基于RobotStudio的機器人涂膠路徑仿真研究

鄧華軍，段月紅，左偉平，謝明春，胡順興

（1.贛州職業技術學院，江西 贛州 341000；2.江西青峰藥業有限公司，江西 贛州 341000）

0 引言

涂膠是工業機器人的四大典型應用之一[1]，其工作特點是運動路徑復雜、軌跡不規則，運動路徑常涉及許多曲線，并且工作站運行的現場條件惡劣，膠水等原料有毒有害，具有刺激性氣味。普通的示教編程方法精確度不高、效率低下，且具有一定的危險性，不再適應涂膠應用場合。虛擬仿真技術借助于機器人離線編程技術和計算機技術[2]，可以在虛擬環境中建立工作站的實際模型、規劃運動路徑、設置I/O通信、編制調試程序等，可以在不停工停產的條件下完成程序的編制或修改，降低了現場編程的風險，大大提高了生產效率。RobotStudio是ABB公司開發的一款高效離線編程軟件，是市場上離線編程的領先產品[3]。其具有CAD文件導入、自動路徑生成、模擬仿真、碰撞檢測等功能[4]，可以實現涂膠工作站工作過程的模擬仿真及程序調試。陸葉[5]利用RobotStudio對機器人上下料的軌跡進行了仿真，利用Smart組件實現了放料手爪的動畫效果；郝建豹等[6]利用SolidWorks和Robot-Studio建立了機器人碼垛工作站的仿真模型，離線編制了機器人碼垛程序，實現了虛擬工作站的碼垛作業；孫增光[7]利用RobotStudio搭建了焊接機器人虛擬工作站，創建了相關的I/O信號并仿真運行了焊接程序，優化了焊接參數；國內還有學者[8]利用RobotStudio搭建了機器人分揀工作站、多機器人協作工作站等，離線編制了相關程序并進行了仿真運行，為虛擬仿真工作站的搭建和Smart組件的設計提供了一些思路和經驗。但是對機器人涂膠工作站的仿真研究較少，在仿真工作站中對機器人如何自動裝載和卸載工具的動態設計也較少提及。因此提出了機器人涂膠工作站的仿真方法，并利用RobotStudio軟件的Smart組件創建了動態快換工具，實現了工業機器人對膠筆工具的自動裝載和卸載，仿真運行了涂膠程序，優化了機器人的運行軌跡。

1 機器人涂膠工作站的建模與布局

以機器人技術應用賽項競賽平臺為原型，分解出工作臺、工業機器人、涂膠畫板、快換工具、膠筆工具、膠筆支架組成涂膠工作站。工業機器人為ABB IRB120型，由RobotStudio的ABB模型庫直接導入。其它周邊設備由第三方建模軟件SolidWorks建立模型，雖然RobotStudio也具有建模功能，但是其建模功能不如專業建模軟件功能強大?？紤]到涂膠工作站的復雜性，利用專業建模軟件SolidWorks建立工作臺、涂膠畫板、膠筆、膠筆支架的三維模型，導入到Robot-Studio中布局成真實環境一樣的工作站。涂膠畫板如圖1所示，畫板中有五條軌跡，選取②號直線軌跡和⑤號曲線軌跡作為本次仿真研究的路徑。布局好的涂膠工作站如圖2所示，工作站由工業機器人、膠筆工具、膠筆支架、涂膠畫板、快換工具5部分組成。

圖1 涂膠畫板

圖2 布局好的機器人涂膠工作站

2 仿真系統的設計

2.1 工作流程

本涂膠工作站的工作流程為：機器人從Home點（工作原點）出發，運動到膠筆支架上膠筆工具拾取點，拾?。ㄑb載）膠筆工具后回到Home點（工作原點）；然后經過過渡點運動到②號軌跡的起始點，完成②號直線軌跡的涂膠；再經過過渡點運動到⑤號軌跡的起始點，完成⑤號曲線軌跡的涂膠；機器人完成涂膠工作后，將膠筆工具放回（卸載）膠筆支架上；最后機器人回到Home點（工作原點）。

2.2 工具和工件的創建

2.2.1 工具的創建

通過創建工具的方法可以將工具中心點（Tool Center Point，TCP）轉移到工具末端，并在工具末端自動生成工具坐標系，從而減小目標點示教時工具帶來的位置誤差。本案例中需要創建兩個工具，一個是快換工具Tool1，通過在RobotStudio中設定快換工具模型的坐標系，將其轉換成具有ToolData屬性的工具，可以方便地示教膠筆工具拾取點P10的位置。另一個是膠筆工具Tool2，創建Tool2是為了將TCP轉移到筆尖處，方便涂膠目標點位置的示教及TCP跟蹤。

2.2.2 工件的創建

為了方便用戶手動控制機器人規劃路徑和編寫程序，以涂膠畫板為基準創建一個工件坐標系Wobj1。采用三點法標定工件坐標系，選定軌跡所在平面作為坐標系平面，選定一個頂點作為X軸上的第一點，選定X軸上的第二點和Y軸上的點，點的位置如圖3所示。

圖3 工件坐標系的點位數據

2.3 動態Smart組件的設計

2.3.1 創建Smart組件

在本案例中，快換工具的動態效果主要包括：開始涂膠工作之前從膠筆支架上拾取（裝載）膠筆工具，涂膠工作完成之后將膠筆工具放回（卸載）膠筆支架，并且可以自動置位復位真空反饋信號[9]。首先新建一個Smart組件命名為M_HandChangeStart，將創已建的快換工具設定為角色Role，使Smart組件具有工具屬性；然后添加線傳感器LineSensor組件，該傳感器位于快換工具與膠筆的接觸面上，用于檢測膠筆工具的到位狀態；接下來添加Attacher子組件以實現拾?。ㄑb載）動作效果，Attacher子組件父對象為快換工具，子對象為膠筆工具，添加Detacher子組件以實現釋放（卸載）動作效果；再下一步添加邏輯信號子組件Logicgate[Not]和LogicgateSRLatch，非門邏輯運算Logicgate[Not]用于實現當數字輸入信號S_DIHand-Change_Start由1變0時觸發釋放（卸載）動作執行，信號置位/復位子組件LogicgateSRLatch用于觸發真空反饋信號S_DOVacuumOK置位/復位動作。

2.3.2 創建屬性和信號的連接

屬性與連結是指已創建的Smart子組件之間需建立某些屬性之間的連結[10]，本案例需在M_Hand ChangeStart窗口的＜設計＞選項卡中添加線傳感器與Attacher子組件子對象之間的連結以及Attacher子組件子對象和Detacher子組件子對象之間的連結，以保證快換工具上的傳感器能檢測到膠筆工具，已添加的屬性連結如圖4所示。

圖4 組件的屬性與連結

2.3.3 創建信號與連接

創建好組件的屬性和連結之后就可以創建I/O信號及信號之間的連接關系，首先創建數字輸入信號S_DIHandChange_Start用于觸發拾?。ㄑb載）和釋放（卸載）動作，然后創建數字輸出信號S_DOVacuumOK用于觸發真空反饋信號，創建的Smart組件I/O信號如圖5所示。添加的組件信號之間的連接關系如圖6所示，最終實現拾取動作和釋放動作的執行并反饋真空信號。

圖5 Smart組件的I/O信號

2.4 工業機器人系統的建立

2.4.1 建立工業機器人系統

根據組建好的涂膠工作站布局創建機器人控制系統[11，12]，創建好系統之后，RobotStudio軟件右下角的控制器狀態變成綠色，此時虛擬工作站具有與真實工作站一樣的功能，可在虛擬示教器中配置參數、編制調試程序等。

2.4.2 創建I/O板和I/O信號

DSQC652是ABB機器人最常用的標準I/O板[13，14]，其掛載在DeviceNet總線上。在虛擬示教器的控制面板中創建DSQC652板，地址為10。

創建好I/O板之后創建機器人I/O信號，I/O信號掛接在DSQC652板上。本案例需創建一個數字輸出信號用于控制快換工具拾取（裝載）和釋放（卸載）膠筆工具，一個數字輸入信號用作真空反饋信號[15]。創建的機器人I/O信號如表1所示。

2.4.3 設定工作站邏輯

設定工作站邏輯即是將Smart組件當成與機器人通信的PLC，通過將Smart組件端的信號和機器人端的信號進行連接，最終實現涂膠工作站的仿真動畫。在本案例中需將Smart組件端的數字輸入信號S_DIHandChange_Start與機器人端的數字輸出信號HandChange_Start連接，將Smart組件端的數字輸出信號S_DOVacuumOK與機器人端的數字輸入信號VacuumOK連接。如圖7所示為連接好的信號。

圖7 Smart組件端信號和機器人端信號連接圖

3 工作站的編程與仿真調試

3.1 運動路徑的規劃

根據工作站的工作流程，規劃機器人的運動軌跡，機器人在開始運動之前和結束工作之后都應回到工作原點。機器人在運動過程中規劃一定的安全過渡點，保證運動的流暢及機器人不與周圍設備發生碰撞。膠筆工具拾取點和釋放點位于同一位置，設定為P10點。⑤號路徑為復雜的曲線路徑，利用RobotStudio捕捉曲線軌跡，創建自動路徑，對軸參數配置后轉換成RAPID程序代碼，完成程序的編寫。

3.2 程序的設計

根據規劃好的路徑，將本案例中涂膠程序分為拾取膠筆程序、涂②號軌跡程序、涂⑤號軌跡程序、釋放膠筆程序四個子程序，利用主程序依次調用四個子程序，以完成整個工作流程。程序結構如圖8所示。

圖8 程序結構

主程序、拾取膠筆程序、涂②號軌跡程序、釋放膠筆程序直接在虛擬示教器的程序編輯器中編寫并完成目標點的示教，涂⑤號軌跡程序由創建好的自動路徑同步到RAPID自動生成，然后在程序編輯器中調試優化。

3.3 工作站的仿真

程序編寫好之后，在虛擬示教器中運行程序，利用TCP跟蹤功能監控TCP的運行軌跡。如圖9（a）所示為正在涂膠時顯示的TCP運行軌跡，如圖9（b）所示為涂膠工作完成后顯示完整的TCP運行軌跡。從圖中可以看出：機器人準確地沿著規劃路徑運動，順利地完成了涂膠工作。由此得出：利用RobotStudio軟件的Smart組件創建動態快換工具的方法是可行的，利用Smart組件可以設計出工業機器人對膠筆工具的自動裝載和卸載動態效果；可以利用設定工作站邏輯的方法實現工業機器人端信號和Smart組件端信號相關聯；通過虛擬仿真工作站運行涂膠程序，可以方便快速地調試和修改程序并觀察機器人的運動情況；利用RobotStudio的TCP跟蹤功能，可全程監控工業機器人的運行軌跡。

圖9 TCP的運行軌跡

4 結語

利用SolidWorks強大的建模功能準確地建立涂膠工作站三維模型，導入到RobotStudio中規劃好軌跡，創建并關聯好I/O信號，仿真運行了涂膠程序。虛擬工作站的應用使機器人程序的編寫和修改更加方便和快捷。通過TCP跟蹤功能監控TCP的運行軌跡，優化了機器人運動路徑，驗證了程序的正確性和路徑的準確性。利用虛擬仿真技術來規劃機器人的運動路徑和編寫調試程序，取得了預期的效果，為真實機器人工作站的設計和開發提供了思路和理論依據，可促進生產效率的提高。