基于RobotStudio的生產(chǎn)線搬運工作站的仿真設(shè)計*

祁曉玲

(山西鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030013)

0 引言

隨著《中國制造2025》的提出，現(xiàn)代工業(yè)制造逐步升級，自動化生產(chǎn)已成為一種必然趨勢。中國工業(yè)機器人市場蓬勃發(fā)展，大大降低了勞動力成本，提高了工作效率[1]。研究解決工業(yè)機器人在實際生產(chǎn)制造中可能遇到的一些問題，對自動化的發(fā)展進(jìn)步有著重要意義。為滿足市場對專業(yè)人才的需求，職業(yè)教育應(yīng)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段，但工業(yè)機器人設(shè)備昂貴，實際操作有一定安全風(fēng)險，因此在教學(xué)過程中，通過在計算機環(huán)境中對實際生產(chǎn)線上各設(shè)備進(jìn)行仿真模擬，可以提高學(xué)生的興趣，降低設(shè)備成本和安全風(fēng)險[2]。

工業(yè)機器人已被廣泛應(yīng)用在我國的制造業(yè)當(dāng)中，其中更是以搬運機器人的使用最為廣泛[3]，例如在工業(yè)制造、倉儲物流、煙草、醫(yī)藥、食品、化工、郵局、機場等，都可以見到搬運機器人。在生產(chǎn)作業(yè)中通常要使用叉車、輸送機、碼垛機器人、打包機等一系列設(shè)備，這就對搬運碼垛機器人的配合提出了很高的要求。在實際操作過程中，不但在時間間隔上有一定的分配，而且在完成碼垛的時間上也有較高的要求。

本文以自動化生產(chǎn)過程中搬運輸送帶運送來的物料系統(tǒng)作為研究對象，研究機器人工作站布局、運動軌跡、仿真動作等，基于RobotStudio離線編程軟件進(jìn)行虛擬仿真，研究實現(xiàn)搬運機器人從傳送帶上準(zhǔn)確抓取物料并將物料整齊地放置在旁邊工作臺上的整個過程。

1 RobotStudio軟件簡介

RobotStudio仿真軟件是ABB公司研發(fā)的工業(yè)機器人離線編程軟件，作為世界工業(yè)機器人的領(lǐng)導(dǎo)者，該軟件代表了目前工業(yè)機器人離線編程的最高水平。RobotStudio離線編程的關(guān)鍵是虛擬機器人技術(shù)，同樣的代碼可運行在PC和機器人控制器上[4]。因此當(dāng)代碼完全離線開發(fā)時，它可以直接下載到控制器，從而模擬真實的工作環(huán)境，縮短了將產(chǎn)品推向市場的時間。

2 搬運機器人仿真系統(tǒng)實現(xiàn)思路

2.1 基于RobotStudio的搬運工業(yè)機器人仿真系統(tǒng)搭建

ABB IRB2600型機器人主要用于物料搬運、弧焊、組裝、噴涂等場合，系統(tǒng)總體的工作流程是：由傳送帶按一定時間間隔隨機送來物料，當(dāng)物料碰撞到傳感器后，發(fā)送信號給等待中的機器人，機器人拍照識別物料棱角的方向，準(zhǔn)確地抓取物料，并將物料整齊有序地擺放到旁邊的放置臺上，當(dāng)物料累加到一定的數(shù)量后，將物料運走，重復(fù)完成這個動作。

2.2 模型導(dǎo)入及布局

在創(chuàng)建仿真工作站之前，將搬運工作站需要的三維模型全部導(dǎo)入，包括IRB2600機器人、輸送鏈、放置臺、工件、相機吸盤。導(dǎo)入模型后的工作站整體布局如圖1所示。

圖1 導(dǎo)入模型后的工作站整體布局

2.3 傳送帶工作站設(shè)計

傳送帶適用于物料的傳送運輸，以減少物料周轉(zhuǎn)的時間，提高工作效率。通過在傳送帶上安裝傳感器，控制和監(jiān)測物料傳送帶的運行和狀態(tài)等，如圖2所示。

圖2 傳送帶末端傳感器

2.4 利用Smart組件創(chuàng)建傳送帶動態(tài)工具并配置I/O信號

在仿真軟件中搭建好包括傳送帶、物料、工作臺、相機吸盤等裝置的工作站后，要實現(xiàn)工作站的運行動態(tài)仿真效果，需要在建模選項卡中新增Smart組件，給幾何體賦予仿真的效果。搬運工作站工作流程如圖3所示。

圖3 搬運工作站工作流程

搬運工作站中，傳送帶的動態(tài)仿真效果對整個工作站的布局起到重要作用。Smart組件是在RobotStudio中實現(xiàn)動畫效果的高效工具，具有運動、傳感器、信號模擬、邏輯判斷、事件觸發(fā)等功能。傳送帶仿真的工作效果是：傳送帶起始端間隔一定時間自動復(fù)制產(chǎn)生物料，物料自動傳送到傳送帶末端，碰到面?zhèn)鞲衅骱笸Ｖ箓魉停却龣C器人抓取，當(dāng)機器人抓走后，繼續(xù)產(chǎn)生物料，如此重復(fù)這個過程。利用Smart組件創(chuàng)建動態(tài)工具的具體步驟如下：

(1) 建立Smart組件[5-7]，修改名稱為傳送帶，便于后續(xù)查找，并關(guān)閉“可由傳感器檢測”，避免誤觸發(fā)傳感器。添加面?zhèn)鞲衅鱌laneSensor、時鐘Timer、直線運動LinerMover、復(fù)制對象Source、隊列對象Queue、邏輯非門LogicGate。

(2) 設(shè)置面?zhèn)鞲衅鱌laneSensor，作用是檢測模型到位，即物料碰到擋板停止運動。需要設(shè)置面的起點、面?zhèn)鞲衅鞯拈L度和寬度。

(3) 設(shè)置時鐘Timer，要求每3 s發(fā)送一個脈沖信號，脈沖控制復(fù)制對象Source，即每3 s復(fù)制一個物料。

(4) 設(shè)置復(fù)制Source，傳送帶起始端復(fù)制物料部件。本工作站中Source相當(dāng)于一個產(chǎn)品源，每次觸發(fā)產(chǎn)生新的物料。復(fù)制完成后將物料送到隊列Queue中。

(5) 設(shè)置直線運動LinerMover，將物料整個隊列直線運動傳送至傳送帶末端。此外，需設(shè)置運動的方向和速度。

(6) 面?zhèn)鞲衅鱌laneSensor與邏輯非門LogicGate(NOT)相連，非門LogicGate(NOT)的輸出與時鐘Timer和直線運動LinerMover相連，而傳感器的輸出連接Queue，再與輸出I/O信號DW連接。即面?zhèn)鞲衅髋龅綎|西后，說明物料到位，通知機器人去抓該物體。

(7) 為使復(fù)制出的物料位置隨機旋轉(zhuǎn)，添加組件隨機Random、向量轉(zhuǎn)換器VectorConverter，時鐘Timer激活隨機Random，隨機Random里出來的數(shù)連接到向量轉(zhuǎn)換器VectorConverter的z值里面。z與x、y合并的向量傳到復(fù)制Source的向量里，再將隨機完成的信號去觸發(fā)復(fù)制，這樣就完成了隨機放置物體的傳送帶的設(shè)計。

傳送帶Smart組件連接如圖4所示。

圖4 傳送帶Smart組件連接

2.5 制作夾具

本系統(tǒng)中的夾具也可叫做相機吸盤,吸盤工具的動畫效果對這個工作站起著重要作用。在真實的工業(yè)場景中多采用數(shù)個真空吸盤組件進(jìn)行抓取物料。本工作站中相機吸盤具有兩個功能：一是具有真空吸盤吸起工件和到達(dá)目標(biāo)位置放下工件的功能；二是機器(假)視覺功能。傳送帶輸送來的工件的偏移角度和偏移值需要用相機吸盤組件來進(jìn)行檢測。

在相機吸盤中構(gòu)建信號，安裝傳感器。在相機吸盤的組件中，通過將輸入I/O信號、LineSensor、Attacher、Detacher、LogicGate(NOT)連接，創(chuàng)建吸盤吸附功能。添加PositionSensor，其功能是在仿真過程中對物料對象進(jìn)行位置的監(jiān)測，監(jiān)測碰到傳送帶面?zhèn)鞲衅鞯奈矬w與待抓取點之間的位置與角度的關(guān)系。抓取物料時監(jiān)測物料的位置如圖5所示。

相機拍照時會發(fā)出閃光，需要將聚光安裝到相機吸盤上，相機可對輸送來的物體進(jìn)行拍照，具有假視覺功能。相機吸盤的聚光如圖6所示。

圖5 抓取物料時監(jiān)測物料的位置 圖6 相機吸盤的聚光

2.6 機器人離線編程

仿真軟件中的示教器編程界面與實際機器人的示教器界面相同，部分程序如下：

PROC main()

MoveAbsJ [[0,0,0,0,30,0],[9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09]],v1000,fine,tool0;//機器人回到機械原點

WHILE 2>1 DO//保證機器人不斷去抓取物料

FOR i FROM 0 TO 4 DO //需要搬運5次為一組

MoveJ Target_10,v1000,fine,Tooldata_1WObj:=wobj0;//機器人在等待位置10點

WaitDI DW0,1;//傳送帶等待到位信號

PulseDoHighPLength:=0.4，ZX0;//傳送帶到位時，發(fā)出閃光，控制脈沖時長為0.4 s

WaitTime 0.5;//等待傳送帶信號，到位之后有0.5 s的延時

MoveJ reltool(Target_10,-x*1000,y*1000,0Rz:=-zj/pi*180),v100,fine,Tooldata_1WObj:=wobj0; //機器人捕獲物體旋轉(zhuǎn)的方向，先旋轉(zhuǎn)到正確的位置

MoveL reltool(Target_10,-x*1000,y*1000,221.03Rz:=-zj/pi*180),v100,fine,Tooldata_1WObj:=wobj0;//準(zhǔn)確對正與目標(biāo)點的位置角度，下來準(zhǔn)確抓取物體

WaitTime 0.1;//等待0.1 s

SetDO ZZ0,1;//將物料抓起來

WaitTime 0.5;//等待0.5 s

MoveL reltool(Target_10,-x*1000,y*1000,-200Rz:=-zj/pi*180),v500,fine,Tooldata_1WObj:=wobj0;//提起到抓取點上方一個安全距離

MoveJ reltool(Target_20,0,0,-200),v1000,fine,Tooldata_1WObj:=wobj0;//機器人移動到20上方安全的位置

MoveL reltool(Target_20,0,0,-i*10),v100,fine,Tooldata_1WObj:=wobj0;//準(zhǔn)確放置到放置臺目標(biāo)位置，i是放置的次數(shù)，第一次是0，放到20點位置；第二次是-10，依次往上疊加

WaitTime 0.1;//等待0.1 s

SetDO ZZ0,0;//放下物料

WaitTime 0.5;//等待0.5 s

MoveL reltool(Target_20,0,0,-200),v1000,fine,Tooldata_1WObj:=wobj0;//機器人抬起到安全位置

ENDFOR

......

2.7 仿真

本設(shè)計搭建了生產(chǎn)線上搬運工作站，完成了工作站的布局、三維模型的搭建、Smart組件的連接、離線編程等。準(zhǔn)備完成之后，進(jìn)行仿真測試，可看到搬運機器人等待來自傳送帶的隨機擺放的物料，等觸碰到面?zhèn)鞲衅骱螅瑱C器人假視覺測試和目標(biāo)物體的偏移角度和距離，準(zhǔn)確下來吸取物料，并將物料整齊地擺放到旁邊的放置臺上。本系統(tǒng)模擬了實際生產(chǎn)線，與現(xiàn)場操作工業(yè)機器人相比較，大大提高了教學(xué)效率并節(jié)約了成本。

3 總結(jié)

本文基于RobotStudio仿真軟件搭建了自動化生產(chǎn)線搬運工作站，根據(jù) ABB-IRB2600工業(yè)機器人在實際工業(yè)制造中的應(yīng)用，設(shè)計了生產(chǎn)線上自動抓取物料的仿真工作站，研究了如何抓取傳送帶上隨機運輸來的物料以及假視覺抓取的制作與應(yīng)用。該仿真平臺圍繞機器人在實際生產(chǎn)應(yīng)用中可能出現(xiàn)的問題，利用虛擬仿真技術(shù)解決了實際生產(chǎn)線的開發(fā)調(diào)試與機器人路徑規(guī)劃困難等問題，為工業(yè)機器人能夠更好地完成生產(chǎn)線上的各項工作提供了實驗數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。