李能菲,黃 瓊,常 輝

(安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,安徽 合肥 230011)

0 引言

工業(yè)機(jī)器人技術(shù)伴隨著計算機(jī)科學(xué)、機(jī)電工程、信息技術(shù)和控制理論等技術(shù)的發(fā)展,逐步成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備被廣泛應(yīng)用于焊接、裝配、搬運、打磨、涂膠等各種領(lǐng)域。工業(yè)機(jī)器人在提高工業(yè)生產(chǎn)自動化水平的同時,大幅降低了人力成本,提高生產(chǎn)效率。另外,隨著國家對制造業(yè)的高度重視和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級,在推進(jìn)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的同時,對高素質(zhì)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用人才的需求更加迫切。目前,越來越多的高職院校開設(shè)了工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè),在工業(yè)機(jī)器人相關(guān)課程的教學(xué)中,需要依托具體的工業(yè)機(jī)器人工作站,而相關(guān)設(shè)備的價格較高,所需的場地較大,受資金和場地等條件的制約,學(xué)校實訓(xùn)設(shè)備數(shù)量較少,課堂上5～6 個學(xué)生共用一套設(shè)備,生均操作時間十分有限[1]。針對實訓(xùn)設(shè)備數(shù)量和學(xué)生操作時間的局限性,在教學(xué)過程中,通過虛擬仿真軟件對工作站進(jìn)行仿真調(diào)試,然后再到實體設(shè)備上進(jìn)行驗證,降低了實訓(xùn)成本,提高了實訓(xùn)效率,教學(xué)效果也會隨之得到明顯提高,同時在一定程度上也解決了學(xué)生在課前自學(xué)和課后拓展階段沒有機(jī)會進(jìn)行實體操作的問題。

Robot Studio 是ABB 公司開發(fā)的一款工業(yè)機(jī)器人仿真軟件,它的虛擬控制器和虛擬示教器與真實的ABB機(jī)器人基本相同,可準(zhǔn)確模擬真實機(jī)器人的各項功能,實現(xiàn)ABB 各個系列工業(yè)機(jī)器人的離線編程和外圍設(shè)備的協(xié)同仿真,因其操作界面友好、軟件功能強(qiáng)大而被廣泛應(yīng)用于教學(xué)與生產(chǎn)[2-3]。

文章以實訓(xùn)室工業(yè)機(jī)器人自動化生產(chǎn)線工作站為例,介紹利用Robot Studio 仿真軟件完成工作站的搭建、動態(tài)Smart 組件創(chuàng)建、RAPID 程序設(shè)計、工作站邏輯設(shè)定和仿真調(diào)試,最后將仿真調(diào)試好的程序?qū)雽嶓w設(shè)備上進(jìn)行驗證,進(jìn)而在實體設(shè)備上操作檢驗仿真設(shè)計的準(zhǔn)確性。

1 實訓(xùn)室自動生產(chǎn)線工作站

實訓(xùn)室自動生產(chǎn)線工作站主要由ABB IRB120 工業(yè)機(jī)器人、供料單元、同步傳送帶、三相異步電機(jī)、碼垛臺等組成。其中,供料單元由一個托料閥和一個頂料閥控制,控制物料的下落;同步傳送帶由三相異步電動機(jī)控制,并裝有編碼器,便于對電動機(jī)閉環(huán)控制,可精確定位物料的位置;傳動帶的末端裝有光電傳感器,用于檢測物料是否到位。整個工作站可以實現(xiàn)全自動的供料、輸送、定位、搬運、碼垛等功能,其中物料的供料、輸送和定位由PLC 控制,PLC 型號為三菱FX5U 系列,物料的搬運和碼垛由工業(yè)機(jī)器人完成,PLC 和機(jī)器人之間通過標(biāo)準(zhǔn)I/O 板DSQC652 進(jìn)行通信。

自動生產(chǎn)線工作站的工作流程如圖1 所示,通過PLC 控制供料單元進(jìn)行物料供料,待物料被推出后,PLC 通過變頻器驅(qū)動同步傳送帶,物料隨傳送帶一起向前移動,待傳送帶末端傳感器檢測到物料以后,機(jī)器人運行至物料上方,將物料進(jìn)行搬運碼垛入庫。

圖1 工作流程

2 自動生產(chǎn)線工作站仿真

在對工作站進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試前,通過Robot Studio 軟件對工作站進(jìn)行仿真調(diào)試,包括工作站的搭建、動態(tài)Smart 組件創(chuàng)建、RAPID 程序設(shè)計、工作站邏輯設(shè)定和仿真調(diào)試。

2.1 工作站搭建

自動化生產(chǎn)線工作站包括工業(yè)機(jī)器人、承載臺、吸盤工具、供料單元、同步傳送帶、三相異步電機(jī)、碼垛臺等。這些模型除了工業(yè)機(jī)器人ABB IRB120,其他模型都是通過3D 建模軟件Solid Works 創(chuàng)建,再通過Robot Studio 導(dǎo)入,用兩點法、三點法等方法進(jìn)行調(diào)整布置,布局結(jié)果如圖2 所示。

圖2 自動生產(chǎn)線工作站布局

2.2 動態(tài)Smart 組件創(chuàng)建

通過Robot Studio 對自動生產(chǎn)線工作站進(jìn)行仿真的過程中,同步傳送帶和機(jī)器人吸盤工具的動態(tài)效果對整個工作站的工作過程相當(dāng)重要[4]。Robot Studio 中Smart 組件是實現(xiàn)機(jī)器人外圍設(shè)備動畫效果的高效工具,同時也能模擬現(xiàn)場設(shè)備的I/O 接口與控制邏輯。

2.2.1 動態(tài)傳送帶的創(chuàng)建

利用Smart 組件創(chuàng)建動態(tài)傳送帶的工作流程:傳送帶前端自動生成物料、物料隨著傳送帶運動、物料到達(dá)傳送帶末端碰到光電傳感器、停止傳送等待機(jī)器人抓取、當(dāng)機(jī)器人抓取后傳送帶前端再次生成物料,周而復(fù)始,循環(huán)運行。

(1)設(shè)定傳送帶的產(chǎn)品源采用Source 組件,作用是產(chǎn)生產(chǎn)品源的復(fù)制品。此處將搬運物料設(shè)為產(chǎn)品源,每觸發(fā)一次Source,就會自動產(chǎn)生一個搬運物料的復(fù)制品,模擬實際設(shè)備上供料單元落料的功能[5]。

(2)設(shè)定輸送帶的運動屬性,采用Linear Mover 組件,作用是使搬運物料沿著傳動帶做直線運動,模擬實際設(shè)備上搬運物料隨著傳動帶一起運動。由于有多個物料需要搬運,所以需要運動一組物料,采用Queue 隊列組件[6]。Linear Mover 組件設(shè)置運動屬性,將之前設(shè)定的Queue 隊列設(shè)為運動物體,設(shè)置運動的方向和速度。將Linear Mover 使能Execute 置1,該運動一直處于激活狀態(tài)。

(3)設(shè)定輸送帶限位傳感器采用PlaneSensor 組件,作用是檢測搬運物料是否到達(dá)傳送帶的末端,類似實際設(shè)備上光電傳感器,將Plane Sensor 使能Active 置1。虛擬傳感器一次只能檢測一個物體,所以這里將輸送帶和吸盤工具設(shè)置為不可由傳感器檢測。另外,在Smart 組件應(yīng)用中只有信號發(fā)生0 到1 變化時,才可以觸發(fā)事件。這里需要當(dāng)傳送帶末端的物料被機(jī)器人搬走,虛擬傳感器Plane Sensor 的信號由1 到0 變化時,自動觸發(fā)Source,再次產(chǎn)生一個復(fù)制品,所以還需要添加一個邏輯門組件Logic Gate,將Operator 屬性設(shè)置為非門NOT[7]。

(4)屬性與聯(lián)結(jié)設(shè)置,將Source 的屬性Copy 與Queue 的屬性Back 進(jìn)行聯(lián)結(jié),可實現(xiàn)產(chǎn)品源產(chǎn)生的復(fù)制品在“加入隊列”這個動作觸發(fā)后,自動加入隊列Queue,隨著隊列進(jìn)行線性運動,當(dāng)執(zhí)行退出隊列操作時,復(fù)制品退出隊列之后就會停止線性運動。

(5)I/O 信號的添加和連接,添加啟動信號distart和復(fù)制品到位信號dodaowei,并完成6 個I/O 信號的連接,邏輯關(guān)系如圖3 所示。剛開始利用啟動信號distart觸發(fā)Source,產(chǎn)生一個復(fù)制品,復(fù)制品產(chǎn)生后自動加入隊列Queue,并隨著Queue 一起沿著傳送帶運動。當(dāng)復(fù)制品運動到傳送帶末端時,與面?zhèn)鞲衅鱌lane Sensor 接觸,并自動退出隊列Queue,同時復(fù)制品到位信號dodaowei 被置1。通過非門的中間連接,最終當(dāng)復(fù)制品從傳送帶末端取走時,自動觸發(fā)Source,再次產(chǎn)生一個復(fù)制品,此后進(jìn)入下一個循環(huán)。

圖3 動態(tài)傳送帶組件邏輯關(guān)系

2.2.2 動態(tài)吸盤的創(chuàng)建

利用Smart 組件創(chuàng)建動態(tài)吸盤,實現(xiàn)吸盤工具吸和放的動畫效果:在輸送帶末端將物料吸起,在放置位置釋放物料。

(1)工具屬性設(shè)定,創(chuàng)建一個Smart 組件,使其具有工具的屬性,來實現(xiàn)動態(tài)效果。

(2) 吸盤工具對物料的檢測采用線傳感器Line Sensor 組件,設(shè)置線傳感器尺寸參數(shù),為了保證傳感器準(zhǔn)確檢測到物料,必須保證線傳感器接觸物料時一部分在物料內(nèi)部,一部分在物料外部。另外,將吸盤工具設(shè)置為不可由傳感器檢測。

(3)拾取物料動作采用Attacher 組件,釋放物料動作采用Detacher 組件。這里還需要添加一個邏輯門組件Logic Gate,將Operator 屬性設(shè)置為非門NOT。

(4)屬性與聯(lián)結(jié)設(shè)置,Line Sensor 屬性Sensed Part與Attacher 屬性Child 聯(lián)結(jié),將線傳感器檢測到的物料作為拾取的子對象。Attacher 屬性Child 與Detacher 屬性Child 聯(lián)結(jié),將拾取的子對象作為釋放的子對象。

(5)I/O 信號的添加和連接,添加抓取啟動信號digripper,完成4 個I/O 信號的連接,邏輯關(guān)系如圖4所示。當(dāng)抓取信號digripper 置1 時,線傳感器開始檢測,如果檢測到物料與Line Sensor 發(fā)生接觸,則觸發(fā)拾取動作,吸盤拾取物料;當(dāng)抓取信號digripper 置0 時,通過非門的中間連接,最終觸發(fā)釋放動作,吸盤釋放物料。動態(tài)吸盤仿真效果如圖5 所示。

圖4 動態(tài)吸盤組件邏輯關(guān)系

圖5 動態(tài)吸盤組件仿真效果

2.3 RAPID 程序設(shè)計

前面完成了自動生產(chǎn)線工作站布局、動態(tài)smart 組件的創(chuàng)建,下面需要進(jìn)行機(jī)器人I/O 信號配置,工具坐標(biāo)和工件坐標(biāo)的創(chuàng)建,并根據(jù)工作流程對工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行運動路徑規(guī)劃和搬運碼垛程序設(shè)計。

(1)I/O 信號配置。添加數(shù)字輸入信號DI_00_daowei,用于檢測物料是否已到達(dá)傳送帶末端,還需要添加數(shù)字輸出信號DO_00_xipan,用于控制吸盤的動作。

(2)搬運碼垛程序的設(shè)計。通過四點法標(biāo)定吸盤工具的坐標(biāo)系xipan,通過三點法在碼垛臺的右上角標(biāo)定工件坐標(biāo)系wobj1,如圖7 所示。在運動路徑規(guī)劃的過程中要注意添加過渡點,防止碰撞。在搬運碼垛程序設(shè)計中,由于物料的放置點處于變化中,而且分布很有規(guī)律,相互間隔為50 mm,所以采用兩個for 循環(huán)嵌套來實現(xiàn)放置點的規(guī)律移動。程序如圖6 所示,其中pick 點和put 點示教位置如圖7 所示。

圖6 工業(yè)機(jī)器人搬運碼垛程序

圖7 搬運碼垛拾取和放置位置

2.4 工作站邏輯設(shè)定和仿真調(diào)試

Smart 組件負(fù)責(zé)管理機(jī)器人外圍設(shè)備的動畫效果,相當(dāng)于實際工作站里PLC 的功能。工作站邏輯將Smart 組件的I/O 信號與機(jī)器人端的I/0 信號進(jìn)行關(guān)聯(lián),實現(xiàn)Smart 組件與機(jī)器人的信號通信,從而完成整個工作站的仿真運行。自動生產(chǎn)線工作站邏輯:將輸送鏈Smart組件物料到位信號dodaowei與機(jī)器人輸入信號DI_00_daowei 進(jìn)行關(guān)聯(lián),讓機(jī)器人判斷物料是否到位。將機(jī)器人吸盤工具動作信號DO_00_xipan 與吸盤工具Smart 組件digripper,讓吸盤組件將物品抓取或放下。工作站邏輯關(guān)系如圖8 所示。

圖8 工作站邏輯關(guān)系

在完成工作站邏輯設(shè)定后,即可進(jìn)行整個工作站的仿真和調(diào)試。調(diào)試結(jié)果為:傳送帶前端產(chǎn)生物料復(fù)制品,并沿著傳送帶運動;復(fù)制品到達(dá)傳送帶末端,機(jī)器人接收到物料到位信號后,運動到傳送帶末端拾取點位置,將物料拾取并放置到碼垛臺的放置點位置;依次循環(huán),直到搬運完4 個物料后,機(jī)器人復(fù)位。

3 仿真程序的實體驗證

仿真和調(diào)試完成后,將機(jī)器人仿真程序通過U 盤導(dǎo)入如圖1 所示的實體設(shè)備上進(jìn)行驗證,檢驗仿真設(shè)計的合理性與準(zhǔn)確性。驗證的一般步驟為:PLC 和機(jī)器人通信I/O 口的連接;供料單元、傳送帶等外圍設(shè)備PLC 程序的編寫下載;機(jī)器人程序的導(dǎo)入;機(jī)器人程序里所涉及的工件坐標(biāo)和工具坐標(biāo)的標(biāo)定;pick 點和put點的現(xiàn)場示教;機(jī)器人程序的手動調(diào)試;手動調(diào)試沒有問題的情況下完成整個工作站的自動運行。

4 結(jié)語

在工業(yè)機(jī)器人自動生產(chǎn)線工作站的教學(xué)中,先通過Robot Studio 軟件對工作站的工作流程進(jìn)行仿真調(diào)試,不僅讓學(xué)生了解到Robot Studio 在工業(yè)機(jī)器人工作站設(shè)計和調(diào)試中的應(yīng)用,還可以克服當(dāng)前學(xué)校實訓(xùn)設(shè)備不足、實操時間有限等困難,降低了實訓(xùn)成本,提高了實訓(xùn)效率,極大地調(diào)動了學(xué)生的積極性與課堂參與度,教學(xué)效果也隨之得到了提高。文章的研究對工業(yè)機(jī)器人相關(guān)課程的教學(xué)培訓(xùn)、工業(yè)機(jī)器人工作站系統(tǒng)的仿真設(shè)計等都具有一定的指導(dǎo)作用。