祁曉玲

(山西鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030013)

0 引言

隨著《中國(guó)制造2025》的提出，現(xiàn)代工業(yè)制造逐步升級(jí)，自動(dòng)化生產(chǎn)已成為一種必然趨勢(shì)。中國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)蓬勃發(fā)展，大大降低了勞動(dòng)力成本，提高了工作效率[1]。研究解決工業(yè)機(jī)器人在實(shí)際生產(chǎn)制造中可能遇到的一些問(wèn)題，對(duì)自動(dòng)化的發(fā)展進(jìn)步有著重要意義。為滿足市場(chǎng)對(duì)專(zhuān)業(yè)人才的需求，職業(yè)教育應(yīng)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段，但工業(yè)機(jī)器人設(shè)備昂貴，實(shí)際操作有一定安全風(fēng)險(xiǎn)，因此在教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)在計(jì)算機(jī)環(huán)境中對(duì)實(shí)際生產(chǎn)線上各設(shè)備進(jìn)行仿真模擬，可以提高學(xué)生的興趣，降低設(shè)備成本和安全風(fēng)險(xiǎn)[2]。

工業(yè)機(jī)器人已被廣泛應(yīng)用在我國(guó)的制造業(yè)當(dāng)中，其中更是以搬運(yùn)機(jī)器人的使用最為廣泛[3]，例如在工業(yè)制造、倉(cāng)儲(chǔ)物流、煙草、醫(yī)藥、食品、化工、郵局、機(jī)場(chǎng)等，都可以見(jiàn)到搬運(yùn)機(jī)器人。在生產(chǎn)作業(yè)中通常要使用叉車(chē)、輸送機(jī)、碼垛機(jī)器人、打包機(jī)等一系列設(shè)備，這就對(duì)搬運(yùn)碼垛機(jī)器人的配合提出了很高的要求。在實(shí)際操作過(guò)程中，不但在時(shí)間間隔上有一定的分配，而且在完成碼垛的時(shí)間上也有較高的要求。

本文以自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中搬運(yùn)輸送帶運(yùn)送來(lái)的物料系統(tǒng)作為研究對(duì)象，研究機(jī)器人工作站布局、運(yùn)動(dòng)軌跡、仿真動(dòng)作等，基于RobotStudio離線編程軟件進(jìn)行虛擬仿真，研究實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)機(jī)器人從傳送帶上準(zhǔn)確抓取物料并將物料整齊地放置在旁邊工作臺(tái)上的整個(gè)過(guò)程。

1 RobotStudio軟件簡(jiǎn)介

RobotStudio仿真軟件是ABB公司研發(fā)的工業(yè)機(jī)器人離線編程軟件，作為世界工業(yè)機(jī)器人的領(lǐng)導(dǎo)者，該軟件代表了目前工業(yè)機(jī)器人離線編程的最高水平。RobotStudio離線編程的關(guān)鍵是虛擬機(jī)器人技術(shù)，同樣的代碼可運(yùn)行在PC和機(jī)器人控制器上[4]。因此當(dāng)代碼完全離線開(kāi)發(fā)時(shí)，它可以直接下載到控制器，從而模擬真實(shí)的工作環(huán)境，縮短了將產(chǎn)品推向市場(chǎng)的時(shí)間。

2 搬運(yùn)機(jī)器人仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)思路

2.1 基于RobotStudio的搬運(yùn)工業(yè)機(jī)器人仿真系統(tǒng)搭建

ABB IRB2600型機(jī)器人主要用于物料搬運(yùn)、弧焊、組裝、噴涂等場(chǎng)合，系統(tǒng)總體的工作流程是：由傳送帶按一定時(shí)間間隔隨機(jī)送來(lái)物料，當(dāng)物料碰撞到傳感器后，發(fā)送信號(hào)給等待中的機(jī)器人，機(jī)器人拍照識(shí)別物料棱角的方向，準(zhǔn)確地抓取物料，并將物料整齊有序地?cái)[放到旁邊的放置臺(tái)上，當(dāng)物料累加到一定的數(shù)量后，將物料運(yùn)走，重復(fù)完成這個(gè)動(dòng)作。

2.2 模型導(dǎo)入及布局

在創(chuàng)建仿真工作站之前，將搬運(yùn)工作站需要的三維模型全部導(dǎo)入，包括IRB2600機(jī)器人、輸送鏈、放置臺(tái)、工件、相機(jī)吸盤(pán)。導(dǎo)入模型后的工作站整體布局如圖1所示。

圖1 導(dǎo)入模型后的工作站整體布局

2.3 傳送帶工作站設(shè)計(jì)

傳送帶適用于物料的傳送運(yùn)輸，以減少物料周轉(zhuǎn)的時(shí)間，提高工作效率。通過(guò)在傳送帶上安裝傳感器，控制和監(jiān)測(cè)物料傳送帶的運(yùn)行和狀態(tài)等，如圖2所示。

圖2 傳送帶末端傳感器

2.4 利用Smart組件創(chuàng)建傳送帶動(dòng)態(tài)工具并配置I/O信號(hào)

在仿真軟件中搭建好包括傳送帶、物料、工作臺(tái)、相機(jī)吸盤(pán)等裝置的工作站后，要實(shí)現(xiàn)工作站的運(yùn)行動(dòng)態(tài)仿真效果，需要在建模選項(xiàng)卡中新增Smart組件，給幾何體賦予仿真的效果。搬運(yùn)工作站工作流程如圖3所示。

圖3 搬運(yùn)工作站工作流程

搬運(yùn)工作站中，傳送帶的動(dòng)態(tài)仿真效果對(duì)整個(gè)工作站的布局起到重要作用。Smart組件是在RobotStudio中實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)效果的高效工具，具有運(yùn)動(dòng)、傳感器、信號(hào)模擬、邏輯判斷、事件觸發(fā)等功能。傳送帶仿真的工作效果是：傳送帶起始端間隔一定時(shí)間自動(dòng)復(fù)制產(chǎn)生物料，物料自動(dòng)傳送到傳送帶末端，碰到面?zhèn)鞲衅骱笸Ｖ箓魉?，等待機(jī)器人抓取，當(dāng)機(jī)器人抓走后，繼續(xù)產(chǎn)生物料，如此重復(fù)這個(gè)過(guò)程。利用Smart組件創(chuàng)建動(dòng)態(tài)工具的具體步驟如下：

(1) 建立Smart組件[5-7]，修改名稱為傳送帶，便于后續(xù)查找，并關(guān)閉“可由傳感器檢測(cè)”，避免誤觸發(fā)傳感器。添加面?zhèn)鞲衅鱌laneSensor、時(shí)鐘Timer、直線運(yùn)動(dòng)LinerMover、復(fù)制對(duì)象Source、隊(duì)列對(duì)象Queue、邏輯非門(mén)LogicGate。

(2) 設(shè)置面?zhèn)鞲衅鱌laneSensor，作用是檢測(cè)模型到位，即物料碰到擋板停止運(yùn)動(dòng)。需要設(shè)置面的起點(diǎn)、面?zhèn)鞲衅鞯拈L(zhǎng)度和寬度。

(3) 設(shè)置時(shí)鐘Timer，要求每3 s發(fā)送一個(gè)脈沖信號(hào)，脈沖控制復(fù)制對(duì)象Source，即每3 s復(fù)制一個(gè)物料。

(4) 設(shè)置復(fù)制Source，傳送帶起始端復(fù)制物料部件。本工作站中Source相當(dāng)于一個(gè)產(chǎn)品源，每次觸發(fā)產(chǎn)生新的物料。復(fù)制完成后將物料送到隊(duì)列Queue中。

(5) 設(shè)置直線運(yùn)動(dòng)LinerMover，將物料整個(gè)隊(duì)列直線運(yùn)動(dòng)傳送至傳送帶末端。此外，需設(shè)置運(yùn)動(dòng)的方向和速度。

(6) 面?zhèn)鞲衅鱌laneSensor與邏輯非門(mén)LogicGate(NOT)相連，非門(mén)LogicGate(NOT)的輸出與時(shí)鐘Timer和直線運(yùn)動(dòng)LinerMover相連，而傳感器的輸出連接Queue，再與輸出I/O信號(hào)DW連接。即面?zhèn)鞲衅髋龅綎|西后，說(shuō)明物料到位，通知機(jī)器人去抓該物體。

(7) 為使復(fù)制出的物料位置隨機(jī)旋轉(zhuǎn)，添加組件隨機(jī)Random、向量轉(zhuǎn)換器VectorConverter，時(shí)鐘Timer激活隨機(jī)Random，隨機(jī)Random里出來(lái)的數(shù)連接到向量轉(zhuǎn)換器VectorConverter的z值里面。z與x、y合并的向量傳到復(fù)制Source的向量里，再將隨機(jī)完成的信號(hào)去觸發(fā)復(fù)制，這樣就完成了隨機(jī)放置物體的傳送帶的設(shè)計(jì)。

傳送帶Smart組件連接如圖4所示。

圖4 傳送帶Smart組件連接

2.5 制作夾具

本系統(tǒng)中的夾具也可叫做相機(jī)吸盤(pán),吸盤(pán)工具的動(dòng)畫(huà)效果對(duì)這個(gè)工作站起著重要作用。在真實(shí)的工業(yè)場(chǎng)景中多采用數(shù)個(gè)真空吸盤(pán)組件進(jìn)行抓取物料。本工作站中相機(jī)吸盤(pán)具有兩個(gè)功能：一是具有真空吸盤(pán)吸起工件和到達(dá)目標(biāo)位置放下工件的功能；二是機(jī)器(假)視覺(jué)功能。傳送帶輸送來(lái)的工件的偏移角度和偏移值需要用相機(jī)吸盤(pán)組件來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。

在相機(jī)吸盤(pán)中構(gòu)建信號(hào)，安裝傳感器。在相機(jī)吸盤(pán)的組件中，通過(guò)將輸入I/O信號(hào)、LineSensor、Attacher、Detacher、LogicGate(NOT)連接，創(chuàng)建吸盤(pán)吸附功能。添加PositionSensor，其功能是在仿真過(guò)程中對(duì)物料對(duì)象進(jìn)行位置的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)碰到傳送帶面?zhèn)鞲衅鞯奈矬w與待抓取點(diǎn)之間的位置與角度的關(guān)系。抓取物料時(shí)監(jiān)測(cè)物料的位置如圖5所示。

相機(jī)拍照時(shí)會(huì)發(fā)出閃光，需要將聚光安裝到相機(jī)吸盤(pán)上，相機(jī)可對(duì)輸送來(lái)的物體進(jìn)行拍照，具有假視覺(jué)功能。相機(jī)吸盤(pán)的聚光如圖6所示。

圖5 抓取物料時(shí)監(jiān)測(cè)物料的位置 圖6 相機(jī)吸盤(pán)的聚光

2.6 機(jī)器人離線編程

仿真軟件中的示教器編程界面與實(shí)際機(jī)器人的示教器界面相同，部分程序如下：

PROC main()

MoveAbsJ [[0,0,0,0,30,0],[9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09]],v1000,fine,tool0;//機(jī)器人回到機(jī)械原點(diǎn)

WHILE 2>1 DO//保證機(jī)器人不斷去抓取物料

FOR i FROM 0 TO 4 DO //需要搬運(yùn)5次為一組

MoveJ Target_10,v1000,fine,Tooldata_1WObj:=wobj0;//機(jī)器人在等待位置10點(diǎn)

WaitDI DW0,1;//傳送帶等待到位信號(hào)

PulseDoHighPLength:=0.4，ZX0;//傳送帶到位時(shí)，發(fā)出閃光，控制脈沖時(shí)長(zhǎng)為0.4 s

WaitTime 0.5;//等待傳送帶信號(hào)，到位之后有0.5 s的延時(shí)

MoveJ reltool(Target_10,-x*1000,y*1000,0Rz:=-zj/pi*180),v100,fine,Tooldata_1WObj:=wobj0; //機(jī)器人捕獲物體旋轉(zhuǎn)的方向，先旋轉(zhuǎn)到正確的位置

MoveL reltool(Target_10,-x*1000,y*1000,221.03Rz:=-zj/pi*180),v100,fine,Tooldata_1WObj:=wobj0;//準(zhǔn)確對(duì)正與目標(biāo)點(diǎn)的位置角度，下來(lái)準(zhǔn)確抓取物體

WaitTime 0.1;//等待0.1 s

SetDO ZZ0,1;//將物料抓起來(lái)

WaitTime 0.5;//等待0.5 s

MoveL reltool(Target_10,-x*1000,y*1000,-200Rz:=-zj/pi*180),v500,fine,Tooldata_1WObj:=wobj0;//提起到抓取點(diǎn)上方一個(gè)安全距離

MoveJ reltool(Target_20,0,0,-200),v1000,fine,Tooldata_1WObj:=wobj0;//機(jī)器人移動(dòng)到20上方安全的位置

MoveL reltool(Target_20,0,0,-i*10),v100,fine,Tooldata_1WObj:=wobj0;//準(zhǔn)確放置到放置臺(tái)目標(biāo)位置，i是放置的次數(shù)，第一次是0，放到20點(diǎn)位置；第二次是-10，依次往上疊加

WaitTime 0.1;//等待0.1 s

SetDO ZZ0,0;//放下物料

WaitTime 0.5;//等待0.5 s

MoveL reltool(Target_20,0,0,-200),v1000,fine,Tooldata_1WObj:=wobj0;//機(jī)器人抬起到安全位置

ENDFOR

......

2.7 仿真

本設(shè)計(jì)搭建了生產(chǎn)線上搬運(yùn)工作站，完成了工作站的布局、三維模型的搭建、Smart組件的連接、離線編程等。準(zhǔn)備完成之后，進(jìn)行仿真測(cè)試，可看到搬運(yùn)機(jī)器人等待來(lái)自傳送帶的隨機(jī)擺放的物料，等觸碰到面?zhèn)鞲衅骱?，機(jī)器人假視覺(jué)測(cè)試和目標(biāo)物體的偏移角度和距離，準(zhǔn)確下來(lái)吸取物料，并將物料整齊地?cái)[放到旁邊的放置臺(tái)上。本系統(tǒng)模擬了實(shí)際生產(chǎn)線，與現(xiàn)場(chǎng)操作工業(yè)機(jī)器人相比較，大大提高了教學(xué)效率并節(jié)約了成本。

3 總結(jié)

本文基于RobotStudio仿真軟件搭建了自動(dòng)化生產(chǎn)線搬運(yùn)工作站，根據(jù) ABB-IRB2600工業(yè)機(jī)器人在實(shí)際工業(yè)制造中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了生產(chǎn)線上自動(dòng)抓取物料的仿真工作站，研究了如何抓取傳送帶上隨機(jī)運(yùn)輸來(lái)的物料以及假視覺(jué)抓取的制作與應(yīng)用。該仿真平臺(tái)圍繞機(jī)器人在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，利用虛擬仿真技術(shù)解決了實(shí)際生產(chǎn)線的開(kāi)發(fā)調(diào)試與機(jī)器人路徑規(guī)劃困難等問(wèn)題，為工業(yè)機(jī)器人能夠更好地完成生產(chǎn)線上的各項(xiàng)工作提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。