楊立潔，宗智錕，王桂梅，成樹峰

（河北工程大學 機械與裝配工程學院，邯鄲056038）

虛擬仿真技術(shù)是借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在虛擬環(huán)境中對生產(chǎn)線各元素、生產(chǎn)過程、節(jié)拍等進行仿真模擬，用更加經(jīng)濟、有效的方式對生產(chǎn)線進行合理配置，降低設(shè)備投資風險。 文獻[1]以工業(yè)機器人柔性制造生產(chǎn)線為研究對象，利用RobotStudio 軟件平臺實現(xiàn)了1 臺ABB 機器人為4 臺數(shù)控機床自動上下料的軌跡規(guī)劃和離線編程；文獻[2-3]針對異形軸加工程序復雜、加工精度高等問題，提出了一種新型基于RobotStudio 的多機器人柔性制造生產(chǎn)線虛擬仿真設(shè)計；文獻[4]等人根據(jù)DH 算法在Matlab 平臺下對一種雙臂6R 服務(wù)機器人的協(xié)作空間問題進行了仿真分析；文獻[5]以2 臺ABB 機器人為核心，配套外圍設(shè)備，構(gòu)建了集搬運、裝配、碼垛功能于一體的雙機器人協(xié)同仿真研究。

本研究目的是應(yīng)用SolidWorks 和RobotStudio聯(lián)合建立陶瓷托輥軸承座自動裝配生產(chǎn)線。 針對生產(chǎn)線設(shè)備的組成與布局、陶瓷托輥與軸承座的上下料機器人、 離線編程以及仿真模擬等進行研究，探討利用ABB 機器人的虛擬仿真軟件RobotStudio 對陶瓷托輥軸承座自動裝配生產(chǎn)線進行仿真設(shè)計的技術(shù)方案，使該生產(chǎn)線能夠模擬現(xiàn)場的生產(chǎn)環(huán)境及裝配生產(chǎn)過程，為實現(xiàn)陶瓷托輥軸承座的自動裝配生產(chǎn)線的研究提供理論依據(jù)和試驗平臺，進而指導現(xiàn)場實際生產(chǎn)，對工廠以后的自動化改造、提高經(jīng)濟效益、及其向機械智能化[6]方向發(fā)展具有很大的指導意義。

1 裝配生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)搭建

1.1 裝配生產(chǎn)線整體布局設(shè)計

使用SolidWorks 設(shè)計出裝配生產(chǎn)線所需的設(shè)備模型并導入到RobotStudio 環(huán)境中，以完成布局系統(tǒng)的搭建工作[7-8]。 構(gòu)建的陶瓷托輥軸承座自動裝配生產(chǎn)線模擬仿真系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 陶瓷托輥軸承座自動裝配生產(chǎn)線模擬仿真系統(tǒng)Fig.1 Ceramic roller bearing housing automatic assembly line simulation system

陶瓷托輥軸承座自動裝配生產(chǎn)線模擬仿真系統(tǒng)由陶瓷托輥上下料機器人、 承座上料機器人、原料儲料架、涂膠機、壓裝機、靜置箱、可編程控制器（PLC）、檢測裝置、倉儲庫和其他周邊設(shè)備組成。 自動裝配生產(chǎn)線以PLC 為控制中心，通過PLC 控制柜連接以上相關(guān)設(shè)備，建立設(shè)備間的通訊及控制管理系統(tǒng)，實現(xiàn)陶瓷托輥機器人在涂膠機、壓裝機和裝配線上的自動上下料、運轉(zhuǎn)和倉儲。 跟據(jù)陶瓷托輥的外形特征及質(zhì)量， 陶瓷托輥上下料機器人選用ABB IRB6620 型六自由度串聯(lián)機器人，其載荷為150 kg，不僅滿足工作需求，且相比其他類型的機器人更適合處理更大轉(zhuǎn)動慣性的工件[9]；根據(jù)現(xiàn)場實際工況為其配套滑動導軌IRBT6004，增加其運動范圍。 軸承座上料機器人選用ABB IRB1520ID，其精度高、操作速度快、適合陶瓷托輥軸承座上料領(lǐng)域。

1.2 陶瓷托輥上下料機器人夾具設(shè)計

該生產(chǎn)線上的陶瓷托輥上下料機器人（ABB IRB6620）運動軌跡貫穿整條生產(chǎn)線，其加工對象為圖2 所示的陶瓷托輥。 不同型號陶瓷托輥的直徑、長度都不一樣，其部分型號參數(shù)如表1 所示。 為適應(yīng)不同型號陶瓷托輥的取放，在機器人法蘭盤末端裝2 個夾具，根據(jù)陶瓷托輥的長度調(diào)整2 個夾具的相對位置， 實現(xiàn)對陶瓷托輥的平穩(wěn)夾裝及運輸，經(jīng)研究氣壓傳動反應(yīng)快、安全可靠、能耗損失小，因此采用氣壓傳動方式。 在夾具上安裝工件檢測傳感器，以便檢測工件的有無，便于實現(xiàn)自動上下料，避免誤操作而發(fā)生事故[10]。

圖2 陶瓷托輥上下料機器人夾具及陶瓷托輥Fig.2 Ceramic roller loading and unloading robot fixture and ceramic roller

表1 陶瓷托輥部分型號參數(shù)Tab.1 Ceramic roller part model parameters

1.3 陶瓷托輥軸承座上料機器人夾具設(shè)計

軸承座上料機器人（ABB IRB1520ID）的工作內(nèi)容是夾取軸承座并放入陶瓷托輥的端口中，以便下一步壓裝機的壓裝，此時陶瓷托輥的端口內(nèi)壁已經(jīng)涂抹AB 膠， 工作中為防止AB 膠沾到機械手夾具上、對夾具造成損壞，所以需用機械手加持軸承座端口的內(nèi)徑。 本設(shè)計采用夾具手指平行運動的方式裝夾軸承座，選用氣壓傳動方式，包括壓力傳感器、氣缸、工件檢測傳感器等機械部件。 軸承座上料機器人夾具設(shè)計如圖3 所示。

圖3 軸承座上料機器人夾具及軸承座Fig.3 Bearing housing loading robot fixture and housing

2 仿真系統(tǒng)設(shè)計

2.1 仿真系統(tǒng)工作流程

根據(jù)陶瓷托輥上下料機器人 （ABB IRB6620）路徑規(guī)劃設(shè)計的裝配生產(chǎn)線流程如圖4 所示。 在一個循環(huán)之中，各個工作臺上的光電傳感器[11]檢測各工序加工完畢后，將其信息傳輸給陶瓷托輥上下料機器人進行下一步動作，整個裝配生產(chǎn)線能夠?qū)崿F(xiàn)機器人、輸送線、涂膠機、軸承座壓裝機相互通訊，并有強制護鎖的功能，以確保機器人與其他設(shè)備不會發(fā)生任何碰撞。

圖4 裝配生產(chǎn)線流程Fig.4 Assembly line flow chart

2.2 裝配生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)運行I/O 信號

在實際的自動化裝配生產(chǎn)線中，以德國西門子PLC 為主控單元，采用Profibus-DP、DeviceNet、EthernetIP、RS485 等現(xiàn)場總線通訊方式， 將PLC 與機器人、涂膠機、壓裝機等設(shè)備互相連接，接受處理機器人、涂膠機、壓裝機和其它外圍設(shè)備發(fā)來的訊息。在此次仿真系統(tǒng)中， 將Smart 組件的I/O 信號與機器人的I/O 信號關(guān)聯(lián)， 即Smart 組件的輸出信號作為機器人端口的輸入信號，機器人端口的輸出信號作為Smart 組件的輸入信號，此時Smart 組件可以看成一個與機器人進行I/O 通信的模擬PLC， 離線編寫各設(shè)備的程序，就可以實現(xiàn)裝配生產(chǎn)線整體的仿真效果[1]。 表2 為陶瓷托輥上下料機器人I/O 信號。

表2 陶瓷托輥上下料機器人I/O 信號Tab.2 Ceramic roller loading and unloading robot I/O signal

2.3 動態(tài)組件設(shè)計

在RobotStudio 中Smart 組件的動態(tài)仿真模擬了真實的裝配生產(chǎn)線的機器人的上下料、涂膠、軸承座壓裝的工作流程。整條生產(chǎn)線的Smart 動態(tài)組件邏輯關(guān)系如圖5 所示。圖中IRB6620、Gluing Machine、IRB1520ID、Press Machine 分別為陶瓷托輥上下料機器人、涂膠機、軸承座上料機器人、壓裝機的動態(tài)組件邏輯關(guān)系。

圖5 生產(chǎn)線的Smart 動態(tài)組件邏輯關(guān)系Fig.5 Smart dynamic component logic relationship of the production line

3 系統(tǒng)編程與仿真

3.1 機器人程序編寫

在搭建好陶瓷托輥軸承座自動裝配生產(chǎn)線模型后，根據(jù)設(shè)計的I/O 功能與Smart 動態(tài)組件，Robot-Studio 可以在RAPID 中進行模擬編程，使搭建好的生產(chǎn)線按照真實生產(chǎn)線的運動流程進行模擬加工。在陶瓷托輥軸承座自動裝配生產(chǎn)線模擬仿真系統(tǒng)中編寫程序主要定義的點有陶瓷托輥的拾取點、各加工設(shè)備中陶瓷托輥的放置目標點、靜置箱中的陶瓷托輥的放置目標點及其陶瓷托輥上下料機器人TCP 的運動路徑的起始點。

陶瓷托輥軸承座自動裝配生產(chǎn)線部分程序如下：

3.2 裝配生產(chǎn)線仿真分析

基于以上程序設(shè)計，現(xiàn)通過RobotStudio 軟件中的創(chuàng)建工件坐標、創(chuàng)建工具數(shù)據(jù)與路徑創(chuàng)建等功能進行陶瓷托輥上下料機器人（ABB IRB6620）運動軌跡的創(chuàng)建與仿真。 在保證陶瓷托輥軸承座自動裝配的精度的前提下，盡量縮小各個設(shè)備之間的上下料運行距離。 創(chuàng)建的運動軌跡如圖6 所示。

圖6 陶瓷托輥上下料機器人運動軌跡Fig.6 Ceramic roller loading and unloading robot movement track

然后進行仿真，通過RobotStudio 軟件中的TCP跟蹤器與信號分析器等功能，可以對TCP 的軌跡進行實時監(jiān)控并對自動生成仿真數(shù)據(jù)進行實驗分析?，F(xiàn)以速度、 加速度與電機消耗總能量為分析重點，開始設(shè)定TCP 的速度為1.5 m/s，經(jīng)過仿真得到的實時速度軌跡圖與加速度軌跡圖如圖7 所示，但運行速度不夠平穩(wěn)。 若限定將接近各個設(shè)備的放置點時設(shè)定速度為0.8 m/s，其余路徑速度為1 m/s，得到的速度軌跡圖與加速度軌跡圖如圖8 所示。

圖7 上下料機器人（ABB IRB6620）TCP 速度與加速度軌跡Fig.7 TCP speed and acceleration trajectory of loading and unloading robot（ABB IRB6620）

圖8 變速后上下料機器人（ABB IRB6620）TCP 速度與加速度軌跡Fig.8 TCP speed and acceleration trajectory of the loading and unloading robot（ABB IRB6620）after shifting

通過圖7 與圖8 的對比可得，在速度為1.5 m/s時總運行時間為114 s， 限定速度后總運行時間為120 s，雖然總的運行時間多了6 s，但變速后在3 s～5.5 s 時的相對速度波動明顯減弱，這段時間的相對加速度變化值明顯比前者相對較小，機器人的抖動明顯減弱，機器人生產(chǎn)運行比較平穩(wěn)，保證了陶瓷托輥與軸承座的裝配精度，對機器人的使用壽命與后期維護更有利。 又通過對比變速前后的電機總消耗能量， 變速之后明顯比變速之前減少6883.8J，降低了能源消耗，符合國家現(xiàn)行的節(jié)能降耗政策。 變速前與變速后電機總消耗能量如圖9 所示。

圖9 變速前與變速后電機總消耗能量Fig.9 Total energy consumption of the motor before and after shifting

4 結(jié)語

根據(jù)陶瓷托輥軸承座裝配工藝流程， 在Solid-Works 和RobotStudio 基礎(chǔ)上搭建了陶瓷托輥軸承座自動裝配生產(chǎn)線模型， 并創(chuàng)建了Smart 動態(tài)邏輯組件，模擬PLC、機器人與壓裝機等設(shè)備的I/O 信號的通訊， 設(shè)計了陶瓷托輥上下料機器人（ABB IRB6620）運動軌跡，實現(xiàn)了機器人的離線編程與仿真調(diào)試。 結(jié)合現(xiàn)場加工要求，對TCP 的運行狀態(tài)進行實時軌跡跟蹤，并通過數(shù)據(jù)與曲線圖的比較分析可得出機器人比較合理的運行速度即限定將接近各個設(shè)備的放置點時設(shè)定速度為0.8 m/s，其余路徑速度為1 m/s，機器人運行相對平穩(wěn)，保證了陶瓷托輥與軸承座的裝配精度，對機器人的使用壽命與后期維護更有利，也可達到節(jié)能降耗的目的。

通過模擬仿真，不僅可以為實際的陶瓷托輥軸承座自動裝配生產(chǎn)線設(shè)計提供理論基礎(chǔ)和實驗平臺，還對后續(xù)生產(chǎn)線的合理布局、優(yōu)化機器人運行軌跡、 提高生產(chǎn)線的加工效率具有很大的指導意義，為實現(xiàn)陶瓷托輥軸承座自動裝配生產(chǎn)線的目標奠定堅實的理論基礎(chǔ)。