畢 思 ， 張 沖

（武昌工學(xué)院，湖北 武漢 430000）

工件加工過程中有打磨工藝，人工打磨工序煩瑣，效率低下，如果利用機(jī)器人工作站來代替人工，則具有較好的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益[1]。根據(jù)技術(shù)要求，設(shè)計一款基于機(jī)器人的打磨工作站，并對工作站功能進(jìn)行仿真驗證。

1 雙工位機(jī)器人打磨的設(shè)計與選型

實訓(xùn)平臺的目標(biāo)：模擬人工打磨過程，通過人工換置打磨工件產(chǎn)品，機(jī)器人能完成簡單的產(chǎn)品打磨任務(wù)，從而優(yōu)化對機(jī)器人示教器的使用并提高運(yùn)動精度[2-4]；能夠根據(jù)打磨工件的需求，快速對工件打磨模塊進(jìn)行布局設(shè)計和模擬仿真。本實訓(xùn)平臺主要由自動變位系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)、打磨機(jī)系統(tǒng)組成。各個子系統(tǒng)能夠相互配合，靈活運(yùn)行。自動變位系統(tǒng)由人工放置物件到變位機(jī)上，機(jī)器人系統(tǒng)主要依靠ABB機(jī)器人控制柜控制，打磨機(jī)系統(tǒng)由打磨機(jī)組成[5-6]。

1.1 快速變位平臺設(shè)備選型

該系列變位機(jī)適用于工件需繞單軸旋轉(zhuǎn)的雙工位（上料工位和打磨工位各一個）打磨場合。工件繞軸旋轉(zhuǎn)時與機(jī)器人的動作完全協(xié)調(diào)一致，從而確保了高打磨質(zhì)量和高變位協(xié)調(diào)速度。IRBP R系列變位機(jī)適用工件的最大尺寸可達(dá)2 000 mm（500R型和750R型）。

1.2 機(jī)器人的選型

由于在打磨過程中要求精度高，節(jié)拍時間短，響應(yīng)速度快，運(yùn)動性能佳，客戶已有的IRB 1410工業(yè)機(jī)器人完全滿足打磨要求。ABB工業(yè)機(jī)器人的核心優(yōu)勢就是運(yùn)動控制，與傳統(tǒng)剛性自動化打磨技術(shù)相比，其具有靈活性高、占地面積小、精度高等優(yōu)勢。IRB 1410工業(yè)機(jī)器人能夠在狹窄或者廣闊空間內(nèi)高速運(yùn)行，誤差極小，并且既能確保附近范圍的安全，又能完美執(zhí)行任務(wù)，其特性參數(shù)如表1所示。

表1 IRB 1410參數(shù)

1.3 打磨工具的選擇

磨削過程就是磨具中的磨粒對工件打磨的過程，選擇磨具就是要充分利用磨粒切削力去克服工件材料的物理力學(xué)性能產(chǎn)生的抗力。磨具的品種規(guī)格繁多，每一種磨具都不是萬能的切削工具，有一定的適用范圍。因此，對每一種磨削工作，都必須選擇適當(dāng)?shù)哪ゾ咛匦詤?shù)，才能達(dá)到預(yù)期的打磨效果[7]。磨具的主要特性包括磨粒、硬度、結(jié)合劑、形狀與尺寸等，根據(jù)打磨工件的需要選擇陶瓷結(jié)合劑小砂輪。

2 雙工位自動打磨的仿真設(shè)計

在RobotStudio軟件中，為了使仿真設(shè)計更加真實，常用Smart來實現(xiàn)動作。根據(jù)仿真設(shè)置，信號分為Smart組件的信號、程序用的信號。Smart組件信號負(fù)責(zé)實現(xiàn)變位機(jī)自動變位的動畫效果，配合傳感器檢測信號，告知機(jī)器人工件是否到達(dá)位置[8]。程序信號則負(fù)責(zé)工件到達(dá)后機(jī)器人具體的動作指令，包括預(yù)先等待、自動打磨以及返回原點(diǎn)等操作。該系統(tǒng)信號傳遞步驟為：PLC輸入一個信號后，通過兩種不同的輸出信號來啟動變位機(jī)，以此模擬打磨兩種工件并進(jìn)行自動變位[9]。當(dāng)工件到達(dá)指定地點(diǎn)后，傳感器檢測，輸入信號變化，通過輸出信號與機(jī)器人控制器進(jìn)行通信，指示機(jī)器人開始打磨工作。

2.1 Smart組件的動畫仿真

在虛擬仿真設(shè)置中，需要使用RobotStudio軟件創(chuàng)建虛擬動畫效果，與機(jī)器人的動作相互配合，從而創(chuàng)建一個完整的雙工位自動打磨工作站[10]。在當(dāng)前工作站中，需要變位機(jī)進(jìn)行自動變位的動畫效果，夾具抓取以及打磨機(jī)打磨工件的虛擬動畫效果。整個系統(tǒng)由變位系統(tǒng)、打磨機(jī)系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)組成，三者之間有邏輯關(guān)聯(lián)。

在實現(xiàn)工件抓取的Smart組件中，要有輸入和輸出源信號，輸入作為外界信號去觸發(fā)夾具執(zhí)行，輸出模擬的是信號反饋。當(dāng)機(jī)器人夾具接觸到工件表面之后，需要有一個信號反饋給夾具。在信號與連接中設(shè)置I/O Signals來添加輸入信號dia模擬打磨，添加輸出信號doa作為信號反饋。設(shè)置I/O連接，完成整個自動變位和打磨工件動畫的邏輯關(guān)聯(lián)。在該動畫中，通過添加LogicGate[NOT]邏輯指令來實現(xiàn)工件的檢測。如果檢測到工件，便觸發(fā)抓取的指令，這樣當(dāng)檢測工件到達(dá)指定位置時，便可自動執(zhí)行抓取的操作，從而進(jìn)行數(shù)字信號的邏輯運(yùn)算。利用damo信號連上非運(yùn)算，再利用非運(yùn)算去觸發(fā)拆除的執(zhí)行，由于已安裝和已拆除都需要一個反饋來傳遞給外界，因此添加一個打磨組件，利用Attacher的執(zhí)行去觸發(fā)打磨的置位操作，利用Detacher的執(zhí)行去觸發(fā)打磨的復(fù)位操作，利用鎖定去觸發(fā)組件本身的真空反饋信號，以此來傳遞給機(jī)器人一個打磨的反饋信息。整體I/O連接信息如圖1所示，能夠完成工業(yè)機(jī)器人、自動變位機(jī)和打磨機(jī)三者間的邏輯連接。

圖1 組件邏輯圖

2.2 機(jī)器人離線程序設(shè)計

使用虛擬仿真離線程序進(jìn)行設(shè)計的好處顯而易見，相較于現(xiàn)實中煩瑣的在線示教，軟件中可以更加方便地修改任務(wù)，并且可以借助傳感器實現(xiàn)各種規(guī)劃。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的精度會越來越高。但是由于工程師們在現(xiàn)場進(jìn)行機(jī)器人調(diào)試時精度往往不夠準(zhǔn)確，所以可以預(yù)料到在未來離線編程系統(tǒng)相對于在線編程將發(fā)揮更重要的作用。

本工作站的離線程序采用RobotStudio軟件的RAPID代碼進(jìn)行設(shè)計。程序框架采用主程序并調(diào)用若干子程序來進(jìn)行整個打磨過程，由于需要打磨兩種不同外形的工件，因此需要建立兩個不同的子程序?qū)?yīng)不同的打磨路徑。

機(jī)器人從主程序開始運(yùn)行，主程序的功能是將各運(yùn)動軌跡子程序和功能子程序進(jìn)行邏輯性調(diào)用，根據(jù)流程規(guī)劃和任務(wù)書要求設(shè)計：要實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，需要無限循環(huán)，該功能可采用WHILE TRUE DO指令控制程序循環(huán)執(zhí)行。首先初始化子程序，讓機(jī)器人在開始運(yùn)動前將恢復(fù)到最初狀態(tài)；然后執(zhí)行檢查安全點(diǎn)子程序，來確保機(jī)器人在安全位置開始；再用解析子程序?qū)LC傳遞過來的信息進(jìn)行解析。解析完后，通過子程序來實現(xiàn)變位機(jī)的自動變位，根據(jù)解析結(jié)果進(jìn)入相應(yīng)的變位子程序。

主程序例行程序與指令說明如下：

通過以上程序設(shè)計可以實現(xiàn)變位機(jī)自動變位功能，機(jī)器人能實現(xiàn)快速打磨，提高工作效率。

3 結(jié)語

課題組經(jīng)過初步研究，得出結(jié)論：該實訓(xùn)平臺穩(wěn)定可靠，反應(yīng)速度快，易于搭建，可以在各個場景的自動打磨中發(fā)揮作用，也可以用于教學(xué)，實現(xiàn)系統(tǒng)有效的實訓(xùn)、實習(xí)、實驗等，圓滿地完成教學(xué)任務(wù)。隨著工業(yè)化行業(yè)的快速發(fā)展，利用變位機(jī)的自動變位系統(tǒng)將被越來越多地應(yīng)用于現(xiàn)實中，以提高效率。由于時間以及實驗等多方面條件的限制，課題組設(shè)計的雙工位自動打磨平臺需要進(jìn)行反復(fù)的實踐與記錄，未來還可以從打磨單元的優(yōu)化、變位機(jī)自動變位靈敏度的提高、PLC程序的簡化、多工位自動打磨裝置同時作業(yè)等方面進(jìn)行研究，使整個系統(tǒng)的功能更加完善。