劉一鳴,李承欣1， ,李俊宇1， ,劉業(yè)峰1，

(1.遼寧省數(shù)控機床信息物理融合與智能制造重點實驗室, 遼寧 撫順 113122;2.沈陽工學院 機械工程與自動化學院，遼寧 撫順 113122)

0 引言

隨著科技水平的提升，工業(yè)機器人作為科技發(fā)展的代表之作，逐漸出現(xiàn)在我們的視野中，不僅可以幫助人類減輕體力的消耗，而且也可使人類從各種惡劣的工作環(huán)境中解放出來?，F(xiàn)階段，工業(yè)機器人正在以更加多元化的方式被應用于自動化生產(chǎn)線中，代替人來完成各種復雜的生產(chǎn)活動[1-4]。為了判斷生產(chǎn)線的可實施性，減少不必要的損失，在工業(yè)機器人生產(chǎn)線的具體實施前，通常先借助虛擬仿真軟件來對生產(chǎn)線各設備狀態(tài)進行仿真模擬，對機器人的運動路徑等進行合理的規(guī)劃[5-6]。

文獻[7]設計了一類機器人分揀工作站，運用ABB的VirtualController技術，將三維實體模型導入至RobotStudio中，搭建自動分揀站的整體布局，模擬分析整個分揀流程。文獻[8]介紹了一種利用SoildWorks和RobotStudio設計與路徑仿真的機器人搬運工作站，完成機器人自動搬運工件的模擬仿真。文獻[9]使用仿真軟件RobotStudio對工業(yè)機器人的打磨應用進行仿真，還原了真實工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，優(yōu)化了工業(yè)機器人等設備的工作狀態(tài)。文獻[10]通過 RobotStudio軟件搭建檢測和分揀平臺，實現(xiàn)沖壓件自動分揀裝置的設計與仿真。以上研究結(jié)果分別通過虛擬仿真軟件完成工作站的搭建，將工業(yè)機器人應用于不同的生產(chǎn)線中，實現(xiàn)了工作站的仿真效果設定。然而一類機器人往往不能滿足多數(shù)自動化生產(chǎn)線實際需求，將多類機器人協(xié)同應用于同一生產(chǎn)線去實現(xiàn)對應的功能已成為自動化生產(chǎn)線的主要發(fā)展動向。

依據(jù)RobotStudio虛擬仿真軟件設計一類將裝配機器人與搬運作業(yè)人應用于同一生產(chǎn)線的工作站，利用三維建模軟件SoildWorks創(chuàng)建工作站中所需要的三維仿真模型，構建多機器人生產(chǎn)線的布局，其次依據(jù)生產(chǎn)線連續(xù)運行方式，創(chuàng)建動態(tài) Smart 組件和仿真運行I/O 信號，最后對機器人程序進行離線編程，實現(xiàn)將多機器人協(xié)同作業(yè)于同一生產(chǎn)線的工作站的設計。

1 工作站總體方案設計

1.1 工作站布局設計

該工作站的設計主要體現(xiàn)在對兩種不同工件的裝配再搬運的過程，大工件直徑×高為200 mm×30 mm，內(nèi)嵌有直徑×高為25 mm×20 mm的圓形卡槽。小工件直徑×高為25 mm×35 mm；能夠完整的裝配到大工件的圓形卡槽內(nèi)。工作站空間布局如圖1所示。

1.裝配運輸傳送帶A 2.裝配運輸傳送帶B 3.裝配機器人 4.裝配工作臺 5.搬運機器人 6.工件托盤 7.物料小車 圖1 工作站空間布局

1.2 工作站工序流程設計

表1 工作站工作運行流程

2 工作站仿真系統(tǒng)模型的設計

2.1 工作站三維模型的設計

RobotStudio具有三維模型導入的功能，利用三維建模軟件SolidWorks創(chuàng)建工作站的主要周邊設備三維模型，轉(zhuǎn)為STP格式導入至RobotStudio中，完成仿真系統(tǒng)布局的搭建。

2.1.1 裝配工作臺三維模型的設計

裝配工作臺為長×寬×高500 mm×500 mm×580 mm立方體，內(nèi)嵌有直徑×高200 mm×20 mm的圓形卡槽，可以恰好放置待裝配工件。裝配工作臺三維模型如圖2所示。

圖2 裝配工作臺三維模型

2.1.2 工件托盤三維模型的創(chuàng)建

工件托盤為長×寬×高為1 200 mm×750 mm×35 mm的方型鐵板，其內(nèi)嵌有四個直徑×高為200 mm×15 mm的圓形卡槽，可以完成四個裝配完成整體件的放置裝載。工件托盤三維模型如圖3所示。

圖3 工件托盤三維模型

2.2 工作站應用工具的設計

該工作站所應用的工具安裝于機器人第六軸安裝法蘭上，用來實現(xiàn)吸取和抓取的功能。本工作站共創(chuàng)建了2種不同的工具，分別是應用于裝配機器人用來吸取大工件以及小工件的吸盤工具。以及應用于搬運機器人夾取裝配完成整體件的夾爪。對夾爪三維模型的設計主要由夾爪安裝法蘭，左右夾爪三部分構成。該夾爪的三部分通過三維建模軟件建模完成之后導入至RobotStudio中，對其進行工具機械裝置的創(chuàng)建[11-12],首先創(chuàng)建機械裝置的鏈接，大型夾爪安裝法蘭、大夾爪_左、大夾爪_右的鏈接名稱分別命名為L1、L2、L3。將大型夾爪安裝法蘭設置為BaseLink。為了實現(xiàn)左右夾爪可活動部件的往復運動，達成夾爪的夾取與松開的動態(tài)效果，需創(chuàng)建機械裝置的接點，如圖4～5所示。L2與L3作為子鏈接，其父鏈接均為L1。左右夾爪的關節(jié)最大限值為50 mm。

圖4 設置大夾爪_左的接點 圖5 設置大夾爪_右的接點

由于夾爪需要在運動中完成對工件的夾取搬運，需要創(chuàng)建工具數(shù)據(jù)以方便實現(xiàn)抓取搬運的動作，創(chuàng)建位置選擇在大型夾爪安裝法蘭的中心位置。工具數(shù)據(jù)創(chuàng)建完成之后，編譯機械裝置，以用來創(chuàng)建機械裝置的姿態(tài)。該夾爪的姿態(tài)包括原點位置姿態(tài)與夾緊姿態(tài)。

3 工作站Smart組件設計與連接

為實現(xiàn)工作站的仿真動畫效果，需在建模選項卡中新增Smart組件，該組件主要應用于創(chuàng)建I/O信號連接和屬性控制的動態(tài)組件[13-21]。

工作站主要實現(xiàn)的動畫效果體現(xiàn)在對裝配傳送帶運輸過來的大工件以及小工件依次吸取至裝配工作臺，完成兩者的裝配過程之后，將裝配完成整體件夾取放置到工件托盤上。根據(jù)本工區(qū)要實現(xiàn)的動畫效果，設計并制作了6個Smart組件SC_da_conveyer、SC_xiao_conveyer、SC_Sucker_da、SC_Sucker_xiao、SC_Assemble platform、SC_Gripper_assemble worked。分別用來實現(xiàn)對大工件傳送帶與小工件傳送帶、大工件與小工件吸取吸盤、裝配工作臺以及裝配完成整體件夾爪的動畫效果設計。下面以SC_Sucker_da為例說明Smart組件的添加及I/O信號的添加。

大工件吸取吸盤要實現(xiàn)對裝配傳送帶A傳送過來的大工件的吸取與釋放的動作。在組件的設計中添加的組件有Attacher(安裝對象)動作子組件，Detacher(拆除對象)動作子組件，LineSensor(直線傳感器)傳感器子組件，LogicGate[NOT](邏輯非門)信號子組件，Queue(隊列)其它子組件。

SC_Sucker_da中的屬性連接共有3個，LineSensor子組件檢測到的對象作為Attacher子組件的安裝對象，Attacher子組件安裝的對象作為Detacher子組件將要拆除的對象；Detacher子組件拆除的對象作為進入Queue子組件的對象，SC_Sucker_da屬性連接如表2所示。

表2 SC_Sucker_da屬性連接表

動畫效果設計難點主要體現(xiàn)在當裝配過程完成之后，將裝配工作臺上剛剛裝配完成的大工件與小工件進行刪除，并在裝配位置生成一個新的裝配完成整體件并將新的整體件夾走的過程。文獻[22]通過在對工業(yè)機器人裝配工作站裝配組件設計中應用吸盤組件與裝配組件共同配合，吸盤工具組件輸出一個刪除工件的信號，而裝配組件負責刪除、復制重現(xiàn)。實現(xiàn)了對原有工件的刪除與創(chuàng)建新的工件的功能，但并沒有實現(xiàn)對新生成工件再抓取的過程。在實際SC_Sucker_da組件設計過程中，添加兩個輸入信號DI_xipan，DI_scda分別用來作為吸盤功能的啟動信號及刪除大工件的信號。

當啟動信號DI_xipan置位為1，可以使LineSensor被激活，當直線傳感器與大工件相交時，SensorOut信號輸出為1去激活Attacher去安裝檢測到的大工件到吸盤上。Detacher的輸入信號由DI_xipan通過LogicGate[NOT]相連，只要DI_xipan信號從1被置位為0，Detacher的Execute置1，Detacher被激活，拆除Attacher剛剛安裝的對象，將Detacher的拆除完成信號給到Queue的Enqueue信號，用來完成將拆除的對象添加到隊列中，為實現(xiàn)后續(xù)DI_scda信號控制的大工件刪除動畫做準備。SC_ Sucker_da各子組件之間的信號連接如表3所示。

4 機器人控制系統(tǒng)設計與編程

根據(jù)工作站要實現(xiàn)的具體任務，需要分別創(chuàng)建裝配機器人系統(tǒng)及搬運機器人系統(tǒng)，下面對兩個機器人系統(tǒng)進行I/O信號配置及地址分配，完成工作站整體邏輯設定；并對搬運機器人的離線編程程序進行說明。

4.1 機器人系統(tǒng)的I/O信號配置及地址分配

4.1.1 裝配機器人系統(tǒng)I/O信號配置及地址分配

裝配機器人系統(tǒng)一共設置3個輸入信號和4個輸出信號，輸入信號分別用于大工件到位準備就緒，小工件到位準備就緒以及再一次啟動裝配機器人執(zhí)行裝配程序的信號連接；輸出信號分別用于控制裝配傳送帶A啟動，控制裝配傳送帶B啟動，吸取大工件，吸取小工件的信號連接。裝配機器人系統(tǒng)I/O信號的參數(shù)如表4所示。

表4 裝配機器人系統(tǒng)I/O信號參數(shù)表

4.1.2 搬運機器人系統(tǒng)I/O信號配置及地址分配

搬運機器人系統(tǒng)一共設置輸入信號1個，輸出信號1個。輸入信號用于啟動搬運機器人系統(tǒng)，輸出信號用于夾取裝配完成整體件。搬運機器人系統(tǒng)I/O信號的參數(shù)如表5所示。

表5 搬運機器人系統(tǒng)I/O信號參數(shù)表

4.2 工作站整體邏輯設定

對裝配機器人與搬運機器人系統(tǒng)與創(chuàng)建的Smart組件進行I/O邏輯連接，即實現(xiàn)工作站整體邏輯設定。首先是裝配機器人系統(tǒng)System1發(fā)送信號do_cnv1與do_cnv2給到SC_da_conveyer與SC_xiao_conveyer中，進行裝配傳送帶A與裝配傳送帶B的啟動，當傳送帶上的傳感器檢測到運輸工件時，分別發(fā)送Do_cnv1_dw與Do_cnv2_dw給到裝配機器人系統(tǒng)System1。裝配機器人系統(tǒng)System1發(fā)出的輸出信號do_attacher_da與do_attacher_xiao分別給到SC_Sucker_da與SC_Sucker_xiao中，去執(zhí)行對大工件以及小工件的吸取。當SC_Assembleplatform的輸出信號DO_yunxing給到搬運機器人系統(tǒng)System2使搬運機器人執(zhí)行搬運工作；搬運機器人系統(tǒng)System2的輸出信號do_JZ給到SC_Gripper_assembleworked組件中，去執(zhí)行夾爪夾取的工作。工作站I/O信號邏輯如表6所示。

表6 工作站I/O信號邏輯關系

4.3 搬運機器人系統(tǒng)離線程序編程

搬運機器人系統(tǒng)實現(xiàn)的程序為在裝配臺位置夾取裝配完成整體件放置到工件托盤，直至工件托盤裝載完成；搬運機器人系統(tǒng)的部分程序如下所示：

PROCmain( )

rInitAll; !初始化設備狀態(tài)，用于復位數(shù)據(jù)

WHILETRUEDO !機器人進行循環(huán)重復動作

WaitDIdi_YX,1; !等待執(zhí)行搬運機器人程序信號到位

rPick; !調(diào)用抓取子程序

rPut; !調(diào)用放置子程序

MoveLPhome,v2000,fine,JiaZhuaWObj:=wobj0;

ENDWHILE

ENDPROC

PROCrInitAll( )

MoveJPhome,v5000,fine,JiaZhuaWObj:=wobj0;

ResetDO_yunxing;!復位啟動搬運機器人信號

ResetDO_shanchu;!復位刪除工件信號；

Resetdo_JZ;!復位夾爪夾取信號

ENDPROC

5 仿真運行結(jié)果分析

由于工作站中搬運機器人的工作對象是裝配完成整體工件，結(jié)合現(xiàn)實搬運工作任務考慮搬運機器人在搬運任務中要保持一定的穩(wěn)定性。筆者通過在工作站中的大量仿真得出機器人搬運穩(wěn)定性主要的影響因素為搬運機器人的TCP速度。在仿真的過程中，可以通過RobotStudio軟件中的信號分析器功能對自動生成的仿真數(shù)據(jù)進行實驗分析，本文設定1 000 mm/s,1 500 mm/s，2 000 mm/s，2 500 mm/s共四組TCP速度。通過觀察機器人在不同TCP速度下搬運工作時的速度軌跡來分析判定處在哪一種速度條件下機器人搬運更加穩(wěn)定。由于搬運作業(yè)內(nèi)容具有一定的重復性且為了更好的觀察TCP速度軌跡，仿真運行后的速度軌跡曲線只體現(xiàn)搬運一個裝配完成整體件過程。圖6為不同TCP速度下的搬運機器人速度軌跡曲線。

圖6 搬運機器人TCP速度軌跡曲線

通過比較搬運機器人不同的TCP速度下速度軌跡曲線可以看出，降低機器人的TCP速度雖然會導致機器人搬運作業(yè)時間增加，但增加的時間并不多，TCP速度為1 000 mm/s與2 500 mm/s的搬運作業(yè)時間相比也僅多了4.1 s。但TCP速度得到降低以后，可以明顯的看出其速度軌跡曲線更加平滑，速度劇烈變化的情況也得到了緩解，這也意味著機器人在工作的過程中更加柔順，不會出現(xiàn)明顯的抖動，可以保證裝配完成工件的順利搬運。通過以上分析，最終確定將1 000 mm/s作為本工作站搬運機器人的TCP速度更加合理，工作站仿真結(jié)果為搬運機器人裝載完成四個裝配整體件，完成整個周期所需要的時間為97.2 s。裝載完成的工件托盤如圖7所示。

圖7 仿真運行結(jié)果

6 結(jié)束語

本文提出了一種基于RobotStudio仿真軟件的多機器人裝配搬運生產(chǎn)線的虛擬設計方案，通過SoildWorks軟件設計了工作站所涉及的三維仿真模型，構建工作站的總體布局。通過Smart組件實現(xiàn)了工作站的動畫效果，并通過對機器人I/O信號的配置，實現(xiàn)了各Smart組件與對應機器人系統(tǒng)的信號連接。按照搬運要求編寫離線程序，對生產(chǎn)線進行模擬仿真，通過對系統(tǒng)參數(shù)的實時改變，對搬運機器人的速度軌跡曲線進行研究，確定搬運機器人在最優(yōu)速度下實現(xiàn)了最終裝配過程。為實際生產(chǎn)線的設計與實施提供理論依據(jù)，指導現(xiàn)實生產(chǎn)線的調(diào)試與優(yōu)化過程。