田小龍 王國(guó)章

河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河北邢臺(tái) 054000

工業(yè)機(jī)器人具有自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)率高、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)隨著人力的成本越來(lái)越高，工業(yè)機(jī)器人取代工人進(jìn)行生產(chǎn)成為一種趨勢(shì)。在制造業(yè)中，將工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于數(shù)控加工中，大大提高了數(shù)控設(shè)備效率，工業(yè)機(jī)器人成為制造業(yè)重要的生產(chǎn)工具[1-2]。工業(yè)機(jī)器人由程序控制，準(zhǔn)確高效的程序編制尤為重要。目前，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)采用示教器在線編程。示教器在線編程過(guò)程中，工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)線上設(shè)備必須停工，導(dǎo)致設(shè)備利用率低，造成資源浪費(fèi)；同時(shí)工業(yè)機(jī)器人的操作煩瑣，操作不慎將導(dǎo)致機(jī)器人與工件、夾具等產(chǎn)生碰撞，造成機(jī)械手、工件和夾具損壞。高效安全編程成為工業(yè)機(jī)器人重要的研究課題[3-8]。采用虛擬機(jī)器人和工作站仿真平臺(tái)離線編程，機(jī)器人的操作更便捷，可以很清楚地觀察機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)情況，當(dāng)機(jī)械手、物料和夾具碰撞時(shí)，調(diào)整機(jī)器人位置，優(yōu)化路徑，在虛擬環(huán)境中不會(huì)造成因操作不慎產(chǎn)生碰撞損失。工業(yè)機(jī)器人離線仿真驗(yàn)證可以?xún)?yōu)化程序。離線編程實(shí)現(xiàn)最優(yōu)路徑編程,提供了一種方便、安全、高效編程。

1 機(jī)器人虛擬工作站創(chuàng)建

完整準(zhǔn)確的虛擬工作站搭建是離線編程與仿真的基礎(chǔ)，根據(jù)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)合搭建相應(yīng)虛擬工作站。工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用于搬運(yùn)、裝配、焊接、激光加工和精雕領(lǐng)域。下面以ABB工業(yè)機(jī)器人碼垛為例介紹虛擬工作站創(chuàng)建，在軟件RobotStudio中搭建虛擬工作站。

1.1 虛擬工業(yè)機(jī)器人創(chuàng)建

工業(yè)機(jī)器人是機(jī)電產(chǎn)品，包括機(jī)械本體、電氣系統(tǒng)，機(jī)器人基座、下臂、上臂和手腕構(gòu)成機(jī)械本體。在虛擬仿真平臺(tái)中，機(jī)器人基座、下臂、上臂和手腕各部分裝配一個(gè)整體本體。在軟件RobotStudi中有各種型號(hào)機(jī)器人模型庫(kù)，根據(jù)機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)合在機(jī)器人庫(kù)中選擇相應(yīng)型號(hào)機(jī)器人本體導(dǎo)入即可，機(jī)械人本體創(chuàng)建很便捷。電氣系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)由控制器、機(jī)器人操作系統(tǒng)OS、功能安全系統(tǒng)、示教器等軟件和硬件組成；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由配電保護(hù)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)器等硬件組成。機(jī)器人電氣系統(tǒng)控制器和驅(qū)動(dòng)器等設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜，但是在虛擬仿真平臺(tái)中不需要設(shè)計(jì)，只要新建系統(tǒng)即可。根據(jù)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)合導(dǎo)入相應(yīng)機(jī)器人模型和新建系統(tǒng)，在虛擬工作站創(chuàng)建虛擬工業(yè)機(jī)器人。通過(guò)軟件中自帶虛擬示教器操作工業(yè)機(jī)器人，完成相應(yīng)動(dòng)作操作。

1.2 虛擬現(xiàn)場(chǎng)創(chuàng)建

機(jī)器人虛擬現(xiàn)場(chǎng)包括工作場(chǎng)所、工作臺(tái)和生產(chǎn)線等創(chuàng)建。工作臺(tái)、輸送鏈、柵欄和置料垛盤(pán)等復(fù)雜三位模型實(shí)體創(chuàng)建是虛擬現(xiàn)場(chǎng)創(chuàng)建難點(diǎn)，通過(guò)UG、pro/e等三維軟件建模。在搬運(yùn)工作站中簡(jiǎn)單機(jī)器人位置墊料和物料等簡(jiǎn)單模型在RobotStudio中直接建模，在軟件中按照實(shí)際工作需要將三維模型擺放到合適位置即可完成虛擬現(xiàn)場(chǎng)創(chuàng)建。機(jī)器人的墊料、產(chǎn)品源(物料)、示教源(物料)、吸盤(pán)、工業(yè)機(jī)器人(4軸ABB IRB4600)、輸送鏈、置料垛盤(pán)、柵欄、機(jī)器人控制柜、傳感器和機(jī)器人控制系統(tǒng)組成工業(yè)機(jī)器人碼垛。

圖1 工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)工作站Fig.1 the industrial robot handling workstation

1.3 虛擬動(dòng)態(tài)效果創(chuàng)建

創(chuàng)建虛擬工作場(chǎng)景。在虛擬工作站中，存在產(chǎn)品不斷復(fù)制，輸送鏈運(yùn)輸產(chǎn)品，機(jī)械手抓取和釋放產(chǎn)品等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。通過(guò)不同傳感器檢測(cè)相應(yīng)信號(hào)控制各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。虛擬動(dòng)態(tài)效果建立是虛擬工作建立關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)，通過(guò)RobotStudio中Smart組件創(chuàng)建。在Smart組件中通過(guò)添加組件、屬性與連接、信號(hào)和連接建立動(dòng)態(tài)效果。

1.3.1 輸送鏈動(dòng)態(tài)效果的創(chuàng)建

在實(shí)際自動(dòng)碼垛生產(chǎn)線上，存在物料在輸送鏈運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在虛擬工作站中創(chuàng)建輸送鏈輸送產(chǎn)品動(dòng)態(tài)效果，使用Smart組件創(chuàng)建一個(gè)動(dòng)態(tài)輸送鏈。在創(chuàng)建Smart組件中，添加圖形拷貝組件source，選擇物料作為拷貝對(duì)象；添加對(duì)象隊(duì)列組件queue，將物料復(fù)制品作為queue隨著輸送鏈運(yùn)動(dòng)；添加線性移動(dòng)組件linearMove，將隊(duì)列中的復(fù)制品按照直線運(yùn)動(dòng)，因此目標(biāo)是queue，方向是復(fù)制品移動(dòng)的方向，速度是復(fù)制品移動(dòng)的速度；添加檢測(cè)對(duì)象組件PlaneSensor，并安裝在傳送鏈末端，作用是檢測(cè)運(yùn)動(dòng)到輸送鏈末端物料，傳感器檢測(cè)到物體，傳送鏈停下來(lái)，屬性中Origin、Axisl、Axis2是傳感器PlaneSensor所在的位置和大小，SensedPart是檢測(cè)到的物體，此處為空，信號(hào)Active置1，傳感器一直起作用。通過(guò)源對(duì)象選擇source、源屬性選擇Copy、目標(biāo)對(duì)象選擇Queue和目標(biāo)屬性選擇Back的屬性連接，實(shí)現(xiàn)了物料產(chǎn)生一個(gè)復(fù)制物料，復(fù)制物料作為下一個(gè)輸送對(duì)象，隨著輸送鏈運(yùn)動(dòng)。設(shè)定輸送鏈輸入和輸出信號(hào)，進(jìn)行信號(hào)連接。給定輸送鏈數(shù)字輸入信號(hào)，組件source復(fù)制一個(gè)物料，組件queue將物料自動(dòng)加入隊(duì)列傳送，復(fù)制物料運(yùn)動(dòng)到輸送鏈末端，當(dāng)傳感器PlaneSensor傳感器PlaneSensor檢測(cè)到復(fù)制物料，Queue退出隊(duì)列動(dòng)作，復(fù)制物料停止在輸送鏈前端動(dòng)態(tài)鏈接。

1.3.2 夾具動(dòng)態(tài)效果的創(chuàng)建

機(jī)器人搬運(yùn)物料時(shí)，頻繁執(zhí)行抓取和釋放動(dòng)作。在虛擬工作站中建立工具抓取和釋放動(dòng)態(tài)效果，使用Smart組件創(chuàng)建一個(gè)夾具動(dòng)態(tài)效果。在創(chuàng)建Smart組件中，添加檢測(cè)物料組件線傳感器LineSensor，并安裝在吸盤(pán)工具上，作用是檢測(cè)物料；添加組件Attacher，作用是抓取物料；添加組件detacher，作用是釋放物料。屬性連接將傳感器檢測(cè)到物料作為抓取對(duì)象，釋放時(shí)將抓取對(duì)象作為釋放對(duì)象。信號(hào)連接，給定吸盤(pán)輸入信號(hào)，線傳感器檢測(cè)到物料，組件Attacher抓取物料，組件detacher釋放物料動(dòng)態(tài)連接。

輸送鏈和夾具smart組件的輸出信號(hào)作為機(jī)器人的輸入信號(hào)，將機(jī)器人的輸出信號(hào)作為smart組件的輸入信號(hào)，輸送鏈、吸盤(pán)夾具和機(jī)器人建立動(dòng)態(tài)連接。

2 運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃與編程

工業(yè)機(jī)器人通過(guò)程序控制，按照最優(yōu)路徑執(zhí)行動(dòng)作，完成相應(yīng)任務(wù)。在編制工業(yè)機(jī)器人程序前，首先規(guī)劃最優(yōu)運(yùn)動(dòng)路徑。

2.1 運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃

根據(jù)機(jī)器人在虛擬工作站中完成任務(wù)及空間規(guī)劃最優(yōu)路徑，避免機(jī)械手和工作臺(tái)、工件等碰撞，規(guī)劃最優(yōu)路徑應(yīng)在機(jī)器人到達(dá)范圍內(nèi)。工業(yè)機(jī)器人工作場(chǎng)合和任務(wù)不同，運(yùn)動(dòng)路徑不同。搬運(yùn)工作站規(guī)劃路徑思路，規(guī)劃安全點(diǎn)，抓取高度點(diǎn)，抓取基準(zhǔn)點(diǎn)，放置高度點(diǎn)，放置基準(zhǔn)點(diǎn)，垛盤(pán)放置位置點(diǎn)。通過(guò)MovL、MovJ或MovC等插補(bǔ)指令，實(shí)現(xiàn)TCP從一節(jié)點(diǎn)向下一節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，避免運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)奇異點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃路徑編輯。

圖2 動(dòng)作流程圖Fig.2 the action flow chart

2.2 離線編制

RobotStudio自帶USER和BASE系統(tǒng)模塊，控制ABB機(jī)器人系統(tǒng)。在虛擬工作站中，根據(jù)規(guī)劃路徑，用虛擬示教編制用戶(hù)應(yīng)用程序。編程之前首先新建各種類(lèi)型數(shù)據(jù)，建立實(shí)際位置點(diǎn)(pActualPos)、安全點(diǎn)(pHome)、抓取基準(zhǔn)點(diǎn)(pPick)、放置基準(zhǔn)點(diǎn)(pPlaceBase)和垛盤(pán)放置位置點(diǎn)(pPlace)為robtarget數(shù)據(jù)類(lèi)型；建立碼垛充滿(mǎn)(bPulletFull)為bool數(shù)據(jù)類(lèi)型；建立垛盤(pán)物品初值(nCount)num為數(shù)據(jù)類(lèi)型；建立抓取工具吸盤(pán)(tGripper)為tooldate數(shù)據(jù)類(lèi)型。其次，創(chuàng)建裝有吸盤(pán)工具坐標(biāo)，根據(jù)吸盤(pán)重量和重心創(chuàng)建工具坐標(biāo)；輸送鏈和垛盤(pán)工件坐標(biāo)，利用三點(diǎn)示教法進(jìn)行創(chuàng)建；根據(jù)物料載荷確定有效載荷。在編程時(shí)選擇工具坐標(biāo)、相應(yīng)的工件坐標(biāo)和有效載荷，根據(jù)規(guī)劃路徑，通過(guò)虛擬示教器操作確定各個(gè)軌跡點(diǎn)位置。在搬運(yùn)不同階段，采用不同速度，搬運(yùn)過(guò)程中選擇合適速度，大大提高搬運(yùn)效率。在抓取物料高度點(diǎn)到放置物料高度點(diǎn)之間運(yùn)動(dòng)時(shí)，采用較高速度。編制main主程序、初始化程序、抓取程序、放置程序，完成對(duì)物料的搬運(yùn)。

圖3 程序流程圖Fig.3 the program flow chart

3 模擬仿真

將程序模塊導(dǎo)入RobotStudio中,對(duì)編制程序進(jìn)行仿真,模擬整個(gè)搬運(yùn)完成情況。通過(guò)仿真結(jié)果對(duì)機(jī)器人軌跡中不良的位置進(jìn)行檢查和修改，保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的有效性，并可以對(duì)工具坐標(biāo)的速度、加速度、奇異點(diǎn)或軸超限問(wèn)題等進(jìn)行優(yōu)化，提高效率; 檢查工業(yè)機(jī)器人路徑是否規(guī)劃路徑一致，若發(fā)生機(jī)械手和物料工作臺(tái)碰撞，調(diào)整運(yùn)動(dòng)軌跡，優(yōu)化離線編程。在RobotStudio創(chuàng)建虛擬工作場(chǎng)景中，仿真工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)10次物料碼垛2層的搬運(yùn),仿真結(jié)果達(dá)到搬運(yùn)要求，如圖4所示。

圖4 搬運(yùn)仿真圖Fig.4 the transport simulation diagram

結(jié)語(yǔ)

在RobotStudio中,搭建出能模擬一個(gè)逼真的工作場(chǎng)景動(dòng)態(tài)工作站,規(guī)劃搬運(yùn)路徑，設(shè)計(jì)動(dòng)作流程,根據(jù)搬運(yùn)設(shè)計(jì)要求編制相關(guān)程序。圖形仿真優(yōu)化路徑,避免碰撞和優(yōu)化程序,達(dá)到最優(yōu)效果。搬運(yùn)機(jī)器人搬運(yùn)物料離線編程和仿真增加了編程的直觀性,提高了效率,提供了優(yōu)化程序途徑,為機(jī)器人編程和調(diào)試創(chuàng)造了安全靈活的環(huán)境。機(jī)器人搬運(yùn)物料應(yīng)用非常廣泛,ABB搬運(yùn)機(jī)器人離線編程為機(jī)器人搬運(yùn)物料問(wèn)題的解決提供了一種思路和參考。