基于RobotStudio水槽打磨機器人工作站仿真設(shè)計

唐振宇，戴祝堅，唐倫，畢齊林，徐虎，董昇泰

(1.廣州航海學院船舶與海洋工程學院，廣東廣州 510725；2.廣州數(shù)控設(shè)備有限公司，廣東廣州 510535；3.廣東省航海協(xié)會，廣東廣州 510130)

0 前言

隨著工業(yè)機器人技術(shù)的迅速發(fā)展，生產(chǎn)過程中越來越多的機器人在不同的應(yīng)用場景中得到應(yīng)用[1]。不銹鋼水槽就是一種重要的生活和工業(yè)上的消耗品。目前，國內(nèi)不銹鋼水槽打磨大部分使用手工打磨拋光，打磨產(chǎn)生的粉塵大，環(huán)境惡劣，嚴重危害工人身體健康，打磨成本居高不下、質(zhì)量問題頻出。同時，我國人口紅利逐漸消失導致打磨這一工序面臨著用工荒的問題，嚴重阻礙了企業(yè)生產(chǎn)訂單的完成和企業(yè)的發(fā)展[2]。隨著國內(nèi)工業(yè)機器人技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，以及生產(chǎn)任務(wù)的精密化、復雜化，工業(yè)機器人離線編程越來越多地應(yīng)用于工業(yè)自動化生產(chǎn)當中[3-4]。利用打磨機器人代替人工打磨可以穩(wěn)定提高打磨產(chǎn)品的表面質(zhì)量和大幅提高生產(chǎn)效率。但是在企業(yè)實際的生產(chǎn)中，需要花費大量的時間、物力來調(diào)試生產(chǎn)線。而工業(yè)機器人操作方便、可以實現(xiàn)復雜的空間曲線運動，是實現(xiàn)數(shù)字化制造的重要手段之一[5]。所以利用機器人離線編程仿真軟件，對機器人進行離線編程，模擬仿真生產(chǎn)線的實際效果[6]，就可以為企業(yè)的生產(chǎn)線調(diào)試、生產(chǎn)工藝制定提供具有實踐意義的參考依據(jù)，提高生產(chǎn)的可行性和可操作性，并可對生產(chǎn)做出預判，可指導現(xiàn)場調(diào)試，縮短調(diào)試周期[7-8]。

1 打磨機器人工作站仿真平臺搭建

基于SolidWorks和RobotStudio軟件，完成建立機器人打磨工作站、設(shè)置打磨工作站I/O信號、編寫打磨程序、打磨軌跡仿真分析等功能。通過對工作站打磨軌跡、運行流程和打磨周期進行仿真分析，驗證水槽打磨在實際生產(chǎn)中的可行性。

1.1 焊縫打磨工藝原理

打磨對象是尺寸為525 mm×375 mm×150 mm、質(zhì)量5 kg的304不銹鋼水槽，打磨區(qū)域是水槽側(cè)面的4條焊縫，焊縫位置如圖1所示。

圖1 焊縫位置示意Fig.1 Diagram of weld position：(a)front of sink； (b)reverse of sink

夾具利用吸盤工作原理夾取和松開水槽。工件移動到打磨工位，打磨機推壓砂帶使得工件與砂帶之間產(chǎn)生磨削力，并對不銹鋼水槽焊縫進行打磨。通過力控模塊調(diào)整砂帶與焊縫之間接觸時產(chǎn)生的正壓力[9]。主要的打磨參數(shù)如表1所示。

表1 打磨參數(shù)Tab.1 Grinding parameters

1.2 機器人末端執(zhí)行器設(shè)計

工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器是機器人打磨工作站實現(xiàn)抓取、搬運、碼垛等功能的核心部件。工件的質(zhì)量較小，末端執(zhí)行器選擇吸盤類型的真空吸附夾具，操作簡單、易實現(xiàn)自動控制、氣動響應(yīng)速度快，效率高。該夾具以壓縮空氣為動力，實現(xiàn)對工件的夾取和松開，其工作原理如圖2所示。

圖2 末端執(zhí)行器(夾具)工作原理Fig.2 Working principle of end-effector (fixture)

夾具的夾取部件由6條連桿機構(gòu)組成，每條連桿機構(gòu)裝有2個吸盤，總共12個吸盤。采用電磁閥元器件來控制氣體的流動方向，3個電磁閥控制3對連桿的吸盤氣動。夾具結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 夾具結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Fixture structure

吸盤的尺寸和吸力的計算。選擇相關(guān)參數(shù)：水槽質(zhì)量m為5 kg，重力加速度g為9.8 N/kg，真空壓力p為-80 kPa，吸盤直徑為d(cm)，吸盤面積為S(cm2)，吸盤個數(shù)n為12，摩擦因數(shù)μ為0.2，垂直吸吊安全系數(shù)t為8。

計算吸盤直徑：

(1)

選擇吸盤直徑應(yīng)略大于計算結(jié)果，故選取吸盤直徑為30 mm。

計算吸盤吸吊力：

(2)

為了確保吸盤能夠完成吸吊任務(wù)，需要考慮吸盤的安全系數(shù)a，允許提升載荷為吸吊力/安全系數(shù)。在此，真空吸盤的安全系數(shù)取2.5。

計算實際情況的安全系數(shù)：

a=w÷mg=135.7÷(5×9.8)=2.76>2.5

(3)

表明氣動夾具確保能夾起水槽，且是安全的。

1.3 打磨機器人工作站布局設(shè)計

項目采用工件型打磨機器人工作站布局，機器人末端夾持工件，把工件送到各個打磨工位的砂帶打磨機上完成各種打磨工序。打磨工作站由打磨機器人、控制柜、示教器、砂帶打磨機、夾具、傳送鏈、傳感器、外圍柵欄等設(shè)備組成。建立的打磨機器人工作站布局如圖4所示。

圖4 打磨機器人工作站布局示意Fig.4 Layout of polishing robot workstation

2 打磨工作站工藝流程設(shè)計

2.1 工件打磨工藝流程設(shè)計

待打磨的不銹鋼水槽在傳送鏈上傳動，機器人IRB 4600夾取不銹鋼水槽在工位準備點等待，并調(diào)整好姿態(tài)，待打磨機移動到工位，水槽焊縫與砂帶接觸，打磨機反復打磨焊縫部分。打磨工藝流程如圖5所示。

圖5 打磨工藝流程Fig.5 Grinding process

具體實現(xiàn)的工藝流程如下：

(1)機器人在起始點準備；

(2)傳送鏈接收工件傳動的置1信號，工件開始傳送，被面?zhèn)鞲衅鞲袘?yīng)到后停止傳送；

(3)夾具夾取信號置1，夾具上的線傳感器感應(yīng)到工件后執(zhí)行夾取動作把工件夾起；

(4)夾具夾取工件到工位前的準備點，同時下一個水槽開始在傳送鏈上傳送，面?zhèn)鞲衅鳈z測到水槽后停止傳動；

(5)打磨機移動到工位處，打磨機的氣缸下頂?shù)缴皫П砻妫?/p>

(6)打磨機開始對工件的圓角反復打磨，打磨完成氣缸上移，機器人夾取工件回到準備點處，打磨機移動回到原點，等待下次打磨；

(7)夾具夾取打磨好的工件放置在托盤上，夾取信號置0夾具松開；

(8)機器人回到機械原點，準備夾取下一個工件。

重復步驟(2)—(8)，進行下一個工件打磨，重復循環(huán)打磨多個工件。

2.2 打磨機器人軌跡規(guī)劃

打磨工位一個，分別打磨4條焊縫。打磨工作站完成一個工件的打磨共需創(chuàng)建16個示教目標點，分別是傳送鏈末端1個、夾具夾起點1個、工位等待點1個、打磨點12個、下料點托盤處1個。傳送鏈末端的目標點是水槽傳送停止點，接著夾具把水槽夾起，砂帶機在工位處打磨每一條焊縫分別有3個目標點(2個打磨點，1個打磨等待點)，最后托盤的1個目標點則是用來放置打磨好的工件。打磨規(guī)劃路徑如圖6紅線所示。

圖6 水槽打磨規(guī)劃路徑Fig.6 Planning path for sink polishing

3 工作站Smart組件和I/O信號的設(shè)置

實際的打磨工作站以PLC為主控單元[10]，采用Devicenet等現(xiàn)場總線方式連接并接收打磨機器人、氣動夾具、砂帶打磨機、傳送鏈等設(shè)備的發(fā)送信號。在RobotStudio中建立Smart組件模擬PLC與機器人通信，建立I/O信號和連接屬性，編寫離線打磨程序。系統(tǒng)仿真設(shè)計流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)仿真設(shè)計流程Fig.7 System simulation design flow

3.1 工具坐標系和工件坐標系的設(shè)定

為確保夾取精度，采用TCP和Z、X法建立工具坐標。用吸盤夾具設(shè)定的參數(shù)來建立工具坐標，命名工具為MyNewTool10。選擇第一個點，調(diào)整機器人姿勢讓吸盤夾具TCP點靠近不銹鋼水槽的中心位置。第二和第三個點分別以不同的姿態(tài)確定位置，姿勢差異越大，建立的TCP點越準確。第四點是工具坐標的Z軸垂直參考點。第五點為第四點向X方向延伸，第六點為第四點向Z方向延伸。吸盤夾具參數(shù)如表2所示。

本地原點坐標系和夾具工具坐標系分別如圖8所示，本地原點坐標系與機器人末端法蘭的坐標系連接。

機器人自動計算TCP標準誤差，當平均誤差在0.5 mm以內(nèi)，確認新建工具。切換到重定位，向左向右向前向后正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)遙感觀察機器人的動作，判斷所建的工具數(shù)據(jù)是否正確。

采用三點法建立工件坐標，讓機器人的TCP點到達原點位置(龍門機架X軸與Y軸垂直點)，接著直線移動修改位置X2(即沿X軸正方向)和Y1(即沿Y軸正方向)。通過手動操縱遙感來驗證新建的工件坐標是否正確。

3.2 創(chuàng)建Smart組件

分別創(chuàng)建傳送鏈、夾具和打磨機部分的Smart組件。將Smart組件的I/O信號與機器人控制器的I/O信號相關(guān)聯(lián)，Smart組件的輸出信號連到機器人控制系統(tǒng)的輸入信號，機器人控制系統(tǒng)的輸出信號連到Smart組件的輸入信號，再輸入打磨程序，完成打磨過程的仿真。

首先，創(chuàng)建傳送鏈的Smart組件，設(shè)定水槽輸入“傳動”的信號，傳送鏈關(guān)聯(lián)的面?zhèn)鞲衅鞲袘?yīng)到水槽后輸出“傳動到位”的信號。其次，創(chuàng)建夾具的Smart組件，在夾具中添加一個線傳感器，用來感應(yīng)夾具“夾取到位”的動作。當夾具移動到傳送鏈末端的水槽放置點，給夾具一個“夾取水槽”的輸入信號，當線傳感器感應(yīng)到水槽表面的中心點在感應(yīng)范圍之內(nèi)，就會輸出一個“夾取到位”的信號，此時夾具把水槽夾起。最后，創(chuàng)建打磨機的Smart組件，設(shè)定打磨機輸入“移動工位點”的信號，打磨機到位后輸入“打磨”的信號，打磨完成輸出“打磨完成”的信號，打磨機回到初始作業(yè)點。

連接傳送鏈、夾具和打磨機的I/O信號，實現(xiàn)模擬仿真?zhèn)魉玩渹魉退邸A具夾取水槽、打磨機打磨水槽的完整打磨過程。

3.3 DSQC651信號板設(shè)置

機器人必須與外部的設(shè)備和傳感器通信，生產(chǎn)線才能合理有效運行。IRC5緊湊型控制器選用Device Net總線，內(nèi)置DSQC651板。DSQC651板提供8個數(shù)字輸入信號、8個數(shù)字輸出信號和2個模擬輸出信號的處理。把地址設(shè)置為10時，將短接跳線的8腳和10腳減去再插入到該模塊。DSQC651板定義如表3所示。

表3 DSQC651板定義值Tab.3 DSQC651 board definition values

3.4 工作站I/O信號定義

I/O信號用來控制傳送鏈的水槽傳送、夾具的夾取和松開、砂帶機的移動工位和打磨等功能。I/O信號定義如表4所示。

表4 I/O信號定義Tab.4 I/O signal definitions

在控制器“配置”選項添加“IO System”，在仿真“工作站邏輯”中連接系統(tǒng)信號和Smart組件信號。傳送鏈、夾具、傳感器的輸出信號分別連接到系統(tǒng)信號的輸入端“Di10、Di20、Di30”，系統(tǒng)信號的輸出端“Do10、Do20、Do30、Do40、Do50”分別連接到傳送鏈、夾具、打磨機的輸入信號。重啟控制器完成設(shè)置。信號連接如圖9所示。

4 打磨工作站仿真分析

4.1 編寫打磨程序

VisualController是RobotStudio離線編程能夠準確精準的關(guān)鍵技術(shù)。依據(jù)機器人路徑和運動軌跡規(guī)劃的工作站流程，完成對I/O信號的配置、目標點的示教操作，創(chuàng)建程序數(shù)據(jù)，對機器人控制器相應(yīng)的程序進行編寫，進行RAPID程序的離線開發(fā)，保證機器人分揀工作站的仿真與實際運行的同步進行。工作站PAPID主程序部分如圖10所示。

圖10 打磨機器人工作站主程序Fig.10 Main program of polishing robot workstation

執(zhí)行程序后，打磨水槽4條焊縫效果如圖11所示。1條焊縫打磨2次，4條焊縫共打磨8次。

圖11 打磨焊縫仿真圖Fig.11 Diagram of polishing weld：(a)polishing weld 1； (b)polishing weld 2；(c)polishing weld 3； (d)polishing weld 4

4.2 打磨運行軌跡與規(guī)劃路徑的對比分析

仿真過程中，打開RobotStudio的TCP軌跡跟蹤功能，記錄打磨的機器人運動軌跡。對比打磨路徑和打磨軌跡是否一致，如果不重合，需要重新更改示教目標點。TCP軌跡跟蹤以及碰撞監(jiān)控結(jié)果如圖12所示。圖中黑色線條是機器人夾具中心點的運行軌跡。結(jié)果表明：從傳送鏈夾取水槽到放料到托盤的全過程，機器人夾取水槽打磨焊縫的運行軌跡與圖6水槽打磨規(guī)劃路徑完全重合，說明示教的運動目標點完全正確。仿真計時器顯示工作站完成一次打磨流程用時為120.5 s，滿足工件打磨工藝需求。該仿真平臺為現(xiàn)場實際加工帶來便利，用最短的時間找到最優(yōu)的加工路徑，節(jié)省現(xiàn)場調(diào)試時間。實際運行時，工作站打磨效率是人工操作的3倍以上，整個過程工業(yè)機器人響應(yīng)迅速且工作穩(wěn)定，滿足生產(chǎn)需求。

5 結(jié)論

(1)基于SolidWorks設(shè)計機器人末端執(zhí)行器等設(shè)備，基于RobotStudio搭建以IRB 4600機器人為核心的不銹鋼水槽打磨機器人工作站仿真平臺。

(2)制定不銹鋼水槽焊縫打磨工藝流程，規(guī)劃打磨機器人工作站的打磨路徑，并通過與TCP仿真運行軌跡對比得出避碰且合理的打磨軌跡。

(3)基于RobotStudio的Smart組件功能設(shè)計打磨工作中各個運動部件的邏輯動作并關(guān)聯(lián)I/O信號，確保工作站仿真平臺的正確性。該仿真平臺的設(shè)計為企業(yè)研發(fā)新工藝和現(xiàn)場調(diào)試模擬提供一種新的解決途徑，同時也為相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)提供一種通過仿真平臺來解決現(xiàn)場生產(chǎn)與調(diào)試的新方法。