基于ABB工業機器人激光雕刻虛擬仿真及工作站的探索研究

文/東莞市信息技術學校 李金金

在科技發展日新月異的今天，隨著我國的綜合實力不斷增強，工業機器人的應用已經不斷引入到各行各業。本文主要是利用ABB機器人，結合RobotStudio離線編程軟件進行激光雕刻工作站的建立，雕刻軌跡的生成，以及雕刻仿真，最后對機器人工作站進行調試。

工業機器人的應用十分廣泛，其編程形式主要是示教編程和離線編程。示教編程適用于軌跡比較簡單的工件，根據工藝和精度的要求設定一定數量的目標點，機器人控制器根據這些目標點進行插補運算，從而形成運行的軌跡。編程的過程比較耗費時間，并且示教的精度不高，示教編程對于比較復雜的軌跡基本上實現不了。所以本論文采用離線編程軟件進行工作站的建立、仿真，節省了編程的時間，提高了編程的精度，從而提高生產效率，節約了人力成本。

一、ABB機器人離線編程仿真

如今工業機器人使用越來越廣泛，工作也越來越復雜，導致編程的難度越來越大。如果使用示教編程，不僅費時，且容易出錯，離線編程就能很好地解決這個問題。ABB公司的RobotStudio離線編程軟件能構建真實的加工環境，利用“自動軌跡”功能生成加工軌跡，并利用軟件的編輯功能對所生成的程序進行編輯。同時，軟件還可以進行模擬仿真，以便檢測程序以及其他的設置是否正確。模擬仿真沒錯以后，可以導入程序進入到機器人的示教器，進行實踐的調試和試生產。

利用離線編程軟件建立工作站、生成程序的步驟如下：①在Solideworks軟件中進行工具模型和加工工件的模型制作。②在RobotStudio中建立系統。選擇合適的機器人，本次任務選擇IRB1200工業機器人。對機器人系統進行布局操作，把建立好的工具導入到離線編程軟件，調整好工具的姿態，設定工具的坐標系，為后續的編程打好一定的基礎，把建模軟件做好的工具模型導入到離線編程軟件，并調整好工件的姿態，保證工具的每個角落都在機器人的運動范圍內。③利用RobotStudio離線編程軟件的自動軌跡功能，生成雕刻的軌跡曲線，并利用軟件的調整功能，調整機器人的工作姿態。④優化程序。導入到機器人示教器進行調試。

二、機器人雕刻軌跡點生成

根據實際生產情況，建立虛擬的機器人工作站。由于此工作站是根據實際的生產情況來確立的，所以使用到的工具、客戶需求的工件都需要自己進行建模。模型建立好之后，導入到RobotStudio軟件中。因為自己建立的工具導入之后只是一個3D模型，沒有工具的屬性，不能裝配到機器人的法蘭盤，所以導入后的工具需要進行調整。這就要利用離線編程軟件的姿態調整功能，并利用框架功能建立工具的坐標系，再把框架轉換成工具的TCP坐標。這樣工具模型就有了工具的屬性，可以輕松把工具裝配到機器人的法蘭盤。裝好工具(如圖1所示)之后，利用布局功能建立機器人的控制系統，機器人系統一定要跟實際的機器人系統相匹配，否則生成的程序沒辦法完成真正的調試。

圖1

在雕刻的過程中，機器人的工具所走的軌跡就是所雕刻圖案的實體邊。為了方便后續的調試工作，在軌跡生成之前，要建立工件的坐標系。定好工件坐標系之后，就可以沿著3D模型圖形的軌跡邊進行雕刻軌跡的生成。其運動的軌跡雖然是平面的二維軌跡，但是線條比較密集、復雜。在軌跡逼近的時候，可根據不同的軌跡情況選擇直線逼近、圓弧逼近，還有等距逼近等。根據圖2所示模型，選擇“自動軌跡”命令，生成其中一條軌跡路徑和目標點。

圖2

三、機器人姿態調整和運行參數的修改

自動路徑生成的軌跡比較精確，對于每一個目標點來說，機器人的姿態都是不一樣的。所以生成第一次軌跡以后，還要調整一下機器人的姿態。先調整其中一個目標點的姿態，調整好之后選中所有的軌跡點，點擊鼠標右鍵“修改位置”中的“對準目標點方向”，將所有生成的目標點都進行對齊操作，保證機器人在運行的過程中姿態比較好。當然，這只是其中一條軌跡的操作。對于一個比較復雜的零件來說，目標點是非常多的，那就要對生成的每個軌跡都進行上述的操作。

六關節機器人在軌跡運行的過程中，是六個關節相互配合運動的一個過程，有時候需要多個關節配合運動，所以，在軌跡生成之后要對各個關節軸進行參數的配置。選中需要配置的目標點，鼠標右鍵單擊“參數配置”功能，選擇合理的配置參數，然后單擊鼠標左鍵應用按鈕，配置完成。再單擊鼠標右鍵選擇“自動配置功能”，此時機器人將沿著軌跡運行一個周期，完成自動配置的過程。調整后機器人的姿態如圖3所示。

圖3

四、離線程序的修改和優化

在RobotStudio離線編程軟件中，利用自動路徑生成的程序不一定能順利地完成工作任務，所以還需要對程序進行必要的修改。在軟件中打開程序編輯器，看到自動生成的程序速度為V1000、過渡半徑為Z100，這個參數明顯不符合實際加工的需要。所以，要使用替換命令把運行速度V1000改為V10，過渡半徑的修改分兩種情況進行：其一，在例行程序的開頭和結尾需要精準到達，所以要用到fine指令；其二，在例行程序的中間需要準確到達，但是為了程序運作，減少停頓，所以要使用Z0。

在對程序的參數進行修改之后，還需要對機器人的進入點和退出點進行優化設計，保證機器人在接近工件和離開工件的時候沒有發生碰撞，并要求空軌跡的時候運行速度比較快，能節約運行時間，提高工作效率。所以，在程序的開頭設定一個HOME點，在HOME點之后，再設定一個接近點，在雕刻完成以后還要設定一個逃逸點。

在機器人雕刻的過程中，需要對激光的啟動和停止進行合理的控制，所以需要配置機器人的輸入輸出信號，并且在雕刻程序開始之前要置位控制信號，保證激光能正常輸出，在結束雕刻之后，保證機器人輸出信號復位，使得激光發生器停止輸出，避免一直出光損壞已經雕刻好的工件。在激光啟動和停止之前，要保證機器人移動的位置已經準確到達了目標點，所以在啟動激光發生器之前都需要添加一個時間等待信號，用來確保機器人準確到達。否則，雕刻的起點和終點會有瑕疵。

五、激光雕刻工作站整體設計思路

在實際的雕刻過程中，有大大小小的軌跡幾十條，每條軌跡的雕刻是不間斷的，但是軌跡之間沒有聯系，所以在一條軌跡轉移到另外一條軌跡的時候，必須控制激光發生器停止出光。本論文的設計采用的機器人為ABB-IRB1200，激光發生器使用的是7W定焦藍光模組，供電電壓為12V，控制接口采用PWM信號控制功率，使用前打開電源開關直接輸出，使用PWM信號控制功率。

綜合上述分析，結合現有條件，設計工業機器人激光輸出控制的步驟：①機器人運動到軌跡開始目標點，機器人置位輸出信號DO；②西門子PLC接收信號，輸出控制信號；③PWM發生器接受PLC的輸出信號，開始產生脈沖；④激光發生器開始出光，出光的功率可通過PWM進行調節；⑤機器人運行到軌跡結束目標點，機器人復位輸出信號DO，此時西門子PLC沒用輸入信號，同時西門子PLC的輸出停止。PWM發生器沒有脈沖發生，激光發生器就停止出光，如此循環往復，便可以完成工件的激光雕刻。

六、調試工作站

在RobotStudio離線編程軟件中生成好的程序，需要進行同步操作。點擊同步按鍵，同步到工作站。在軟件中模擬仿真運行軌跡，軌跡運行正確的話，可以導入到機器人的示教器進行調試。在調試之前需要修改工件坐標系，以確保程序中目標點正確，建立好工件坐標系之后，就可以把機器人的控制柜打到自動運行模式，進行單步運行，第一次運行軌跡不僅僅是確認軌跡有沒有錯，還要看看激光發生器的功率是否符合雕刻的材質，保證雕刻的紋理清晰可見，又不至于功率過大，發生燒黑的情況。經過調試之后完成的成品見圖4。

圖4

本設計主要側重離線編程的實現，對工作站的整體設計介紹比較簡單。在離線編程軟件中，導入建模軟件生成3D模型，利用自動路徑生成雕刻的軌跡，建立激光雕刻的仿真工作站，充分體現了離線編程的便利性，解決了示教編程無法實現復雜圖形編程的問題。