基于Roboguide的搬運(yùn)機(jī)器人離線編程與運(yùn)動(dòng)仿真

唐 靜

(常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 江蘇常州 213164)

工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)的自動(dòng)化裝備[1]。隨著現(xiàn)代工業(yè)對(duì)產(chǎn)品加工效率和質(zhì)量要求的提高，以及勞動(dòng)力成本的增加，工業(yè)機(jī)器人在搬運(yùn)、焊接、噴涂等領(lǐng)域逐步得到廣泛應(yīng)用。其中，搬運(yùn)機(jī)器人可安裝不同的末端執(zhí)行器以完成各種不同形狀和狀態(tài)的工件搬運(yùn)工作，以減輕人類(lèi)繁重的體力勞動(dòng)。目前，世界上使用的搬運(yùn)機(jī)器人已超過(guò)10萬(wàn)臺(tái)，被廣泛應(yīng)用于機(jī)床上下料、自動(dòng)化生產(chǎn)線、裝配流水線、碼垛搬運(yùn)、集裝箱等自動(dòng)搬運(yùn)。

20世紀(jì)70年代末，機(jī)器人離線編程與仿真技術(shù)的研究開(kāi)始起步，國(guó)內(nèi)外各科研機(jī)構(gòu)和制造廠商紛紛投入大量的時(shí)間和精力并取得了豐碩的成果。Workspace是美國(guó)Robot Simulation公司發(fā)布的機(jī)器人仿真與離線編程軟件，精確性高、兼容性強(qiáng)，是首個(gè)商品化的基于微機(jī)的機(jī)器人離線編程軟件[2]。Roboguide是日本FANUC公司在自己生產(chǎn)的機(jī)器人的基礎(chǔ)上研發(fā)的一款仿真與離線編程軟件，通過(guò)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真，可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，同時(shí)可以估算周期時(shí)間[3]。這些離線編程與仿真軟件已比較成熟，本文基于Roboguide 9.0平臺(tái)，最終完成了某自動(dòng)化生產(chǎn)線中搬運(yùn)機(jī)器人工作站的離線編程與運(yùn)動(dòng)仿真。生產(chǎn)線的搬運(yùn)要求是，一臺(tái)6軸機(jī)器人將工件從工位1搬運(yùn)至檢測(cè)臺(tái)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)完搬運(yùn)至工位2，再由輸送鏈輸送至工位3，最后由一臺(tái)7軸機(jī)器人將工件從工位3搬運(yùn)至工位4的接料框中。

1 工作站的創(chuàng)建

1.1 搬運(yùn)機(jī)器人的添加

根據(jù)生產(chǎn)線的搬運(yùn)要求，工作站需要6軸和7軸搬運(yùn)機(jī)器人各一臺(tái)，以完成工件的整個(gè)搬運(yùn)。根據(jù)要求，6軸搬運(yùn)機(jī)器人選擇R-2000iC/165F型號(hào)即可。7軸搬運(yùn)機(jī)器人選擇M-10iA/12型號(hào)，勾選選項(xiàng)Extended Axis Control(J518)，并在TP上進(jìn)入控制啟動(dòng)模式，進(jìn)行第7軸實(shí)際電機(jī)類(lèi)型、軸類(lèi)型、軸安裝方式等設(shè)定。案例中7軸搬運(yùn)機(jī)器人的附加軸是平行于Y軸的直線軸。所有設(shè)定完成后，7軸機(jī)器人退出控制啟動(dòng)模式。利用Roboguide 9.0軟件庫(kù)中自帶的行走軸模型，建立一個(gè)運(yùn)行范圍為5米的機(jī)器人行走軸。

1.2 機(jī)器人工具的添加

機(jī)器人工具，即機(jī)器人的末端執(zhí)行器，如手爪、吸盤(pán)等。在Roboguide軟件中，首先選擇合適的機(jī)器人工具。6軸搬運(yùn)機(jī)器人直接選取EOATs庫(kù)中的grippers氣動(dòng)手爪，7軸搬運(yùn)機(jī)器人通過(guò)導(dǎo)入自己建模的文件“手爪_7axis.igs”。其次，設(shè)置機(jī)器人工具的位置數(shù)據(jù)和TCP位置，以確保仿真的正確運(yùn)行。工具的位置數(shù)據(jù)根據(jù)搬運(yùn)機(jī)器人手部末端的位置設(shè)定，設(shè)定完的工具能正確安裝在機(jī)器人的法蘭盤(pán)上。TCP位置為手爪的中心位置，可以直接輸入數(shù)據(jù)，也可以使用鼠標(biāo)直接拖動(dòng)工具坐標(biāo)系調(diào)整至手爪的中心位置。根據(jù)以上原則，分別為grippers氣動(dòng)手爪和手爪_7axis設(shè)置工具位置和TCP位置。

工業(yè)機(jī)器人有世界坐標(biāo)系和工具坐標(biāo)系等多個(gè)坐標(biāo)系，其運(yùn)動(dòng)軌跡上的各個(gè)插值點(diǎn)都是用工具坐標(biāo)系相對(duì)于世界坐標(biāo)系的期望位置與姿態(tài)來(lái)表述的。案例中6軸機(jī)器人的坐標(biāo)系如圖1所示，機(jī)器人末端安裝的氣動(dòng)手爪的TCP位置相對(duì)于世界坐標(biāo)系的坐標(biāo)為[155 0，0，200，0，180，180]。

圖1 6軸機(jī)器人坐標(biāo)系

1.3 工件的添加

在Roboguide軟件中，根據(jù)實(shí)際要求添加外形、大小和位置確定的工件Part。接著，定義每個(gè)機(jī)器人工具上的Part方向。運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)，搬運(yùn)機(jī)器人的grippers氣動(dòng)手爪需要執(zhí)行打開(kāi)和關(guān)閉兩個(gè)動(dòng)作，通過(guò)工具的“Simulation”選項(xiàng)可以設(shè)置上述兩種動(dòng)作。其次，在“Parts”選項(xiàng)中勾選需要搬運(yùn)的工件，并正確設(shè)置其位置和方向，否則機(jī)器人無(wú)法正確動(dòng)作。

1.4 機(jī)構(gòu)及其鏈接的添加

生產(chǎn)線的搬運(yùn)要求是，通過(guò)輸送鏈將6軸機(jī)器人搬運(yùn)、檢測(cè)完的工件由工位2輸送到工位3。首先，添加一個(gè)大小和位置固定的機(jī)構(gòu)(輸送鏈，長(zhǎng)度為3 600mm)。其次，在輸送鏈上工位2的位置下方添加一個(gè)鏈接Link1，并設(shè)置Link1的運(yùn)動(dòng)方向和控制方式，以及Link1上工件的位置和方向。

在上述主要內(nèi)容添加的基礎(chǔ)上，還需要添加工件物料臺(tái)、檢測(cè)臺(tái)、圍欄和接料框等周邊設(shè)備。創(chuàng)建完成的搬運(yùn)機(jī)器人工作站如圖2所示。

圖2 搬運(yùn)機(jī)器人工作站

此外，還需設(shè)置6軸和7軸搬運(yùn)機(jī)器人離線編程相關(guān)的輸送鏈運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)。當(dāng)6軸機(jī)器人的輸出信號(hào)DO[101]為OFF時(shí)，輸送鏈負(fù)向移動(dòng)0 mm，即在工位2的位置，到位后輸入信號(hào)DI[101]為ON。當(dāng)6軸機(jī)器人的輸出信號(hào)DO[101]為ON時(shí)，輸送鏈以500 mm/sec正向移動(dòng)3 500 mm，即移動(dòng)到工位3的位置后，7軸機(jī)器人的輸入信號(hào)DI[102]為ON，由此觸發(fā)7軸機(jī)器人的搬運(yùn)動(dòng)作。

2 離線程序的編寫(xiě)

2.1 仿真程序的生成

搬運(yùn)機(jī)器人的仿真動(dòng)作主要是對(duì)工件的抓取和放置。在Roboguide 9.0軟件中，插入Pickup(抓取仿真指令)或Drop(放置仿真指令)，再分別選取相應(yīng)的工件、機(jī)器人工具工作臺(tái)面即可。由Roboguide 9.0軟件自動(dòng)生成的6軸或7軸機(jī)器人的抓取和放置子程序，可以直接被下述的動(dòng)作程序調(diào)用[4]。

2.2 動(dòng)作程序的編寫(xiě)

根據(jù)生產(chǎn)線的搬運(yùn)要求，在Roboguide 9.0的虛擬TP上，分別編寫(xiě)6軸和7軸搬運(yùn)機(jī)器人的動(dòng)作程序。結(jié)合上述輸送鏈控制信號(hào)的設(shè)置，以7軸搬運(yùn)機(jī)器人為例，其控制流程如圖3所示。

圖3 7軸機(jī)器人的控制流程

動(dòng)作程序編寫(xiě)的重點(diǎn)是6軸機(jī)器人的輸入信號(hào)DI[101]、輸出信號(hào)DO[101]和7軸機(jī)器人的輸入信號(hào)DI[102]的正確傳遞。圖4是在Roboguide 9.0的虛擬TP上編寫(xiě)的7軸機(jī)器人的控制程序，用WAIT指令等待輸入信號(hào)DI[102]，用CALL指令分別調(diào)用抓取和放置的仿真子程序。6軸機(jī)器人的離線編程方法與之類(lèi)似。

圖4 7軸機(jī)器人動(dòng)作程序

3 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真

依靠正確的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的位置及姿態(tài)正確無(wú)誤的運(yùn)動(dòng)仿真。通過(guò)軌跡規(guī)劃算法，可以進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算以獲得機(jī)器人具體的運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)。通過(guò)Roboguide 9.0中搬運(yùn)機(jī)器人工作站的運(yùn)動(dòng)仿真，可以檢查是否有碰撞、動(dòng)作是否都正確等。圖5是7軸機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真軌跡，對(duì)應(yīng)圖4的程序顯示了從P[1]至P[6]點(diǎn)的位置和運(yùn)行速度等數(shù)據(jù)信息，且整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中無(wú)碰撞、動(dòng)作都正確。這驗(yàn)證了離線程序的正確性。經(jīng)運(yùn)動(dòng)仿真驗(yàn)證過(guò)的離線程序基本可以直接應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)線的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中，這可以大大縮短項(xiàng)目整個(gè)的設(shè)計(jì)和調(diào)試周期[5]。

圖5 7軸機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真軌跡

4 結(jié)束語(yǔ)

Roboguide軟件圍繞一個(gè)離線的三維世界進(jìn)行現(xiàn)實(shí)中各類(lèi)工業(yè)機(jī)器人及其周邊設(shè)備的布局的模擬，通過(guò)軟件虛擬TP的離線編程可以進(jìn)一步模擬運(yùn)動(dòng)軌跡。通過(guò)Roboguide軟件進(jìn)行搬運(yùn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真，可以監(jiān)控機(jī)器人搬運(yùn)過(guò)程中的每一個(gè)動(dòng)作。如果有問(wèn)題，可以提前修改離線程序并使其運(yùn)行正確。因此，基于Roboguide的工業(yè)機(jī)器人離線編程與運(yùn)動(dòng)仿真可以保證離線程序的正確性、提高項(xiàng)目的設(shè)計(jì)效率，并為現(xiàn)場(chǎng)安裝與調(diào)試節(jié)省時(shí)間和成本。

參考文獻(xiàn)：

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