仝 敏

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710300）

0 引言

近年來(lái)，機(jī)器人在經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣，特別是工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)成為裝備制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要推動(dòng)力。工業(yè)機(jī)器人是一種模仿人手動(dòng)作，并按設(shè)定的程序、軌跡和控制要求配合不同的終端執(zhí)行器，進(jìn)行工件抓取、材料搬運(yùn)、自動(dòng)噴涂、金屬焊接、成品碼垛的機(jī)電一體化自動(dòng)化裝置[1]。利用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行激光切割，是當(dāng)今的機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域和激光切割領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)[2]。工業(yè)機(jī)器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，在實(shí)際使用中操作不當(dāng)容易損壞設(shè)備，隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，采用機(jī)器人仿真軟件可以預(yù)先對(duì)設(shè)計(jì)的工作站進(jìn)行仿真，降低維修成本。本設(shè)計(jì)以某生產(chǎn)線上ABB工業(yè)機(jī)器人的切割工作站為研究對(duì)象，使用RobotStudio仿真軟件對(duì)末端執(zhí)行器、活塞、傳送鏈等進(jìn)行建模，完成了虛擬場(chǎng)景空間布局，從布局創(chuàng)建系統(tǒng)，對(duì)機(jī)器人軌跡進(jìn)行規(guī)劃，編寫(xiě)作業(yè)程序，對(duì)程序中的各個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行示教，實(shí)現(xiàn)切割虛擬工作站的建立與仿真。

1 切割機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)

機(jī)器人按照結(jié)構(gòu)可以劃分為直角坐標(biāo)式機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人、多關(guān)節(jié)型機(jī)器人等，其中圓柱坐標(biāo)系式機(jī)器人笨重不靈活，在形式多樣的切割機(jī)器人中，使用較多的有直角坐標(biāo)型和關(guān)節(jié)型兩種。其中關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人機(jī)身結(jié)構(gòu)緊湊，動(dòng)作靈活性高且工作移動(dòng)空間大。此外，自由度數(shù)是機(jī)器人的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，自由度減少可簡(jiǎn)化機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但會(huì)降低機(jī)械臂靈活性，反之，將提高機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)復(fù)雜性。常見(jiàn)的工業(yè)機(jī)器人多為六自由度，典型的六關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人本體由底座、腰部、大臂、肘部、小臂、腕部和手部組成，6個(gè)關(guān)節(jié)合成實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。目前，六軸關(guān)節(jié)式機(jī)器人可用于自動(dòng)裝配、噴漆、搬運(yùn)、焊接、切割等工作。許多知名機(jī)器人公司和研究機(jī)構(gòu)，如ABB、KUKA、沈陽(yáng)新松、哈工大機(jī)器人研究所等都推出了各自的關(guān)節(jié)型切割工業(yè)機(jī)器人，現(xiàn)階段切割工業(yè)機(jī)器人的工作能力不斷提高，控制系統(tǒng)的靈活性及負(fù)載能力不斷增強(qiáng)，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。

切割工業(yè)機(jī)器人主要由機(jī)器人本體、控制柜和人機(jī)交互裝置3部分組成[3]，見(jiàn)圖1。機(jī)器人本體是完成各種作業(yè)的機(jī)械主體，是切割工作站的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其中包含互相連接的機(jī)械機(jī)構(gòu)、內(nèi)外部傳感裝置和驅(qū)動(dòng)裝置，工作時(shí)通過(guò)末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)對(duì)工作目標(biāo)的放置。機(jī)器人控制柜相當(dāng)于人的大腦[4]，內(nèi)部集成了示教器線纜、電力電纜、SMB電纜、主電源控制開(kāi)關(guān)、模式切換開(kāi)關(guān)、急停按鈕、電機(jī)上電和抱閘等各類接口，用于控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和信號(hào)的輸入輸出。人機(jī)交互裝置是指專用的手持示教器，主要由觸摸屏、按鍵、操縱桿、使能鍵和急停按鈕組成，通過(guò)示教器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的編程和調(diào)試[5]。

本次仿真設(shè)計(jì)的切割工作站中，工業(yè)機(jī)器人以ABB公司軟件模型庫(kù)中的IRB 120型為主要建模對(duì)象，當(dāng)垂直料庫(kù)中的活塞原料運(yùn)動(dòng)到傳送鏈末端后，機(jī)器人安裝夾爪工具抓取活塞原料并放在激光切割臺(tái)上，切割臺(tái)下面的吸盤工作，機(jī)器人將夾爪卸下，安裝激光切割工具在激光切割臺(tái)上動(dòng)作，完成切割。

2 切割工作站模型搭建

在實(shí)際場(chǎng)景中，由控制柜、示教器、工業(yè)機(jī)器人、輸送鏈、末端執(zhí)行器等組成切割工作站，通過(guò)控制器與外部設(shè)備連接通信，實(shí)現(xiàn)切割作業(yè)。工業(yè)機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，在使用中如果操作不當(dāng)或程序編寫(xiě)有誤，容易損壞設(shè)備，對(duì)企業(yè)造成損失?，F(xiàn)階段，虛擬仿真技術(shù)已成為工業(yè)機(jī)器人工作站搭建的發(fā)展趨勢(shì)，因而在使用之前可用專用的仿真軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，提高工作效率。工業(yè)機(jī)器人常用的仿真軟件有RobotMaster、RobotArt、DELMIA、RobotWorks、RobotStudio等[6]。其中，RobotStudio是ABB公司推出的一款集仿真和編程功能于一身，支持三維軟件，例如，CAD、UG、SW等軟件模型導(dǎo)入，可配置，編程和運(yùn)行虛擬控制器，還可通過(guò)以太網(wǎng)對(duì)實(shí)際控制器進(jìn)行編程，配置和監(jiān)控等在線操作，極大地提高編程的效率。

本設(shè)計(jì)采用RobotStudio軟件對(duì)切割工作站進(jìn)行建模和仿真，創(chuàng)建一個(gè)空的工作站，點(diǎn)擊ABB模型庫(kù)，導(dǎo)入IRB 120型機(jī)器人，見(jiàn)圖2。顯示機(jī)器人工作區(qū)域，基坐標(biāo)位于機(jī)器人底部，根據(jù)工作區(qū)域適當(dāng)調(diào)整機(jī)器人基座的位置，不斷調(diào)整機(jī)器人和周邊設(shè)備的可到達(dá)的區(qū)域，見(jiàn)圖3。預(yù)先使用三維軟件對(duì)末端執(zhí)行器、活塞、切割臺(tái)等進(jìn)行建模，在模型庫(kù)中依次導(dǎo)入傳送帶、切割臺(tái)、工具臺(tái)、夾爪工具、激光切割工具、活塞等，完成機(jī)器人本體及周邊設(shè)備選取，見(jiàn)圖4。點(diǎn)擊機(jī)器人系統(tǒng)菜單，選擇從布局創(chuàng)建系統(tǒng)，在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)中選擇709-1 DeviceNet Master/Slave選項(xiàng)，完成系統(tǒng)創(chuàng)建。

3 切割工作站工作流程

切割工作站主要由IRB 120型機(jī)器人、輸送鏈、活塞、傳感器、切割工具、工作臺(tái)等組成，工作流程見(jiàn)圖5。

首先對(duì)搭建的系統(tǒng)進(jìn)行安全檢查，調(diào)整周邊設(shè)備的位置布局，保證機(jī)器人的工作空間，避免與外部設(shè)備發(fā)生干涉。由于夾爪工具模型和切割工具模型的本地坐標(biāo)系與機(jī)器人法蘭盤坐標(biāo)系tool0重合，工具末端的工具坐標(biāo)系即為機(jī)器人的工具坐標(biāo)系[7]，因而在安裝工具之前需對(duì)工具模型做處理，第1步在吸盤工具法蘭端創(chuàng)建本地坐標(biāo)系，第2步在工具末端創(chuàng)建工件坐標(biāo)系，經(jīng)過(guò)上述處理后，工具與系統(tǒng)庫(kù)里的默認(rèn)工具具有了相同的屬性，保證工具安裝到機(jī)器人法蘭盤末端時(shí)的工具姿態(tài)。使用Do_Quick change信號(hào)安裝夾爪工具，機(jī)器人從初始位置觸發(fā)，當(dāng)檢測(cè)到傳送鏈上活塞到位信號(hào)后，機(jī)器人按照預(yù)先設(shè)計(jì)的路徑達(dá)到取件工具點(diǎn)，使用Do_Gripper信號(hào)置位，實(shí)現(xiàn)夾爪閉合，夾取活塞，按設(shè)計(jì)路徑將活塞夾取到激光切割臺(tái)活塞放置點(diǎn)，將Do_Gripper信號(hào)復(fù)位，松開(kāi)夾爪，放置活塞。切割臺(tái)檢測(cè)信號(hào)Di_Cut檢測(cè)到上面有活塞后，下面的吸盤開(kāi)始工作，機(jī)器人按設(shè)計(jì)路徑到達(dá)夾爪放置點(diǎn)，通過(guò)快換信號(hào)自動(dòng)卸下夾爪后，按設(shè)計(jì)路徑到達(dá)激光切割工具安裝位置，通過(guò)快換信號(hào)完成切割工具的安裝。機(jī)器人按設(shè)計(jì)路徑到達(dá)切割位置點(diǎn)進(jìn)行切割，待切割完成后按設(shè)計(jì)路徑到達(dá)切割工具放置點(diǎn)，使用快換信號(hào)卸下激光切割工具，機(jī)器人按預(yù)先設(shè)計(jì)的路徑返回到初始位置，重復(fù)上述步驟。

4 機(jī)器人I/O信號(hào)

ABB標(biāo)準(zhǔn)I/O板提供的常用信號(hào)處理有數(shù)字輸入信號(hào)DI、數(shù)字輸出信號(hào)DO、模擬輸入信號(hào)AI、模擬輸出信號(hào)AO以及輸送鏈跟蹤[8]，常用的標(biāo)準(zhǔn)I/O板有DSQC651和DSQC652。本次選擇ABB標(biāo)準(zhǔn)I/O板DSQC652，該板卡是掛在Device Net下的設(shè)備，其中，X5端子為Device Net接口，共計(jì)12個(gè)跳線，6號(hào)跳線為地址選擇公共端邏輯地，當(dāng)使用短接片將6號(hào)跳線與其他接線柱相連接時(shí)，則與之連接的引腳視為低電平，用0表示，沒(méi)有連接的引腳視為高電平，用1表示，7～12跳線用來(lái)決定I/O板在總線中的地址，其可用范圍為0～63。DSQC652的板卡在機(jī)器人出廠時(shí)，已將第8腳和第10腳的跳線剪去，則其地址為001010，從右到左分別為7～12跳線的狀態(tài)，則8號(hào)引腳對(duì)應(yīng)21，10號(hào)引腳對(duì)應(yīng)23，計(jì)算可得節(jié)點(diǎn)的地址為10。在虛擬示教器中選擇控制面板，選擇配置選項(xiàng)，選擇Device Net Device選項(xiàng)，將本次配置的DSQC652板卡的地址設(shè)置為10。

工業(yè)機(jī)器人可通過(guò)I/O與外部設(shè)備進(jìn)行交互，DSQC652板卡共有16個(gè)數(shù)字量輸入信號(hào)和16個(gè)數(shù)字量輸出信號(hào)。根據(jù)控制任務(wù)，設(shè)置切割工作站的相關(guān)的I/O信號(hào)。其中，Do_Quick change信號(hào)為快換信號(hào)，其值為0或者1，主要用于卸下和安裝末端工具，在本次設(shè)計(jì)中主要用于夾爪和切割工具的安裝和卸下。Do_Gripper信號(hào)用于控制夾爪動(dòng)作，通過(guò)對(duì)該信號(hào)的置位和復(fù)位操作，可以實(shí)現(xiàn)夾爪的夾緊和松開(kāi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)活塞的抓取和放置。當(dāng)傳送鏈上的活塞運(yùn)動(dòng)到末端指定位置時(shí)，采用傳感器檢測(cè)到位與否，設(shè)置活塞到位信號(hào)為數(shù)字量輸入信號(hào)Di_Piston。切割工作站的部分I/O信號(hào)見(jiàn)表1。

表1 切割工作站部分I/O信號(hào)

5 系統(tǒng)編程與仿真

切割工作站創(chuàng)建完成后，優(yōu)化切割工作站的單元布局，對(duì)其進(jìn)行干涉區(qū)設(shè)置，防止由于信號(hào)誤操作對(duì)設(shè)備造成損害[9]。選擇示教點(diǎn)位，記錄各示教點(diǎn)的屬性，如點(diǎn)的坐標(biāo)、相應(yīng)的功能和功能數(shù)據(jù)，根據(jù)作業(yè)效率、作業(yè)安全、運(yùn)行時(shí)間等設(shè)置最大速度和加速度限制，完成路徑規(guī)劃實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)控制。通過(guò)軟件創(chuàng)建切割工作站，模擬真實(shí)的工作場(chǎng)景，離線編寫(xiě)程序，檢測(cè)路徑規(guī)劃的合理性。優(yōu)化切割工作站的單元布局，避免機(jī)器人與外部設(shè)備之間發(fā)生碰撞，將RobotStudio中的程序進(jìn)行同步，調(diào)試和觀察機(jī)器人切割運(yùn)行狀態(tài)，仿真結(jié)果見(jiàn)圖6。

如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，及時(shí)調(diào)整程序，待程序運(yùn)行無(wú)誤后，可以將程序下載到真實(shí)控制器中，使用真實(shí)示教器修改真實(shí)空間中的示教點(diǎn)坐標(biāo)，即可完成程序的遷移，極大地提高了編程的效率。

6 結(jié)語(yǔ)

切割機(jī)器人要求能高速、高精度地實(shí)現(xiàn)切割。在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)工作場(chǎng)景確定機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和控制要求，綜合考慮運(yùn)行速度、工作空間、定位精度、承載能力等技術(shù)指標(biāo)，依據(jù)作業(yè)要求擬定作業(yè)工藝。本文以某生產(chǎn)線上的切割工業(yè)機(jī)器人為研究對(duì)象，使用RobotStudio軟件對(duì)末端機(jī)械爪、活塞、傳送鏈、切割工具、工作臺(tái)等進(jìn)行建模，完成虛擬場(chǎng)景空間布局。根據(jù)切割工作站的工作流程及控制要求配置DSQC652板卡并完成相關(guān)I/O信號(hào)的配置，通過(guò)離線編程對(duì)設(shè)計(jì)的軌跡進(jìn)行仿真，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)優(yōu)化切割工作站的運(yùn)動(dòng)路徑，最終實(shí)現(xiàn)虛擬切割工作站的建立與仿真。結(jié)果表明，該系統(tǒng)適用于切割作業(yè)中，為切割機(jī)器人的仿真設(shè)計(jì)提供了具體方法，優(yōu)化切割路徑，提高切割質(zhì)量和效率，降低生產(chǎn)線設(shè)計(jì)和調(diào)試成本，對(duì)現(xiàn)階段工業(yè)機(jī)器人切割工作站的仿真設(shè)計(jì)具有一定借鑒意義。