一種雙工位自動打磨的機器人工作站仿真設計*

畢 思 ， 張 沖

（武昌工學院，湖北 武漢 430000）

工件加工過程中有打磨工藝，人工打磨工序煩瑣，效率低下，如果利用機器人工作站來代替人工，則具有較好的經濟效益、環境效益和社會效益[1]。根據技術要求，設計一款基于機器人的打磨工作站，并對工作站功能進行仿真驗證。

1 雙工位機器人打磨的設計與選型

實訓平臺的目標：模擬人工打磨過程，通過人工換置打磨工件產品，機器人能完成簡單的產品打磨任務，從而優化對機器人示教器的使用并提高運動精度[2-4]；能夠根據打磨工件的需求，快速對工件打磨模塊進行布局設計和模擬仿真。本實訓平臺主要由自動變位系統、機器人系統、打磨機系統組成。各個子系統能夠相互配合，靈活運行。自動變位系統由人工放置物件到變位機上，機器人系統主要依靠ABB機器人控制柜控制，打磨機系統由打磨機組成[5-6]。

1.1 快速變位平臺設備選型

該系列變位機適用于工件需繞單軸旋轉的雙工位（上料工位和打磨工位各一個）打磨場合。工件繞軸旋轉時與機器人的動作完全協調一致，從而確保了高打磨質量和高變位協調速度。IRBP R系列變位機適用工件的最大尺寸可達2 000 mm（500R型和750R型）。

1.2 機器人的選型

由于在打磨過程中要求精度高，節拍時間短，響應速度快，運動性能佳，客戶已有的IRB 1410工業機器人完全滿足打磨要求。ABB工業機器人的核心優勢就是運動控制，與傳統剛性自動化打磨技術相比，其具有靈活性高、占地面積小、精度高等優勢。IRB 1410工業機器人能夠在狹窄或者廣闊空間內高速運行，誤差極小，并且既能確保附近范圍的安全，又能完美執行任務，其特性參數如表1所示。

表1 IRB 1410參數

1.3 打磨工具的選擇

磨削過程就是磨具中的磨粒對工件打磨的過程，選擇磨具就是要充分利用磨粒切削力去克服工件材料的物理力學性能產生的抗力。磨具的品種規格繁多，每一種磨具都不是萬能的切削工具，有一定的適用范圍。因此，對每一種磨削工作，都必須選擇適當的磨具特性參數，才能達到預期的打磨效果[7]。磨具的主要特性包括磨粒、硬度、結合劑、形狀與尺寸等，根據打磨工件的需要選擇陶瓷結合劑小砂輪。

2 雙工位自動打磨的仿真設計

在RobotStudio軟件中，為了使仿真設計更加真實，常用Smart來實現動作。根據仿真設置，信號分為Smart組件的信號、程序用的信號。Smart組件信號負責實現變位機自動變位的動畫效果，配合傳感器檢測信號，告知機器人工件是否到達位置[8]。程序信號則負責工件到達后機器人具體的動作指令，包括預先等待、自動打磨以及返回原點等操作。該系統信號傳遞步驟為：PLC輸入一個信號后，通過兩種不同的輸出信號來啟動變位機，以此模擬打磨兩種工件并進行自動變位[9]。當工件到達指定地點后，傳感器檢測，輸入信號變化，通過輸出信號與機器人控制器進行通信，指示機器人開始打磨工作。

2.1 Smart組件的動畫仿真

在虛擬仿真設置中，需要使用RobotStudio軟件創建虛擬動畫效果，與機器人的動作相互配合，從而創建一個完整的雙工位自動打磨工作站[10]。在當前工作站中，需要變位機進行自動變位的動畫效果，夾具抓取以及打磨機打磨工件的虛擬動畫效果。整個系統由變位系統、打磨機系統、機器人系統組成，三者之間有邏輯關聯。

在實現工件抓取的Smart組件中，要有輸入和輸出源信號，輸入作為外界信號去觸發夾具執行，輸出模擬的是信號反饋。當機器人夾具接觸到工件表面之后，需要有一個信號反饋給夾具。在信號與連接中設置I/O Signals來添加輸入信號dia模擬打磨，添加輸出信號doa作為信號反饋。設置I/O連接，完成整個自動變位和打磨工件動畫的邏輯關聯。在該動畫中，通過添加LogicGate[NOT]邏輯指令來實現工件的檢測。如果檢測到工件，便觸發抓取的指令，這樣當檢測工件到達指定位置時，便可自動執行抓取的操作，從而進行數字信號的邏輯運算。利用damo信號連上非運算，再利用非運算去觸發拆除的執行，由于已安裝和已拆除都需要一個反饋來傳遞給外界，因此添加一個打磨組件，利用Attacher的執行去觸發打磨的置位操作，利用Detacher的執行去觸發打磨的復位操作，利用鎖定去觸發組件本身的真空反饋信號，以此來傳遞給機器人一個打磨的反饋信息。整體I/O連接信息如圖1所示，能夠完成工業機器人、自動變位機和打磨機三者間的邏輯連接。

圖1 組件邏輯圖

2.2 機器人離線程序設計

使用虛擬仿真離線程序進行設計的好處顯而易見，相較于現實中煩瑣的在線示教，軟件中可以更加方便地修改任務，并且可以借助傳感器實現各種規劃。隨著機器人技術的發展，機器人的精度會越來越高。但是由于工程師們在現場進行機器人調試時精度往往不夠準確，所以可以預料到在未來離線編程系統相對于在線編程將發揮更重要的作用。

本工作站的離線程序采用RobotStudio軟件的RAPID代碼進行設計。程序框架采用主程序并調用若干子程序來進行整個打磨過程，由于需要打磨兩種不同外形的工件，因此需要建立兩個不同的子程序對應不同的打磨路徑。

機器人從主程序開始運行，主程序的功能是將各運動軌跡子程序和功能子程序進行邏輯性調用，根據流程規劃和任務書要求設計：要實現自動化生產，需要無限循環，該功能可采用WHILE TRUE DO指令控制程序循環執行。首先初始化子程序，讓機器人在開始運動前將恢復到最初狀態；然后執行檢查安全點子程序，來確保機器人在安全位置開始；再用解析子程序對PLC傳遞過來的信息進行解析。解析完后，通過子程序來實現變位機的自動變位，根據解析結果進入相應的變位子程序。

主程序例行程序與指令說明如下：

通過以上程序設計可以實現變位機自動變位功能，機器人能實現快速打磨，提高工作效率。

3 結語

課題組經過初步研究，得出結論：該實訓平臺穩定可靠，反應速度快，易于搭建，可以在各個場景的自動打磨中發揮作用，也可以用于教學，實現系統有效的實訓、實習、實驗等，圓滿地完成教學任務。隨著工業化行業的快速發展，利用變位機的自動變位系統將被越來越多地應用于現實中，以提高效率。由于時間以及實驗等多方面條件的限制，課題組設計的雙工位自動打磨平臺需要進行反復的實踐與記錄，未來還可以從打磨單元的優化、變位機自動變位靈敏度的提高、PLC程序的簡化、多工位自動打磨裝置同時作業等方面進行研究，使整個系統的功能更加完善。