鄒鵬達

（溫州職業(yè)技術學院電氣電子工程系，浙江 溫州 325035）

0 引言

離線編程與虛擬仿真是指借助計算機圖形學的成果， 建立機器人及其外圍環(huán)境的虛擬模型， 再通過相應的編程語言， 轉化成一定的規(guī)劃與算法， 對虛擬模型的圖形進行控制和操作， 實現(xiàn)虛擬機器人系統(tǒng)的編程控制和運動仿真效果。

近年來， 許多學者對工業(yè)機器人編程技術進行了研究。 利用工業(yè)機器人的離線編程與虛擬仿真功能，能夠在不依賴與現(xiàn)場設備的條件下， 借助電腦中的虛擬工業(yè)機器人及其外圍環(huán)境模型， 模擬工業(yè)機器人的現(xiàn)場編程操作和作業(yè)[1-4]。 機器人離線編程具有以下優(yōu)點：

（1）效果形象直觀，便于學習者細致觀察機器人動作和理解抽象概念。

（2）操作過程安全便捷，環(huán)境優(yōu)越。 現(xiàn)場操作具有一定的危險， 而工業(yè)機器人往往在比較惡劣的環(huán)境中作業(yè)。

（3）不占用工業(yè)機器人作業(yè)時間，提高工業(yè)機器人的使用率。 在電腦上對下一個作業(yè)任務。 進行離線編程和作業(yè)仿真時， 機器人不需要停機， 仍可在生產(chǎn)線上作業(yè)。

（4）便于實現(xiàn)更加復雜作業(yè)任務的程序設計。

（5）便于開展機器人作業(yè)系統(tǒng)集成的一體化設計。

本文基于三菱工業(yè)機器人對工作站進行離線編程和虛擬仿真技術的研究， 對機器人在工業(yè)生產(chǎn)線中的應用提供理論依據(jù)，和現(xiàn)實意義。

1 機器人虛擬工作站的建立

1.1 虛擬零部件創(chuàng)建

若要在虛擬機器人工作站安裝抓手，并處理工件，必須要對三維零件進行處理。 SolidWorks 是基于Windows 開發(fā)的三維CAD 系統(tǒng)， 目前已經(jīng)成為三維機械設計軟件的標準， 可實現(xiàn)零件的設計以及裝配功能。本文基于SolidWorks 軟件創(chuàng)建的虛擬工作站所需要的零件。 機器人工作站包括工業(yè)機器人、工件、托盤以及外圍設備，根據(jù)實際所需要的設備，采用SolidWorks三維建模軟件對所需工作站的模型進行創(chuàng)建。

1.2 虛擬抓手設計

MELFA Works 是一個運行在SolidWorks 軟件環(huán)境下的插件， 借助該插件可進行虛擬工業(yè)機器人系統(tǒng)構建、 工業(yè)機器人動作的模擬控制、 參數(shù)設置等諸多項目的模擬仿真操作。 MELFA Works 能夠識別的虛擬抓手類型有：抓取類抓手、非抓取類抓手、自動換刀器主體、自動換刀器工具等。 抓手設計過程如下：（1）保存文件名稱。 打開SolidWorks 軟件， 新建零件文檔并保存，若創(chuàng)建抓手的虛擬零件，命名為xxx_Hand。 （2）創(chuàng)建零件模型。 利用SolidWorks 軟件，根據(jù)零部件的結構特征創(chuàng)建相應的三維建模。 （3）添加用戶坐標系。 為虛擬抓手的三維模型添加安裝坐標系， 命名為Orig1；若創(chuàng)建抓取類的虛擬抓手或虛擬自動換刀器工具， 還要在末端適當位置添加工件抓取坐標系， 命名為Pick1 ～Pick8； 若創(chuàng)建非抓取類的虛擬抓手或自動換刀器主體， 還要在末端適當位置添加抓取坐標系， 命名為Orig2。

1.3 虛擬工件設計

虛擬工件的設計過程如下：1、 保存文件名為xxx_Work：打開SolidWorks 軟件，新建零件文檔并保存，命名為xxx_Work。 2、創(chuàng)建零件模型。 根據(jù)結構特征三維建模。 3、添加用戶坐標系。 為虛擬工件的三維模型添加抓取位置坐標系，命名為Orig1。

1.4 虛擬工作站的創(chuàng)建

虛擬工作站的創(chuàng)建過程如下：（1）新建機器人工作站。 （2）加載“搬運支架臺總和.prt”、“目標盤組合.prt”和“庫盤組合.prt”等虛擬零件模型，并布局。 （3）加載機器人， 并且對虛擬工業(yè)機器人進行設置和布局。 包括機器人型號，安裝抓手，對抓手的控制進行設置。 創(chuàng)建的虛擬工作站如圖所示。

圖1 機器人虛擬工作站

2 離線編程與虛擬仿真調試

機器人編程軟件RT TOOLBOX 也可以像鏈接真實機器人控制器一樣，鏈接至MELFA Works 中的虛擬控制器。 通過RTTOOLBOX 對MELFA Works 中的虛擬控制器下載程序、 設置參數(shù)等虛擬操作。 借助MELFAWorks，RT TOOLBOX 還 可 以 對SolidWorks 環(huán) 境中的虛擬機器人本體進行操作， 如虛擬機器人本體當前位置的讀取、 虛擬示教盒操控等。 機器人編程軟件RT TOOLBOX、MELFA Works、SolidWorks、真實機器人控制器與本體之間的關系如圖2 所示。

圖2 機器人虛擬仿真系統(tǒng)

工業(yè)機器人工作站離線開發(fā)流程如圖3 所示，首先創(chuàng)建零部件， 然后新建虛擬仿真工程， 把三菱工業(yè)機器人加載進來，在MEL FA Works 中，可以設置最多8 個不同類型的機器人工程，可以加載機器人本體、從本體上安裝和卸載抓手、 行走臺， 并且設置模擬仿真所需的機器人抓手信號。 機器人控制器型號有CRn-500、CRnQ-7xx/CR75x-Q、CRnQ7xx/CR75x-D 等3 個 選項可供選擇， 根據(jù)實際類型選擇虛擬控制器型號。 然后選擇機器人程序語言版本， 機器人本體模型。 虛擬抓手安裝到機器人本體上需要單機目標虛擬抓手，單擊“Connect”按鈕，單擊“Hand”文本框，選中目標虛擬抓手， 這樣， 虛擬抓手便自動化安裝到機器人終端法蘭面上。 接著設置模擬仿真所需要的機器人抓手信號。 用于設置機器人抓手的信號，“-1”表示未設置號碼。 在仿真模擬時， 機器人程序中輸出此處設置的號碼信號， 可以模擬控制抓手抓或放工件或自動化換刀器抓或放工具的動作Pick1 ～Pick8 表示虛擬抓手中設置了相應坐標系的虛擬抓手信號。 接著把外圍設備加載進來， 根據(jù)機器人工作站的實際布局進行固定。 通過改變機器人的姿態(tài)， 創(chuàng)建校準數(shù)據(jù)示教機器人的動作位置，用虛擬控制器確認動作，創(chuàng)建機器人程序。

圖3 機器人離線程序開發(fā)流程

圖4 機器人離線程序

虛擬仿真技術通過虛擬控制器來實現(xiàn)， 它是電腦中模擬真實機器人控制器的一個功能部件。 虛擬控制器幾乎可以完全地模擬真實控制器， 因此， 可以像使用真實控制器一地在電腦仿真環(huán)境下使用虛擬控制器中的所有操作，如程序下載、參數(shù)設置、監(jiān)視、與離線編程軟件RT TOOLOX 鏈接。 本文通過將虛擬控制器與虛擬機器人本體的鏈接， 機器人程序動作也可以在虛擬本體中重現(xiàn)。 在離線編程軟件RT TOOLOX 中編寫機器人程序如下圖4 所示。 通過離線編程和虛擬仿真技術， 該程序可控制工業(yè)機器人在虛擬模型中進行機器人工作運動以及抓取動作的實現(xiàn)。

3 總結

本文研究了基于三菱工業(yè)機器人的工作站的離線編程與虛擬仿真技術， 應用Solidworks 、Melfaworks 、RT-ToolBox 軟件對工業(yè)機器人工作站進行虛擬建模，離線編程， 為機器人作業(yè)系統(tǒng)集成一體化設計提供很好的理論與實踐支持。