熊 雋，陳運(yùn)軍，李 剛

（1.瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，四川瀘州 646000；2.瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，四川瀘州 646000）

0 引言

隨著工業(yè)機(jī)器人在各行各業(yè)中應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，為滿足市場(chǎng)人才培養(yǎng)需要，許多高校，特別是職業(yè)院校都開(kāi)設(shè)了工業(yè)機(jī)器人相關(guān)課程。但工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備昂貴，后期維修維護(hù)成本較高，使得設(shè)備數(shù)量很難滿足教學(xué)需要，平均到每位學(xué)生的實(shí)踐時(shí)間較少。為解決此問(wèn)題，本文開(kāi)發(fā)一款綜合教學(xué)仿真平臺(tái)，使學(xué)生可在電腦上進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人操作、編程、調(diào)試相關(guān)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)活動(dòng)，不僅成本低，還大大增加了每位學(xué)生實(shí)踐時(shí)間。仿真平臺(tái)操作熟練后再到實(shí)際設(shè)備操作，也提高了人員和設(shè)備的安全性。

應(yīng)用SolidWorks建立平臺(tái)所需模型，并在RobotStudio軟件中導(dǎo)入。2個(gè)軟件配合搭建出仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)后，對(duì)平臺(tái)中的相應(yīng)部件創(chuàng)建機(jī)械裝置和Smart組件。使用者不僅可以在仿真平臺(tái)中練習(xí)機(jī)器人基本操作，還可編寫(xiě)機(jī)器人程序、調(diào)試點(diǎn)位后進(jìn)行I/O連接，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真運(yùn)行[1]。

1 仿真平臺(tái)搭建

利用SolidWorks設(shè)計(jì)和繪制零部件三維模型，在Robot-Studio軟件中搭建教學(xué)仿真平臺(tái)[2]，如圖1所示。

仿真平臺(tái)主要由ABB IRB1200機(jī)器人、產(chǎn)品及傳送帶、搬運(yùn)碼垛放置區(qū)、涂膠面板、末端工具更換區(qū)等組成。產(chǎn)品、傳送帶、搬運(yùn)放置區(qū)、碼垛放置區(qū)共同構(gòu)成搬運(yùn)碼垛工作區(qū)，配合機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)產(chǎn)品到固定位置的仿真運(yùn)行和按要求碼垛的仿真運(yùn)行。而機(jī)器人更換涂膠工具后，可編程在涂膠面板上實(shí)現(xiàn)涂膠仿真運(yùn)行[3]。

搬運(yùn)碼垛時(shí)，采用氣動(dòng)手爪為機(jī)器人末端執(zhí)行工具，結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由連接法蘭、氣缸及2個(gè)手指構(gòu)成。涂膠時(shí)，采用基本涂膠工具為末端執(zhí)行工具，結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由連接法蘭、涂膠槍體、涂膠槍頭構(gòu)成[4]。由于不同工作使用的末端執(zhí)行器不相同，為更換方便，末端執(zhí)行工具與機(jī)器人法蘭之間利用快換接頭進(jìn)行連接。

圖1 仿真平臺(tái)布局圖

圖2 搬運(yùn)碼垛工具

圖3 涂膠工具

2 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 工具姿態(tài)

對(duì)于搬運(yùn)、碼垛仿真系統(tǒng)，要讓機(jī)器人末端執(zhí)行器（即氣動(dòng)手爪）在仿真運(yùn)行時(shí)具有動(dòng)態(tài)效果，就需要先創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的動(dòng)作姿態(tài)。在氣動(dòng)手爪建模時(shí)，保證2個(gè)手指分別為獨(dú)立部件。導(dǎo)入后，創(chuàng)建機(jī)械裝置，裝置類(lèi)型為“工具”，基體選擇為法蘭與氣缸的組合部件，依次對(duì)兩個(gè)手指進(jìn)行鏈接創(chuàng)建、接點(diǎn)創(chuàng)建及工具數(shù)據(jù)修改，最后添加氣動(dòng)手爪夾緊、張開(kāi)2種動(dòng)作姿態(tài)如圖4所示。

2.2 Smart組件

Smart組件是實(shí)現(xiàn)仿真運(yùn)行的關(guān)鍵，可以實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)態(tài)效果。本設(shè)計(jì)中，針對(duì)搬運(yùn)、碼垛仿真系統(tǒng)中，需要分別對(duì)機(jī)器人氣動(dòng)手爪和傳送帶進(jìn)行Smart組件的創(chuàng)建[5]。

2.2.1 氣動(dòng)手爪Smart組件

添加2個(gè)姿態(tài)運(yùn)動(dòng)“poseMover”分別用于卡盤(pán)張開(kāi)與夾緊動(dòng)作的執(zhí)行；添加1個(gè)線性傳感器“LineSensor”用于產(chǎn)品檢測(cè)；添加1個(gè)安裝對(duì)象“Attacher”和1個(gè)拆除對(duì)象“Detacher”用于手爪上產(chǎn)品的安裝和拆卸；添加1個(gè)邏輯非門(mén)“LogicGate[NOT]”用于邏輯控制。添加組件后，設(shè)定子對(duì)象組件屬性連結(jié)，分別為：LineSensor的SensedPart作為Attacher的Child；Attacher的Child作為Detacher的Child。最后，創(chuàng)建手爪控制的數(shù)字輸入信號(hào)di1，并添加I/O連接如圖5所示。最終得到設(shè)計(jì)信號(hào)關(guān)聯(lián)如圖6所示，可通過(guò)di1信號(hào)控制實(shí)現(xiàn)手爪姿態(tài)及產(chǎn)品抓取的仿真[6]。

圖4 手爪張開(kāi)與閉合姿態(tài)

圖5 I/O連接設(shè)置

圖6 氣動(dòng)手爪Smart組件設(shè)計(jì)

2.2.2 傳送帶Smart組件

2個(gè)傳送帶Smart組件設(shè)置方法相同。添加1個(gè)復(fù)制對(duì)象“Source”和1個(gè)隊(duì)列對(duì)象“Queue”分別用于產(chǎn)品的復(fù)制與隊(duì)列；添加1個(gè)平面?zhèn)鞲衅鳌癙lanceSensor”用于產(chǎn)品到位檢測(cè)；添加1個(gè)直線移動(dòng)“LinearMover”用于復(fù)制隊(duì)列后的產(chǎn)品沿著傳送帶移動(dòng)到抓取位；添加1個(gè)邏輯非門(mén)“LogicGate[NOT]”用于邏輯控制。添加組件后，設(shè)定子對(duì)象組件屬性連結(jié)：Source的Copy作為Quece的Back[7]。最后，創(chuàng)建傳送帶啟動(dòng)的瞬時(shí)數(shù)字輸入信號(hào)di2和通知機(jī)器人產(chǎn)品已到位的數(shù)字輸出信號(hào)do1，并添加I/O連接如圖7所示。最終得到設(shè)計(jì)信號(hào)關(guān)聯(lián)如圖8所示，可通過(guò)di1信號(hào)控制實(shí)現(xiàn)傳送帶的運(yùn)行仿真。

圖7 I/O連接設(shè)置

圖8 傳送帶Smart組件設(shè)計(jì)

3 仿真平臺(tái)應(yīng)用

3.1 機(jī)器人編程

仿真平臺(tái)具有與實(shí)際機(jī)器人示教器完全一致的操作界面。不僅可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)編程，也可利用離線編程界面進(jìn)行離線編程。以搬運(yùn)機(jī)器人運(yùn)行仿真為例，可編寫(xiě)機(jī)器人程序如下。

PROC main()MoveJ p_home,v200,fine,tool0;//機(jī)器人運(yùn)行到原點(diǎn)等待

WaitDI di1,1;//等待產(chǎn)品到位

MoveJ Offs(p_pick,0,0,100),v200,fine,tool0;//到達(dá)抓取點(diǎn)正上方

Movel p_pick,v100,fine,tool0;//到達(dá)抓取點(diǎn)

Set do1;//控制手爪夾緊抓取產(chǎn)品

WaitTime 1;//延時(shí)1s

MoveL Offs(p_pick,0,0,100),v200,fine,tool0;//回到抓取點(diǎn)正上方

Movej Offs(p_place,0,0,100),v200,fine,tool0;//到達(dá)放置點(diǎn)正上方

Movel p_place,v100,fine,tool0;//到達(dá)放置點(diǎn)

Reset do1;//控制手爪松開(kāi)放下產(chǎn)品

WaitTime 1;//延時(shí)1s

Movel Offs(p_place,0,0,100),v200,fine,tool0;//回到放置點(diǎn)正上方MoveJ p_home,v200,fine,tool0;//機(jī)器人運(yùn)行回到原點(diǎn)

ENDPROC

3.2 工作站邏輯創(chuàng)建

要實(shí)現(xiàn)最后的運(yùn)行仿真，機(jī)器人信號(hào)必須與設(shè)備Smart組件中的信號(hào)建立相應(yīng)的聯(lián)系,即可把Smart組件看作外部設(shè)備與機(jī)器人進(jìn)行通訊。針對(duì)機(jī)器人搬運(yùn)工作，可設(shè)計(jì)通訊關(guān)系如圖9所示。

圖9 機(jī)器人與設(shè)備通訊關(guān)系

3.3 仿真運(yùn)行

仿真運(yùn)行效果與實(shí)際設(shè)備完全一致，可在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)控制程序的邏輯錯(cuò)誤并進(jìn)行糾正，也可對(duì)運(yùn)行軌跡進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)節(jié)拍進(jìn)行調(diào)整，對(duì)碰撞進(jìn)行檢測(cè)，將生產(chǎn)中的實(shí)際問(wèn)題一一解決，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用能力與創(chuàng)新能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)能滿足工業(yè)機(jī)器人操作、編程、調(diào)試的相關(guān)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目需求。實(shí)驗(yàn)表明，仿真平臺(tái)作為實(shí)際設(shè)備的補(bǔ)充，大大提高了學(xué)習(xí)者的人身安全，避免了以前常出現(xiàn)的設(shè)備碰撞現(xiàn)象，增加了人均操作練習(xí)時(shí)間。在一定程度上增加了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與參與度，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)效果的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的信息化素養(yǎng)、分析解決問(wèn)題的能力以及創(chuàng)新能力。引入仿真平臺(tái)進(jìn)行教學(xué)后，設(shè)備需求有所緩和，建設(shè)成本得到了很好的控制，在相同的培訓(xùn)時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，學(xué)生的訓(xùn)練效果大大提高。