龐黨鋒，崔世鋼，劉 旭

(1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市信息傳感與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；2.天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300350)

0 引言

工業(yè)機(jī)器人因其智能化水平、生產(chǎn)效率及安全性高且經(jīng)濟(jì)效益顯著等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于制造業(yè)。在切削加工自動(dòng)生產(chǎn)線，機(jī)器人要進(jìn)行多任務(wù)、多工位生產(chǎn)活動(dòng)，同時(shí)與立體庫、數(shù)控車床和加工中心等設(shè)備間協(xié)同作業(yè)。

自動(dòng)化生成線在集成、調(diào)試中存在各單元協(xié)同和軌跡規(guī)劃難度大問題[1]。設(shè)計(jì)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線時(shí)，利用RobotStudio軟件對各設(shè)備布局、生產(chǎn)節(jié)拍和通信等進(jìn)行模擬仿真，可以合理配置生產(chǎn)線布局，縮短生 產(chǎn)線設(shè)計(jì)和調(diào)試周期[2-3]。田國柱等[4]通過RobotStudio建立了多臺專用加工設(shè)備與多臺機(jī)器人組成的自動(dòng)化仿真制鏈生產(chǎn)線，模擬了現(xiàn)場的生產(chǎn)環(huán)境及生產(chǎn)過程。孫增光等[5]利用SolidWorks建模功能和RobotStudio仿真功能搭建了焊接機(jī)器人工作站，規(guī)劃了焊接軌跡和編寫完成了焊接程序。劉海燕等[6]通過RobotStudio離線編程軟件搭建機(jī)器人碼垛機(jī)構(gòu)仿真系統(tǒng)。文獻(xiàn)[4-6]均是利用RobotStudio進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)線建模和仿真模擬，同時(shí)分析機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡鮮有報(bào)道，而實(shí)際生產(chǎn)中運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃影響工作站安全性和生產(chǎn)效率。因此本研究選擇IRB1200機(jī)器人，搭建具有運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的上下料工作站，模擬實(shí)際生產(chǎn)中機(jī)器人從立體庫到數(shù)控車、立體庫到加工中心、數(shù)控車到加工中心之間上下料工作，并對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行I/O信號鏈接等。通過機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃分析優(yōu)化工作站布局及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，達(dá)到降低干涉碰撞風(fēng)險(xiǎn)和提高生產(chǎn)效率目的，為自動(dòng)上下料生產(chǎn)線設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)動(dòng)軌跡提供參考和理論依據(jù)。

1 搭建機(jī)器人工作站模型

RobotStudio是ABB工業(yè)機(jī)器人的仿真調(diào)試軟件，它可以進(jìn)行機(jī)器人工作站設(shè)計(jì)，對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行離線編程、仿真測試。軟件包含了所有ABB機(jī)器人模型，同時(shí)擁有豐富的變位機(jī)、導(dǎo)軌和工具模型，支持CAD模型導(dǎo)入。軟件和實(shí)際現(xiàn)場應(yīng)用一樣的機(jī)器人、控制器和示教器，機(jī)器人模擬運(yùn)動(dòng)效果與實(shí)際一致。

機(jī)器人上下料工作站由工業(yè)機(jī)器人，數(shù)控車床、加工中心、立體庫、控制器PLC和其它外圍設(shè)備組成[7-8]。PLC作為工作站的中央控制器與機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等設(shè)備進(jìn)行通信連接，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人工作站各設(shè)備之間協(xié)同工作，工作站選用IRB1200機(jī)器人和IRC5機(jī)器人控制器。如圖1所示利用SolidWorks與RobotStudio創(chuàng)建的工業(yè)機(jī)器人上下料工作站布局圖。

1.加工中心 2.數(shù)控車床 3.工業(yè)機(jī)器人 4.機(jī)器人控制器 5.安全圍欄 6.導(dǎo)軌 7.立體庫

2 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)器人移動(dòng)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)

切削生產(chǎn)線中成品工件需經(jīng)過數(shù)控車床和加工中心兩個(gè)加工環(huán)節(jié)，機(jī)器人若采用固定安裝無法滿足工作范圍，考慮生產(chǎn)線開發(fā)成本和機(jī)器人利用效率，利用IRB1200機(jī)器人和IRBT導(dǎo)軌創(chuàng)建了帶導(dǎo)軌機(jī)器人系統(tǒng)如圖2所示，擴(kuò)大了機(jī)器人工作范圍，通過在導(dǎo)軌的水平移動(dòng)實(shí)現(xiàn)了工件從立體庫、數(shù)控車床和加工中心的取放。

2.2 動(dòng)態(tài)Smart組件設(shè)計(jì)

機(jī)器人上下料過程動(dòng)態(tài)效果對整個(gè)工作站仿真效果起到一個(gè)關(guān)鍵的作用，工作站中的機(jī)器人夾具、數(shù)控機(jī)床的安全門和卡盤仿真運(yùn)行動(dòng)作都需要通過Smart組件設(shè)置實(shí)現(xiàn)。在機(jī)器人夾具Smart組件設(shè)計(jì)中，先添動(dòng)作子組件Detacher和Attacher、傳感器子組件Planesensor、邏輯信號子組件 Logicgate等，再設(shè)定組件之間的屬性，實(shí)現(xiàn)相互之間信號連接，最后設(shè)定Smart組件進(jìn)行信號交互的I/O信號，實(shí)現(xiàn)夾具動(dòng)畫效果。

2.3 工作站I/O信號創(chuàng)建及連接

真實(shí)的切削加工自動(dòng)生產(chǎn)線以PLC作為控制器，PLC與機(jī)器人等設(shè)備通過I/O信號板進(jìn)行連接,采用現(xiàn)場總線接收機(jī)器人、數(shù)控車床和加工中心、氣動(dòng)夾具和機(jī)床安全門等發(fā)送來的信號。上下料工作站仿真運(yùn)行時(shí)，通過設(shè)置Smart組件來模擬機(jī)器人與PLC數(shù)據(jù)通信[9]。表1所示為機(jī)器人工作站部分I/O信號。

表1 機(jī)器人工作站部分I/O信號

續(xù)表

3 工業(yè)機(jī)器人軌跡規(guī)劃

工業(yè)機(jī)器人在關(guān)節(jié)空間中進(jìn)行軌跡規(guī)劃時(shí)，首先通過逆運(yùn)動(dòng)學(xué)把路徑點(diǎn)轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)角度值，然后將相應(yīng)關(guān)節(jié)路徑點(diǎn)擬合成光滑函數(shù)，得到各關(guān)節(jié)位移時(shí)間函數(shù)q(t)，如公式(1)所示，t0起始關(guān)節(jié)角度為q0，終止關(guān)節(jié)角度qf。

(1)

為滿足關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)連續(xù)性，設(shè)定起始點(diǎn)和終止點(diǎn)關(guān)節(jié)角度為0，如公式(2)所示。

(2)

由上述約束條件確定關(guān)節(jié)角位置、角速度和角加速度為公式(3)：

(3)

整理求解可得方程組公式(4)：

(4)

工業(yè)機(jī)器人從立體庫上料到數(shù)控車床路徑中，根據(jù)工序和布局設(shè)計(jì)，機(jī)器人第一關(guān)節(jié)在10 s內(nèi)從初始25°運(yùn)動(dòng)到終止角75°，其關(guān)節(jié)的角位置、角速度和角加速度曲線如圖2所示。

圖2 機(jī)器人關(guān)節(jié)的角位置、角速度和角加速度曲線

4 機(jī)器人編程與仿真調(diào)試

4.1 機(jī)器人系統(tǒng)工作流程

切削加工自動(dòng)生產(chǎn)線流程：機(jī)器人將立體倉庫中的工件正確取出并放置到數(shù)控車床卡盤位置，數(shù)控車床加工結(jié)束后，機(jī)器人從數(shù)控車床正確取出工件，放置到加工中心的氣動(dòng)鉗夾口位置，加工完成后，機(jī)器人從加工中心取出工件放置到立體庫指定位置。機(jī)器人只有在數(shù)控機(jī)床防護(hù)門打開到位、卡盤松開到尾、主軸停止和機(jī)床準(zhǔn)備就緒的狀態(tài)下進(jìn)行工件的取放。圖3為機(jī)器人工作站仿真過程流程圖。

圖3 工作站仿真流程圖

4.2 機(jī)器人程序編制

根據(jù)機(jī)器人的上下料流程和軌跡規(guī)劃，配置完成I/O信號，啟動(dòng)虛擬示教器進(jìn)行目標(biāo)點(diǎn)示教，使用RobotStudio離線編寫了RAPID程序[10]。機(jī)器人上下料加工中心仿真運(yùn)行圖如圖4所示。

規(guī)劃切削加工路徑后進(jìn)行離線編程，控制機(jī)器人上下料RAPID程序編寫完成后，同步到工作站，通過虛擬示教器可進(jìn)行模擬仿真調(diào)試，RobotStudio中虛擬示教器與ABB機(jī)器人實(shí)際示教器操作一致。機(jī)器人上下料加工中心主要指令包括：觸發(fā)加工中心安全門打開→判斷安全門打開到位→機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)→加工中心卡爪打開→機(jī)器人夾爪打開→機(jī)器人移到安全點(diǎn)→安全門關(guān)閉等。圖5所示虛擬示教器顯示機(jī)器人上下料加工中心部分程序。

圖4 機(jī)器人上下料加工中心 圖5 機(jī)器人上下料加工中心部分程序

5 結(jié)論

(1)結(jié)合SolidWorks建模，在RobotStudio仿真軟件上搭建的工業(yè)機(jī)器人上下料工作站，對切削加工各單元進(jìn)行整理布局規(guī)劃。

(2)通過Smart組件設(shè)計(jì)和離線編程仿真運(yùn)行了機(jī)器人上下料工作過程，仿真結(jié)果表明機(jī)器人與數(shù)控車床和加工中心等設(shè)備實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)通信連接和協(xié)同工作。

(3)設(shè)計(jì)的機(jī)器人上下料工作臺為實(shí)際切削加工生產(chǎn)線設(shè)計(jì)與調(diào)試提供了參考，可提高生產(chǎn)線設(shè)計(jì)效率，降低研發(fā)和調(diào)試成本。