夏自祥，崔祥府，張 利

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州 221116；2.濟(jì)寧學(xué)院 機(jī)械工程系，山東曲阜 273155）

0 引言

世界各國(guó)先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展速度越來(lái)越快，其中工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在工業(yè)發(fā)展進(jìn)程中發(fā)揮了舉足輕重的作用[1]。我國(guó)智能工廠(chǎng)和現(xiàn)代化包裝物流技術(shù)的快速發(fā)展，使得機(jī)器人應(yīng)用越來(lái)越多，同時(shí)也對(duì)機(jī)器人生產(chǎn)線(xiàn)的控制系統(tǒng)和設(shè)計(jì)指標(biāo)提出了更高的要求。而發(fā)展現(xiàn)代化包裝物流成為我國(guó)裝備制造業(yè)調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一[2]。機(jī)器人的應(yīng)用日趨廣泛，但是對(duì)機(jī)器人生產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)計(jì)、制造、過(guò)程監(jiān)控等方面缺乏快速響應(yīng)。虛擬仿真技術(shù)是借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在虛擬環(huán)境中對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)各元素、生產(chǎn)過(guò)程、節(jié)拍等進(jìn)行仿真模擬，用更加經(jīng)濟(jì)、有效的方式對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行合理配置，降低設(shè)備投資風(fēng)險(xiǎn)，具有調(diào)試周期短、效率高、安全性好等特點(diǎn)。此外，實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)和虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以同時(shí)進(jìn)行，仿真系統(tǒng)調(diào)試成功后，程序直接下載到生產(chǎn)系統(tǒng)中，為實(shí)際調(diào)試提供參考，能顯著縮短生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期。孫立新等[3]針對(duì)機(jī)器人軌跡規(guī)劃難的問(wèn)題，利用機(jī)器人的仿真軟件RobotStudio對(duì)機(jī)器人分揀生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。田亞娟[4]利用RobotStudio及Smart組件對(duì)智能碼垛機(jī)器人生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。陸葉[5]利用RobotStudio軟件對(duì)1臺(tái)機(jī)器人為4臺(tái)數(shù)控機(jī)床自動(dòng)上下料的軌跡規(guī)劃、離線(xiàn)編程進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。孫增光等[6]以焊接機(jī)器人為研究對(duì)象，利用RobotStudio軟件搭建機(jī)器人生產(chǎn)線(xiàn)，進(jìn)行焊接參數(shù)的設(shè)置，并利用示教器不斷優(yōu)化焊接參數(shù)，得到理想的焊縫。郝建豹等[7]利用RobotStudio軟件對(duì)多機(jī)器人柔性制造生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行仿真，并對(duì)機(jī)器人加速度進(jìn)行限定。王功亮等[8]利用RobotStudio軟件中Smart組件建立機(jī)器人與輸送鏈之間的I/O信號(hào)，對(duì)機(jī)器人輸送鏈跟蹤仿真。王曦鳴[9]利用RobotStudio軟件對(duì)巧克力裝盒生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與生產(chǎn)線(xiàn)協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)仿真和計(jì)算。以上研究都只進(jìn)行了機(jī)器人生產(chǎn)線(xiàn)的離線(xiàn)編程，沒(méi)有對(duì)機(jī)器人本體的運(yùn)行情況和總體能耗進(jìn)行分析。襯帽及紙板是專(zhuān)門(mén)用于紗錠在包裝過(guò)程中定位的組件。目前襯帽與紙板的貼合由人工操作完成，存在勞動(dòng)強(qiáng)度高、生產(chǎn)效率低、加工成品質(zhì)量一致性差等問(wèn)題。本文利用ABB機(jī)器人的虛擬仿真軟件RobotStudio對(duì)襯帽貼合生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，進(jìn)行生產(chǎn)節(jié)拍的預(yù)估、離線(xiàn)編程，并分別對(duì)不同速度下機(jī)器人總能耗及生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行對(duì)比分析，優(yōu)化運(yùn)動(dòng)軌跡、降低運(yùn)行成本、提高編程效率，對(duì)實(shí)際機(jī)器人調(diào)試具有重要的參考價(jià)值。

1 襯帽生產(chǎn)工藝分析

紙板尺寸為 1 215 mm×1 100 mm，重量為 1.2 kg，厚度為5 mm，單個(gè)襯帽重50 g。紙板及襯帽如圖1所示。

圖1 紙板及襯帽Fig.1 Hollow cardboard and cap

襯帽貼合生產(chǎn)線(xiàn)分為輸送鏈輸送部分、機(jī)器人抓取和搬運(yùn)部分及貼合裝置貼合部分。輸送鏈輸送部分是將紙板輸送到機(jī)器人抓取位置；機(jī)器人抓取和搬運(yùn)部分進(jìn)行紙板抓取、搬運(yùn)至貼合裝置（如圖2）；貼合裝置貼合部分進(jìn)行襯帽的放置及貼合。機(jī)器人將襯帽貼合完成的紙板（如圖3）搬運(yùn)到支架上，然后回到原點(diǎn)位置，進(jìn)行下一次工作循環(huán)。生產(chǎn)工藝流程見(jiàn)表1。

表1 襯帽生產(chǎn)工藝Tab.1 Production process table of cap

圖2 貼合裝置Fig.2 Fitting device

圖3 襯帽安裝完成圖Fig.3 Installation completion diagram of cap

2 襯帽貼合生產(chǎn)線(xiàn)仿真系統(tǒng)

RobotStudio軟件具有CAD模型導(dǎo)入、路徑自動(dòng)規(guī)劃、離線(xiàn)編程、仿真調(diào)試、程序上下載和二次開(kāi)發(fā)等功能。其中仿真控制模塊與實(shí)際的機(jī)器人運(yùn)行情況一致，能夠?qū)?shí)際襯帽貼合生產(chǎn)線(xiàn)運(yùn)行過(guò)程中的I/O信號(hào)進(jìn)行仿真。實(shí)際生產(chǎn)中，襯帽貼合生產(chǎn)線(xiàn)主要由工業(yè)機(jī)器人、控制器、輸送鏈和其他周邊設(shè)備組成。構(gòu)建襯帽貼合生產(chǎn)線(xiàn)整體布局如圖4所示。仿真系統(tǒng)選用ABB公司的IRB2600型機(jī)器人，回轉(zhuǎn)半徑為1.85 m；有效負(fù)荷為 12 kg。

圖4 襯帽貼合生產(chǎn)線(xiàn)Fig.4 Cap fitting production line

3 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 仿真系統(tǒng)工作流程

整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人、輸送鏈、末端執(zhí)行器之間的相互通訊，并有碰撞監(jiān)測(cè)功能，確保機(jī)器人與其他設(shè)備之間不會(huì)發(fā)生碰撞。工作流程如圖5所示。

圖5 襯帽貼合生產(chǎn)線(xiàn)工作流程圖Fig.5 Work flow chart of cap fitting production line

3.2 生產(chǎn)線(xiàn)末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)

根據(jù)搬運(yùn)對(duì)象紙板的形狀特點(diǎn)，設(shè)計(jì)定位錐結(jié)構(gòu)。抓取紙板后翻轉(zhuǎn)180°，定位錐伸出到紙板孔中進(jìn)行精確定位，然后真空吸盤(pán)進(jìn)行抓取。結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 末端執(zhí)行器Fig.6 End effector

3.3 生產(chǎn)線(xiàn)輸送鏈動(dòng)態(tài)Smart組件的設(shè)計(jì)

在RobotStudio創(chuàng)建襯帽貼合生產(chǎn)線(xiàn)的過(guò)程中，傳感器檢測(cè)機(jī)構(gòu)、輸送鏈、末端執(zhí)行器的動(dòng)態(tài)效果在整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用[10]。動(dòng)畫(huà)效果的實(shí)現(xiàn)途徑有事件管理器和Smart組件。事件管理器簡(jiǎn)單易操作，適合制作動(dòng)作簡(jiǎn)單的動(dòng)畫(huà)；Smart組件需要系統(tǒng)地學(xué)習(xí)，適合制作需要邏輯控制、動(dòng)作復(fù)雜的動(dòng)畫(huà)[11-12]。輸送鏈輸送過(guò)程比較復(fù)雜，涉及邏輯控制，因此采用Smart組件實(shí)現(xiàn)其動(dòng)畫(huà)效果。創(chuàng)建的信號(hào)和組件及功能見(jiàn)表2。

表2 輸送鏈組件及功能Tab.2 Conveyor chain components and functions

其工作邏輯過(guò)程：仿真開(kāi)始后，通過(guò)Source創(chuàng)建一個(gè)紙板，并通過(guò)LinearMover移動(dòng)紙板到輸送鏈上，通過(guò)Queue中的Enqueue添加后面的紙板到輸送鏈上；當(dāng)紙板到達(dá)輸送鏈的末端時(shí)，面?zhèn)鞲衅鱌laneSensor完成紙板的檢測(cè)任務(wù)；傳感器檢測(cè)到物體后發(fā)出信號(hào)給Queue中的Dequeue，刪除隊(duì)列中前面的對(duì)象，并將信號(hào)傳送給輸出信號(hào)doinPos，通知機(jī)器人進(jìn)行紙板抓??；同時(shí)信號(hào)經(jīng)過(guò)取反后發(fā)給Source的Execute去創(chuàng)建一個(gè)新的拷貝對(duì)象，又開(kāi)始新的循環(huán)工作過(guò)程。I/O信號(hào)連接關(guān)系如表3。

表3 輸送鏈 I/O 信號(hào)的連接關(guān)系Tab.3 Connection relationship of I/O signal in conveyor chain

3.4 末端執(zhí)行器動(dòng)態(tài)Smart組件的設(shè)計(jì)

末端執(zhí)行器創(chuàng)建的組件及其功能見(jiàn)表4。

表4 末端執(zhí)行器各組件及功能Tab.4 Components and functions of end effector

末端執(zhí)行器各組件邏輯關(guān)系如圖7所示。

圖7 末端執(zhí)行器邏輯關(guān)系圖Fig.7 Logic relationship diagram of end effector

創(chuàng)建組件之間的屬性連結(jié)，即各個(gè)組件相互之間的信號(hào)傳遞關(guān)系，見(jiàn)表5。

表5 末端執(zhí)行器屬性連結(jié)關(guān)系Tab.5 Linkage relationship of end effector attributes

創(chuàng)建末端執(zhí)行器Smart組件的I/O信號(hào)，創(chuàng)建數(shù)字輸入信號(hào)diGripper和數(shù)字輸出信號(hào)doVacuumOK，用于與各Smart子組件進(jìn)行信號(hào)交互。各組件I/O連接關(guān)系見(jiàn)表6。

表6 末端執(zhí)行器 I/O 信號(hào)的連接關(guān)系Tab.6 Connection relationship of I/O signals of end effector

4 系統(tǒng)編程及仿真優(yōu)化分析

4.1 系統(tǒng)仿真程序

在利用SolidWorks三維繪圖軟件建立除機(jī)器人本體外的所有模型后，在RobotStudio軟件里依次導(dǎo)入各個(gè)模型，根據(jù)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行布局。各模型擺放位置和實(shí)際位置相同。根據(jù)搬運(yùn)流程規(guī)劃好運(yùn)行軌跡，合理設(shè)置運(yùn)行條件，示教各目標(biāo)點(diǎn)，利用Rapid功能進(jìn)行離線(xiàn)編程。試運(yùn)行程序，并根據(jù)軟件自帶的信號(hào)監(jiān)測(cè)功能，分析不同運(yùn)行速度下機(jī)器人能耗。通過(guò)對(duì)比不同速度下的機(jī)器人能耗及程序運(yùn)行時(shí)間，選擇最優(yōu)的參數(shù)設(shè)置。為實(shí)際機(jī)器人編程提供參考。機(jī)器人主程序如下：

4.2 TCP速度和機(jī)器人能耗分析

TCP速度決定整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)的生產(chǎn)節(jié)拍。目前機(jī)器人的軌跡規(guī)劃大多是基于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，但因?qū)嶋H機(jī)器人結(jié)構(gòu)等因素，此方式應(yīng)用難度較大[13-14]。利用軟件Robotstudio的Rapid編程和信號(hào)分析功能可以方便地修改TCP運(yùn)行速度，以此觀察機(jī)器人的TCP速度變化對(duì)整個(gè)生產(chǎn)節(jié)拍、電機(jī)功率及機(jī)器人總能耗的影響，并選擇最優(yōu)的TCP速度。分別設(shè)定TCP速度為500，1 000，1 500 mm/s。得到的 TCP 速度曲線(xiàn)如圖8所示，機(jī)器人能耗曲線(xiàn)如圖9所示。

圖8 不同TCP速度曲線(xiàn)Fig.8 Different TCP speed curves

圖9 機(jī)器人能耗曲線(xiàn)Fig.9 Robot energy consumption curve

通過(guò)圖8可以看出：TCP速度越小，生產(chǎn)節(jié)拍耗時(shí)越長(zhǎng)，TCP 速度為500 mm/s時(shí) 為 22 s，1 000 mm/s 時(shí) 為 15.9s，1 500 mm/s 時(shí)為14.3 s；TCP 速度為 500 mm /s 時(shí)軌跡曲線(xiàn)平滑，耗時(shí)偏長(zhǎng)，速度為 1 000 mm/s和 1 500mm/s用時(shí)差距很小，1 000mm/s時(shí)機(jī)器人運(yùn)行速度更加平穩(wěn)，機(jī)器人搬運(yùn)動(dòng)作更加緩和。

機(jī)器人的能耗影響著其運(yùn)行效率、振動(dòng)頻率和使用壽命，因此優(yōu)化能耗可以提升機(jī)器人的作業(yè)性能[15-16]。通過(guò)圖9可以看出：機(jī)器人的能量消耗隨著TCP速度的增加而提高，當(dāng)TCP速度為1 500 mm/s 時(shí)，機(jī)器人能耗為 5 554 J，降 至1 000 mm/s后能耗為 4 693 J，能耗減少 861 J，作業(yè)時(shí)間僅增加1.6 s。由此可見(jiàn)，降低機(jī)器人速度后，機(jī)器人能耗下降明顯，但作業(yè)時(shí)間無(wú)顯著增加。通過(guò)以上分析，合理設(shè)定機(jī)器人的運(yùn)行速度可以有效降低作業(yè)能耗，并使機(jī)器人運(yùn)行平穩(wěn)，提高其使用壽命。

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合SolidWorks與RobotStudio建立襯帽貼合生產(chǎn)線(xiàn)仿真模型，創(chuàng)建輸送鏈和末端執(zhí)行器的動(dòng)態(tài)Smart組件，模擬PLC與輸送鏈、機(jī)器人等設(shè)備的I/O信號(hào)并進(jìn)行通信設(shè)置。利用Rapid功能完成機(jī)器人的離線(xiàn)編程和仿真調(diào)試，并根據(jù)RobotStudio軟件自帶的信號(hào)分析功能，分析不同運(yùn)行速度下機(jī)器人能耗。通過(guò)對(duì)比不同速度下的機(jī)器人能耗及程序運(yùn)行時(shí)間，選擇最優(yōu)的參數(shù)設(shè)置，為實(shí)際機(jī)器人編程提供數(shù)據(jù)參考。設(shè)計(jì)方案可以為實(shí)際搬運(yùn)生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，可以促進(jìn)和推廣機(jī)器人搬運(yùn)生產(chǎn)線(xiàn)在現(xiàn)代工業(yè)制造領(lǐng)域的應(yīng)用。