郝建豹,許煥彬,林炯南

(廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，廣州 510800)

基于RobotStudio的多機(jī)器人生產(chǎn)線仿真設(shè)計(jì)*

郝建豹,許煥彬,林炯南

(廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，廣州 510800)

針對(duì)目前存在的機(jī)器人生產(chǎn)線軌跡規(guī)劃和自動(dòng)化生產(chǎn)時(shí)間協(xié)調(diào)難度大且耗費(fèi)時(shí)間的問(wèn)題，介紹了一種利用RobotStudio對(duì)多機(jī)器人自動(dòng)線建模及虛擬生產(chǎn)的方案。首先利用SolidWorks 設(shè)計(jì)了數(shù)控機(jī)床等工作站的三維仿真模型，構(gòu)建了多機(jī)器人生產(chǎn)線的布局，其次依據(jù)生產(chǎn)線連續(xù)運(yùn)行模式，創(chuàng)建了仿真運(yùn)行 I/O 信號(hào)和動(dòng)態(tài)Smart組件，最后離線編制了程序，仿真結(jié)果表明可實(shí)時(shí)觀察生產(chǎn)線狀況，實(shí)時(shí)的改變參數(shù)可動(dòng)態(tài)的輸出生產(chǎn)節(jié)拍。該設(shè)計(jì)方案可以為機(jī)器人生產(chǎn)線設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和試驗(yàn)平臺(tái)，可降低生產(chǎn)線設(shè)計(jì)、調(diào)試的成本，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。

RobotStudio；多機(jī)器人；虛擬仿真；Smart組件

0 引言

工業(yè)機(jī)器人的使用可以提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和自動(dòng)化水平。在機(jī)器人柔性制造生產(chǎn)線中，生產(chǎn)任務(wù)往往是需要幾臺(tái)甚至更多的工業(yè)機(jī)器人分工位、分任務(wù)的完成，并且工業(yè)機(jī)器人與外圍設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人之間存在著協(xié)同工作。多機(jī)器人生產(chǎn)線組建及調(diào)試過(guò)程中存在工業(yè)機(jī)器人軌跡規(guī)劃和自動(dòng)化生產(chǎn)時(shí)間協(xié)調(diào)難度大且耗費(fèi)時(shí)間的問(wèn)題[1-2]。

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)，在虛擬環(huán)境中對(duì)生產(chǎn)線各元素、生產(chǎn)過(guò)程、節(jié)拍等進(jìn)行仿真模擬，用更加經(jīng)濟(jì)、有效的方式對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行合理配置，降低設(shè)備投資風(fēng)險(xiǎn)，虛擬仿真技術(shù)已成為多機(jī)器人生產(chǎn)線組建的趨勢(shì)[3-4]。合肥工業(yè)大學(xué)的李曉峰等，基于QUEST虛擬仿真平臺(tái)，對(duì)攪拌機(jī)虛擬車間的不同對(duì)象進(jìn)行建模，包括物理建模和邏輯建模，并測(cè)試各種參數(shù)，如設(shè)施布局，資源配置等[5]。邱雪松，肖超等人，在Dynaform平臺(tái)下，建立沖壓生產(chǎn)線的虛擬樣機(jī)模型，并介紹分析了自上而下和自下而上產(chǎn)品的虛擬模型設(shè)計(jì)方法[6]。而這些方法較為復(fù)雜，難以做到虛擬與現(xiàn)實(shí)的無(wú)縫銜接，難以在工程上推廣應(yīng)用。陸葉利用UG和RobotStudio分析了機(jī)床上下料工作站[7]，而目前生產(chǎn)線大多是多機(jī)器人自動(dòng)線。

本文通過(guò)SolidWorks和RobotStudio聯(lián)合建立帶驅(qū)動(dòng)的仿真模型，模擬現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)環(huán)境及生產(chǎn)過(guò)程，并對(duì)多機(jī)器人生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行模擬仿真。依據(jù)建立的虛擬動(dòng)態(tài)模型，可直觀的檢查出生產(chǎn)過(guò)程的不合理情況及碰撞干涉，改變系統(tǒng)參數(shù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的輸出生產(chǎn)節(jié)拍、工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡及工業(yè)機(jī)器人與生產(chǎn)線加工中心協(xié)同配合的節(jié)拍。通過(guò)虛擬仿真找出提高生產(chǎn)節(jié)拍的可行性方案，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。

1 生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)

瑞典ABB公司的RobotStudio軟件具有 CAD 模型導(dǎo)入、路徑自動(dòng)規(guī)劃、離線編程、仿真調(diào)試、到達(dá)性檢測(cè)、碰撞檢測(cè)、程序的直接下載和載入、二次開(kāi)發(fā)等功能[8-10]。其仿真示教器、控制器、機(jī)器人本體與實(shí)際機(jī)器人一樣，仿真信號(hào)、程序等與實(shí)際機(jī)器人生產(chǎn)線運(yùn)行過(guò)程中的信號(hào)及程序也是一致的，還可以進(jìn)行干涉檢查以及運(yùn)行情況的報(bào)警，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。

本文利用SolidWorks和RobotStudio構(gòu)建的多機(jī)器人柔性制造生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 多機(jī)器人柔性制造生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)

多機(jī)器人柔性制造生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)有上下料工業(yè)機(jī)器人，倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人、可編程控制器(PLC) 、數(shù)控機(jī)床(CNC)、翻轉(zhuǎn)夾具、輸送線、供料站、倉(cāng)儲(chǔ)站和其他周邊設(shè)備組成。生產(chǎn)線以PLC為控制核心，通過(guò) 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)床和輸送線之間的上下料、轉(zhuǎn)運(yùn)和倉(cāng)儲(chǔ)。

上下料工業(yè)機(jī)器人和倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人都選用ABB IRB1410機(jī)器人，其精度高、操作速度快、適合上下料、物料搬運(yùn)等領(lǐng)域。添加了專門的氣動(dòng)末端執(zhí)行器，可為數(shù)控機(jī)床自動(dòng)上自動(dòng)抓取、上下料、工件轉(zhuǎn)序和倉(cāng)儲(chǔ)。

供料站可提供9個(gè)粗加工工件，每個(gè)工件下方安裝有光電傳感器，便于檢測(cè)工件的有無(wú)和機(jī)器人的抓取。供料站裝有氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)夾具，方便調(diào)整工件的位置和姿態(tài)，翻轉(zhuǎn)夾具上安裝有工件檢測(cè)傳感器。如圖2所示。

圖2 供料站

倉(cāng)儲(chǔ)站分為三層，每層3個(gè)，共有9個(gè)放置點(diǎn)。為適應(yīng)一些特殊的工業(yè)要求，每個(gè)放置點(diǎn)裝有1個(gè)傳感器，所以不能進(jìn)行直接的放置，而是應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行判斷后才進(jìn)行放置。

2 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)工作流程

上下料機(jī)器人先抓取一個(gè)粗加工工件，放入機(jī)床進(jìn)行精加工，加工好一端后，機(jī)器人取下工件，放到工件翻轉(zhuǎn)臺(tái)上，工件翻轉(zhuǎn)，機(jī)器人從翻轉(zhuǎn)臺(tái)抓取工件，放入機(jī)床精加工另一端，加工完畢后，機(jī)器人抓取加工完畢的工件放到輸送線指定位置，光電傳感器檢測(cè)到工件到位，啟動(dòng)輸送線傳輸?shù)街付ㄎ恢?，輸送線另一端的光電傳感器檢測(cè)工件到位，啟動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人搬運(yùn)到指定位置。整個(gè)工作站能實(shí)行機(jī)器人、機(jī)床、輸送線相互通訊，并有強(qiáng)制互鎖程序，以確保機(jī)器人與其他設(shè)備之間不會(huì)發(fā)生任何碰撞。生產(chǎn)線連續(xù)運(yùn)行模式如表1所示。

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

實(shí)際應(yīng)用中，PLC為自動(dòng)線主控單元，采用Ethernet、Profibus 等現(xiàn)場(chǎng)總線，將 PLC與機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等設(shè)備連接，接收并處理數(shù)控機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人等發(fā)送來(lái)的信號(hào)。仿真應(yīng)用中，ABB的標(biāo)準(zhǔn)IO板提供的常用信號(hào)處理有數(shù)字輸入DI、數(shù)字輸出DO、模擬輸入AI、模擬輸出AO以及輸送鏈跟蹤。I/O板都是下掛在DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線下的設(shè)備，將Smart組件的I/O信號(hào)與機(jī)器人的I/O信號(hào)關(guān)聯(lián)，即Smart組件的輸出信號(hào)作為機(jī)器人端的輸入信號(hào)，機(jī)器人端的輸出信號(hào)作為Smart組件的輸入信號(hào)，此時(shí)Smart 組件可以看成一個(gè)與機(jī)器人進(jìn)行I/O通信的模擬PLC，離線編寫(xiě)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2為機(jī)床上下料工作站I/O 信號(hào)。

表2 機(jī)床上下料工作站I/O 信號(hào)

2.3 動(dòng)態(tài)組件設(shè)計(jì)

在RobotStudio中創(chuàng)建多機(jī)器人柔性制造的仿真工作線，機(jī)床上下料、輸送線、機(jī)器人末端執(zhí)行器、翻轉(zhuǎn)夾具、數(shù)控機(jī)床等裝置的動(dòng)態(tài)效果對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線的仿真起了極其重要的作用。其軟件中的Smart組件能實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)效果，以輸送鏈sc_tray的Smart組件為例，首先添加子組件，如本體子組件、動(dòng)作子組件，設(shè)定輸送鏈的運(yùn)動(dòng)屬性，輸送鏈限位傳感器；再設(shè)定各子組件的屬性連結(jié)；然后創(chuàng)建輸送鏈 Smart 組件所需的 I/O 信號(hào)，用于與各 Smart子組件進(jìn)行信號(hào)交互；最后進(jìn)行機(jī)器人信號(hào)與Smart組件信號(hào)間的關(guān)聯(lián)。整個(gè)生產(chǎn)線 Smart 動(dòng)態(tài)組件邏輯關(guān)系如圖3所示。圖中system38、system39、sc_machine分別為倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人IRB1410、機(jī)床上下料機(jī)器人IRB1410和數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)組件的邏輯關(guān)系。自動(dòng)線Smart組件的動(dòng)態(tài)仿真模擬了真實(shí)的生產(chǎn)線工件抓取、上下料、加工、工件轉(zhuǎn)序和倉(cāng)儲(chǔ)的工作過(guò)程。

圖3 生產(chǎn)線smart動(dòng)態(tài)組件邏輯關(guān)系

3 系統(tǒng)編程與仿真

3.1 機(jī)器人程序編制

在生產(chǎn)線模型建立的前提下，RobotStudio軟件可進(jìn)行離線編程，根據(jù)生產(chǎn)線連續(xù)運(yùn)行模式，生產(chǎn)流程，I/O信號(hào)，設(shè)計(jì)的Smart組件，就可以在RAPID 離線開(kāi)發(fā)程序，示教目標(biāo)點(diǎn)。在機(jī)器人上下料工作站需示教的點(diǎn)數(shù)總共有14個(gè)，包括9個(gè)位置點(diǎn)，1個(gè)機(jī)床放置點(diǎn)、1個(gè)用于改變工件加工位置的旋轉(zhuǎn)放置點(diǎn)，1個(gè)輸送線放置點(diǎn)以及2個(gè)用于為了滿足機(jī)器人姿態(tài)要求的過(guò)渡點(diǎn)。在倉(cāng)儲(chǔ)工作站中要示教的點(diǎn)主要有10個(gè)，其中包括9個(gè)放置點(diǎn)和1個(gè)拾取點(diǎn)。將編輯好的程序保存在PC機(jī)上，然后將其傳送給機(jī)器人控制器。

多機(jī)器人生產(chǎn)線的機(jī)器人上下料工作站主程序和部分例行程序如下:

Speeddata vLoadMax:=[1000,300,5000,1000];!速度數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際需求定義多種速度數(shù)據(jù)，以便于控制機(jī)器人各動(dòng)作的速度

loaddata loadFull:=[1,[1,0,55],[1,0,4,0],0,0,0]; !定義加工工件數(shù)據(jù)

PROC main( )!主程序

rInitAll; !調(diào)用初始化程序

WHILE TRUE DO!利用WHILE循環(huán)，將初始化程序隔開(kāi)，即只在第一次運(yùn)行時(shí)需要執(zhí)行一次初始化程序，之后循環(huán)執(zhí)行計(jì)算加工程序

rCalPosition;!調(diào)用計(jì)算抓取位置程序

rProcess;!調(diào)用加工程序

ENDWHILE

PROC rInitAll() !初始化程序

ConfJOff;!關(guān)閉軸配置監(jiān)控

VelSet 80,2000;!定義最高速度

Reset do00_ClampAct; !初始化夾具的狀態(tài)

ClkStart Timer1;!計(jì)時(shí)，統(tǒng)計(jì)機(jī)器人運(yùn)行時(shí)間

MoveJ p_home, vEmptyMax, fine, tGripperWObj:=wobj0; !讓機(jī)器人回到home點(diǎn)

3.2 生產(chǎn)線仿真分析

改變機(jī)床輸入輸出的I/O時(shí)間，卡盤開(kāi)閉時(shí)間，機(jī)加工速度，機(jī)器人上下料速度，輸送線速度，翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)放置與翻轉(zhuǎn)時(shí)間等，生產(chǎn)線節(jié)拍會(huì)有變化。工件的品質(zhì)(加工精度、粗糙度)由工件的加工條件(使用工具、刀具旋轉(zhuǎn)速度、進(jìn)給量速度等)決定。在不影響工件品質(zhì)的前提下，筆者在仿真模型中經(jīng)過(guò)20多個(gè)小時(shí)的仿真，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)線節(jié)拍最大的影響因素為上下料機(jī)器人的TCP速度，改變TCP速度可改變節(jié)拍。為提高生產(chǎn)效率，最大程度的減小數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人等待時(shí)間，仿真過(guò)程中，機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床協(xié)同作業(yè)的最優(yōu)速度為設(shè)定抓取工件時(shí)最大速度數(shù)據(jù)speeddata vLoadMax:= [1000,300,5000,1000]以及最小速度數(shù)據(jù)vLoadMin:=[500,200,5000,1000]，空載時(shí)最大速度數(shù)據(jù)vEmptyMax:= [2000,500,5000,1000]以及最小速度數(shù)據(jù)vEmptyMin: =[800,200,5000,1000]。設(shè)置上下料機(jī)器人的TCP最大速度為2000mm/s，其速度軌跡如圖4a所示。若限定TCP最大速度為1500mm/s，其速度軌跡如圖4b所示。

(a) TCP最大速度為2000 mm/s時(shí)

(b) TCP最大速度為1500 mm/s時(shí)圖4 上下料機(jī)器人TCP速度軌跡圖

從圖4a可看出，上下料共用時(shí)5.1s，限定速度后，上下料共用時(shí)5.6s，時(shí)間盡管延長(zhǎng)0.5 s，但限定速度后不會(huì)出現(xiàn)圖中2.8s處的急速變化過(guò)程，速度曲線更為平滑，這有利于延長(zhǎng)機(jī)器人電機(jī)和減速器的使用壽命。限定機(jī)器人TCP速度后，利用RobotStudio的信號(hào)分析功能可知生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍為263s。同時(shí)，根據(jù)仿真情況，可優(yōu)化機(jī)器人的位姿。仿真過(guò)程中也可以設(shè)置碰撞模塊，可自動(dòng)監(jiān)測(cè)并顯示程序執(zhí)行時(shí)這些對(duì)象是否會(huì)發(fā)生碰撞，這對(duì)以后的實(shí)際生產(chǎn)是非常有用的。

4 結(jié)論

本文結(jié)合SolidWorks的三維造型功能在 RobotStudio中建立了多機(jī)器人柔性制造生產(chǎn)線仿真模型。在仿真中，通過(guò)實(shí)時(shí)的改變機(jī)器人速度等參數(shù)可動(dòng)態(tài)的輸出生產(chǎn)節(jié)拍，得出最佳的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行速度軌跡及工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床協(xié)同配合的節(jié)拍。另外，利用RAPID 離線編程功能，工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行軌跡、位置、姿態(tài)數(shù)據(jù)、虛擬仿真生成的程序可以通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸，給予現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)機(jī)器人，便于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。

該設(shè)計(jì)方案不僅可以為實(shí)際生產(chǎn)線設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和試驗(yàn)平臺(tái)，還可規(guī)劃出協(xié)同單元聯(lián)動(dòng)的最優(yōu)方案，降低生產(chǎn)線設(shè)計(jì)、調(diào)試的成本，降低企業(yè)投資風(fēng)險(xiǎn)，提高生產(chǎn)效率，對(duì)構(gòu)建多機(jī)器人全自動(dòng)化生產(chǎn)線具有指導(dǎo)意義。

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SimulationDesignofMulti-RobotProductionLineBasedonRobotStudio

HAO Jian-bao,XU Huan-bin,LIN Jiong-nan

(Department of Mechanical and Electrical Engineering, Guangdong Communication Polytechnic, Guangzhou 510800, China)

With the current difficulty and high time cost of the coordination of trajectory planning between the robot and the production line, the paper tries to present a method of buildup of multi-robot production line and simulative production by using RobotStudio. First, a 3D simulation model for CNC machine and other workstations is designed to build multi-robot production line by using SolidWorks. Then simulative I/O signals and dynamic Smart components have been created according to continuous operation model. Last the relevant program has been written off-line. The relevant simulation result shows that the method can monitor production and output cycle time dynamically by changing parameters in real time. The method proposed in this paper can provide a theoretical basis and experimental platform for the design of the robot production line, reduce the cost of design and debugging of the production line and guide the field production.

RobotStudio; multi-robot; virtual simulation; Smart components

1001-2265(2017)11-0122-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.11.032

2017-02-07；

2017-03-07

廣東省科技廳專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2015A020209010)；廣東省高等職業(yè)技術(shù)教育研究會(huì)項(xiàng)目(GDGZ15Y032)

郝建豹(1978—)，男，山東莘縣人，廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士，研究方向?yàn)楣I(yè)機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用，(E-mail)952691544@qq.com。

TH165;TG659

A

(編輯李秀敏)