基于ABB機器人的碼垛工作站仿真研究

馬再敏 韓渴望

摘? 要：在RobotStudio仿真軟件中對末端機械爪、托盤、物料、輸送鏈等進行建模，完成虛擬工作場景空間布局并創(chuàng)建碼垛工作站。進行外圍設備的Smart組件設計和信號連接，并與機器人本體建立通訊和控制關聯(lián)。在離線環(huán)境下，操作虛擬示教器示教基準點后采用偏移算法規(guī)劃路徑點，完成智能碼垛Rapid程序編寫和工作過程模擬仿真。研究結果表明：機器人工作站能成功實現物料碼垛任務過程，仿真過程中生成的機器人程序經過坐標變換后可以同步到實物機器人中進行實際運行。

關鍵詞：ABB機器人;碼垛工作站;虛擬仿真;Smart組件;I/O信號連接

中圖分類號：TP24? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）16-0145-04

Simulation Research on Palletizing Workstation Based on ABB Robot

MA Zaimin，HAN Kewang

（Changzhou Technician College of Jiangsu Province，Changzhou? 213032，China）

Abstract：In RobotStudio simulation software，model the end manipulator claws，pallets，materials，conveyor chains，etc.，complete the virtual work scene spatial layout and create a palletizing workstation. Carry out Smart component design and signal connection of peripheral equipment，and establish communication and control association with the robot body. In the offline environment，after operating the virtual teach pendant to teach the reference point，the offset algorithm is used to plan the path points，and the intelligent palletizing Rapid program is written and the work process simulation is completed. The research results show that the robot workstation can successfully realize the material palletizing task process，and the robot program generated in the simulation process can be synchronized to the physical robot for actual operation after coordinate transformation.

Keywords：ABB robot;palletizing workstation;virtual simulation;Smart component;I/O signal connection

0? 引? 言

目前，工業(yè)機器人在焊接、噴涂、碼垛、打磨等行業(yè)的應用已經十分普遍，取得的經濟效益也非常明顯。此外，工業(yè)機器人更是智能工廠的重要組成部分，能夠方便地與生產線實現相互聯(lián)動控制，在企業(yè)智能化升級改造中發(fā)揮著舉足輕重的作用。碼垛機器人工作站作為物流自動化生產線的關鍵設備，隨著無人物流技術的快速發(fā)展，在智能化和自動化方面也被賦予了更高的要求[1]。常州某物流科技有限公司在生產線規(guī)劃過程中，相應碼垛機器人無法到位，嚴重影響了整體工程進度，因此委托我校一團隊對該型機器人智能碼垛工作站進行離線仿真研究，對生產線規(guī)劃布局、智能控制程序和信號傳遞中存在的問題進行提前分析解決，以方便后期實際包裝碼垛過程的同步實現。

本研究以ABB機器人為對象，在RobotStudio中創(chuàng)建虛擬工作站，對生產線碼垛機器人的工作過程進行了仿真模擬，為實際機器人配置、編程、調試提供了技術參考。整個系統(tǒng)搭建分為四個層次：首先通過三維建模構建碼垛機器人工作場景，其次對模型設備進行Smart組件設計和I/O信號連接，接著創(chuàng)建機器人I/O信號板卡并與外圍設備控制信號配置關聯(lián)，最后規(guī)劃路徑點、編寫機器人程序實現智能工作站工作過程仿真和分析。

1? 虛擬工作場景建立

實際工業(yè)自動化過程項目中，除了機器人本體外還包括很多外圍設備，如搬運碼垛工程中的輸送鏈、放置托盤、物料等，焊接工程中的送絲機、工作臺、變位機等各設備之間協(xié)調運行才能構成整個自動化系統(tǒng)[2]。整個碼垛機器人工作場景布局如圖1所示。

選用的機器人型號為IRB2600，其承重能力為12 kg，有效工作范圍1.65 m[3]。機器人末端配備自己建立的簡易抓手模型，用來抓取物料。物料通過輸送鏈不停地輸送，當到達鏈的末端時由虛擬傳感器檢測“到位”信號。此信號反饋給機器人后，機器人會執(zhí)Rapid程序，輸出信號控制抓手進行夾緊/松開，并按照圖2所示要求將物料整齊、按順序地堆放在托盤上。

2? Smart組件設計和I/O信號連接

2.1? Smart組件設計

虛擬仿真中的Smart組件可以用來制作導入模型的動畫效果，從而實現外圍設備運動模擬[4]。

本研究以碼垛自動化過程項目為例，通過添加Smart組件實現了工作站系統(tǒng)“抓手”動作和“物料”輸送的動態(tài)效果，具體配置情況如表1、表2所示。

2.2? I/O信號連接

I/O信號連接用來實現各個單元Smart組件之間的信號交互[5]?！拜斔玩湣盨mart組件的信號連接關系如圖3所示。SimulationEvents組件在仿真開始時輸出脈沖信號1，當Source組件Execute端置1時會創(chuàng)建一個“物料”拷貝，完成復制后Executed端輸出1。Queue組件Enqueue端置1后，將產生的復制品執(zhí)行隊列分組和入隊操作。同時，PlaneSensor面?zhèn)鞲衅鹘M件一直處于激活狀態(tài)，仿真開始“物料”未到達監(jiān)測平面時，組件SensorOut端輸出脈沖信號0，與監(jiān)測平面相交時輸出信號1。該信號一方面作為整個“輸送鏈”組件DO信號（DSDW）輸出，另一方面經LogicGate[NOT]取反后分別驅動LinearMover和Timer組件。DSDW=0時，LinearMover組件按設置速度向前移動“物料”，且Timer組件間隔時間定時器開始計時;經過定時時間后Timer輸出1，Source組件重新復制1個“物料”跟著移動，此時“輸送鏈”上呈現“物料”等距離輸送的動態(tài)效果。DSDW=1時，Timer和LinearMover均停止，整個“輸送鏈”處于停止狀態(tài)。

“抓手”Smart組件的信號連接關系如圖4所示，從圖中可以看出外部DI信號ZS控制整個組件的動作。ZS=1時，PoseMover_1執(zhí)行“抓手”夾緊動作，LineSensor組件被激活，此時只要“物料”在抓取范圍內，傳感器監(jiān)測到對象后SensorOut端輸出1，Attacher組件就將“物料”對象與“抓手”模型綁定，實現機械爪取料的動作效果。其中，Attacher、Detcher組件的Child端為“已安裝對象”屬性，與LineSensor組件SensedPart端連接后表示組件模擬對象均為當前激活傳感器的“物料”對象。ZS=0時，經LogicGate[NOT]取反的信號1分別驅動PoseMover_2和Detcher組件。PoseMover_2執(zhí)行“抓手”松開動作，Detcher解除“物料”與“抓手”的綁定，兩者結合實現機械爪放料動作的模擬。

3? 機器人I/O板卡創(chuàng)建和信號配置關聯(lián)

完成外圍設備Smart組件和I/O信號連接后，還需要配置機器人I/O以便和外圍設備形成關聯(lián)控制。為此在機器人系統(tǒng)中配置了1個DSQC651標準I/O板（8個數字量輸入/輸出，2個模擬量輸出）來實現信號傳輸控制，總線地址設為10。為完成控制任務需要設置2個數字輸入輸出信號，分別為DI信號ROB_DSDW（關聯(lián)“輸送鏈”組件輸出DSDW）和DO信號ROB_ZS（關聯(lián)“抓手”組件輸入ZS）。在虛擬示教器“菜單”—“控制面板”—“配置”—“DeviceNet Device”和“Signal”下，完成板卡創(chuàng)建和I/O設置。

完成機器人內部信號定義后，需要進行信號連接也就是工作站邏輯設定?！拜斔玩湣鄙衔锪系竭_抓取位置后觸發(fā)“到位”信號（DSDW）被機器人中的ROB_DSDW接收，ROB_DSDW從0變?yōu)?。Rapid程序也從等待狀態(tài)變?yōu)橥聢?zhí)行，驅動機器人運動至取料位置后將ROB_ZS置1。當ROB_ZS=1時，控制信號ZS也置1，“抓手”實行夾緊動作完成物料抓取。程序中將ROB_ZS置位信號延時2s，確保“抓手”能完全運動到位實現夾緊，延遲結束后，機器人繼續(xù)執(zhí)行程序完成物料堆放。

4? 機器人系統(tǒng)編程與仿真

為簡化操作步驟，編程時采用偏移算法，只需示教3個基本目標點就可以完成碼垛任務程序。即輸送鏈末端抓取物料位置P1，托盤放置基準位置P2、P3。示教時設置工具坐標系ToolGrip，編程工件坐標系選用默認的Wobj0。在軟件“RAPID”菜單下的“Module1”選項的main函數中編機器人程序，代碼如下：

MODULE Module1

CONST robtarget

……

PROC main（）

VAR num ceng：=1;? ? ? ? ? ? ！碼垛層數值變量ceng，并初始化=1

VAR num x：=0;? ? ? ? ? ? ? ?！碼垛物塊個數數值變量x，并初始化=0

VAR num j：=0;? ? ? ? ? ? ? ?！一層豎排個數數值變量j，并初始化=0

VAR num K：=0;? ? ? ? ? ? ? ?！一層橫排個數數值變量k，并初始化=0

VAR num z：=0;? ? ? ? ? ? ? ?！高度方向偏置量z，并初始化=0

FOR i FROM 1 TO 20 DO

MoveJ offs（Target_10，0，0，300），v500，fine，ToolGrip; ！快速移動到抓取位置上方

Wait DI ROB_DSDW，1;? ? ? ?！等待物料到位信號DSDW， DSDW=1時，ROB_DSDW=1

MoveL offs（Target_10，0，0，0），v500，fine， ToolGrip; ！直線移動到抓取點

SetDO ROB_ZS，1;? ? ? ? ? ?！令機器人DO信號ROB_ZS=1時，“抓手”DI信號ZS=1

WaitTime 1.1;? ? ? ? ? ? ?！延時1.1s，等待“抓手”夾緊動作完成

MoveL offs（Target_10，0，0，300），v500，fine， ToolGrip;！直線移動到上方300mm處

IF ceng MOD 2=1 THEN? ? ? ！奇數層時

IF i MOD 5<4 and i MOD 5 <>0 THEN ！數量/5的余數<=3時，累成豎排

MoveJ offs（Target_30，100+x，-150，300+z），v500，fine， ToolGrip;

MoveL offs（Target_30，100+x，-150，100+z），v500， fine， ToolGrip;

SetDO ROB_ZS，0;? ? ? ? ?！ 松開

WaitTime 1.1;? ? ? ? ? ?！ 延時1.1s，等待松開動作完成，

MoveL offs（Target_30，100+x，-150，300+z），v500， fine， ToolGrip;

x：=x+250;? ? ? ? ? ? ！ 放好一個物塊后，將下一個物塊位置偏置距離計算

j：=j+1;

IF j=3 THEN? ? ? ? ? ?！ 當一層豎排放置滿3個后，令偏移距離重新初化

x=0，j=1

x：=0;

j：=0;

ENDIF

ELSE? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ！ 數量/5的余數=4時或0時，累成橫排

MoveJ offs（Target_20，150+x，-450，300+z），v500， fine， ToolGrip;

MoveL offs（Target_20，150+x，-450，100+z），v500， fine， ToolGrip;

SetDO ROB_ZS，0;

WaitTime 1.1;

MoveL offs（Target_20，150+x，-450，300+z），v500， fine， ToolGrip;

x：=x+400;

k：=k+1;

IF k=2 THEN

x：=0;

k：=0;

ENDIF

ENDIF

IF i mod 5=0 THEN? ?！偶數層時

……………………………

ENDPROC

ENDMODULE

考慮到物料厚度和機器人工作范圍，仿真時每個托盤上放置20個物料。程序編寫調試完成后，點擊仿真運行執(zhí)行程序，機器人按照5×4的結構進行碼垛，最終碼垛效果如圖5所示。從仿真結果分析，圖5托盤上的物料1層、3層時按圖2中奇數層規(guī)定的方式碼放，2層、4層時按偶數層規(guī)定的方式碼放，整個虛擬工作站符合規(guī)定碼垛任務需求，可以與實際生產線機器人進行工作站同步[6]。機器人碼垛速度可以改變Rapid程序中的TCP速度進行調整，同時仿真環(huán)境下也能設置碰撞模塊以監(jiān)視和顯示關鍵位置和對象是否會發(fā)生碰撞。

5? 結? 論

本文以碼垛機器人工作站系統(tǒng)研究對象，運用虛擬仿真技術，在PC環(huán)境下完成機器人系統(tǒng)的配置、調試、編程和仿真，生成的機器人離線程序經過坐標變換后可以同步到生產線機器人中進行實際運行。整個工作站系統(tǒng)設計方案的成功搭建和模擬不僅為設計者提供了更加靈活的評估環(huán)境，同時有助于縮短智能化生產線的研發(fā)周期，提高可靠性，對指導實際生產具有重要意義。

參考文獻：

[1] 陸葉.基于RobotStudio的機器人柔性制造生產線的仿真設計 [J].組合機床與自動化加工技術，2016（6）：157-160.

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[3] 葉暉.工業(yè)機器人典型應用案例精析 [M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.

[4] 王功亮，王好臣，李振雨，等.基于RobotStudio的碼垛機器人智能工作站仿真研究 [J].機電工程，2017，34（11）：1359-1362.

[5] 黃明鑫，惠為東.基于RobotStudio的機器人碼垛工作站仿真研究 [J].南方農機，2018，49（23）：43-44+51.

[6] CONNOLLY C，張利梅.ABB RobotStudio的技術與應用 [J].機器人技術與應用，2011（1）：29-32.

作者簡介：馬再敏（1987—），男，漢族，江蘇泰州人，工程師，碩士研究生，研究方向：機電一體化。