樊琛，李濛，顏遠(yuǎn)遠(yuǎn)

(1.西安交通大學(xué) a.城市學(xué)院機(jī)械工程系；b.機(jī)器人與智能制造陜西省高校工程研究中心，陜西 西安 710018；2.西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

0 引言

隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人已被廣泛應(yīng)用在我國的制造業(yè)中，其中更是以搬運機(jī)器人的使用最為廣泛[1]。但在實際應(yīng)用中，搬運機(jī)器人的路徑設(shè)計大多依賴經(jīng)驗，較少進(jìn)行路徑的分析比較，難以得到較優(yōu)的機(jī)器人運動路徑來提高機(jī)器人工作效率[2]。因此虛擬仿真技術(shù)成為機(jī)器人+生產(chǎn)線路徑規(guī)劃的應(yīng)用已成趨勢。RobotStudio軟件是ABB公司專門開發(fā)的工業(yè)機(jī)器人離線編程軟件，具有CAD模型導(dǎo)入、離線編程、碰撞測試、仿真調(diào)試、路徑自動規(guī)劃等功能[3]。使用機(jī)器人仿真軟件進(jìn)行離線編程與動態(tài)仿真，模擬機(jī)器人運行狀態(tài)并實時顯示，反映潛在的問題，且不占用或消耗任何實際資源如機(jī)床設(shè)備、加工物料等，從而更合理地配置規(guī)劃生產(chǎn)資源、降低設(shè)計成本、提高設(shè)計效率[4]。

本次研究主要基于工業(yè)機(jī)器人機(jī)床上下料的工作環(huán)境和仿真需求展開。首先，對機(jī)器人給料產(chǎn)線進(jìn)行分析，設(shè)計整體布局，使用RobotStudio軟件對機(jī)床、夾具等建模，建立工業(yè)機(jī)器人上下料工作站。然后，設(shè)計機(jī)器人給料產(chǎn)線結(jié)構(gòu)與組成并建模，將模型導(dǎo)入到工作站中。另外，設(shè)計機(jī)器人給料產(chǎn)線工藝流程，調(diào)用Smart組件，配置I/O端口，進(jìn)行I/O信號的邏輯連接，編寫程序以完成動態(tài)仿真工作[5]。最后，對機(jī)器人給料產(chǎn)線進(jìn)行仿真與調(diào)試，檢查運行結(jié)構(gòu)是否達(dá)到指定目標(biāo)，對出現(xiàn)的問題給予優(yōu)化與調(diào)整，最終提出機(jī)器人與給料產(chǎn)線配合完成上下料解決方法。

1 機(jī)器人給料產(chǎn)線的整體設(shè)計

本文機(jī)器人給料產(chǎn)線仿真工作站緣于對35 m2老舊實驗室改造項目。該實驗室長為7 m，寬為5 m。該工作站由工業(yè)機(jī)器人手臂、上下料輸送鏈、數(shù)控機(jī)床和可編程控制器構(gòu)成[6]。工作站以PLC為控制核心，將機(jī)器人手臂、數(shù)控機(jī)床等裝置進(jìn)行通信連接與管理，實現(xiàn)了機(jī)器人與其他設(shè)備的協(xié)同工作，完成上下料產(chǎn)線仿真。工作站布局如圖1所示。

圖1 上下料工作站流程圖

送料裝置將待加工件毛胚料輸送至輸送鏈1的左端，機(jī)器人運動到上料位置吸住加工件毛胚料后到達(dá)數(shù)控機(jī)床門前，機(jī)床防護(hù)門打開，將加工件毛胚料放到指定加工地點后退出機(jī)床加工區(qū)域，機(jī)器人手臂停在機(jī)床防護(hù)門外等待加工件完畢后，機(jī)床防護(hù)門打開，機(jī)器人手臂將加工件取出后放到左側(cè)輸送鏈2，將加工件運輸?shù)侥┒?，由末端的傳感器進(jìn)行送出處理，機(jī)器人返回進(jìn)行第二次上下料。

2 機(jī)器人給料產(chǎn)線設(shè)計

2.1 機(jī)器人給料產(chǎn)線工作流程

啟動程序，機(jī)器人手臂回到初始化位置，上料傳動帶傳送毛胚，機(jī)械手對準(zhǔn)毛胚，下降夾起，轉(zhuǎn)到機(jī)床方向；傳感器感知信號，由程序驅(qū)動機(jī)床門打開，機(jī)械手將毛胚放于機(jī)床內(nèi)，機(jī)床門關(guān)閉，主軸轉(zhuǎn)動進(jìn)行加工；加工結(jié)束，機(jī)床門再次打開，機(jī)械手將已加工好的零件取出，轉(zhuǎn)向下料成品零件傳動帶，下降放置帶上，同時，機(jī)床門再次關(guān)閉。整個給料過程結(jié)束后，所有設(shè)備復(fù)位，為下一次操作做好準(zhǔn)備，該工作流程如圖2所示。

圖2 給料產(chǎn)線流程圖

2.2 非標(biāo)件建模

1)機(jī)床零件建模與組裝

機(jī)床在工作站中負(fù)責(zé)加工毛胚物料，是工作站中必不可少的設(shè)備。但在RobotStudio中沒有可供選擇導(dǎo)入的機(jī)床，因此需通過SolidWorks根據(jù)實際模型進(jìn)行建模。首先，建立標(biāo)準(zhǔn)零件的圖形庫，運用SolidWorks提供的基于特征實體的建模功能，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)零件的三維模型，并按其形狀、尺寸分別建立參數(shù)化模型庫。根據(jù)具體的設(shè)計需要，對模型庫零件的形狀和尺寸參數(shù)做出相應(yīng)的修改，可以獲得所需標(biāo)準(zhǔn)件三維實體模型，如圖3所示。

圖3 機(jī)床三維建模圖

將標(biāo)準(zhǔn)件與非標(biāo)準(zhǔn)件導(dǎo)入裝配體中，然后根據(jù)圖樣對零件進(jìn)行組裝，最后組合成為機(jī)床的裝配體。裝配體效果如圖4所示。

圖4 機(jī)床裝配圖

2)夾具的建摸

該工作站在上下料時采用真空吸盤式夾具搬運物料。真空吸盤主要針對材質(zhì)易碎、柔軟或體型不規(guī)則等難以夾起的物料，如薄壁曲面的物件等[7]。本次仿真加工件尺寸為300 mm×300 mm×200 mm的毛坯料。使用SolidWorks軟件進(jìn)行建模，模型如圖5所示。

圖5 吸盤式夾具模型圖

2.3 機(jī)器人及其他模型導(dǎo)入

在建好非標(biāo)件模型后，將非標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)模型導(dǎo)入工作站中。首先，打開RobotStudio軟件，從“ABB模型庫”中選取IRB 4600型機(jī)器人，導(dǎo)入至工作站中心位置。將制作的夾具模型導(dǎo)入RobotStudio軟件中，并改變?yōu)楣ぞ?，將?chuàng)建好的夾具導(dǎo)入工作站中，選擇安裝到IRB 4600。導(dǎo)入機(jī)床門模型與機(jī)床裝配體模型，使用創(chuàng)建機(jī)械裝置功能來實現(xiàn)機(jī)床開關(guān)門的操作[8]。從軟件的“ABB模型庫”中選擇Conveyor guide 400型號傳送帶，然后根據(jù)機(jī)器人工作范圍選定上料傳送帶和下料傳送帶位置，并在上料傳送帶末端添加一個毛胚料作為機(jī)床加工原料，傳送帶位置示意圖如圖6所示。

圖6 傳送帶放置示意圖

3 Smart組件與程序設(shè)計

3.1 工作站Smart組件建立

1)夾具Smart組件

進(jìn)行夾具的Smart組件建立，首先選擇“Attacher”將物體連接使其一起行動以達(dá)到夾取目的，選擇“Detacher”將連接拆除以達(dá)到松開物體的作用，選擇“LineSensor”來檢測物體之間是否有體積碰撞來實現(xiàn)鏈接物體的作用，最后選擇“LogicGate[NOT]”來實現(xiàn)數(shù)字信號的邏輯運算[9]。對夾具添加傳感器，來檢測是否有物體存在，添加位置如圖7所示。然后進(jìn)行邏輯連接。

圖7 夾具傳感器

2)機(jī)床Smart組件

創(chuàng)建名為“機(jī)床”的Smart組件，為到達(dá)自定義的位姿，添加兩個“PoseMover”，然后將開門與關(guān)門時的位姿分別添加至兩個組件中，選擇“LogicGate[NOT]”實現(xiàn)數(shù)字信號的邏輯運算。對Smart組件進(jìn)行邏輯連接時，首先選擇輸入信號DI_KGM1來控制開關(guān)門的輸入信號，在輸出端選擇輸出信號DO_KMOK1來控制開門動作，最后在輸出端選擇輸出信號DO_GMOK1來控制關(guān)門動作，控制流程如圖8所示，然后進(jìn)行邏輯連接。

圖8 車床控制流程圖

3)上料輸送鏈Smart組件

創(chuàng)建名為“輸送鏈1”的Smart組件，首先選擇“Source”創(chuàng)建指定圖形的拷貝，來實現(xiàn)加工件的產(chǎn)生；再添加“LinearMover”移動目標(biāo)對象，來保證運輸帶的傳輸功能；選擇“Queue”表示對象的隊列，來控制傳輸?shù)倪\輸方向和運輸速度，然后選擇“PlaneSensor”建立傳感器的平面；最后選擇“LogicGate[NOT]”實現(xiàn)數(shù)字信號的邏輯運算。對上料輸送鏈I/O信號連接解釋如表1所示。

表1 上料輸送鏈I/O信號

4)下料輸送鏈Smart組件

創(chuàng)建名為“輸送鏈2”的Smart組件，選擇兩個“PlaneSensor”建立兩個傳感器的平面，分別建立在加工件放置位置以及傳送帶末端；再添加“LinearMover”移動目標(biāo)對象，實現(xiàn)加工件在輸送帶上移動；然后選擇“Queue”表示對象的隊列，控制傳輸?shù)倪\輸方向[10]。對Smart組件進(jìn)行邏輯連接，由于這一過程只有傳感器參與使用，所以無需輸出端與輸入端，直接進(jìn)行邏輯連接[11]。

3.2 給料系統(tǒng)I/O信號的連接

將Smart組件導(dǎo)入工作站邏輯中，將I/O信號添加至控制器中，進(jìn)行整體給料產(chǎn)線的邏輯連接。首先發(fā)出DO_start信號，輸送鏈1接收到信號執(zhí)行傳輸加工件，當(dāng)加工件到達(dá)傳感器位置后輸出DO_Daowei信號傳送至傳感器，傳感器輸出DO_XIPAN信號，吸盤接收到夾取信號夾取加工件。在運輸過程中傳感器發(fā)送DO_KGM1信號控制機(jī)床的開關(guān),根據(jù)輸出DO_KGOK1和DO_GMOK1指令控制機(jī)床的開關(guān)門信號，機(jī)器人給料產(chǎn)線的I/O信號參考表2。

表2 機(jī)器人給料產(chǎn)線I/O信號

3.3 機(jī)器人給料程序設(shè)計

a)路徑點的選擇

通過示教器程序數(shù)據(jù)中的robtarget來確定路徑點目標(biāo)，包括初始目標(biāo)點Jpos10、夾取處目標(biāo)點p10、機(jī)床前等待處目標(biāo)點p20、機(jī)床加工處目標(biāo)點p30及下料處目標(biāo)點p40。

b)給料程序編寫

給料程序包括初始化模塊、上料模塊、機(jī)床門動作模塊、下料模塊。

1)初始化程序包括設(shè)定初始輸出的指令和工作站初始狀態(tài)。選擇MainModule程序模塊中的chushihua()模塊編寫工作站初始狀態(tài)的程序。初始狀態(tài)時控制器輸出DO_KGM1與DO_XIPAN信號來控制初始狀態(tài)時的機(jī)床位姿與夾具夾取狀態(tài)，設(shè)定初始目標(biāo)點jpos10，編寫運動控制、加速度控制以及速度控制。

2)工作站上料程序的編寫按以下流程：首先需要等待初始信號發(fā)出后，加工件開始傳送，到達(dá)上料傳送帶傳感器處，即目標(biāo)點p10；傳感器輸出DO_Daowei信號，控制器收到信號后，機(jī)器人手臂到達(dá)加工件所處p10目標(biāo)點處，然后控制器輸出信號DO_XIPAN，吸盤夾具將加工件吸住，將加工件夾取到機(jī)床門前p20目標(biāo)點處，在吸盤夾具運輸?shù)絧20目標(biāo)點處時，控制器輸入開門信號。

3)工作站機(jī)床門動作程序的編寫流程為：等到上料程序完成，機(jī)器人到達(dá)p20目標(biāo)點后，在機(jī)床門打開后等待一段時間再將加工件放入指定加工點，即目標(biāo)點p30，控制器輸出DO_XIPAN指令放下加工件，返回p20目標(biāo)點，等待加工完畢，然后開門，機(jī)器人返回p30目標(biāo)點，將加工件夾取出再次返回到p20目標(biāo)點。

4)工作站下料程序的編寫流程為：等待機(jī)器人手臂到達(dá)p20后，控制器輸出DO_KGM1信號控制機(jī)床門關(guān)閉，機(jī)器人手臂將加工件放置到目標(biāo)點p40，控制器輸出DO_XIPAN指令放下加工件，傳感器控制使加工件運出工作站；之后先將機(jī)器人手臂返回p20目標(biāo)點處，再返回初始目標(biāo)點jpos10，程序結(jié)束。最后通過初始指令中的WHILE循環(huán)，來進(jìn)行下一次給料。

4 仿真與調(diào)試

4.1 機(jī)器人給料產(chǎn)線仿真

機(jī)器人程序通過調(diào)用不同功能的子程序控制其完成相應(yīng)的動作，主要包括初始化程序、拾取放置程序、載荷測定服務(wù)例行程序等，同時為防止CPU超負(fù)荷還需編制循環(huán)檢測等待程序，編寫的機(jī)器人程序可同步至實際生產(chǎn)中。上料過程仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 上料仿真圖

4.2 結(jié)果調(diào)試與分析

在仿真調(diào)試過程中出現(xiàn)機(jī)器人手臂中途停止動作以及夾具無法夾取物料的問題。經(jīng)過程序分析與排查，通過優(yōu)化機(jī)器人運輸路徑及擴(kuò)大夾具傳感器范圍的方法解決了上述問題。實現(xiàn)了基于Smart組件的機(jī)器人給料產(chǎn)線工作站的設(shè)計與仿真，完成了機(jī)器人與機(jī)床配合完成從輸送物料、上料、加工等待、下料到下級輸送的整個仿真過程。

5 結(jié)語

本文介紹了機(jī)器人給料產(chǎn)線的設(shè)計方案，根據(jù)加工實例的要求，構(gòu)建了仿真生產(chǎn)線的布局，實現(xiàn)了ABB機(jī)器人自動上下料、搬運的路徑規(guī)劃、離線編程和仿真調(diào)試。為生產(chǎn)線設(shè)計提供了可行性的依據(jù)，將大大縮短生產(chǎn)線的設(shè)計制造、調(diào)試周期，節(jié)約成本，對深入研究和應(yīng)用機(jī)器人離線仿真技術(shù)起到一定作用。