許文燕

(廣州南洋理工職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510925)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)的制造技術(shù)已經(jīng)不能滿(mǎn)足現(xiàn)今人們生活的需要,機(jī)器人智能制造技術(shù)逐漸被研發(fā)出來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)家許多制造企業(yè)都在運(yùn)用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)。我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)也在不斷完善,這種技術(shù)顛覆了傳統(tǒng)的制造模式,將“中國(guó)制造”向“中國(guó)智造”方向轉(zhuǎn)變，如今我國(guó)許多制造企業(yè)都在使用機(jī)器人智能制造技術(shù)。

在工業(yè)生產(chǎn)中，裝配是一件工程量極大的工作，需要大量的勞動(dòng)力，由于人力裝配出錯(cuò)率高、效率低而逐漸被工業(yè)機(jī)器人代替。裝配機(jī)器人的研發(fā)結(jié)合了多種技術(shù)，包括通訊技術(shù)、自動(dòng)控制、光學(xué)原理、微電子技術(shù)等，研發(fā)人員根據(jù)裝配流程編寫(xiě)合適的程序應(yīng)用于具體的裝配工作。裝配機(jī)器人的最大特點(diǎn)是安裝精度高、靈活性大、耐用程度高。由于飲料灌裝生產(chǎn)線(xiàn)中瓶蓋與瓶子的裝配工作復(fù)雜精細(xì)，因此生產(chǎn)中較多選用裝配機(jī)器人來(lái)進(jìn)行裝配。本文運(yùn)用ABB機(jī)器人虛擬仿真軟件RobotStudio進(jìn)行裝配工作的搭建及布局，通過(guò)Smart組件實(shí)現(xiàn)雙臂機(jī)器人飲料瓶與瓶蓋的裝配動(dòng)作及邏輯，并結(jié)合編程調(diào)試實(shí)現(xiàn)機(jī)器人裝配動(dòng)作。

1 雙臂機(jī)器人裝配工作站搭建及合理布局

利用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)好裝配平臺(tái)、零件放置平臺(tái)、成品放置平臺(tái)、裝配夾具等工作站三維模型，并導(dǎo)入到RobotStudio軟件中按照工作站任務(wù)進(jìn)行布局。布局時(shí)，機(jī)器人與周邊部件的位置要合理，以周邊部件在機(jī)器人工作范圍的中間位置為佳，并確認(rèn)機(jī)器人可以順利到達(dá)取、放的最遠(yuǎn)端。完成布局的雙臂機(jī)器人裝配工作站仿真系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 雙臂機(jī)器人裝配工作站仿真系統(tǒng)

雙臂機(jī)器人裝配工作站仿真系統(tǒng)由雙臂裝配工業(yè)機(jī)器人、瓶蓋放置臺(tái)、瓶子放置臺(tái)、成品放置臺(tái)和其他周邊設(shè)備組成。生產(chǎn)線(xiàn)以雙臂機(jī)器人為控制核心，雙臂機(jī)器人末端分別安裝夾具，用于瓶蓋和瓶子的拾取、放置、裝配，通過(guò)對(duì)機(jī)器人示教編程及工作站Smart組件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)雙臂機(jī)器人裝配瓶蓋和瓶子的功能。本次仿真選用的裝配機(jī)器人為ABB協(xié)作機(jī)器人IRB14000，其工作時(shí)無(wú)需安全柵欄等安全設(shè)施，能與人肩并肩工作，能夠快速完成精細(xì)復(fù)雜的動(dòng)作。

2 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)工作流程

仿真工作站生產(chǎn)流程如下：首先雙臂機(jī)器人右臂抓取瓶子放置于裝配臺(tái)上，左臂抓取瓶蓋放置于瓶子瓶口處，然后雙臂配合完成瓶蓋的裝配，最后由右臂將裝配好的瓶子放置到成品區(qū)。

2.2 工作站動(dòng)態(tài)Smart組件的設(shè)計(jì)

在RobotStudio中創(chuàng)建機(jī)器人裝配仿真工作站的過(guò)程中，傳感器檢測(cè)機(jī)構(gòu)、機(jī)器人手爪等裝置的動(dòng)態(tài)效果發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，通過(guò)Smart組件的設(shè)置實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)效果。在機(jī)器人裝配仿真工作站中，需要?jiǎng)?chuàng)建STool_L組件實(shí)現(xiàn)左臂夾具夾取的動(dòng)態(tài)效果；創(chuàng)建STool_R組件實(shí)現(xiàn)右臂夾具夾取的動(dòng)態(tài)效果；創(chuàng)建STool組件實(shí)現(xiàn)右臂和左臂夾、取的關(guān)聯(lián)，以完成工件被工具抓取、裝配動(dòng)作。以裝配STool Smart組件設(shè)計(jì)為例，首先添加子組件，包括動(dòng)作子組件安裝一個(gè)對(duì)象Attacher實(shí)現(xiàn)瓶子與瓶蓋的裝配動(dòng)作、Attacher_L實(shí)現(xiàn)左臂抓取瓶蓋動(dòng)作、Attacher_R實(shí)現(xiàn)右臂抓取瓶子動(dòng)作、Detacher_L實(shí)現(xiàn)左臂抓取瓶蓋后的釋放、Detacher_R實(shí)現(xiàn)右臂抓取瓶子后的釋放、線(xiàn)傳感器子組件LineSensor_L檢測(cè)左臂抓取到瓶蓋的信號(hào)、LineSensor_R檢測(cè)右臂抓取到瓶子的信號(hào)及工作站邏輯信號(hào)子組件LogicGate_1[NOT]和LogicGate_2[NOT]實(shí)現(xiàn)LineSensor_L和LineSensor_R傳感器信號(hào)取反。機(jī)器人裝配Smart組件設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 機(jī)器人裝配Smart組件設(shè)計(jì)

2.3 裝配Smart組件I/O信號(hào)設(shè)置

本工作站創(chuàng)建一組數(shù)字型輸出信號(hào)di_L/di_R，分別用于雙臂機(jī)器人左臂和右臂抓取完成信號(hào)的發(fā)出，設(shè)定值均為0，這兩組信號(hào)用于和機(jī)器人左臂、右臂及機(jī)器人整體的連接。裝配Smart組件I/O信號(hào)設(shè)置如表1所示。

表1 裝配Smart組件I/O信號(hào)設(shè)置

2.4 裝配Smart組件I/O信號(hào)連接

I/O信號(hào)連接用于本工作站創(chuàng)建的信號(hào)與各Smart組件的信號(hào)交互，首先由STool組件激活右臂Smart組件di_R信號(hào)，觸發(fā)傳感器LineSensor_R，傳感器檢測(cè)到的物料即為右臂手爪Attacher_R抓取的物料，然后由LogicGate_1[NOT]進(jìn)行di_R信號(hào)取反，取反后輸出的信號(hào)用于抓取后的放置，并配合左臂進(jìn)行裝配Attacher。裝配動(dòng)態(tài)效果I/O信號(hào)的邏輯連接如圖3所示。

圖3 裝配動(dòng)態(tài)效果I/O信號(hào)邏輯連接

真實(shí)的工作站以PLC作為中央控制系統(tǒng)，將PLC與機(jī)器人等設(shè)備I/O板進(jìn)行連接，經(jīng)Profinet到Devi-cenet模塊的轉(zhuǎn)換，采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)接收工業(yè)機(jī)器人氣缸夾爪等發(fā)送來(lái)的信號(hào)。機(jī)器人裝配工作站中，設(shè)置Smart組件模擬PLC，模擬PLC與機(jī)器人通信，對(duì)工作站進(jìn)行離線(xiàn)編程。

3 工作站編程及邏輯設(shè)計(jì)

在對(duì)本工作站進(jìn)行編程之前，需要對(duì)機(jī)器人裝配的運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行規(guī)劃，即確定機(jī)器人各個(gè)動(dòng)作的示教目標(biāo)點(diǎn)和連接點(diǎn)與點(diǎn)之間用到的運(yùn)動(dòng)指令。

3.1 基準(zhǔn)目標(biāo)點(diǎn)示教

在工作站中提前設(shè)置好需要的示教點(diǎn)，以便在后續(xù)的編程中調(diào)用。在雙臂機(jī)器人裝配工作站中，首先要設(shè)置一個(gè)機(jī)器人安全等待位置點(diǎn)(phome)，其次將基準(zhǔn)點(diǎn)的示教分為三個(gè)部分：右臂瓶子的抓取位置高位點(diǎn)(pick_R_1h)、抓取位置點(diǎn)(pick_R)、放置位置高位點(diǎn)(place_R_1h)、放置位置點(diǎn)(place_R)；左臂瓶蓋的抓取位置高位點(diǎn)(pick_L_1h)、抓取位置點(diǎn)(pick_L)、放置位置高位點(diǎn)(place_L_1h)、放置位置點(diǎn)(place_L)；裝配好的瓶子的放置位置高位點(diǎn)(place_H)、放置點(diǎn)(place)。在示教右臂機(jī)器人示教點(diǎn)時(shí)，工具坐標(biāo)選用Tool_R,工件坐標(biāo)需要在右邊瓶子放置處設(shè)定Work_R，該位置其他瓶子放置位置姿態(tài)與該基準(zhǔn)可通過(guò)偏移指令得出，使用同樣的方法可得出左臂機(jī)器人工件、工具坐標(biāo)系。

3.2 機(jī)器人IO的設(shè)定

為了實(shí)現(xiàn)夾具的夾/放動(dòng)作控制，需要設(shè)定虛擬的數(shù)字輸出信號(hào)，這個(gè)信號(hào)只用于虛擬仿真，并沒(méi)有與實(shí)際的總線(xiàn)或IO板進(jìn)行關(guān)聯(lián)。機(jī)器人IO配置信號(hào)如圖4所示。

圖4 機(jī)器人IO配置信號(hào)

3.3 仿真程序設(shè)計(jì)

雙臂機(jī)器人裝配工作站中，由于裝配動(dòng)作較多，在編程時(shí)采用模塊化編程設(shè)計(jì)，包括左臂瓶蓋抓取子程序、左臂瓶蓋放置子程序、右臂瓶子抓取子程序、右臂瓶子放置子程序，在裝配主程序中只需要調(diào)用各子程序即可完成整個(gè)瓶子的裝配。通過(guò)模塊化編程的方式便于后續(xù)在真實(shí)環(huán)境中調(diào)試、修改程序，減少工作量，優(yōu)化程序設(shè)計(jì)。

3.4 工作站仿真邏輯設(shè)計(jì)

在雙臂機(jī)器人裝配工作站中創(chuàng)建了三個(gè)Smart組件以及一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)三個(gè)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性和雙臂機(jī)器人裝配仿真的自動(dòng)運(yùn)行，需要設(shè)定仿真時(shí)的邏輯。根據(jù)工作站運(yùn)行的效果，確定的裝配工作站仿真邏輯設(shè)計(jì)如圖5所示，用于激活Smart組件，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行模式。

圖5 裝配工作站仿真邏輯設(shè)計(jì)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了機(jī)器人裝配的設(shè)計(jì)方案，根據(jù)加工實(shí)例的要求，構(gòu)建了仿真工作站的布局，設(shè)計(jì)了機(jī)器人專(zhuān)用的取放料手，創(chuàng)建了動(dòng)態(tài)Smart組件，模擬PLC與生產(chǎn)線(xiàn)、機(jī)器人、機(jī)床等設(shè)備的I/O信號(hào)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了ABB機(jī)器人自動(dòng)裝配和搬運(yùn)的路徑規(guī)劃、離線(xiàn)編程和仿真調(diào)試。該機(jī)器人裝配設(shè)計(jì)方案綜合了機(jī)械、電氣、氣動(dòng)、傳感、通信、仿真等技術(shù)，大大縮短了裝配的設(shè)計(jì)制造、調(diào)試周期，節(jié)約了成本，可對(duì)深入研究和應(yīng)用機(jī)器人離線(xiàn)仿真技術(shù)提供一定參考。