陸　葉

(茂名職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電信息系，廣東 茂名　525000)

基于RobotStudio的機(jī)器人柔性制造生產(chǎn)線的仿真設(shè)計(jì)*

陸葉

(茂名職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電信息系，廣東 茂名525000)

摘要：以工業(yè)機(jī)器人柔性制造生產(chǎn)線為研究對(duì)象，文章介紹了RobotStudio軟件對(duì)生產(chǎn)線仿真建模的方案。根據(jù)零件加工工藝和生產(chǎn)流程，構(gòu)建了機(jī)器人生產(chǎn)線的空間布局，利用三維建模軟件為機(jī)器人設(shè)計(jì)取放料手爪，創(chuàng)建Smart組件實(shí)施動(dòng)畫效果，采集現(xiàn)場(chǎng)所需的I/O信號(hào)進(jìn)行設(shè)備通訊，實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)ABB(Asea Brown Boveri)機(jī)器人為四臺(tái)數(shù)控機(jī)床自動(dòng)上下料的軌跡規(guī)劃、離線編程和仿真過程。該設(shè)計(jì)方案與實(shí)際生產(chǎn)同步，為設(shè)計(jì)者和管理者提供生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的理論依據(jù)和試驗(yàn)平臺(tái)，降低了生產(chǎn)線設(shè)計(jì)、調(diào)試的成本，提高了生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：RobotStudio；工業(yè)機(jī)器人；柔性制造；仿真

0引言

目前，工業(yè)機(jī)器人在我國(guó)制造行業(yè)的應(yīng)用日趨廣泛，但是對(duì)機(jī)器人生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)、改造、過程監(jiān)控、產(chǎn)品可制造性的預(yù)測(cè)等方面缺乏快速響應(yīng)。機(jī)器人柔性制造生產(chǎn)線的虛擬仿真技術(shù)是借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合，在虛擬環(huán)境中對(duì)生產(chǎn)線各元素、生產(chǎn)過程等進(jìn)行仿真模擬，用更加經(jīng)濟(jì)、有效的方式對(duì)柔性制造生產(chǎn)線進(jìn)行合理配置，降低設(shè)備投資風(fēng)險(xiǎn)，已成為工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用發(fā)展的趨勢(shì)。

國(guó)外對(duì)工業(yè)機(jī)器人三維模擬仿真技術(shù)的研究起步較早，不同的機(jī)器人廠商為自己生產(chǎn)的機(jī)器人開發(fā)了離線編程仿真軟件，如瑞典 ABB 提供的Robot Studio、日本FAUNC的 ROBOGUIDE、MOTOMAN的MOTOSIMEG等。還有離線編程軟件如西門子的ROBCAD、達(dá)索的DELMIA等，這些軟件對(duì)機(jī)器人生產(chǎn)線的仿真設(shè)計(jì)也提出了相關(guān)解決方案[1-2]。近年來，我國(guó)在機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展迅速，楊建宇等提出利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行仿真、監(jiān)控和遙操作集成的研究方法[3]，張文香等利用VC++和OpenGL開發(fā)了工業(yè)機(jī)器人的三維仿真系統(tǒng)[4]。國(guó)內(nèi)知名的新松機(jī)器人、廣數(shù)機(jī)器人、FOXBOT機(jī)器人等都開發(fā)有機(jī)器人編程軟件，但主要用于對(duì)機(jī)器人的現(xiàn)場(chǎng)編程調(diào)試，在離線編程、生產(chǎn)線系統(tǒng)集成等方面的深入研究和應(yīng)用略顯不足。

本文目的是為了進(jìn)一步完善柔性制造生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)體系，對(duì)機(jī)器人生產(chǎn)線的組成、上下料工作站、離線編程以及仿真模擬等進(jìn)行研究，探討利用ABB機(jī)器人的虛擬仿真軟件RobotStudio對(duì)機(jī)器人柔性制造生產(chǎn)線進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)的技術(shù)方案，為機(jī)器人生產(chǎn)線的研究提供理論依據(jù)和試驗(yàn)平臺(tái)。

1機(jī)器人柔性制造生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)

實(shí)際生產(chǎn)中，機(jī)器人柔性制造生產(chǎn)線主要由工業(yè)機(jī)器人、可編程控制器(PLC)、數(shù)控機(jī)床(CNC)、送料機(jī)和其他周邊設(shè)備組成。以PLC為控制核心，通過PLC連接外圍設(shè)備、建立設(shè)備間通訊及管理，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在數(shù)控機(jī)床和送料機(jī)之間的上下料和轉(zhuǎn)運(yùn)。

機(jī)器人柔性制造生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)選用ABB IRB 2600機(jī)器人，其精度高、操作速度快、適合上下料、物料搬運(yùn)、弧焊等領(lǐng)域[5]。添加了專門的末端執(zhí)行器(手爪)可為數(shù)控機(jī)床自動(dòng)上下料。內(nèi)置RobotStudio軟件擁有CAD 模型導(dǎo)入、路徑自動(dòng)規(guī)劃、離線編程、仿真調(diào)試、程序上下載、二次開發(fā)等功能[6]。其仿真控制模塊與實(shí)際機(jī)器人運(yùn)行情況一一對(duì)應(yīng)，仿真信號(hào)、程序等也是實(shí)際機(jī)器人生產(chǎn)線運(yùn)行過程中的信號(hào)及程序，還可以進(jìn)行干涉檢查以及運(yùn)行情況的報(bào)警，因此非常準(zhǔn)確的模擬出實(shí)際機(jī)器人運(yùn)行的情況。通過該軟件仿真模擬、調(diào)試機(jī)器人柔性制造生產(chǎn)線的生產(chǎn)過程，優(yōu)化編程路徑，為生產(chǎn)提供真實(shí)的驗(yàn)證。

2仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)工作流程及生產(chǎn)線布局

如圖1所示，車削加工的軸零件表面由圓柱、圓弧、槽、內(nèi)孔、內(nèi)槽、內(nèi)螺紋等表面組成，需要兩次裝夾。根據(jù)零件加工工藝要求和車削節(jié)拍，由兩臺(tái)數(shù)控車床組成一個(gè)車削加工單元，分別完成車削的兩道工序，一臺(tái)機(jī)器人可為兩個(gè)車削單元的四臺(tái)數(shù)控車床上下料。數(shù)控車床平行對(duì)面擺放，機(jī)床之間安置有導(dǎo)軌，工業(yè)機(jī)器人安裝在上面來回運(yùn)動(dòng)為機(jī)床上下料，兩臺(tái)送料機(jī)分別進(jìn)行毛坯和成品的供料運(yùn)料。把送料機(jī)放在第一道工序兩臺(tái)數(shù)控車床的端部位置，方便機(jī)器人抓取待加工和卸下加工好的工件，物料搬運(yùn)采用AGV小車搬運(yùn)或者利用另外的機(jī)器人實(shí)現(xiàn)運(yùn)送[7]。

圖1　車削軸零件圖

RobotStudio自帶機(jī)器人庫(kù)、模型庫(kù)等模型，可根據(jù)要求選用相應(yīng)型號(hào)的機(jī)器人并直接加載到工作站中，為處理多工位的需要，還為機(jī)器人配備了行走導(dǎo)軌。但是該軟件的造型功能比較有限，大多數(shù)情況下需要其他的三維CAD軟件進(jìn)行建模等操作后再由接口導(dǎo)入，如利用UG軟件設(shè)計(jì)好機(jī)床等設(shè)備的三維仿真模型，轉(zhuǎn)換為.STL或.SAT等格式，導(dǎo)入該軟件來完成建模布局工作。機(jī)器人柔性制造生產(chǎn)線的空間布局如圖2 所示。

圖2　機(jī)器人柔性制造生產(chǎn)線的空間布局

2.2機(jī)器人上下料手爪的設(shè)計(jì)

圖3　機(jī)器人手爪

考慮到機(jī)器人的工作流程，取毛坯一次可為兩臺(tái)機(jī)床自動(dòng)上下料，在ABB機(jī)器人的六軸末端必須裝有夾取工件的上下料手爪。由于氣壓傳動(dòng)的反應(yīng)迅速、安全可靠、能量損耗小、成本低廉，因此采用氣壓傳動(dòng)方式，包含氣缸、電磁閥、傳感器及機(jī)械部件等，利用三維建模軟件設(shè)計(jì)的手爪如圖3所示。該手爪用法蘭和機(jī)器人的六軸末端法蘭連接，兩夾持端成一角度，方便調(diào)整位置和姿態(tài)，同時(shí)兩套氣缸分別控制兩個(gè)夾持端動(dòng)作，用于夾取毛坯、半成品或成品，手爪上安裝有工件檢測(cè)傳感器，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料。

2.3生產(chǎn)線動(dòng)態(tài)Smart組件的設(shè)計(jì)

在RobotStudio中創(chuàng)建機(jī)器人上下料的仿真工作站，送料機(jī)構(gòu)、機(jī)器人手爪、數(shù)控機(jī)床等裝置的動(dòng)態(tài)效果對(duì)整個(gè)工作站起了極其重要的作用[6]。Smart組件能實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫效果，以數(shù)控機(jī)床Smart組件為例，首先添加子組件，如本體子組件poseMover、動(dòng)作子組件Attacher和Detacher、邏輯信號(hào)子組件LogicGate和LogicSRLatch等；然后設(shè)定各子組件的屬性連結(jié)，即A組件的動(dòng)作會(huì)引起B(yǎng)組件的變化；最后創(chuàng)建機(jī)床Smart組件所需的I/O信號(hào)：輸入啟動(dòng)信號(hào)distart、延遲信號(hào)dideley，門開到位輸出信號(hào)doopen，用于與各Smart子組件進(jìn)行信號(hào)交互。數(shù)控機(jī)床Smart組件設(shè)計(jì)如圖4所示。機(jī)床Smart組件的動(dòng)態(tài)仿真模擬了真實(shí)的機(jī)器人為機(jī)床自動(dòng)上下料的工作過程。

圖4　數(shù)控機(jī)床SMART組件設(shè)計(jì)

2.4機(jī)器人生產(chǎn)線仿真運(yùn)行I/O信號(hào)

真實(shí)的生產(chǎn)線以PLC作為中央控制系統(tǒng)，將PLC與機(jī)器人等設(shè)備I/O板進(jìn)行連接，采用Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線，接收并處理機(jī)床、送料機(jī)和工業(yè)機(jī)器人等發(fā)送來的信號(hào)[8]。仿真生產(chǎn)線中，SMART組件此時(shí)可以看成PLC，只要將該組件的輸入/輸出信號(hào)與機(jī)器人的輸入/輸出信號(hào)相關(guān)聯(lián)，模擬PLC與機(jī)器人、機(jī)床的大數(shù)據(jù)量通信，離線編寫生產(chǎn)線程序，就可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線整體的仿真效果。表1為機(jī)器人生產(chǎn)線部分I/O信號(hào)。

表1　機(jī)器人生產(chǎn)線部分I/O信號(hào)

3系統(tǒng)的編程與仿真調(diào)試

3.1機(jī)器人上下料路徑規(guī)劃

對(duì)機(jī)器人上下料手爪運(yùn)動(dòng)路線進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于機(jī)床內(nèi)夾具、送料機(jī)、機(jī)器人間固定及夾具安裝有偏差，需要在取放料區(qū)域使用不同的WORK工件坐標(biāo)系，設(shè)定機(jī)床A使用WORK1，機(jī)床B使用WORK2，機(jī)床C使用WORK3，機(jī)床D使用WORK4，送料機(jī)使用WORK5。一個(gè)車削單元的二臺(tái)機(jī)器人上下料路徑規(guī)劃如圖5示意圖所示。

圖5　一個(gè)車削單元的機(jī)器人上下料路徑規(guī)劃

工業(yè)機(jī)器人在原點(diǎn)等待，直到軸坯料由送料機(jī)運(yùn)送到指定的位置，工業(yè)機(jī)器人開始取料。手爪夾取一個(gè)毛坯，等待機(jī)床A加工完成以后，先卸下機(jī)床A上加工完成的半成品，把毛坯放到機(jī)床A上加工，然后等待機(jī)床B加工完成，再取下成品，把將半成品放到機(jī)床B上加工，把成品放到成品送料機(jī)里，如此循環(huán)動(dòng)作。在自動(dòng)運(yùn)行前需要按照以上點(diǎn)位要求，將點(diǎn)位示教保存并生成機(jī)器人軌跡。圖6中示教點(diǎn)的連線表示機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑。

圖6　一個(gè)車削單元的機(jī)器人上下料路徑仿真

3.2機(jī)器人生產(chǎn)線流程設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)器人上下料路徑規(guī)劃來設(shè)計(jì)如圖7的機(jī)器人生產(chǎn)線流程圖。

圖7　機(jī)器人生產(chǎn)線流程圖

3.3機(jī)器人程序的編制

RobotStudio軟件準(zhǔn)確離線編程的關(guān)鍵是虛擬機(jī)器人技術(shù)，同樣的代碼運(yùn)行在PC和機(jī)器人控制器上。根據(jù)機(jī)器人上下料路徑規(guī)劃和生產(chǎn)線流程圖，完成I/O信號(hào)的設(shè)置，程序數(shù)據(jù)的創(chuàng)建，目標(biāo)點(diǎn)的示教，就可以編寫相應(yīng)的機(jī)器人控制程序。程序編寫完成后可直接傳輸?shù)綑C(jī)器人控制器，RAPID程序離線開發(fā)，保證柔性制造生產(chǎn)線仿真與實(shí)際運(yùn)行同步。

ABB機(jī)器人生產(chǎn)線的主程序和部分例行程序如下：

PROCmain()！主程序

rIniAll！調(diào)用初始化例行程序

WHILE TRUE DO

IF di01Auto=1 THEN！判斷自動(dòng)運(yùn)行信號(hào)

PickM ( )！調(diào)用取毛坯例行程序

PlaceM ( )！調(diào)用放毛坯例行程序

PickB ( )！調(diào)用取半成品例行程序

PickC ( )！調(diào)用取成品例行程序

PlaceB ( )！調(diào)用放半成品例行程序

PlaceC ( ) ！調(diào)用放成品例行程序

ENDIF

WaitTime 0.2！等待時(shí)間

ENDWHILE

ENDPROC

PROC rIniAll ！初始化例行程序

Accset 100,100; ！加速度控制

VelSet 200,2000;！速度控制

ConfJOff;

ConfLOff;！運(yùn)動(dòng)控制

rReset_pout;！調(diào)用復(fù)位輸出信號(hào)例行程序

rHome;！調(diào)用回Home點(diǎn)程序

Set do06Start;！機(jī)器人可以取件

ENDPROC

主程序中通過調(diào)用例行程序來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的各種動(dòng)作，首先調(diào)用初始化程序，該程序檢查機(jī)器人是否在原點(diǎn)pHome，對(duì)所有的傳感器信號(hào)、布爾量復(fù)位，設(shè)置初始速度和加速度等。另外6個(gè)例行程序是機(jī)器人上下料和搬運(yùn)子程序，利用WHILE循環(huán)把初始化程序和其他例行程序隔開，每次循環(huán)等待時(shí)間為0.2s，以免不滿足機(jī)器人動(dòng)作條件時(shí)程序運(yùn)行過快，CPU超負(fù)荷[9]。程序可以在機(jī)器人虛擬示教器上修改，也可以在RobotStudio的RAPID編輯器中修改，調(diào)試方便快捷。

4結(jié)束語

隨著現(xiàn)代加工工藝要求提高，機(jī)器人柔性制造生產(chǎn)線大量應(yīng)用。本文介紹了機(jī)器人生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)方案，根據(jù)加工實(shí)例的要求，構(gòu)建了仿真生產(chǎn)線的布局；設(shè)計(jì)機(jī)器人專用的取放料手爪；創(chuàng)建了動(dòng)態(tài)Smart組件，模擬PLC與生產(chǎn)線、機(jī)器人、機(jī)床等設(shè)備的I/O信號(hào)進(jìn)行通信；實(shí)現(xiàn)了ABB機(jī)器人自動(dòng)上下料、搬運(yùn)的路徑規(guī)劃、離線編程和仿真調(diào)試。該技術(shù)綜合了機(jī)械、電氣、氣動(dòng)、傳感、通信、仿真等方面，為生產(chǎn)線設(shè)計(jì)提供了可行性的依據(jù)，將大大縮短生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)制造、調(diào)試周期，節(jié)約成本，對(duì)深入研究和應(yīng)用機(jī)器人離線仿真技術(shù)起到一定作用。

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(編輯趙蓉)

Simulation Design of Robot Flexible Manufacturing Line Based on RobotStudio

LU Ye

(Department of Mechanical and electrical information，Maoming Polytechnic College，Maoming Guangdong 525000，China)

Abstract：Taking the industrial robot flexible manufacturing production lines as the research object, a scheme of modeling of manufacturing line based on RobotStudio software is presented in this paper. According to parts processing technology and production processes, the spatial layout of the robot manufacturing line is constructed. The robot gripper is created by using three-dimensional modeling software. Smart modules for animation and the required I / O signals for device communications is acquired. An ABB(Asea Brown Boveri)robot is applied to four CNC machine tools, automatic loading and unloading trajectory planning, off-line programming simulation. The scheme synchronizes with the actual production, providing theoretical basis for the design of the production line as well as the test platform for designers and managers, reducing the cost of production line design, debugging, and improves the production efficiency.

Key words：RobotStudio; industrial robot; flexible manufacturing; simulation

收稿日期：2015-08-02；修回日期：2015-08-25

*基金項(xiàng)目：廣東省高等職業(yè)教育教學(xué)改革項(xiàng)目(粵教高函[2014]205號(hào))；茂名市科技計(jì)劃項(xiàng)目(茂科字[2014]11號(hào))；茂名職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目(茂職院[2013]23號(hào))

作者簡(jiǎn)介：陸葉(1979—)，女，廣東陽江人，茂名職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士，研究方向是機(jī)器人技術(shù)、仿真技術(shù),(E-mail)lisa786@163.com。

中圖分類號(hào)：TH165;TG659

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A