

圖3 顯示路徑的Smart組件設計

圖4 顯示筆畫的Smart組件設計

3 工業機器人I/O信號板的創建及I/O口的配置

3.1 工業機器人I/O信號板的創建

工業機器人I/O信號板對工業機器人十分重要，工業機器人利用系統I/O信號板的I/O信號與工作站的其余設備進行I/O通訊，I/O通訊可以很好地銜接機器人與工作站其他設備[9]。

工業機器人寫字工作站中設備較少，故配置一個標準信號板DSQC651(8輸入、8輸出)，并命名為board10，地址總線為10。在示教器中依次單擊“菜單”—“控制面板”—“配置”—“DeviceNet Device”，可添加或者查看I/O信號板[10，11]。

3.2 工業機器人系統I/O信號配置

為了能夠更加方便地操作工業機器人寫字，這里適當地配置工業機器人系統I/O信號使外部信號能夠直接給工業機器人下命令。工業機器人系統的I/O信號配置一般采用DeviceNet Device控制總線，在已經創建好的board10標準信號板上配置I/O信號。工業機器人系統部分I/O信號配置如表1所示。表1中的輸入信號需要連接到相應的系統輸入才能啟動機器人的相關操作。

表1 工業機器人系統部分I/O信號配置

3.3 工作站I/O信號配置

工作站的I/O信號就是模擬機器人輸入或者輸出所連接的外部信號，利用外部信號能夠有效地控制機器人和工作站中的其余設備。工作站部分I/O信號配置如表2所示。

表2 工作站部分I/O信號配置

4 機器人程序編輯及工作站邏輯設計

4.1 機器人程序編輯

本文利用RobotStudio離線編程軟件中的自動路徑工具生成相應的路徑，最后再生成相應的程序。具體程序編輯步驟如下：

(1)在建立好工業機器人寫字工作站以后，定義工具坐標Pen_TCP以及工件坐標系workobject_1。工具使用的是機器人庫中的“Pen”，機器人系統中有其相應的工具數據，直接使用即可；工件坐標系workobject_1基于寫字工作臺上表面的一個直角建立，這樣有利于在實際現場作業中示教工件坐標系。

(2)利用離線編程軟件RobotStudio中的自動路徑工具，從三維字體模型表面自動生成路徑；重復利用該工具依次生成字體模型的所有筆畫，將會得到Path_10～Path_110這樣的11條路徑。

(3)選中每條路徑，利用路徑中的“自動配置”、“沿著路徑運動”來驗證生成的路徑是否正確；接著給每條路徑設定好程序的入口以及程序出口，設置速度和轉角半徑的可變量以便后期的優化處理。

(4)將在工作站中的工具數據、工件數據以及路徑同步到PC即可有相應路徑的例行程序生成；再增加初始化的例行程序rInitialize以及整個程序出入口的例行程序rPHome，保證機器人在運行中斷后能再次啟動從頭再來；最后編輯主程序，將各例行程序依照邏輯順序添加進來。

(5)利用示教器中的程序自檢功能檢測程序的正確性，然后仿真運行。

機器人主程序如下：

PROC main()！聲明主程序

jixielingdian;！機器人回到機械零點

rInitialize;！機器人初始化 rPHome;!機器人到程序入口

Path_10;！機器人開始寫字

Path_20;

Path_30;

Path_40;

Path_50;

Path_60;

Path_70;

Path_80;

Path_90;

Path_100;

Path_110;

rPHome;!機器人從程序入口出來

jixielingdian;！機器人回到機械零點

Stop;！機器人停止

ENDPROC

4.2 工作站邏輯設計

工業機器人寫字工作站中只有機器人和各種Smart組件，工作站的邏輯設計相對簡單。工作站的I/O連接機器人系統以及工作站中的Smart組件，用工作站邏輯中的設計窗口設計工作站邏輯。工作站部分I/O信號連接如表3所示。

表3 工作站部分I/O信號連接

5 仿真測試與實驗驗證

5.1 仿真測試

本文通過建立工業機器人寫字工作站、創建Smart組件、配置I/O信號、編輯機器人程序及工作站邏輯完成了工業機器人寫字工作站的程序編輯，在離線編程軟件RobotStudio的仿真模塊中進行仿真，工業機器人的寫字過程如圖5所示。

圖5 仿真測試中工業機器人的寫字過程

仿真結果表明:工業機器人寫字工作站運行流暢、安全可靠，能夠達到設計目的；工業機器人寫字過程流暢、寫字效果真實可見。

5.2 實驗驗證

將機器人程序與數據導入機器人控制柜；修改工件坐標系使其符合工作臺的高度要求；檢查無誤后開始實驗。機器人的寫字過程如圖6所示。

圖6 實驗中機器人的寫字過程

通過改變寫字的速度，觀察寫字過程，在不同速度下寫出的字體如圖7所示。

圖7 不同速度下寫出的字體

通過實驗過程可以看出，機器人寫字動作流暢、連貫性強、可靠性高；通過示教器模擬輸入信號可以使機器人啟動和停止，驗證了I/O信號的可靠性；機器人在不同的運行速度下寫出的字跡幾乎相同。可見這種寫字工作站的編程方法穩定性高、重復精度好。

6 結束語

本文利用RobotStudio離線編程軟件搭建了工業機器人寫字工作站，并完成了工業機器人寫字路徑的創建、寫字程序的編輯以及寫字工作站的仿真測試與實驗驗證。結果表明:與現場手動示教直接編寫機器人寫字工作站程序相比，本文所提出的基于離線編程軟件RobotStudio的寫字工作站程序編輯方法有效提高了編程效率和寫字路徑的準確性。