韓 華

（開封大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，河南 開封 475004）

0 引言

RobotStudio是ABB公司專門開發(fā)的一款工業(yè)機器人仿真軟件.在規(guī)劃與定義階段，即在實際構(gòu)建機器人系統(tǒng)之前，RobotStudio可實現(xiàn)機器人系統(tǒng)的設(shè)計和試運行［1］.人們還可以利用該軟件，來確認機器人是否能到達所有編程位置，并計算解決方案的工作周期.通過必要的仿真進行論證，可優(yōu)化機器人工作站系統(tǒng)集成項目的設(shè)計［2］.

本文利用RobotStudio這一仿真軟件來創(chuàng)建動畫效果，與機器人的動作配合，實現(xiàn)動態(tài)傳輸鏈及工業(yè)機器人碼垛工作站的仿真設(shè)計［3］.即模擬企業(yè)生產(chǎn)中的這樣一個工作過程：由生產(chǎn)線上的傳送帶傳輸物料，物料到達指定位置后，傳送帶停止運行，機器人檢測到物料到達的信息后，進行物料的搬運和碼垛，完成工作.

1 動態(tài)傳送鏈的建立

動態(tài)傳送鏈的動畫仿真設(shè)計是利用RobotStudio中的Smart組件來實現(xiàn)的，利用Smart組件可以創(chuàng)建大量實用的動畫效果，如輸送鏈的運行，物料的拾取、放置，機械裝置的動作等.我們要展示的工作過程是：輸送鏈前端自動生成物料，生成的物料朝著傳送鏈傳輸?shù)姆较蜻\行，物料到達傳送鏈的末端后自動停止，并且發(fā)出產(chǎn)品到位信號.機器人拾取物料以后，傳送鏈前端自動生成下一個物料，開始下一次循環(huán)［4］.

1.1 設(shè)定傳送鏈的產(chǎn)品源信息

建立Smart組件，并創(chuàng)建子組件Source用于設(shè)定產(chǎn)品源.把需要碼垛的產(chǎn)品設(shè)置成產(chǎn)品源，每觸發(fā)Source執(zhí)行一次，就會生成一個碼垛產(chǎn)品的復(fù)制品.

1.2 設(shè)定輸送鏈的動態(tài)屬性

建立子組件Queue，使新生成的物料加入隊伍.建立子組件LinearMover，設(shè)定運動屬性，如運動物體、運動方向、運動速度、參考坐標系等.選擇Queue為運動物體，運動方向為傳送帶運行方向.

1.3 設(shè)定輸送鏈限位傳感器

在傳輸鏈末端，需要設(shè)置用于檢測物料是否到位的限位傳感器.可以設(shè)置在輸送鏈末端的擋板位置，將傳感器設(shè)定為面型傳感器（見圖1）。當(dāng)面?zhèn)鞲衅鳈z測到前方到位的產(chǎn)品時，會自動輸出一個信號，用于邏輯控制。此虛擬傳感器不能與周邊設(shè)備接觸，并且一次只能檢測一個物體?？梢詫⑴c此面?zhèn)鞲衅鹘佑|的周邊設(shè)備的屬性設(shè)置為“不可由傳感器檢測”。

圖1 設(shè)置面?zhèn)鞲衅?/p>

1.4 創(chuàng)建屬性與連結(jié)

建立屬性與連結(jié)是為了實現(xiàn)Smart各個子組件的某項屬性之間的連接.例如，在物料的到位信號與機器人拾取信號之間建立屬性鏈接，當(dāng)有到位信號輸出時，機器人拾取信號會立即被觸發(fā)，機器人開始拾取工作.

這里，在子組件Source的Copy屬性與子組件Queue的Back屬性之間建立連結(jié)，這樣，產(chǎn)品源每產(chǎn)生一個復(fù)制品，就會自動加入隊列Queue中，跟隨隊伍一起執(zhí)行線性運動.若執(zhí)行“退出隊列”操作，復(fù)制品就會退出隊列.退出隊列之后，該復(fù)制品就停止線性運動了.

1.5 創(chuàng)建信號與連接

建立IO信號即創(chuàng)建數(shù)字信號.要實現(xiàn)IO信號與各個Smart組件信息的交互.建立IO信號后，再設(shè)定IO信號與Smart子組件信號的連接關(guān)系、與各Smart子組件信號的連接關(guān)系.

添加一個數(shù)字信號diStart，用于啟動Smart輸送鏈；添加輸出信號doBox，用作產(chǎn)品到位輸出信號.建立連接時，用diStart去觸發(fā)Source執(zhí)行動作.當(dāng)輸送鏈啟動時，產(chǎn)品源會自動生成一個碼垛產(chǎn)品的復(fù)制品，并讓復(fù)制品加入隊列.當(dāng)復(fù)制品運動到傳送鏈的末端，與面?zhèn)鞲衅鱌laneSensor接觸時，面?zhèn)鞲衅鬏敵霎a(chǎn)品到位信號，同時把物料的復(fù)制品從隊列中移除，使物料停留在輸送鏈的末端.將doBox設(shè)置為1，表示產(chǎn)品已經(jīng)到位.面?zhèn)鞲衅鱌laneSensor只有一個輸出信號.通過添加非門，增加輸出的另一種狀態(tài)，去觸發(fā)Source的執(zhí)行，即當(dāng)傳感器的輸出信號由1變?yōu)?時，觸發(fā)源Source會產(chǎn)生一個復(fù)制品.各個IO連接中源對象、源信號、目標對象、目標信號的設(shè)定如圖2所示.

圖2 各個IO連接中源對象、源信號、目標對象、目標信號的設(shè)定

2 動態(tài)夾具的建立

使用一個海綿式真空吸盤來進行產(chǎn)品的拾取和釋放.圍繞該吸盤，打造一個具有Smart組件特性的夾具.夾具的動態(tài)效果包含：在輸送鏈末端拾取產(chǎn)品，在放置位置釋放產(chǎn)品，自動置位復(fù)位真空反饋信號.

2.1 設(shè)定夾具的屬性

選取機器人末端六軸法蘭盤的位置安裝夾具吸盤，建立夾具的Smart子組件tGripper，設(shè)定屬性為Role，讓Smart組件獲得Role的屬性.可以將SC－Gripper當(dāng)做機器人的工具來處理.

2.2 設(shè)定夾具的檢測傳感器

機器人每次拾取安裝的子對象和拆除安裝的子對象，都不是唯一的.我們可以借助一個針對物料的檢測傳感器來解決這個問題.選擇在夾具的下底面安裝線形傳感器LineSensor（見圖3），用此傳感器去檢測物料，判斷物料是否被吸取.每當(dāng)傳感器檢測到物料時，都是既作為夾具安裝的子對象，也作為拆除的子對象來看待.

圖3 在夾具底板上創(chuàng)建線傳感器

在建立傳感器時，需要指定線傳感器的起點和終點.為了便于觀察，可以對線傳感器進行加粗處理，如將其設(shè)置成半徑為3mm的圓柱形傳感器.

在使用虛擬傳感器時，為了確保檢測的準確性，需要調(diào)整線傳感器的長短.要保證傳感器在和物料接觸時，一部分在物料的內(nèi)部，一部分在物料外部，這樣才能夠準確地檢測到該物料.為了避免在吸盤拾取產(chǎn)品時，該線傳感器完全侵入產(chǎn)品內(nèi)部，需要將起點Start的Z值加大.要保證在吸盤拾取時，該線性傳感器一部分在產(chǎn)品內(nèi)部，一部分在產(chǎn)品外部.

2.3 設(shè)置夾具拾取和放置動作

設(shè)置拾取對象，添加子組件Attacher，設(shè)定安裝的父對象為Smart工具的SC－Gripper，設(shè)置釋放動作，添加子組件Detacher.

設(shè)置拆除對象，添加子組件Detacher，由于子對象不是特定的一個物體，故暫不設(shè)置.注意，KeepPosition需要勾選，它表明，釋放后，子對象保持當(dāng)前的空間位置.

拾取動作Attacher和釋放動作Detacher中，關(guān)于對象Child，暫時都未作設(shè)定，這是因為在本任務(wù)中，每次處理的工件都不是同一個產(chǎn)品，而是由產(chǎn)品源生成的各個碼垛產(chǎn)品的復(fù)制品.我們無法在此處直接指定子對象，而會在屬性連結(jié)里面設(shè)置此項屬性.

2.4 創(chuàng)建夾具的屬性與連結(jié)

這里需要添加兩個屬性鏈接.LineSensor的屬性SensedPart指的是線傳感器檢測到的與其發(fā)生接觸的物體.此處建立連結(jié)是指將線傳感器所檢測到的物體作為拾取的子對象.將Attacher和Detacher的子對象設(shè)置為一致，也就是說，將拾取的子對象作為釋放的子對象.創(chuàng)建夾具的屬性與連結(jié)如圖4所示.

圖4 創(chuàng)建夾具的屬性與連結(jié)

2.5 創(chuàng)建夾具的信號與連接

創(chuàng)建一個數(shù)字輸入信號diGripper，用于控制夾具拾取、釋放動作，置1為打開真空拾取，置0為關(guān)閉真空釋放.創(chuàng)建一個數(shù)字輸出信號doOK，用于真空反饋信號，置1為真空已建立，置0為真空已消失.如圖5所示.

圖5 創(chuàng)建夾具的信號與連接

依次添加輸入信號，過程如下：機器人夾具運動到拾取位置，打開真空以后，線傳感器開始檢測，如果檢測到產(chǎn)品A與其發(fā)生接觸，則執(zhí)行拾取動作，夾具將產(chǎn)品A拾取，并將真空反饋信號置為1.接著，機器人夾具運動到放置位置，關(guān)閉真空以后，執(zhí)行釋放動作，產(chǎn)品A被夾具放下，同時將真空反饋信號置為0.機器人夾具再次運動到拾取位置，去拾取下一個產(chǎn)品，進入下一個循環(huán).

2.6 夾具Smart子組件的模擬運行

當(dāng)模擬產(chǎn)品Product＿Teach到達傳送帶的面?zhèn)鞲衅魑恢脮r，在將diGripper置為1的情況下，夾具將產(chǎn)品拾取（見圖6），同時真空反饋信號doOK自動置為1.

圖6 夾具將產(chǎn)品拾取

當(dāng)機械臂移動到垛板放置位置時，在將diGripper置為0的情況下，夾具將搬運對象釋放（見圖7），同時真空反饋信號自動置為0.

圖7 夾具釋放產(chǎn)品

3 工作站邏輯的設(shè)定

3.1 建立機器人的I/O信號

設(shè)定Smart組件與機器人端的信號通聯(lián)，從而完成整個工作站的仿真動畫設(shè)計.工作站邏輯的設(shè)定為：將Smart組件的輸入/輸出信號與機器人端的輸入/輸出信號關(guān)聯(lián).將Smart組件的輸出信號作為機器人端的輸入信號，機器人端的輸出信號作為Smart組件的輸入信號.這里，將Smart組件當(dāng)作一個與機器人進行I/O通信的PLC來看待.

建立三個I/O信號：diBoxInPos數(shù)字輸入信號，用做產(chǎn)品到位信號；diVacuumOK數(shù)字輸入信號，用做真空反饋信號；doGripperdiBoxInPos數(shù)字輸出信號，用做控制真空吸盤動作的信號.如圖8所示.

圖8 建立三個I/O信號

3.2 在“仿真”功能選項卡中設(shè)定工作站邏輯

在“仿真”功能選項卡中設(shè)定“工作站邏輯”，利用機器人的輸出信號去控制夾具系統(tǒng)拾取物料，用機器人輸出鏈的啟動輸出信號去控制輸出鏈系統(tǒng)的啟動，利用工具系統(tǒng)的拾取檢測信號去控制機器人的真空檢測輸入信號，用輸送鏈系統(tǒng)的產(chǎn)品到位輸出信號去控制機器人系統(tǒng)的產(chǎn)品到位輸入信號.

3.3 編寫機器人程序

用Rapid語言編寫機器人運動程序，以實現(xiàn)機器人拾取和碼垛動作的展開.機器人在輸送鏈末端等待，產(chǎn)品到位后，將其拾取，放置在右側(cè)托盤上面.跺型為常見的“3＋2”，即豎著放2個產(chǎn)品，橫著放3個產(chǎn)品，第二層，位置交錯.以機器人只進行右側(cè)碼垛為例，編寫程序.碼垛10個即滿載，機器人回到等待位繼續(xù)等待，仿真結(jié)束.

具體程序編寫如下：

3.4 設(shè)定工作站邏輯

設(shè)定工作站邏輯，利用機器人系統(tǒng)System24的輸出信號doGripper去控制工具系統(tǒng)的拾取信號diGripper，用輸送鏈的產(chǎn)品到位信號去關(guān)聯(lián)機器人系統(tǒng)的產(chǎn)品到位信號，利用工具系統(tǒng)的拾取檢測信號去控制機器人的真空檢測輸入信號.如圖9所示.

圖9 設(shè)定工作站的信號與連接

4 動態(tài)傳輸鏈及工業(yè)機器人碼垛工作站仿真運行

選擇“仿真”功能選項卡中的I/O仿真器，“選擇系統(tǒng)”為SC＿InFeeder，點擊開始后，輸送鏈前端生成產(chǎn)品源的復(fù)制品，并且該復(fù)制品隨著輸送鏈運動.如圖10所示.

圖10 傳輸鏈動態(tài)仿真

復(fù)制品到達輸送鏈末端后，機器人接收到產(chǎn)品到位信號，將其拾取并放置到垛板指定位置.依此循環(huán)，碼垛10個產(chǎn)品后，機器人回到等待位置.如圖11所示.

圖11 工業(yè)機器人碼垛仿真

仿真運行可以驗證碼垛工作站的程序是否正確.在此，可勾選Source組件的Transient屬性，這樣，當(dāng)結(jié)束仿真時，復(fù)制的物料模型會自動消失，不用再進行手動刪除的操作.

5 結(jié)語

貨物的傳輸和碼垛是工業(yè)生產(chǎn)中的典型任務(wù).輸送鏈的傳輸和搬運碼垛機器人的應(yīng)用，將勞動者從繁重的體力勞動中解放出來，既提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，也保證了產(chǎn)品的質(zhì)量.

RobotStudio軟件中的Smart組件能模擬出機器人搬運物料的場景，能打造出動畫效果，是工業(yè)機器人工作站仿真設(shè)計的實用工具［5］.仿真技術(shù)為機器人工作站系統(tǒng)集成項目前期方案的可行性論證提供了有效的途徑，通過前期的仿真，生產(chǎn)線項目的設(shè)計和調(diào)試時間可大大縮短，這樣可為企業(yè)節(jié)約成本，增加企業(yè)的經(jīng)濟效益［6］.