鄧華軍，段月紅，左偉平，謝明春，胡順興

（1.贛州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 贛州 341000；2.江西青峰藥業(yè)有限公司，江西 贛州 341000）

0 引言

涂膠是工業(yè)機器人的四大典型應(yīng)用之一[1]，其工作特點是運動路徑復(fù)雜、軌跡不規(guī)則，運動路徑常涉及許多曲線，并且工作站運行的現(xiàn)場條件惡劣，膠水等原料有毒有害，具有刺激性氣味。普通的示教編程方法精確度不高、效率低下，且具有一定的危險性，不再適應(yīng)涂膠應(yīng)用場合。虛擬仿真技術(shù)借助于機器人離線編程技術(shù)和計算機技術(shù)[2]，可以在虛擬環(huán)境中建立工作站的實際模型、規(guī)劃運動路徑、設(shè)置I/O通信、編制調(diào)試程序等，可以在不停工停產(chǎn)的條件下完成程序的編制或修改，降低了現(xiàn)場編程的風(fēng)險，大大提高了生產(chǎn)效率。RobotStudio是ABB公司開發(fā)的一款高效離線編程軟件，是市場上離線編程的領(lǐng)先產(chǎn)品[3]。其具有CAD文件導(dǎo)入、自動路徑生成、模擬仿真、碰撞檢測等功能[4]，可以實現(xiàn)涂膠工作站工作過程的模擬仿真及程序調(diào)試。陸葉[5]利用RobotStudio對機器人上下料的軌跡進行了仿真，利用Smart組件實現(xiàn)了放料手爪的動畫效果；郝建豹等[6]利用SolidWorks和Robot-Studio建立了機器人碼垛工作站的仿真模型，離線編制了機器人碼垛程序，實現(xiàn)了虛擬工作站的碼垛作業(yè)；孫增光[7]利用RobotStudio搭建了焊接機器人虛擬工作站，創(chuàng)建了相關(guān)的I/O信號并仿真運行了焊接程序，優(yōu)化了焊接參數(shù)；國內(nèi)還有學(xué)者[8]利用RobotStudio搭建了機器人分揀工作站、多機器人協(xié)作工作站等，離線編制了相關(guān)程序并進行了仿真運行，為虛擬仿真工作站的搭建和Smart組件的設(shè)計提供了一些思路和經(jīng)驗。但是對機器人涂膠工作站的仿真研究較少，在仿真工作站中對機器人如何自動裝載和卸載工具的動態(tài)設(shè)計也較少提及。因此提出了機器人涂膠工作站的仿真方法，并利用RobotStudio軟件的Smart組件創(chuàng)建了動態(tài)快換工具，實現(xiàn)了工業(yè)機器人對膠筆工具的自動裝載和卸載，仿真運行了涂膠程序，優(yōu)化了機器人的運行軌跡。

1 機器人涂膠工作站的建模與布局

以機器人技術(shù)應(yīng)用賽項競賽平臺為原型，分解出工作臺、工業(yè)機器人、涂膠畫板、快換工具、膠筆工具、膠筆支架組成涂膠工作站。工業(yè)機器人為ABB IRB120型，由RobotStudio的ABB模型庫直接導(dǎo)入。其它周邊設(shè)備由第三方建模軟件SolidWorks建立模型，雖然RobotStudio也具有建模功能，但是其建模功能不如專業(yè)建模軟件功能強大?？紤]到涂膠工作站的復(fù)雜性，利用專業(yè)建模軟件SolidWorks建立工作臺、涂膠畫板、膠筆、膠筆支架的三維模型，導(dǎo)入到Robot-Studio中布局成真實環(huán)境一樣的工作站。涂膠畫板如圖1所示，畫板中有五條軌跡，選?、谔栔本€軌跡和⑤號曲線軌跡作為本次仿真研究的路徑。布局好的涂膠工作站如圖2所示，工作站由工業(yè)機器人、膠筆工具、膠筆支架、涂膠畫板、快換工具5部分組成。

圖1 涂膠畫板

圖2 布局好的機器人涂膠工作站

2 仿真系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 工作流程

本涂膠工作站的工作流程為：機器人從Home點（工作原點）出發(fā)，運動到膠筆支架上膠筆工具拾取點，拾?。ㄑb載）膠筆工具后回到Home點（工作原點）；然后經(jīng)過過渡點運動到②號軌跡的起始點，完成②號直線軌跡的涂膠；再經(jīng)過過渡點運動到⑤號軌跡的起始點，完成⑤號曲線軌跡的涂膠；機器人完成涂膠工作后，將膠筆工具放回（卸載）膠筆支架上；最后機器人回到Home點（工作原點）。

2.2 工具和工件的創(chuàng)建

2.2.1 工具的創(chuàng)建

通過創(chuàng)建工具的方法可以將工具中心點（Tool Center Point，TCP）轉(zhuǎn)移到工具末端，并在工具末端自動生成工具坐標(biāo)系，從而減小目標(biāo)點示教時工具帶來的位置誤差。本案例中需要創(chuàng)建兩個工具，一個是快換工具Tool1，通過在RobotStudio中設(shè)定快換工具模型的坐標(biāo)系，將其轉(zhuǎn)換成具有ToolData屬性的工具，可以方便地示教膠筆工具拾取點P10的位置。另一個是膠筆工具Tool2，創(chuàng)建Tool2是為了將TCP轉(zhuǎn)移到筆尖處，方便涂膠目標(biāo)點位置的示教及TCP跟蹤。

2.2.2 工件的創(chuàng)建

為了方便用戶手動控制機器人規(guī)劃路徑和編寫程序，以涂膠畫板為基準(zhǔn)創(chuàng)建一個工件坐標(biāo)系Wobj1。采用三點法標(biāo)定工件坐標(biāo)系，選定軌跡所在平面作為坐標(biāo)系平面，選定一個頂點作為X軸上的第一點，選定X軸上的第二點和Y軸上的點，點的位置如圖3所示。

圖3 工件坐標(biāo)系的點位數(shù)據(jù)

2.3 動態(tài)Smart組件的設(shè)計

2.3.1 創(chuàng)建Smart組件

在本案例中，快換工具的動態(tài)效果主要包括：開始涂膠工作之前從膠筆支架上拾?。ㄑb載）膠筆工具，涂膠工作完成之后將膠筆工具放回（卸載）膠筆支架，并且可以自動置位復(fù)位真空反饋信號[9]。首先新建一個Smart組件命名為M_HandChangeStart，將創(chuàng)已建的快換工具設(shè)定為角色Role，使Smart組件具有工具屬性；然后添加線傳感器LineSensor組件，該傳感器位于快換工具與膠筆的接觸面上，用于檢測膠筆工具的到位狀態(tài)；接下來添加Attacher子組件以實現(xiàn)拾?。ㄑb載）動作效果，Attacher子組件父對象為快換工具，子對象為膠筆工具，添加Detacher子組件以實現(xiàn)釋放（卸載）動作效果；再下一步添加邏輯信號子組件Logicgate[Not]和LogicgateSRLatch，非門邏輯運算Logicgate[Not]用于實現(xiàn)當(dāng)數(shù)字輸入信號S_DIHand-Change_Start由1變0時觸發(fā)釋放（卸載）動作執(zhí)行，信號置位/復(fù)位子組件LogicgateSRLatch用于觸發(fā)真空反饋信號S_DOVacuumOK置位/復(fù)位動作。

2.3.2 創(chuàng)建屬性和信號的連接

屬性與連結(jié)是指已創(chuàng)建的Smart子組件之間需建立某些屬性之間的連結(jié)[10]，本案例需在M_Hand ChangeStart窗口的＜設(shè)計＞選項卡中添加線傳感器與Attacher子組件子對象之間的連結(jié)以及Attacher子組件子對象和Detacher子組件子對象之間的連結(jié)，以保證快換工具上的傳感器能檢測到膠筆工具，已添加的屬性連結(jié)如圖4所示。

圖4 組件的屬性與連結(jié)

2.3.3 創(chuàng)建信號與連接

創(chuàng)建好組件的屬性和連結(jié)之后就可以創(chuàng)建I/O信號及信號之間的連接關(guān)系，首先創(chuàng)建數(shù)字輸入信號S_DIHandChange_Start用于觸發(fā)拾?。ㄑb載）和釋放（卸載）動作，然后創(chuàng)建數(shù)字輸出信號S_DOVacuumOK用于觸發(fā)真空反饋信號，創(chuàng)建的Smart組件I/O信號如圖5所示。添加的組件信號之間的連接關(guān)系如圖6所示，最終實現(xiàn)拾取動作和釋放動作的執(zhí)行并反饋真空信號。

圖5 Smart組件的I/O信號

2.4 工業(yè)機器人系統(tǒng)的建立

2.4.1 建立工業(yè)機器人系統(tǒng)

根據(jù)組建好的涂膠工作站布局創(chuàng)建機器人控制系統(tǒng)[11，12]，創(chuàng)建好系統(tǒng)之后，RobotStudio軟件右下角的控制器狀態(tài)變成綠色，此時虛擬工作站具有與真實工作站一樣的功能，可在虛擬示教器中配置參數(shù)、編制調(diào)試程序等。

2.4.2 創(chuàng)建I/O板和I/O信號

DSQC652是ABB機器人最常用的標(biāo)準(zhǔn)I/O板[13，14]，其掛載在DeviceNet總線上。在虛擬示教器的控制面板中創(chuàng)建DSQC652板，地址為10。

創(chuàng)建好I/O板之后創(chuàng)建機器人I/O信號，I/O信號掛接在DSQC652板上。本案例需創(chuàng)建一個數(shù)字輸出信號用于控制快換工具拾取（裝載）和釋放（卸載）膠筆工具，一個數(shù)字輸入信號用作真空反饋信號[15]。創(chuàng)建的機器人I/O信號如表1所示。

2.4.3 設(shè)定工作站邏輯

設(shè)定工作站邏輯即是將Smart組件當(dāng)成與機器人通信的PLC，通過將Smart組件端的信號和機器人端的信號進行連接，最終實現(xiàn)涂膠工作站的仿真動畫。在本案例中需將Smart組件端的數(shù)字輸入信號S_DIHandChange_Start與機器人端的數(shù)字輸出信號HandChange_Start連接，將Smart組件端的數(shù)字輸出信號S_DOVacuumOK與機器人端的數(shù)字輸入信號VacuumOK連接。如圖7所示為連接好的信號。

圖7 Smart組件端信號和機器人端信號連接圖

3 工作站的編程與仿真調(diào)試

3.1 運動路徑的規(guī)劃

根據(jù)工作站的工作流程，規(guī)劃機器人的運動軌跡，機器人在開始運動之前和結(jié)束工作之后都應(yīng)回到工作原點。機器人在運動過程中規(guī)劃一定的安全過渡點，保證運動的流暢及機器人不與周圍設(shè)備發(fā)生碰撞。膠筆工具拾取點和釋放點位于同一位置，設(shè)定為P10點。⑤號路徑為復(fù)雜的曲線路徑，利用RobotStudio捕捉曲線軌跡，創(chuàng)建自動路徑，對軸參數(shù)配置后轉(zhuǎn)換成RAPID程序代碼，完成程序的編寫。

3.2 程序的設(shè)計

根據(jù)規(guī)劃好的路徑，將本案例中涂膠程序分為拾取膠筆程序、涂②號軌跡程序、涂⑤號軌跡程序、釋放膠筆程序四個子程序，利用主程序依次調(diào)用四個子程序，以完成整個工作流程。程序結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 程序結(jié)構(gòu)

主程序、拾取膠筆程序、涂②號軌跡程序、釋放膠筆程序直接在虛擬示教器的程序編輯器中編寫并完成目標(biāo)點的示教，涂⑤號軌跡程序由創(chuàng)建好的自動路徑同步到RAPID自動生成，然后在程序編輯器中調(diào)試優(yōu)化。

3.3 工作站的仿真

程序編寫好之后，在虛擬示教器中運行程序，利用TCP跟蹤功能監(jiān)控TCP的運行軌跡。如圖9（a）所示為正在涂膠時顯示的TCP運行軌跡，如圖9（b）所示為涂膠工作完成后顯示完整的TCP運行軌跡。從圖中可以看出：機器人準(zhǔn)確地沿著規(guī)劃路徑運動，順利地完成了涂膠工作。由此得出：利用RobotStudio軟件的Smart組件創(chuàng)建動態(tài)快換工具的方法是可行的，利用Smart組件可以設(shè)計出工業(yè)機器人對膠筆工具的自動裝載和卸載動態(tài)效果；可以利用設(shè)定工作站邏輯的方法實現(xiàn)工業(yè)機器人端信號和Smart組件端信號相關(guān)聯(lián)；通過虛擬仿真工作站運行涂膠程序，可以方便快速地調(diào)試和修改程序并觀察機器人的運動情況；利用RobotStudio的TCP跟蹤功能，可全程監(jiān)控工業(yè)機器人的運行軌跡。

圖9 TCP的運行軌跡

4 結(jié)語

利用SolidWorks強大的建模功能準(zhǔn)確地建立涂膠工作站三維模型，導(dǎo)入到RobotStudio中規(guī)劃好軌跡，創(chuàng)建并關(guān)聯(lián)好I/O信號，仿真運行了涂膠程序。虛擬工作站的應(yīng)用使機器人程序的編寫和修改更加方便和快捷。通過TCP跟蹤功能監(jiān)控TCP的運行軌跡，優(yōu)化了機器人運動路徑，驗證了程序的正確性和路徑的準(zhǔn)確性。利用虛擬仿真技術(shù)來規(guī)劃機器人的運動路徑和編寫調(diào)試程序，取得了預(yù)期的效果，為真實機器人工作站的設(shè)計和開發(fā)提供了思路和理論依據(jù)，可促進生產(chǎn)效率的提高。