摘要：以電機(jī)成品裝配過(guò)程中機(jī)器人自動(dòng)快換夾具為研究對(duì)象，基于 SolidWorks三維建模，以及 RobotStudio Smart組件，提出了一種機(jī)器人夾具動(dòng)態(tài)更換仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。首先對(duì)機(jī)器人末端夾具及外圍設(shè)備進(jìn)行三維實(shí)體建模，通過(guò) RobotStudio接口導(dǎo)入.stp 或.sat格式文件，創(chuàng)建工具及機(jī)械裝置，完成整個(gè)工作站的空間布局;然后依據(jù)實(shí)際系統(tǒng)工作流程，創(chuàng)建仿真運(yùn)行 I/O信號(hào)，進(jìn)行了動(dòng)態(tài) Smart組件的設(shè)計(jì)、工作站的邏輯連接，機(jī)器人離線編程，最終實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人側(cè)夾具動(dòng)態(tài)更換仿真，完成了電機(jī)成品虛擬裝配，可為從事機(jī)器人系統(tǒng)仿真工程技術(shù)人員提供一定參考。

關(guān)鍵詞：RobotStudio;Smart組件;夾具動(dòng)態(tài)更換;仿真設(shè)計(jì);離線編程

中圖分類號(hào)：TP242???????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-9492（2021）12-0122-05

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Simulation Design of Robot Fixture Dynamic Replacement System Based on RobotStudio Software

Li Zhimei

（Shazhou Professional Institute of Technology， Zhangjiagang， Jiangsu 215600， China）

Abstract： Taking the robot automatic quick change fixture in the assembly process of motor product as the research object， a design scheme of fixture dynamic change simulation system was proposed based on SolidWorks 3D modeling and RobotStudio Smart component. Firstly， the end fixture and peripheral equipment were modeled by 3D entity， and the. stp or. sat format files were imported through the RobotStudio interface， and the tools and mechanical devices were created， and the spatial layout of the entire workstation was completed. Then， according to the working process of the actual system， the simulation I/O signal was created， and the design of the dynamic Smart component， the logical connection of the workstation， and the off-line programming of the robot were carried out. Finally， the dynamic replacement simulation of the robot fixture was realized， and the virtual assembly of the motor product was completed， which could provide some reference for the engineers and technicians engaged in the simulation of the robot system.

Key words： RobotStudio; Smart component; fixture dynamic replacement; simulation design; off-line programming

0 引言

智能制造領(lǐng)域內(nèi)，工業(yè)機(jī)器人與外圍設(shè)備協(xié)同作業(yè)仿真，在不消耗任何實(shí)際生產(chǎn)資源的情況下，能以可視化的動(dòng)態(tài)模擬呈現(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程與生產(chǎn)場(chǎng)景，應(yīng)用在方案前期設(shè)計(jì)、規(guī)劃和實(shí)施等準(zhǔn)備工作中，可提前解決實(shí)際生產(chǎn)制造中應(yīng)用可能遇到的問(wèn)題，對(duì)降低開(kāi)發(fā)成本，縮短生產(chǎn)研發(fā)周期，具有十分重要作用[1-2]。

實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中，機(jī)器人末端經(jīng)常需要通過(guò)快換來(lái)更換夾具，以進(jìn)行不同零件搬運(yùn)裝配等工作。在真實(shí)的環(huán)境中，因有氣路、傳感器、重力等因素，往往實(shí)現(xiàn)起來(lái)不成問(wèn)題，但在仿真方案中，若想呈現(xiàn)聯(lián)動(dòng)動(dòng)態(tài)效果，除了機(jī)器人 RAPID 語(yǔ)言編程之外，還需另外進(jìn)行動(dòng)態(tài) Smart組件的設(shè)計(jì)、工作站的邏輯連接等[3-4]。本文基于 ABB RobotStudio軟件，針對(duì)電機(jī)成品裝配過(guò)程中，如何實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)更換夾具問(wèn)題，提出一種新的 Smart組件設(shè)計(jì)方案，以期為相關(guān)工程技術(shù)人員提供一定技術(shù)參考。

1 機(jī)器人工作站創(chuàng)建

瑞典 ABB 公司 RobotStudio軟件在機(jī)器人離線編程方面功能強(qiáng)大，但在三維建模方面功能性有待于優(yōu)化[5]?？衫肧olidWorks/Pro-E 等專業(yè)建模軟件，對(duì)機(jī)器人末端夾具及工作站外圍設(shè)備等進(jìn)行三維建模，然后轉(zhuǎn)換為.stp 或.sat 格式文件，再導(dǎo)入 RobotStudio 軟件中，創(chuàng)建工具及機(jī)械裝置，然后構(gòu)建機(jī)器人電機(jī)成品裝配工作站[6-7]。

1.1 工具及機(jī)械裝置的創(chuàng)建

工具創(chuàng)建：為了使機(jī)器人編程時(shí)能選擇不同工具坐標(biāo)系，RobotStudio中導(dǎo)入機(jī)器人側(cè)（主側(cè)）快換，在設(shè)置本地原點(diǎn)后，可創(chuàng)建其為“工具”。根據(jù)3個(gè)夾具模型的尺寸，添加3個(gè)工具坐標(biāo)系框架在機(jī)器人側(cè)快換裝置上，如圖1所示。以框架1為例，當(dāng)其對(duì)應(yīng)1號(hào)弧口夾具（帶工具側(cè)快換）鎖緊至機(jī)器人側(cè)快換時(shí)，框架1的位置等于該夾具抓取目標(biāo)對(duì)象作用點(diǎn)至 tool0沿 X＼Y＼Z 方向距離。

機(jī)械裝置創(chuàng)建：以2號(hào)淺直口夾具為例，為了使夾具夾爪能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)開(kāi)、合，整裝配體導(dǎo)入 RobotStudio后要分整體模型為左瓣爪、右瓣爪、氣缸基座3部分，如圖2所示。然后“建?！辈藛蜗隆皠?chuàng)建機(jī)械裝置”，機(jī)械裝置類型選為“工具”，依次添加3個(gè)鏈接，注意設(shè)置氣缸基座 BaseLink 不動(dòng)件，“接點(diǎn)”設(shè)置好夾爪的開(kāi)合距離，“工具數(shù)據(jù)”注意 TCP方向等選項(xiàng)。完成后，進(jìn)行“編譯機(jī)械裝置”，再添加兩個(gè)姿態(tài)“放松姿態(tài)”與“夾緊姿態(tài)”。1號(hào)弧口夾具與3號(hào)橫直口夾具類似處理[3]。

1.2 機(jī)器人裝配工作站構(gòu)建

創(chuàng)建好工具及機(jī)械裝置后，在 RobotStudio中導(dǎo)入機(jī)器人側(cè)快換并拖曳安裝至機(jī)器人末端法蘭盤，然后分別再導(dǎo)入夾具支撐架、立體倉(cāng)庫(kù)、搬運(yùn)模塊以及電機(jī)組件等，最后導(dǎo)入3個(gè)夾具（帶工具側(cè)快換）并放置在夾具支撐架上，完成整個(gè)工作站的空間布局，如圖3所示。

2 夾具動(dòng)態(tài)更換仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)工作流程

電機(jī)成品裝配工作流程如圖4所示。任務(wù)要求：機(jī)器人取1號(hào)夾具→抓轉(zhuǎn)子、并裝配入定子→放1號(hào)夾具、換2號(hào)夾具→抓端蓋、并裝配入定子→放2號(hào)夾具、換3號(hào)夾具→搬運(yùn)電機(jī)成品入庫(kù)→放3號(hào)工具、返回工作原點(diǎn)。

實(shí)際工作站中，機(jī)器人自動(dòng)工具快換裝置為日本 EINS OX-03A/0X-03AI ，使用氣體鎖緊主側(cè)和工具側(cè)，主側(cè)快換配管連接如圖5所示，氣路換向采用單電控電磁閥。

2.2 動(dòng)態(tài)Smart組件設(shè)計(jì)

夾具動(dòng)態(tài)更換動(dòng)畫效果須通過(guò) RobotStudio Smart 組件來(lái)實(shí)現(xiàn)[8-9]。除了機(jī)器人末端更換夾具之外，所更換夾具夾爪還須實(shí)現(xiàn)開(kāi)/合以搬運(yùn)目標(biāo)對(duì)象并裝配，故創(chuàng)建兩級(jí) Smart組件。一級(jí)調(diào)用二級(jí)。機(jī)器人系統(tǒng)通過(guò) I/O與一級(jí) Smart 組件連接。動(dòng)態(tài) Smart 仿真系統(tǒng)中創(chuàng)建 I/O 信號(hào)如表1所示。

（1） 一級(jí) Smart組件設(shè)計(jì)

一級(jí) SCGripper設(shè)計(jì)如圖6所示，功能定義為拾取各號(hào)夾具;二級(jí) SCGripper01～ SCGripper03，功能定義為各號(hào)夾具夾爪開(kāi)合并實(shí)現(xiàn)目標(biāo)對(duì)象搬運(yùn)裝配。其中， SC? Gripper01對(duì)應(yīng)1號(hào)弧口夾具，SCGripper02對(duì)應(yīng)2號(hào)淺直口夾具， SCGripper03對(duì)應(yīng)3號(hào)橫直口夾具，均由 InSC2信號(hào)控制。

工作原理：線性傳感器 LineSensor 安裝在機(jī)器人側(cè)快換上（圖7）;當(dāng)輸入信號(hào) Insc 為1時(shí)， LineSensor當(dāng)前檢測(cè)到哪個(gè)夾具，通過(guò)三級(jí)獲取父對(duì)象 GetParent 來(lái)獲取該夾具完整實(shí)體，以此作為 Attacher作用對(duì)象;當(dāng)輸入信號(hào) Insc 為0時(shí)，通過(guò)邏輯信號(hào)子組件 LogicGate[NOT]來(lái)驅(qū)動(dòng) Detacher釋放 Attacher所作用的對(duì)象。

（2） 二級(jí) Smart組件設(shè)計(jì)

線性傳感器 LineSensor 安裝在夾具兩夾爪中間（圖8）。二級(jí)組件 SCGripper01與 SCGripper02類似。以搬運(yùn)電機(jī)轉(zhuǎn)子 SCGripper01為例，Smart設(shè)計(jì)如圖9所示。

工作原理：當(dāng) LineSensor 被輸入信號(hào) inGripper01激活，并檢測(cè)到拾取對(duì)象時(shí)，通過(guò) PoseMover_2與 Attacher 實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫夾緊及拾取動(dòng)作;反之，則通過(guò)邏輯取反 Log?icGate[NOT]、PoseMover_1以及 Detacher子組件，實(shí)現(xiàn)夾爪動(dòng)畫夾緊及放松動(dòng)作，放松釋放所拾取對(duì)象后，通過(guò) LinerarMover2實(shí)現(xiàn)自由落體裝配入定子，然后通過(guò) At? tacher_2設(shè)定與電機(jī)定子隨動(dòng)綁定（定義電機(jī)定子為父對(duì)象）。

SCGripper03主要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)搬運(yùn)電機(jī)成品入庫(kù)， Smart 組件設(shè)計(jì)如圖10所示。線性傳感器 LineSensor 被輸入信號(hào) InGripper 激活時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到部分拾取對(duì)象，通過(guò) GetParent 獲取完整電機(jī)成品實(shí)體，作為 Attacher 與 Detacher作用對(duì)象。其他與上述同理，此處不作贅述。

3 系統(tǒng)編程與仿真調(diào)試

3.1? 工作站邏輯連接

在機(jī)器人系統(tǒng)中，添加 I/O板卡 d652，配置 I/O信號(hào) DO15、DO16，機(jī)器人系統(tǒng) System12與一級(jí) Smart組件 I/ O 連接如表2所示。其中，DO15為主盤鎖緊/松開(kāi)信號(hào)， DO16為夾具夾爪夾緊/放松信號(hào)。

3.2 機(jī)器人系統(tǒng)程序編制

當(dāng)建好工作站三維模型，完成 Smart 動(dòng)態(tài)組件設(shè)計(jì)，并配置好 I/O信號(hào)、以及工作站邏輯連接后，可進(jìn)行機(jī)器人系統(tǒng)離線編程。

（1） 主程序及子程序

主程序與子程序編寫如表3所示，其中，main（）為機(jī)器人電機(jī)裝配搬運(yùn)入庫(kù)主程序，ToolPick（）為夾具拾取子程序;ToolPut（）為夾具釋放子程序。

ToolPos{1}～ ToolPos{3}為 robtarget 型一維數(shù)組常量，分別用來(lái)存儲(chǔ)三個(gè)夾具的各自拾取點(diǎn)位;ToolTemp 為 robtarget型可變量，用來(lái)存儲(chǔ)預(yù)備更換夾具拾取點(diǎn)。

（2）電機(jī)轉(zhuǎn)子裝配路徑規(guī)劃

電機(jī)端蓋裝配 AssembleCover、轉(zhuǎn)子裝配 Assem? bleRotor，以及搬運(yùn)入庫(kù)子程序 PutInStorage 運(yùn)動(dòng)路徑類似。此處以機(jī)器人裝配電機(jī)轉(zhuǎn)子為例，其運(yùn)動(dòng)路線進(jìn)行設(shè)計(jì)如圖11所示。示教編程時(shí)注意：①夾爪夾緊與放松用 Set/Reset DO16驅(qū)動(dòng);②工具坐標(biāo)系須選擇1號(hào)弧口夾具所對(duì)應(yīng)的 Tool01，因工具創(chuàng)建時(shí)已定義在夾具夾取中心點(diǎn)上（圖12），所以選擇后機(jī)器人控制點(diǎn)從便會(huì)從末端法蘭盤中心轉(zhuǎn)移到該點(diǎn)上，這樣隨著腕部移動(dòng)，工具坐標(biāo)方向也會(huì)隨之變化。

3.3 夾具動(dòng)態(tài)更換系統(tǒng)仿真調(diào)試

在進(jìn)行夾具動(dòng)態(tài)系統(tǒng)調(diào)試前，在 RobotStudio 菜單“仿真”→“重置”→“保存當(dāng)前狀態(tài)”為系統(tǒng)初始狀態(tài)，以便中間出現(xiàn)異常，可返回“已保存狀態(tài)”進(jìn)行重置。此外，若機(jī)器人程序是在工作站中編寫，則須同步到 RAPID ，然后“仿真”菜單下，設(shè)置入口程序即可，相關(guān)可相關(guān)文獻(xiàn)[10-15]。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著智能制造技術(shù)發(fā)展，虛擬動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)將會(huì)得到大量應(yīng)用。本文基于 SolidWorks/Pro-E 等三維建模，采用 ABB RobotStudio軟件，針對(duì)對(duì)產(chǎn)品裝配過(guò)程中夾具動(dòng)態(tài)更換，提出一種新的 Smart組件設(shè)計(jì)方法。該方法主要針對(duì)快換氣路中采用單電控電磁換向閥，若雙電控電磁換向閥控制，讀者須自己繼續(xù)嘗試。

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作者簡(jiǎn)介：李志梅（1979-），女，吉林蛟河人，碩士，副教授，研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)電控制與自動(dòng)化，已發(fā)表論文20余篇。

（編輯：刁少華）