鄭 直

（上海信息技術(shù)學(xué)校 上海 200000）

0 引言

在工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計過程中，工業(yè)機(jī)器人在現(xiàn)代制造業(yè)中扮演著越來越重要的角色，其高效、精準(zhǔn)和可靠的自動化特性為生產(chǎn)線帶來了巨大的改進(jìn)。 然而，在實際部署機(jī)器人之前，進(jìn)行仿真和驗證是至關(guān)重要的步驟［1］。 工業(yè)機(jī)器人仿真工作站提供了一個虛擬環(huán)境，可以模擬機(jī)器人的運動、任務(wù)執(zhí)行和與周圍設(shè)備的交互，以評估和優(yōu)化機(jī)器人系統(tǒng)的性能。 人們對機(jī)器人進(jìn)行編程通常有兩種方式：命令式編程和機(jī)器學(xué)習(xí)。 命令式編程是一種通過編寫明確的指令和算法來控制機(jī)器人行為的方法，而機(jī)器學(xué)習(xí)是一種讓機(jī)器人通過數(shù)據(jù)和樣本自主學(xué)習(xí)并改進(jìn)其行為的方法［2］。

為完成工業(yè)機(jī)器人物料搬運的仿真工作站設(shè)計，本文利用第三方建模軟件Solidworks 制作工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如工具、夾具及周邊設(shè)備的模型，來豐富工業(yè)機(jī)器人本體生產(chǎn)廠商提供的離線編程和仿真軟件中的模型庫資源，完善離線編程模塊。 通過創(chuàng)建機(jī)器人工作站，導(dǎo)入三維模型，調(diào)整各個模型位置，進(jìn)行工作站布局，并設(shè)計smart 組件，進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人離線編程，完成軌跡路線示教、搬運等過程的仿真，旨在借助虛擬仿真運行軟件直觀地觀察物料搬運系統(tǒng)運行效果，修改配置相關(guān)參數(shù)，有效地指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)，縮短系統(tǒng)設(shè)計周期、提升編程效率，在一定程度上滿足柔性制造的要求，具有較大的生產(chǎn)實踐應(yīng)用意義［3］。

1 搬運工作站

工業(yè)機(jī)器人物料搬運工作站是指在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，使用機(jī)器人來執(zhí)行物料搬運任務(wù)的特定工作站。 工業(yè)機(jī)器人是自動化設(shè)備，具有多軸控制系統(tǒng)和可編程功能，它們能夠根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序和算法，在指定的工作區(qū)域內(nèi)進(jìn)行物料搬運操作。 并且工業(yè)機(jī)器人搬運工作站的控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)編程和控制機(jī)器人的運動，通過控制系統(tǒng)，操作員可以設(shè)定機(jī)器人的路徑、速度和動作序列，以及處理機(jī)器人與其他設(shè)備的通信和協(xié)調(diào)［4］。

搬運工作站任務(wù)是由工業(yè)機(jī)器人將圖1 中的上料架中的工件搬運到下料架的工件位置。 任務(wù)選用ABB IRB1410 工業(yè)機(jī)器人，其最大載荷為5 kg，最大臂展為1.44 m。 IRB1410 性能卓越，其結(jié)構(gòu)堅固可靠，噪聲低，使用壽命長。 被廣泛應(yīng)用于弧焊、物料搬運、碼垛等工程領(lǐng)域。

圖1 搬運場景示意圖

通過仿真軟件創(chuàng)建一個完整的可仿真工作站，可以在實際投入生產(chǎn)之前評估和優(yōu)化工作站設(shè)計、工藝流程和機(jī)器人任務(wù)，提高生產(chǎn)效率和安全性，并減少錯誤和成本［5］。運用仿真軟件可以用于創(chuàng)建和模擬工作站的虛擬環(huán)境的計算機(jī)程序。 這些軟件可以提供功能強大的仿真工具，模擬機(jī)器人、設(shè)備和工作站的行為，并進(jìn)行運動規(guī)劃和碰撞檢測等操作。 在真實環(huán)境中有機(jī)器人，工具，工作臺，待搬運的物塊等，在RobotStudio 中需要的就是相應(yīng)模型。

工業(yè)機(jī)器人本體模型從ABB 模型庫中直接添加。 機(jī)器人末端工具以及周邊設(shè)備模型，參考考證設(shè)備，使用SolidWorks 進(jìn)行三維建模。 根據(jù)考核內(nèi)容的多樣性，機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)為真空吸盤與抓手合并而成的工具，如圖2 所示。

圖2 工具三維模型

RobotStudio 支持多種格式的文件導(dǎo)入仿真環(huán)境中。在軟件界面菜單欄中【建?！肯碌摹緦?dǎo)入幾何體】中導(dǎo)入solidworks 中繪制的工作臺、搬運物塊、搬運工具以及外圍設(shè)備，調(diào)整各模型位置，搭建機(jī)器人搬運工作站。 如圖3所示。

圖3 機(jī)器人搬運工作站

2 創(chuàng)建工具數(shù)據(jù)與工件坐標(biāo)

在對工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行仿真編程之前，需要在虛擬環(huán)境下，根據(jù)工作站的真實情況，構(gòu)建相應(yīng)的坐標(biāo)環(huán)境，工業(yè)機(jī)器人的工件坐標(biāo)和工具坐標(biāo)系，通常會在編程前完成定義［6］。

企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，無論何種工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用，工業(yè)機(jī)器人的法蘭盤都會安裝相應(yīng)的工具，使得工業(yè)機(jī)器人更好地工作。 當(dāng)工業(yè)機(jī)器人安裝工具或夾具時，都需要對工業(yè)機(jī)器人安裝的工具進(jìn)行傳輸控制協(xié)議（工具中心點）設(shè)定。 同時，為了使得工業(yè)機(jī)器人更好地工作，還要基于被操作對象創(chuàng)建工件坐標(biāo)系。 那么，當(dāng)工作站中的工件位置發(fā)生變化后，只需要更改工件坐標(biāo)位置，所有路徑隨之更新。

在仿真軟件中，可以使用基本選項卡中的“其他—創(chuàng)建工件坐標(biāo)／創(chuàng)建工具數(shù)據(jù)”，通過取點的方式，創(chuàng)建物塊搬運任務(wù)所需要的工具數(shù)據(jù)和工件坐標(biāo)，如圖4所示。

圖4 搬運工作站工具數(shù)據(jù)和工件坐標(biāo)

3 設(shè)計Smart 組件

Smart 組件是RobotStudio 軟件實現(xiàn)虛擬仿真必不可少的功能，它是機(jī)器人輸入／輸出信號對仿真對象運動屬性控制的連接橋梁［7］。 機(jī)器人要在虛擬環(huán)境下實現(xiàn)真空吸盤對物料的吸取和放置效果，通常都會應(yīng)用到Smart 組件，相比事件管理器，它的功能更為強大。 Smart 組件不僅可以高度逼真地模擬現(xiàn)場設(shè)備的輸入／輸出接口，還可以實現(xiàn)邏輯控制等功能。

在軟件中搭建好仿真工作站后，要實現(xiàn)吸盤工具對物料的吸放效果，就需要在建模選項卡中新增Smart 組件，給幾何體賦予仿真的效果。

首先在工具末端吸盤上，添加一個線傳感器，以此檢測機(jī)器人吸盤工具是否接觸到搬運物塊，然后通過“Attacher”安裝對象和“Detacher”拆除對象，實現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人吸盤工具對物塊的吸取和放置動作效果。 數(shù)字信號之間的邏輯運算，則是通過“LogicGate”來實現(xiàn)。 工業(yè)機(jī)器人吸盤工具各子組件屬性連接關(guān)系如圖5 所示。

4 設(shè)定工作站邏輯

工作站的邏輯設(shè)定主要包含兩部分內(nèi)容，首先是把Smart 組件的輸入／輸出信號與工業(yè)機(jī)器人端的輸出或輸入信號進(jìn)行邏輯關(guān)聯(lián)，目的是將Smart 組件變成可以與工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行輸入／輸出通信的可編程控制器，實現(xiàn)后續(xù)的過程控制。

之后，是對Smart 組件與機(jī)器人端的信號通信進(jìn)行設(shè)定，從而完成整個工作站的仿真動畫［8］。 在系統(tǒng)中設(shè)定名稱為do＿Vac 的數(shù)字量輸出信號，作為控制吸盤打開和關(guān)閉的信號，使其與Smart 組件的中名稱為ditool 數(shù)字量輸入信號進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

5 工作站離線編程

5.1 物塊搬運流程設(shè)計

為了使工業(yè)機(jī)器人搬運工作站能夠按照給定的任務(wù)開展工作，需要對它進(jìn)行機(jī)器人程序設(shè)計。 其主要程序包括工作站初始化程序、工作站搬運程序和主程序等。 為了提高編程效率，在仿真工作站中進(jìn)行離線編程，先進(jìn)行物塊搬運流程設(shè)計，如圖6 所示。

圖6 搬運流程圖

5.2 工作站程序設(shè)計

基于搬運流程，編制搬運程序，代碼如下所示：

MoveAbsJ Home＼NoEOffs， v1000， z50， tool＿xipan； ！機(jī)器人回到原點

MoveJ Offs（P1，0，0，50）， v1000， z50， tool＿xipan； ！機(jī)器人運行至搬運過渡點

MoveL Offs（P1，0，0，0）， v1000， fine， tool＿xipan； ！機(jī)器人運行至搬運點位

Set do＿Vac； ！ 打開吸盤，吸取物塊

WaitTime 0.5； ！ 延時等待

MoveL Offs（P1，0，0，50）， v1000， z50， tool＿xipan； ！機(jī)器人帶著物塊垂直提升

MoveJ Offs（P2，0，0，50）， v1000， z50， tool＿xipan； ！機(jī)器人運行至放置過渡點

MoveL Offs（P2，0，0，0）， v1000， fine， tool＿xipan； ！機(jī)器人運行至放置點位

Reset do＿Vac； ！ 關(guān)閉吸盤，放置物塊

WaitTime 0.5； ！ 延時等待

MoveL Offs（P2，0，0，50）， v1000， z50， tool＿xipan； ！機(jī)器人回到放置過渡點

MoveAbsJ Home＼NoEOffs， v1000， fine， tool＿xipan； ！機(jī)器人回到原點

5.3 工作站仿真運行

通常情況下，編程完成之后，要運行機(jī)器人程序，使機(jī)器人在虛擬環(huán)境下仿真運行，驗證程序是否正確合理。 如果工作流程基本實現(xiàn)，還要對機(jī)器人的運行軌跡進(jìn)行分析，以確保機(jī)器人運行軌跡與實際工況一致，不會與周邊設(shè)備發(fā)生干涉，產(chǎn)生危險。

可通過TCP（工具中心點）跟蹤功能將工業(yè)機(jī)器人的實際運行軌跡記錄下來進(jìn)行分析，提取工具中心點在當(dāng)前工件坐標(biāo)系Wobj 中的實時速度和坐標(biāo)位置，如圖7所示。 最終優(yōu)化調(diào)試完成的程序，可以使用U 盤或者網(wǎng)線，導(dǎo)至真實設(shè)備，結(jié)合現(xiàn)場實際情況調(diào)試運行。

圖7 仿真運行測試結(jié)果

6 結(jié)語

本文使用SolidWorks 三維建模軟件和RobotStudio 離線編程軟件，結(jié)合實際應(yīng)用，設(shè)計了工業(yè)機(jī)器人物塊搬運仿真工作站，并完成了機(jī)器人工作站整體布局，工具數(shù)據(jù)和工件數(shù)據(jù)設(shè)定，工作站Smart 組件設(shè)計，工作站邏輯設(shè)定，以及搬運流程設(shè)計、路徑規(guī)劃、程序設(shè)計和仿真運行。

該工作站還可以根據(jù)實際應(yīng)用要求增加涂膠板、裝配臺等外圍設(shè)備，完成工業(yè)產(chǎn)品涂膠和電子產(chǎn)品裝配等操作，為開拓工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用場景、實現(xiàn)生產(chǎn)線的柔性設(shè)計、縮短系統(tǒng)設(shè)計周期和降低生產(chǎn)成本提供更多的實驗數(shù)據(jù)和實踐依據(jù)。