工業機器人搬運工作站仿真應用研究

王小剛，李 飛

(1.山西水利職業技術學院 機電工程系，山西 太原 030027；2.北華航空工業學院 機電工程學院，河北 廊坊 065000)

0 引言

國際機器人聯合會(IFR)最新發布的《2021年世界機器人報告》顯示，2021年在全球工廠中運行的工業機器人達到了300萬臺，與上一年相比增長了10%。全世界雖然仍在新冠病毒疫情的籠罩下，但工業機器人行業并未受到嚴重的挑戰,中國制造業的訂單接收和生產在2020年第二季度開始激增,北美經濟在2020年下半年開始復蘇，隨后歐洲經濟也開始復蘇[1]。數據顯示工業機器人的應用越來越廣泛和普及，急需一大批專業人才對工業機器人進行應用編程。為了較好地控制成本，取得可視、可信的運行數據和結果，開發人員一般需要借助虛擬仿真技術對工作實況進行模擬生產，盡可能地減少停機，避免現場編程過程中可能出現的碰撞、干涉、不合理等情況[2]。

為了完善工業機器人吸附式末端執行器物料搬運工作站的編程，實現物料搬運的動態視覺效果，本文基于ABB RobotStudio離線編程工具，對ABB IRB型工業機器人吸附式末端執行器物料搬運工作站進行了仿真應用的研究。通過Smart組件設計、I/O信號的創建與連接、工作站邏輯設定、路徑規劃、程序設計和仿真運行等手段完成了按指定作業軌跡、工藝節拍要求進行搬運的預期任務。借助虛擬仿真運行軟件可以直觀地考察運行效果，適時修改配置參數，有效地指導現場生產，極大地提高了設計過程和編程效率，在一定程度上滿足了柔性制造的要求，具有較大的生產實踐應用意義。

1 搬運工作站

搬運工作站的應用范圍廣泛，主要用于物料的搬運及碼垛，由搬運機器人、末端執行器、機器人控制柜和堆放單元等組成。工件由人力或使用其他裝置輸送到預定位置，由機器人將其抓取并搬運到料架上，同時可按要求將工件堆放整齊。

在搬運工作站中經常會用到吸附式末端執行器和夾鉗式末端執行器。吸附式末端執行器靠吸附力取料，適用于大平面、易碎(玻璃、磁盤)、微小的物體，因此使用面較廣。根據吸附力的不同，吸附式末端執行器可分為氣吸附和磁吸附兩種。氣吸附式末端執行器利用輕型塑膠或塑料制成的皮碗通過抽空與物體接觸平面密封型腔的空氣而產生的負壓真空吸力來抓取和搬運物體。與夾鉗式末端執行器相比，吸附式末端執行器結構簡單、重量輕、吸附力分布均勻，對于薄片狀物體的搬運更具有優越性，其廣泛應用于非金屬材料或不可剩磁材料的吸附，但要求物體表面較平整光滑、無孔、無凹槽[3]。

本文擬將每批4件的易碎玻璃器皿從工作臺右側的待搬運平臺上依次搬運到左側的塑料托架上，準備下一步的打包裝箱。為了滿足該任務要求，從搬運物料重量、工作臺的大小以及經濟性的角度出發，仿真工作站可選用以下設備：

(1) ABB IRB120桌面小型工業機器人,負載能力為3 kg,可達范圍為0.58 m。

(2) 可實現玻璃器皿搬運的氣吸附式末端執行器。

(3) 待搬運的玻璃器皿若干，這里使用三維模型軟件創建并導入。

(4) 其他設備,如機器人控制柜、安全圍欄等，虛擬仿真中可省略。

2 工作站仿真設計

根據生產現場的任務要求，按照真實環境，利用RobotStudio工業機器人離線編程軟件對系統進行了工作站布局規劃、搬運流程設計、Smart組件設計、I/O信號創建與連接、工作站邏輯設定等操作。

2.1 工作站布局規劃

根據生產應用實際，工作站需要用一臺機器人對工作臺上的待搬運玻璃器皿由源位置移動到目標位置的塑料托架上。這里工業機器人搬運工作站主要由ABB IRB120型工業機器人、工作臺、吸附式末端執行器、塑料托架(目標位置)、待搬運的玻璃器皿(源位置)組成，具體布局如圖1所示。

圖1 工業機器人搬運工作站布局規劃

2.2 搬運流程設計

在工作任務開始之前，由上一道工序將4個待搬運的玻璃器皿放在了源位置的待搬運平臺上。系統發出指令后，工業機器人開始移動，工業機器人吸附式末端執行器逐次吸取源位置上的待搬運玻璃器皿，并逐一把每個器皿搬運到目標位置的塑料托架上。待所有器皿搬運完畢，工業機器人回到初始位置，等待下一批器皿的搬運。工業機器人搬運工作站搬運流程如圖2所示。

圖2 工業機器人搬運工作站搬運流程

2.3 Smart組件設計

在工業機器人離線編程軟件RobotStudio中要實現真空吸盤吸取物料的效果，使用Smart組件是較為靈活的一種方式。Smart組件與事件管理器相似，都可以實現動畫效果，但是Smart組件比事件管理器功能更為強大，具有能夠更加高度逼真地模擬現場設備的I/O接口與控制邏輯等功能[4]。

工業機器人吸附式末端執行器的抽真空和真空破壞的效果由動作“Attacher”：安裝一個對象、“Detacher”：拆除一個已安裝的對象、“LineSensor”：檢測是否有任務對象與執行器運行軌跡之間的線段相交、“LogicGate”：進行數字信號的邏輯運算來實現。“LineSensor”線傳感器用來檢測機器人吸盤工具是否接觸到搬運物料。工業機器人吸附式末端執行器各子組件屬性連接關系如圖3所示。

圖3 工業機器人吸附式末端執行器各子組件屬性連接關系

2.4 I/O信號創建與連接

工業機器人物料搬運虛擬仿真工作站在搬運時，末端執行器的虛擬吸附動作需要外部提供相應的動作信號，執行器在發生動作后可以反饋給機器人相應的動作結果。在后續進行離線編程時，機器人的動作信號可以與所創建的Smart I/O信號相連接，使得機器人具有控制Smart組件的能力。在此創建一個數字量輸入信號DI1，用于控制吸附式末端執行器的抽真空和真空破壞動作，置1為打開真空進行物料拾取，清0為關閉真空進行物料釋放。

2.5 工作站邏輯設定

工作站邏輯設定是用來關聯Smart組件與機器人端的信號通信的，通過設置可完成整個工作站的仿真動畫。工作站的邏輯設定一般是先將Smart組件的輸入或輸出信號與工業機器人端的輸出或輸入信號進行關聯，Smart組件的輸出信號作為工業機器人端的輸入信號，工業機器人端的輸出信號作為Smart組件的輸入信號，這樣就可以將Smart組件當做是一個可以與工業機器人進行I/O通信的可編程控制器了，便于后續的程序控制。在此設置工業機器人的數字量輸出信號為DO1，用來控制真空吸盤動作，使其與Smart組件的數字量輸入信號DI1進行關聯。

3 工作站路徑規劃與程序設計

3.1 工作站路徑規劃

為了使工業機器人吸附式末端執行器物料搬運工作站能夠按照之前給定的任務開展工作，需要對其進行RAPID程序設計。為提高編程效率，簡化工作量，可以先在虛擬仿真環境RobotStudio中進行路徑規劃和程序編寫。工業機器人搬運工作站路徑規劃如圖4所示。

圖4 工業機器人搬運工作站路徑規劃

3.2 工作站程序設計

完成工業機器人搬運工作站路徑規劃后，需要進行RAPID程序設計，其主要程序包括工作站初始化程序、工作站搬運程序和主程序。其主要程序代碼如下：

PROC main()!工作站搬運主程序

rInitialize； !調用工作站初始化程序

rHandling； !調用工作站搬運程序

ENDPROC

PROC rHandling () !工作站搬運程序

MoveJ phome,v1000,z100,Tool1WObj:=Wobj1; !機器人返回到初始位置

MoveJ pw1,v1000,z100,Tool1WObj:=Wobj1; !機器人運行到取料進入點

MoveL pick1,v1000,fine,Tool1WObj:=Wobj1; !機器人運行到取料位置

Set do1_tool; !進行玻璃器皿的吸取

WaitTime 0.3; !延時等待，確保取料動作執行完畢

MoveJ pw1,v1000,z100,Tool1WObj:=Wobj1; !機器人運行到取料離開點

MoveJ p_waite,v1000,z100,Tool1WObj:=Wobj1; !機器人運行到搬運過渡點

MoveJ plw1,v1000,z100,Tool1WObj:=Wobj1; !機器人運行到放料進入點

MoveL place1,v1000,fine,Tool1WObj:=Wobj1; !機器人運行到放料點

Reset do1_tool; !進行玻璃器皿的放置

WaitTime 0.3; !延時等待，確保放料動作執行完畢

MoveJ plw1,v1000,z100,Tool1WObj:=Wobj1; !機器人運行到放料離開點

MoveJ phome,v1000,z100,Tool1WObj:=Wobj1; !機器人返回初始位置，等待下一輪取料

ENDPROC

PROC rInitialize() !工作站初始化程序

AccSet 50,100; !加速度控制指令

VelSet 50,800; !速度控制指令

rInitSignal; !重置工作站信號

ENDPROC

4 仿真測試及運行

規劃好運行軌跡，編寫好程序后，一般要驗證當前工業機器人運行軌跡是否會與周邊設備發生干涉，使用運動監控功能可以達到這一目的；此外，機器人仿真運行后，還要對軌跡進行分析，以確定機器人運行軌跡是否滿足要求，可通過TCP跟蹤功能將工業機器人的實際運行軌跡記錄下來進行進一步分析[5]。待分析調優并經離線驗證無誤后，可以通過以太網接口將程序和相關數據下載到工業機器人控制器中，再結合現場實際情況稍加調試即可運用于企業生產實際中。

5 結語

本文利用ABB RobotStudio離線編程軟件結合生產實際，搭建了工業機器人吸附式末端執行器物料搬運工作站,并完成了工業機器人工作站布局規劃、搬運流程設計、Smart組件設計、I/O信號創建與連接、工作站邏輯設定、路徑規劃、程序設計和仿真測試及運行。該工作站可以根據生產要求重新規劃路徑、調整生產節拍以滿足工藝要求。該工作站還可以根據現場實際要求增加數控機床等外圍設備，完成機床上下料等操作，為生產線柔性設計提供了可行性依據,將大大縮短基于吸附式末端執行器物料搬運的工業機器人生產線的設計制造、調試周期,一定程度上降低了生產成本。