周 鑫

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

0 前言

工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用可以提高工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化水平，突破技術(shù)和成本限制[1]。隨著工業(yè)水平的不斷提高，人們對搬運(yùn)速度的要求越來越高，傳統(tǒng)的人工碼垛只能應(yīng)用在物料輕便、尺寸和形狀變化大、吞吐量小的場合，這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工業(yè)的需求，使用工業(yè)機(jī)器人來進(jìn)行分類碼垛可以代替人們在惡劣環(huán)境中工作，能極大的提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量[2]。

在實(shí)際機(jī)器人工作站安裝前，使用仿真軟件RobotStudio對真實(shí)的工作站進(jìn)行離線編程，在軟件中對分顏色碼垛機(jī)器人工作站的各項(xiàng)功能進(jìn)行調(diào)試[3]。本文以物料顏色分類碼垛為研究對象，解決物料箱分類碼垛問題，使用RobotStudio建立顏色分類碼垛機(jī)器人的仿真系統(tǒng)模型。

1 顏色分揀工作站模型搭建

RobotStudio有強(qiáng)大的離線編程功能，能幫助使用者在實(shí)際構(gòu)建機(jī)器人系統(tǒng)之前先進(jìn)行設(shè)計(jì)和試運(yùn)行。RobotStudio自帶建模功能不是很強(qiáng)大，復(fù)雜模型難以完成造型，可以使用Solildworks等三維軟件建模完成后保存為step、igs、sat等格式導(dǎo)入RobotStudio再進(jìn)行模型的工作空間調(diào)整，本工作站機(jī)器人吸盤使用Soildworks完成造型再導(dǎo)入RobotStudio后安裝在機(jī)械手上完成抓取功能[4]。圖1為機(jī)器人顏色分揀工作站模型及整體布局。

圖1 機(jī)器人顏色分揀工作站模型及整體布局

ABB公司生產(chǎn)的IRB2600型號工業(yè)機(jī)器人載荷能力強(qiáng)、工作范圍大，在同等重量級機(jī)型中率先采用中空臂技術(shù)，所有管線均內(nèi)嵌于上臂和手腕，增強(qiáng)了離線編程的便利性及可靠性。所以選用ABB公司的IRB2600工業(yè)機(jī)器人作為顏色分揀工作站的機(jī)器人部分[5]。

2 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)工作流程

仿真工作站工作流程如下，仿真信號下達(dá)之后首先紅綠物塊由傳送帶1傳送至機(jī)器人2，放置到AGV小車3,運(yùn)送至機(jī)器人4，經(jīng)傳感器識別物塊顏色，將綠色物塊放置在堆垛臺5，將紅色物塊放置在堆垛臺6。圖2為工作站仿真過程流程圖。

圖2 工作站仿真流程圖

2.2 工作站動(dòng)態(tài)Smart組件設(shè)計(jì)

在RobotStudio中創(chuàng)建顏色分揀工作站的過程中，AGV小車、傳送帶、機(jī)器人吸盤等裝置的動(dòng)態(tài)效果對整個(gè)工作站的工作過程相當(dāng)重要，RobotStudio中Smart組件能實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫效果的功能，同時(shí)也能模擬現(xiàn)場設(shè)備的I/O接口與控制邏輯。如圖3所示，以傳送帶Smart組件為例，子組件包括動(dòng)作子組件Source、本體子組件LinearMover、邏輯信號子組件LogicSRLatch和LogicGate等。將各個(gè)子組件通過不同屬性連接，信號將在不同子組件之間傳遞。最后創(chuàng)建傳送帶的I/O信號，當(dāng)外部給出動(dòng)作信號，傳送帶開始按照Smart組件設(shè)定好的邏輯開始工作。

圖3 傳送帶Smart組件設(shè)計(jì)

2.3 顏色分揀工作站I/O信號的創(chuàng)建

在真實(shí)的工作現(xiàn)場，采用PLC控制工作站系統(tǒng)運(yùn)行，采用現(xiàn)場總線的方式，將PLC與機(jī)器人等設(shè)備I/O板進(jìn)行連接，接收傳送帶機(jī)構(gòu)、工業(yè)機(jī)器人、吸盤吸取、吸盤松開等現(xiàn)場指令信號。在RobotStudio中使用Smart組件模擬PLC，對顏色分揀碼垛工作站進(jìn)行離線編程。表1為工作站部分I/O信號。

表1 工作站部分I/O信號

3 系統(tǒng)編程與仿真調(diào)試

3.1 機(jī)器人工具坐標(biāo)設(shè)定

工具坐標(biāo)系是安裝在機(jī)器人末端吸盤上的坐標(biāo)系，原點(diǎn)及方向都是隨著末端位置與角度不斷變化的，該坐標(biāo)系實(shí)際是通過旋轉(zhuǎn)和位移基礎(chǔ)坐標(biāo)系得來的，通過定義工具坐標(biāo)系來描述吸盤的實(shí)時(shí)姿態(tài)和TCP位置，如圖4所示，本仿真通過四點(diǎn)法確定吸盤工具坐標(biāo)系，可以更為方便地調(diào)整工具姿態(tài)，在控制坐標(biāo)原點(diǎn)不變的操作原則下，使插件運(yùn)算更為精確。

圖4 機(jī)器人吸盤結(jié)構(gòu)圖

3.2 機(jī)器人分層堆垛路徑規(guī)劃

在機(jī)器人工具坐標(biāo)系設(shè)置好后，需要對機(jī)器人吸盤軌跡進(jìn)行規(guī)劃。在本仿真中設(shè)置物塊大小為300×400×150mm，擺放方式為單位碼垛臺第一層9個(gè)，第二層8個(gè)，第三層9個(gè)，共26個(gè)，兩個(gè)碼垛臺總共52個(gè)物塊，采取交錯(cuò)碼垛的方式擺放。添加完機(jī)器人系統(tǒng)后需要?jiǎng)?chuàng)建5個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，小車位置一個(gè)，每個(gè)工作臺各兩個(gè)，都是藍(lán)點(diǎn)位置，因?yàn)闄M豎放置方式不同所以坐標(biāo)方向不同，創(chuàng)建的第一個(gè)點(diǎn)在小車運(yùn)過去以后的小車上平面中心點(diǎn)，小車平面中心點(diǎn)可以通過選擇導(dǎo)軌的中點(diǎn)，x軸方向偏移-25 mm,z軸方向偏移小車高度+200 mm獲得。

3.3 機(jī)器人程序編制

Visual Controller技術(shù)是RobotStudio離線編程能夠準(zhǔn)確精準(zhǔn)的關(guān)鍵點(diǎn)。依據(jù)機(jī)器人路徑和運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃的工作站流程，完成對I/O信號的配置，目標(biāo)點(diǎn)的示教操作，創(chuàng)建程序數(shù)據(jù)，對機(jī)器人控制器相應(yīng)的程序進(jìn)行編寫，進(jìn)行RAPID程序的離線開發(fā)，保證機(jī)器人顏色分揀工作站的仿真與實(shí)際運(yùn)行的同步進(jìn)行[6]。

圖5 機(jī)器人工作站部分主程序

4 結(jié)語

本文基于ABB工業(yè)機(jī)器人平臺以及Soildworks三維建模軟件，對機(jī)器人顏色分類交錯(cuò)碼垛工作站進(jìn)行了仿真研究，隨著工業(yè)水平的不斷提高，碼垛機(jī)器人工作站作為重要的生產(chǎn)設(shè)備，將應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)角落。

傳統(tǒng)使用人力搬運(yùn)物料分類碼垛浪費(fèi)大量人力、物力，而且效率低下，越來越不符合時(shí)代發(fā)展需求，因此使用機(jī)器人工作站來代替人力實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化搬運(yùn)物料的趨勢越來越明顯。機(jī)器人作為一個(gè)新興行業(yè)，還需要投入更多精力、財(cái)力深入研究。故本文對顏色分類交錯(cuò)碼垛機(jī)器人工作站進(jìn)行了仿真研究，通過對物料擺放位置進(jìn)行示教，編寫機(jī)器人Rapid程序，實(shí)現(xiàn)紅綠物料的自動(dòng)分類多層交錯(cuò)碼垛，提高了工作站效率，離線編程縮短了機(jī)器人工作站的調(diào)試周期，釋放了更多勞動(dòng)力。