基于RobotStudio的工業(yè)機(jī)器人集成系統(tǒng)虛實(shí)聯(lián)調(diào)仿真工作站設(shè)計(jì)和開發(fā)

黃燕燕，蔡 偉，熊繼森

（云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650203）

0 引言

隨著智能制造技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，大學(xué)開設(shè)工業(yè)機(jī)器人集成系統(tǒng)相關(guān)課程的需求越來越大，要求也越來越高。由于資金不足或場(chǎng)地受限，一般學(xué)校購置的工業(yè)機(jī)器人集成系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)設(shè)備臺(tái)數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足教學(xué)需求。目前解決設(shè)備不夠的問題最常用的方法是使用虛擬仿真技術(shù)，ABB工業(yè)機(jī)器人的學(xué)習(xí)一般是在RobotStudio軟件上創(chuàng)建虛擬仿真工作站，在虛擬環(huán)境下進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，以及工作站的功能實(shí)現(xiàn)和調(diào)試運(yùn)行[1-3]。虛擬仿真工作站可以有效解決硬件設(shè)備不足的問題，還可能降低設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)，加快教學(xué)速度，其缺點(diǎn)在于機(jī)器人周邊設(shè)備的動(dòng)作只能通過SMART組件來實(shí)現(xiàn)其邏輯，并非由PLC控制器等設(shè)備編程控制，也就無法進(jìn)行PLC控制器及其他周邊設(shè)備的編程訓(xùn)練。所以這種方法只適用于工業(yè)機(jī)器人的學(xué)習(xí)，而并不適用于包含多種專業(yè)技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人集成系統(tǒng)的學(xué)習(xí)。本文在RobotSudio軟件的虛擬仿真技術(shù)基礎(chǔ)上，借助外部組件，打通西門子PLC控制器與RobotStudio軟件的接口，實(shí)現(xiàn)PLC控制器與虛擬仿真工作站之間的數(shù)據(jù)通訊，基于此方法設(shè)計(jì)出可虛實(shí)聯(lián)調(diào)的仿真工作站。

1 工業(yè)機(jī)器人集成系統(tǒng)設(shè)備簡述

使用的工業(yè)機(jī)器人集成系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)設(shè)備是華航唯實(shí)KH11平臺(tái)[4]，虛擬仿真工作站選取其中更需要工業(yè)機(jī)器人和PLC配合聯(lián)動(dòng)的3個(gè)單元（工具單元、執(zhí)行單元和倉儲(chǔ)單元）進(jìn)行設(shè)計(jì)及開發(fā)。所有的三維模型都是按照與實(shí)體工作站1∶1的尺寸，在UG12.0軟件上制作完成后導(dǎo)入RobotStudio軟件中，整體模型如圖1所示，其中ABB IRB120機(jī)器人使用的是RobotStudio軟件自帶的模型。

圖1 工業(yè)機(jī)器人集成系統(tǒng)虛擬仿真工作站模型

執(zhí)行單元包含一個(gè)伺服軸及可以隨伺服軸移動(dòng)的IRB120機(jī)器人；工具單元主要包含安裝在機(jī)器人末端的快換工具以及放置在工具架上的夾爪工具和吸盤工具；且每個(gè)倉位配有一兩個(gè)顏色的指示燈進(jìn)行是否有料的檢測(cè)。

圖2 工業(yè)機(jī)器人隨伺服軸移動(dòng)

2 虛擬仿真工作站設(shè)計(jì)

除了要將所有設(shè)計(jì)好的三維模型導(dǎo)入并正確放置，虛擬仿真工作站的設(shè)計(jì)還包括各機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)，各SMART組件的設(shè)計(jì)和邏輯工作站的設(shè)計(jì)等，使各虛擬設(shè)備按照要求模擬真實(shí)動(dòng)作，從而建立可進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人配置、編程和調(diào)試、仿真運(yùn)行和虛實(shí)聯(lián)調(diào)的虛擬環(huán)境。

2.1 執(zhí)行單元

由于執(zhí)行單元的伺服軸在RobotStudio6.08軟件自帶模型庫中找不到，需要使用插件External Axis Wizard創(chuàng)建一個(gè)外部軸來對(duì)其進(jìn)行仿真。為了方便觀察，伺服軸的仿真模型去掉了實(shí)際設(shè)備中用于安全防護(hù)的保護(hù)罩。伺服軸模型分為兩部分，相對(duì)固定的臺(tái)子和相對(duì)運(yùn)動(dòng)的滑臺(tái)。

首先在“建模”菜單欄中使用“創(chuàng)建機(jī)械裝置”命令創(chuàng)建類型為“外軸”的機(jī)械裝置，將滑臺(tái)設(shè)計(jì)成可基于臺(tái)子進(jìn)行往復(fù)的直線運(yùn)動(dòng)。創(chuàng)建虛擬機(jī)器人系統(tǒng)后，使用ABB機(jī)器人外部軸配置向?qū)Р寮癊xternal Axis Wizard”，對(duì)機(jī)器人外部軸進(jìn)行參數(shù)配置。拖動(dòng)機(jī)器人到執(zhí)行單元模型上，再重新啟動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，啟動(dòng)完成后機(jī)器人本體模型就被安裝到伺服軸模型上了。

自定義伺服軸的運(yùn)動(dòng)控制方法與使用模型庫自帶行走軸的控制方法一樣，既可以手動(dòng)運(yùn)行控制也可以編寫程序自動(dòng)運(yùn)行控制。右擊伺服軸，打開“機(jī)械裝置手動(dòng)關(guān)節(jié)”，拖動(dòng)滑條，就能看到機(jī)器人在執(zhí)行單元上移動(dòng)了。

2.2 工具單元

工具單元包括安裝在機(jī)器人末端的快換工具、用于抓取輪轂工件的夾爪工具和吸盤工具，以及用于放置兩個(gè)工具的工具支架。

快換工具安裝在工業(yè)機(jī)器人末端，用于快速安裝和卸載夾爪工具和吸盤工具，如圖3所示。為后續(xù)快換工具能夠更方便地示教點(diǎn)位，在創(chuàng)建工具時(shí)，為快換工具添加了3個(gè)TCP：一個(gè)快換工具本身的Kuai-HuanGongJu坐標(biāo)，一個(gè)用于拾取夾爪工具的JiaZhua坐標(biāo)和一個(gè)用于拾取吸盤工具的XiPan坐標(biāo)。創(chuàng)建完后將其安裝在工業(yè)機(jī)器人上。注意快換工具要設(shè)置不可由傳感器檢測(cè)。

圖3 快換工具及創(chuàng)建的工具坐標(biāo)

創(chuàng)建工具完成后，根據(jù)快換工具的實(shí)際功能進(jìn)行SMART組件的邏輯設(shè)計(jì)，工具的SMART設(shè)計(jì)比較簡單，主要使用直線傳感器組件LineSensor、安裝組件Attacher、卸載組件Detacher和邏輯非門組件Logic-Gate[NOT][5]。為了防止設(shè)備斷電時(shí)工具掉落的情況發(fā)生，設(shè)計(jì)快換工具的輸入信號(hào)AnZhuang，為0時(shí)安裝工具，為1時(shí)卸載工具，所以邏輯非門組件LogicGate[NOT]放在直線傳感器組件LineSensor前面；因?yàn)閵A爪工具是機(jī)械裝置，無法直接安裝，所以在夾爪工具的中間埋入了一塊內(nèi)部塊，設(shè)置為可由傳感器檢測(cè)，并拖動(dòng)至夾爪工具作為夾爪工具的子部件。然后在快換工具的Smart設(shè)計(jì)中加一個(gè)獲取父對(duì)象組件Get-Parent，這樣才能檢測(cè)和安裝上夾爪工具。同樣，為了保持設(shè)計(jì)一致，吸盤工具中也埋入了一個(gè)內(nèi)部塊。圖4所示是快換工具的SMART組件設(shè)計(jì)圖。

圖4 快換工具SMART組件設(shè)計(jì)

夾爪工具和吸盤工具如圖5所示。吸盤工具除了輸入信號(hào)之外，還有一個(gè)表示吸盤是否吸住的輸出信號(hào)，所以吸盤工具的SMART組件設(shè)計(jì)中增加了置位復(fù)位鎖存器組件LogicSRLatch進(jìn)行輸出信號(hào)部分的設(shè)計(jì)；而夾爪工具為了實(shí)現(xiàn)夾緊松開的動(dòng)畫效果，被創(chuàng)建成了類型為設(shè)備的機(jī)械裝置，并在SMART設(shè)計(jì)時(shí)用到了兩個(gè)姿態(tài)轉(zhuǎn)換組件PoseMover，讓夾爪隨著輸入信號(hào)的變化在夾緊姿態(tài)和松開姿態(tài)之間切換。

圖5 夾爪工具和吸盤工具

2.3 倉儲(chǔ)單元

倉儲(chǔ)單元包括倉位支架、6個(gè)倉位和6個(gè)雙色指示燈。6個(gè)倉位都被創(chuàng)建成類型為設(shè)備的機(jī)械裝置，托盤可推出和縮回。6個(gè)指示燈可根據(jù)倉位中是否有料變換顏色。為了實(shí)現(xiàn)控制要求，將6個(gè)倉位創(chuàng)建成6個(gè)SMART組件進(jìn)行設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)圖基本一致，圖6所示是倉位1的SMART組件設(shè)計(jì)圖，主要設(shè)計(jì)思路如下：

圖6 倉儲(chǔ)單元1號(hào)倉位的SMART組件設(shè)計(jì)

（1）每個(gè)倉位有一個(gè)輸入信號(hào)（TuiChu），用于控制托盤伸出縮回；有兩個(gè)輸出信號(hào)：表示托盤是否推出到位的狀態(tài)TuiDaoWei和表示倉位中是否放置有工件的狀態(tài)YouLiao。

（2）為了實(shí)現(xiàn)倉位可根據(jù)輸入信號(hào)（TuiChu）進(jìn)行伸出縮回運(yùn)動(dòng)，并且在有輪轂工件的情況下能夠帶著輪轂一起運(yùn)動(dòng)，使用了直線傳感器組件LineSensor、安裝組件Attacher、卸載組件Detacher、姿態(tài)轉(zhuǎn)換組件PoseMover以及多個(gè)邏輯門組件，設(shè)計(jì)思路與夾爪工具類似。

（3）為了實(shí)時(shí)檢測(cè)倉位中是否有料，采用脈沖信號(hào)組件Timer對(duì)直線傳感器LineSensor進(jìn)行使能，每一秒檢測(cè)一次；使用兩個(gè)的計(jì)數(shù)器組件Counter相隔一個(gè)節(jié)拍的計(jì)數(shù)值進(jìn)行比較（Comparer組件），得到倉位是否有料的穩(wěn)定判斷，并用highlighter組件對(duì)雙色指示燈的顏色進(jìn)行變換。

（4）為了實(shí)現(xiàn)推出倉位后能由機(jī)器人拿走輪轂的功能，設(shè)計(jì)當(dāng)TuiChu信號(hào)為1時(shí)，先檢測(cè)是否有料，如果有則安裝輪轂，安裝之后再推出；推出到位后，卸載輪轂，以備機(jī)器人拿走輪轂。

（5）為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人放下輪轂后倉位能夠帶著輪轂縮回的功能，設(shè)計(jì)當(dāng)TuiChu信號(hào)為0時(shí)，先檢測(cè)是否有料，有則先安裝輪轂，安裝之后再縮回。

3 虛實(shí)聯(lián)調(diào)實(shí)現(xiàn)

為了解決虛擬仿真工作站只是用SMART組件實(shí)現(xiàn)模擬動(dòng)作，而不能實(shí)現(xiàn)虛擬仿真工作站與PLC控制器聯(lián)調(diào)的問題，在ABB公司的RobotApps網(wǎng)站上下載2個(gè)外部組件RSConnectDIOToSnap7和RSConnectGIOToSnap7，可打通RobotStudio軟件對(duì)接西門子PLC控制器的接口，將虛擬仿真工作站中的虛擬設(shè)備與PLC控制器中的變量進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)PLC控制器與虛擬仿真工作站的數(shù)據(jù)通訊。

這里主要介紹倉儲(chǔ)單元與PLC之間聯(lián)調(diào)的部分。倉儲(chǔ)單元的每個(gè)倉位都是一個(gè)SMART組件，I/O信號(hào)有控制料倉推出的輸入信號(hào)（TuiChu），以及指示推出到位狀態(tài)（TuiDaoWei）和是否有料（YouLiao）的輸出信號(hào)。這三個(gè)信號(hào)在實(shí)訓(xùn)設(shè)備中都是連接到PLC由PLC進(jìn)行監(jiān)控的，所以虛擬仿真工作站中也設(shè)計(jì)這三個(gè)信號(hào)與PLC通訊。

在工作站邏輯中添加組件，從“導(dǎo)入模型庫”中找到下載好的RSConnectDIOToSnap7.rslib文件，導(dǎo)入組件。屬性中PLC_Addr是連接的西門子S7-1200 PLC控制器的IP地址192.168.0.20，機(jī)架號(hào)0，插槽號(hào) 1；需要連接的DI信號(hào)有6個(gè)，分別是6個(gè)倉位的推出信號(hào)，在PLC中的地址是M2.0-M2. 5；需要連接的DO信號(hào)有12個(gè)，分別是6個(gè)倉位的推出到位信號(hào)（PLC地址M10.0-M10.5）和有料信號(hào)（PLC地址M11.0-M11.5）。屬性設(shè)置好后與6個(gè)倉位的SMART組件進(jìn)行信號(hào)連接，如圖7所示。網(wǎng)絡(luò)連通后修改Connect信號(hào)值為1，即可實(shí)現(xiàn)PLC控制器與虛擬仿真工作站之間這18個(gè)數(shù)字信號(hào)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊。

圖7 RSConnectDIOToSnap7組件的屬性設(shè)置及信號(hào)連接

為了簡單演示下控制效果，在西門子的博途軟件上繪制組態(tài)界面，如圖8所示，各按鍵和指示燈分別鏈接M2.0-M2.5，M10.0-M10.5，M11.0-M11.5地址。運(yùn)行界面后可對(duì)6個(gè)倉位進(jìn)行手動(dòng)控制和狀態(tài)顯示。

圖8 倉儲(chǔ)單元組態(tài)界面及控制效果

與虛擬仿真工作站連接的可以是真實(shí)的PLC設(shè)備，如果是線上教學(xué)，學(xué)生不能使用實(shí)訓(xùn)室的PLC設(shè)備，也可以使用PLCSim軟件創(chuàng)建一個(gè)PLC模擬設(shè)備。此時(shí)還需要一個(gè)叫做NetToPLCsim的軟件，將PLC的IP地址192.168.0.20映射成電腦的IP地址192.168.0.100，如圖9所示，同時(shí)需要修改RSCon-nectDIOToSnap7組件的PLC_Addr屬性為電腦的IP地址192.168.0.100。

圖9 NetToPLCsim軟件設(shè)置

4 應(yīng)用案例

本虛實(shí)聯(lián)調(diào)仿真工作站可用于工業(yè)機(jī)器人集成系統(tǒng)的課程教學(xué)、工業(yè)機(jī)器人集成應(yīng)用“1+X”證書的考前培訓(xùn)以及高職組全國職業(yè)院校技能大賽“機(jī)器人系統(tǒng)集成”賽項(xiàng)的選手培訓(xùn)中。

在工業(yè)機(jī)器人相關(guān)課程教學(xué)和“1+X”考證培訓(xùn)中，依照工業(yè)機(jī)器人集成系統(tǒng)的工作流程順序，由淺入深、由各單元分別調(diào)試到系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，設(shè)計(jì)開發(fā)循序漸進(jìn)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，進(jìn)行項(xiàng)目化教學(xué)。系統(tǒng)聯(lián)調(diào)任務(wù)根據(jù)工具單元、執(zhí)行單元和倉儲(chǔ)單元的典型工作任務(wù)設(shè)計(jì)，具體任務(wù)為：工業(yè)機(jī)器人先去工具單元取工具，再去倉儲(chǔ)單元第6倉位取輪轂，再把輪轂從倉位6搬運(yùn)到倉位5，最后把工具放回工具單元，倉位的伸出縮回由組態(tài)界面控制。

另外，在仿真工作站中再加一個(gè)臨時(shí)過渡位，還可以進(jìn)行立體倉庫輪轂排序的程序編寫和仿真結(jié)果測(cè)試，可用在技能大賽選手培訓(xùn)中。立體倉庫輪轂排序的具體任務(wù)是：立體倉庫中的6個(gè)倉位最多能放6個(gè)輪轂，分別編碼為0001～0006。初始狀態(tài)下6個(gè)輪轂的順序是亂序的，輪轂排序則是通過排序算法將亂序的輪轂工件按順序或逆序或工藝要求的其他排序方式進(jìn)行排序[6]。

5 結(jié)語

結(jié)合虛擬仿真技術(shù)、PLC控制技術(shù)、組態(tài)技術(shù)設(shè)計(jì)的虛實(shí)聯(lián)調(diào)仿真工作站，連接了RobotStudio軟件與西門子博途軟件的通訊接口，能夠?qū)崿F(xiàn)脫離設(shè)備在電腦上進(jìn)行練習(xí)并得出仿真效果，可以應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人集成系統(tǒng)相關(guān)課程的線上教學(xué)。同時(shí)在有限設(shè)備臺(tái)數(shù)和有限教學(xué)時(shí)間的情況下，又能快速將已在虛擬環(huán)境下驗(yàn)證過的機(jī)器人程序和PLC程序下載到實(shí)際設(shè)備中進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)線上線下混合式教學(xué)，大大節(jié)省了每一位學(xué)生占用設(shè)備的時(shí)間，解決了教學(xué)資源緊缺的問題，同時(shí)也提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，收到時(shí)良好的學(xué)習(xí)效果。