基于ROBOGUIDE的多功能機(jī)器人工作站設(shè)計(jì)與仿真

李向陽， 王俊

（1.南京康尼電氣技術(shù)有限公司，南京210038；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，南京210095）

0 引 言

目前工業(yè)機(jī)器人作為現(xiàn)代工業(yè)的三大支柱之一，已在汽車制造、電子電氣、橡膠塑料、冶金、鑄造、食品、化工、玻璃、家電、煙草等行業(yè)領(lǐng)域被廣泛用于焊接、噴涂、搬運(yùn)、涂膠、碼垛、裝配等[1]。Roboguide是日本FANUC工業(yè)機(jī)器人專用仿真軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)和機(jī)器人動(dòng)作模擬仿真功能，也可以對(duì)機(jī)器人動(dòng)作的干涉和工作范圍進(jìn)行分析，同時(shí)還能夠生成機(jī)器人離線程序等。本文利用Roboguide9.1仿真平臺(tái)，構(gòu)建了多功能機(jī)器人工作站，并對(duì)工作站功能進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果驗(yàn)證了工作站布局和各功能模塊設(shè)計(jì)的合理性。

多功能機(jī)器人工作站的功能要求是通過在快換工具庫內(nèi)更換不同功能的子抓手工具（多功能工作站設(shè)計(jì)有單吸盤工具、示教工具、氣爪工具3種），配合不同的功能模塊實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)功能平臺(tái)上的工件傳輸與搬運(yùn)、軌跡規(guī)劃、碼垛、裝配等功能。

1 多功能機(jī)器人工作站仿真模型的設(shè)計(jì)開發(fā)及處理

本文仿真構(gòu)建的多功能機(jī)器人工作站主要由基礎(chǔ)功能平臺(tái)、FANUC六自由度LR Mate 200iD-4S工業(yè)機(jī)器人、快換工具庫、工件傳輸與搬運(yùn)模塊、軌跡規(guī)劃模塊、碼垛與裝配模塊等功能模塊組成。工作站以LR Mate 200iD-4S工業(yè)機(jī)器人的工作范圍R=550 mm為參考，確定各功能模塊在機(jī)器人周圍的初始布局。

通過三維設(shè)計(jì)軟件，如SolidWorks、UG等依據(jù)工作站將要實(shí)現(xiàn)的功能，參考機(jī)器人的工作范圍進(jìn)行各功能模塊的尺寸大小和功能設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成后對(duì)每個(gè)功能組件進(jìn)行預(yù)處理以方便導(dǎo)入Roboguide仿真平臺(tái)。預(yù)處理時(shí)，首先將每個(gè)功能組件處理為組件固定部分、工件及運(yùn)動(dòng)零件或組件（如氣缸伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)的推桿及連接推塊）3部分，再以其底面幾何中心為原點(diǎn)設(shè)定為右手直角坐標(biāo)系，最后分別單獨(dú)存儲(chǔ)為仿真平臺(tái)能夠識(shí)別的IGES、STL等格式。

2 構(gòu)建多功能機(jī)器人工作站仿真平臺(tái)

Roboguide仿真平臺(tái)包括建模、布局、編程、仿真四大模塊，通過使用虛擬機(jī)器人控制技術(shù)來仿真模擬實(shí)際機(jī)器人作業(yè)[2]。下面將在前述已預(yù)處理的三維模型基礎(chǔ)上，進(jìn)行工作站仿真平臺(tái)的搭建。

2.1 新建New Work Cell并導(dǎo)入與實(shí)際配套的機(jī)器人

雙擊已安裝好的“ROBOGUIDE”圖標(biāo)，按步驟依次選擇“New Cell”、“HandlingPRO”（搬運(yùn)功能），在Name后輸入框內(nèi)輸入“多功能機(jī)器人工作站”，選擇“Create a new robot with the default HandlingPRO config.”，再選擇最高版本V9.1，再選擇與實(shí)際機(jī)器人對(duì)應(yīng)的“LR HandlingTool(H551)”，再選擇與實(shí)際機(jī)器人對(duì)應(yīng)的型號(hào)“Robot H754 LR Mate 200iD/4S”，再添加附加設(shè)備項(xiàng)目，如不添加額外的機(jī)器人或變位機(jī)，直接下一步添加各種應(yīng)用類型內(nèi)的軟件功能“Software Options”，可以添加附加軸控制、碼垛、伺服槍設(shè)置、視覺等功能，本示例選擇默認(rèn)，在“Languages”選擇“English Dictionary”后按下一步，最后按“Finish”完成生成仿真環(huán)境。

2.2 添加功能組件構(gòu)建多功能機(jī)器人仿真平臺(tái)

依據(jù)三維軟件中各功能組件的布局，在仿真環(huán)境內(nèi)的不同目錄內(nèi)添加已預(yù)處理好的三維模型，由于Roboguide仿真平臺(tái)是采用運(yùn)動(dòng)零件或部件的顯示與隱藏控制來實(shí)現(xiàn)工件的運(yùn)動(dòng)或抓取的，因此要在所有需要的位置添加工件并設(shè)置相關(guān)參數(shù)。構(gòu)建多功能機(jī)器人仿真平臺(tái)的布局參考及仿真平臺(tái)如圖1所示。

圖1 多功能機(jī)器人工作站仿真平臺(tái)和初始布局

1）Parts目錄，添加工件，與其它功能模塊關(guān)聯(lián)使用。用鼠標(biāo)右擊Parts，選擇Add Part→Single CAD File，在三維模型放置目錄選擇快換工具庫所對(duì)應(yīng)的單吸盤工具、示教工具、氣爪工具，工件傳輸與搬運(yùn)模塊對(duì)應(yīng)的工件，軌跡規(guī)劃模塊對(duì)應(yīng)的校準(zhǔn)尖錐，碼垛與裝配模塊的工件及包裝用盒蓋等進(jìn)行添加，并在設(shè)置選項(xiàng)卡的Mass設(shè)定參考質(zhì)量，在Scale設(shè)定比例（本文全部設(shè)定為1）。

2）Fixtures目錄，添加程序執(zhí)行時(shí)固定不動(dòng)的設(shè)備組件。用鼠標(biāo)右擊Fixtures，選擇Add Fixture→Single CAD File，在三維模型放置目錄選擇基礎(chǔ)工作臺(tái)架和軌跡規(guī)劃模塊進(jìn)行添加，并在設(shè)置選項(xiàng)卡的Location內(nèi)設(shè)置位置和角度。

3）Machines目錄，添加程序執(zhí)行時(shí)需要運(yùn)動(dòng)的設(shè)備組件。同F(xiàn)ixtures目錄的添加設(shè)備，用鼠標(biāo)右擊Machines添加快換工具庫、工件傳輸與搬運(yùn)模塊、碼垛與裝配模塊，其中添加快換工具庫和碼垛與裝配模塊后需要在模塊設(shè)置選項(xiàng)Parts內(nèi)添加相應(yīng)的工件，并在Parts選項(xiàng)內(nèi)的Part Offset選項(xiàng)設(shè)定每個(gè)工件的相對(duì)位置。在工件傳輸與搬運(yùn)模塊則需要用Link方式設(shè)計(jì)自動(dòng)落料、氣缸頂出、皮帶傳輸3個(gè)運(yùn)動(dòng)零件，設(shè)置Link方式時(shí)，先在LinkCAD選項(xiàng)內(nèi)，CAD File選擇對(duì)應(yīng)文件路徑的工件，LocationAxis Origin設(shè)置工件在功能模塊內(nèi)的相對(duì)位置，Scale設(shè)置尺寸；在General選項(xiàng)，設(shè)置工件的移動(dòng)方向；在Motion選項(xiàng)內(nèi)，Motion Control Type 設(shè)置控制方式為Device I/O Controlled，Axis Type設(shè)置運(yùn)動(dòng)方式為L(zhǎng)inear（直線），設(shè)置適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)速度，Inputs選項(xiàng)的Output Dev（控制方式）設(shè)置為Robot Controller1，IO Tag設(shè)置為機(jī)器人控器的對(duì)應(yīng)I/O標(biāo)簽，Value選擇ON或OFF，Location在Value為ON時(shí)設(shè)置為工件移動(dòng)的終點(diǎn)位置（長(zhǎng)度值），在Value為OFF時(shí)設(shè)置為工件回退位置（為0），同理，在Outputs選項(xiàng)設(shè)置相應(yīng)標(biāo)簽并設(shè)置相應(yīng)的Value和Location值；在Simulation選項(xiàng)內(nèi)，對(duì)會(huì)被抓取或放置的工件選中Allow part to picked和Allow part to be placed，同時(shí)設(shè)置時(shí)間為0sec。

4）Obstacles目錄，添加障礙物，可將圍欄、控制器等與機(jī)器人動(dòng)作無關(guān)的設(shè)備添加在此目錄內(nèi)。在本仿真平臺(tái)內(nèi)，同F(xiàn)ixtures目錄的添加設(shè)備，添加機(jī)器人控制器、示教器、示教工具尖錐等并設(shè)置相對(duì)位置。

5）機(jī)器人末端工具的添加。多功能機(jī)器人工作站的末端工具分為母?jìng)?cè)和子抓手，添加和設(shè)置手爪的過程中需要用到的選項(xiàng)卡為General、UTOOL、Parts和Simulation。添加時(shí)依據(jù)編程設(shè)定UT：1（搬運(yùn)吸盤）、UT：2（碼垛吸盤）、UT：3（碼垛氣抓）、UT：4（軌跡工具），如圖2所示。

圖2 多功能機(jī)器人工作站的末端工具設(shè)置

6)機(jī)器人Dressout目錄添加。機(jī)器人本體上Dressout目錄添加的主要有底座、管線支架和管線等。在仿真平臺(tái)Dressout目錄中添加機(jī)器人底座。

3 多功能機(jī)器人工作站離線編程與仿真驗(yàn)證

Roboguide仿真平臺(tái)編寫機(jī)器人程序時(shí)，可利用其提供的Move To功能快速移動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)，同時(shí)在實(shí)際操作機(jī)器人時(shí)是通過PLC或機(jī)器人控制信號(hào)來控制電磁閥實(shí)現(xiàn)氣缸動(dòng)作的，仿真則需要通過Simulation Program模擬程序來實(shí)現(xiàn)動(dòng)作。編程模擬程序的操作方法為：先右鍵點(diǎn)擊目錄中的Programs，再選擇Add Simulation Program，然后彈出命名窗口，確定程序名字后點(diǎn)擊確定，最后彈出Simulation Program Editor編輯程序窗口。在編輯窗口的Rrecord菜單下是插入運(yùn)動(dòng)指令功能，F(xiàn)orward是執(zhí)行當(dāng)前指令功能，Inst菜單下的Pickup和Drop是抓取和放下工件功能，其它是插入其它指令功能。對(duì)軌跡規(guī)劃模塊編寫的仿真程序如圖3所示，通過執(zhí)行程序發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人在動(dòng)作過程中出現(xiàn)多次MOTN-023報(bào)警（姿態(tài)有奇異點(diǎn)報(bào)警），經(jīng)多次驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)是因?yàn)樗O(shè)計(jì)機(jī)器人末端示教工具子抓手角度設(shè)計(jì)不合理所致，把現(xiàn)有彎曲角度45°改為30°，再次驗(yàn)證后問題得到解決。對(duì)其它功能模塊進(jìn)行同理驗(yàn)證，修改或調(diào)整不合理設(shè)計(jì)。

圖3 軌跡規(guī)劃模塊仿真程序

4 結(jié) 語

通過對(duì)多功能機(jī)器人工作站仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真分析，在工作站實(shí)施加工制造前，對(duì)不合理之處進(jìn)行修改調(diào)整。設(shè)備制造完成后，直接導(dǎo)入局部處理的仿真程序，其執(zhí)行結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，為設(shè)備安裝、調(diào)試及盡快投放市場(chǎng)節(jié)省了時(shí)間和成本[3]。其仿真程序經(jīng)局部處理后可在機(jī)器人本體上直接執(zhí)行，有助于工業(yè)機(jī)器人的教學(xué)和培訓(xùn)，減少了因失誤或操作不當(dāng)而造成的設(shè)備硬件損壞。