基于Robotstudio的巧克力裝盒生產(chǎn)線(xiàn)仿真

（湖南科技職業(yè)學(xué)院 智能裝備技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410004）

0 引言

隨著科技進(jìn)步和企業(yè)之間競(jìng)爭(zhēng)加劇，各類(lèi)智能化生產(chǎn)線(xiàn)不斷出現(xiàn)。企業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的智能化程度和生產(chǎn)效率成為企業(yè)之間市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵。合理的生產(chǎn)線(xiàn)節(jié)拍是生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)與規(guī)劃的重要內(nèi)容，它既是成功組織生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線(xiàn)平衡的前提條件，又直接關(guān)系企業(yè)的生產(chǎn)效率。然而，生產(chǎn)線(xiàn)節(jié)拍設(shè)計(jì)和調(diào)試費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且一旦訂單需求發(fā)生改變，又可能需要重新設(shè)計(jì)和調(diào)試節(jié)拍[1]。近年來(lái)，并聯(lián)機(jī)器人因運(yùn)動(dòng)靈活、運(yùn)動(dòng)精度高等優(yōu)點(diǎn)，被食品生產(chǎn)企業(yè)用于糖果、巧克力、月餅等產(chǎn)品的分揀、裝盒。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，及其與生產(chǎn)線(xiàn)節(jié)拍的協(xié)調(diào)問(wèn)題是這類(lèi)生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)中的重要問(wèn)題。如果能在制造出生產(chǎn)線(xiàn)之前，或在不影響正常生產(chǎn)的條件下，模擬出機(jī)器人與生產(chǎn)線(xiàn)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行生產(chǎn)線(xiàn)節(jié)拍設(shè)計(jì)和仿真，則能縮短設(shè)計(jì)調(diào)試的時(shí)間，節(jié)省資源，避免不必要的返工。

文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)線(xiàn)的仿真研究多以焊接生產(chǎn)線(xiàn)為對(duì)象[2-5]，食品包裝生產(chǎn)線(xiàn)仿真研究較少。從使用的工具看，有些研究者使用Flexsim、ExSepct等工具進(jìn)行生產(chǎn)線(xiàn)的仿真優(yōu)化[6-7]。這一類(lèi)研究側(cè)重于生產(chǎn)線(xiàn)資源配置、布局或生產(chǎn)節(jié)拍的研究，未涉及機(jī)器人與生產(chǎn)線(xiàn)的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)。還有研究者運(yùn)用Tecnomatix Process Simulate、Delmia、Robotstudio等工具對(duì)含機(jī)器人的生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行仿真研究，主要涉及機(jī)器人的上下料、碼垛等，較少涉及到包含復(fù)雜控制的多條生產(chǎn)線(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真[8-11]。

本文在離線(xiàn)編程與仿真軟件Robotstudio中搭建了某巧克力裝盒生產(chǎn)線(xiàn)的仿真模型。對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)上的并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，分析了生產(chǎn)線(xiàn)節(jié)拍設(shè)計(jì)的原則。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行Smart組件設(shè)計(jì)制作和機(jī)器人離線(xiàn)編程，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜流水線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真。基于該仿真模型進(jìn)行了巧克力裝盒生產(chǎn)線(xiàn)的節(jié)拍設(shè)計(jì)。

1 創(chuàng)建裝盒生產(chǎn)線(xiàn)仿真模型

并聯(lián)機(jī)器人具有靈活性高、占地面積小、精度高等優(yōu)勢(shì)，能高效的處理輸送裝置上的流水線(xiàn)產(chǎn)品。根據(jù)工作范圍要求，選用ABB的IRB 360-1/1600型并聯(lián)機(jī)器人，下文簡(jiǎn)稱(chēng)IRB 360。ABB機(jī)器人配套的軟件Robotstudio，具有強(qiáng)大的離線(xiàn)編程和仿真功能。為了創(chuàng)建巧克力裝盒生產(chǎn)線(xiàn)仿真模型，首先在三維軟件中創(chuàng)建了輸送裝置、巧克力托盤(pán)及巧克力等模型。然后，將模型導(dǎo)入Robotstudio，進(jìn)行生產(chǎn)線(xiàn)布局。圖1為該巧克力裝盒生產(chǎn)線(xiàn)的整體布局及仿真模型。

2 巧克力裝盒生產(chǎn)線(xiàn)仿真設(shè)計(jì)

2.1 并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

對(duì)并聯(lián)機(jī)器人的裝盒運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)。IRB 360末端法蘭盤(pán)上安裝有吸盤(pán)，在吸盤(pán)末端的中心處定義工具坐標(biāo)系（TCP）。為了提高生產(chǎn)效率，巧克力拾取位置與托盤(pán)裝盒的位置之間的距離應(yīng)盡量小。對(duì)機(jī)器人路徑和運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了規(guī)劃，如圖2所示。從a→b→c，機(jī)器人從安全點(diǎn)到巧克力拾取點(diǎn)，吸附起巧克力。從d→e→f，機(jī)器人從過(guò)渡點(diǎn)到裝盒位置，根據(jù)9顆巧克力的不同放置位置進(jìn)行放置。放置后經(jīng)g路徑，經(jīng)b→c→d→e→f，再次進(jìn)行巧克力吸附、放置。托盤(pán)裝滿(mǎn)后，機(jī)器人經(jīng)h到安全位置等待下一托盤(pán)到位。

2.2 生產(chǎn)線(xiàn)節(jié)拍設(shè)計(jì)原則

該巧克力生產(chǎn)線(xiàn)節(jié)拍設(shè)計(jì)以保證生產(chǎn)線(xiàn)正常生產(chǎn)過(guò)程中巧克力和托盤(pán)流動(dòng)順暢，減小各個(gè)環(huán)節(jié)等待或滯留時(shí)間，防止出現(xiàn)阻塞和生產(chǎn)不飽滿(mǎn)為基本原則[12]。

運(yùn)送巧克力托盤(pán)的具體要求：

（1）托盤(pán)隨托盤(pán)輸送裝置移動(dòng)。當(dāng)托盤(pán)到達(dá)裝盒位置，延時(shí)一段時(shí)間，直至確認(rèn)托盤(pán)已準(zhǔn)確定位，托盤(pán)輸送裝置停止運(yùn)動(dòng)。此時(shí)托盤(pán)準(zhǔn)備就緒。第一個(gè)托盤(pán)應(yīng)先于巧克力到達(dá)裝盒位置。目的是待巧克力到位，機(jī)器人即可開(kāi)始裝盒。

（2）若托盤(pán)裝滿(mǎn)巧克力，應(yīng)立即啟動(dòng)輸送，后續(xù)托盤(pán)繼續(xù)向前輸送。機(jī)器人應(yīng)回安全點(diǎn)等待下一托盤(pán)到位。

（3）當(dāng)前一托盤(pán)通過(guò)裝盒位置，下一托盤(pán)應(yīng)移動(dòng)至裝盒位置，延時(shí)直至確認(rèn)托盤(pán)已準(zhǔn)確到位。此時(shí)，托盤(pán)準(zhǔn)備就緒，機(jī)器人又開(kāi)始下一次裝盒，如此循環(huán)。

運(yùn)送巧克力的具體要求：

（1）巧克力隨巧克力輸送裝置移動(dòng)。當(dāng)排頭的巧克力移動(dòng)到位，即移動(dòng)到巧克力輸送裝置末端pPick點(diǎn)，巧克力輸送裝置停止運(yùn)動(dòng)。

（2）機(jī)器人將排頭的巧克力取走后，巧克力輸送裝置重啟輸送，余下巧克力繼續(xù)沿輸送帶移動(dòng)。重復(fù)（1）、（2）過(guò)程，直到完成訂單需求。

為了盡量減少機(jī)器人等待時(shí)間，當(dāng)機(jī)器人完成前一個(gè)巧克力裝盒，回到抓取巧克力位置時(shí)，下一個(gè)巧克力應(yīng)當(dāng)已經(jīng)到位，等待機(jī)器人抓取。

3 Smart組件設(shè)計(jì)與制作

在巧克力裝盒生產(chǎn)線(xiàn)中，巧克力輸送運(yùn)動(dòng)、托盤(pán)輸送運(yùn)動(dòng)以及吸盤(pán)對(duì)巧克力的吸附和放置動(dòng)畫(huà)的設(shè)計(jì)和制作，對(duì)整個(gè)巧克力裝盒生產(chǎn)線(xiàn)的仿真起到重要的作用。Smart組件是Robotstudio軟件用來(lái)制作動(dòng)畫(huà)的重要工具。使用Smart組件設(shè)計(jì)并制作了3個(gè)Smart組件來(lái)實(shí)現(xiàn)巧克力裝盒生產(chǎn)線(xiàn)的動(dòng)畫(huà)效果。

吸盤(pán)Smart組件SC_Gripper用來(lái)實(shí)現(xiàn)吸盤(pán)吸附和放置巧克力動(dòng)畫(huà)。同時(shí)，放置到托盤(pán)里的巧克力要安裝到托盤(pán)，和托盤(pán)一起繼續(xù)沿輸送裝置移動(dòng)。按照該設(shè)計(jì)思路，制作吸盤(pán)Smart組件的過(guò)程如下：首先添加子組件，包括3個(gè)動(dòng)作子組件 Attacher1（安裝）、Attacher2（安裝）、Detacher（拆除），2個(gè)傳感器子組件Linesensor（線(xiàn)傳感器）和Planesensor（面?zhèn)鞲衅鳎?，邏輯信?hào)子組件Logicgate（邏輯非門(mén)）。Attacher1用來(lái)實(shí)現(xiàn)吸盤(pán)吸附巧克力動(dòng)畫(huà)。安裝在機(jī)器人吸盤(pán)上的線(xiàn)傳感器Linesensor檢測(cè)到的巧克力SensedPart，被安裝到吸盤(pán)。Detacher實(shí)現(xiàn)吸盤(pán)放置巧克力的動(dòng)畫(huà)。Detacher要放置的子對(duì)象Child是Attacher1安裝在吸盤(pán)上的對(duì)象Child。巧克力托盤(pán)裝滿(mǎn)9顆巧克力以后，要沿著托盤(pán)輸送裝置繼續(xù)向前移動(dòng)。Detacher拆除下來(lái)的巧克力，被安裝到面?zhèn)鞲衅鱌lanesensor檢測(cè)到的托盤(pán)上，便于裝盒后的巧克力和托盤(pán)一起沿輸送裝置運(yùn)動(dòng)。各子組件之間的屬性連結(jié)如表1所示。

表1 吸盤(pán)Smart組件屬性連接表

然后，為吸盤(pán)Smart組件SC_Gripper創(chuàng)建了2個(gè)數(shù)字輸入信號(hào)diGrip和diDetect，分別用來(lái)激活Linesensor（線(xiàn)傳感器）和Planesensor（面?zhèn)鞲衅鳎?。并按照?所示設(shè)定各子組件之間的信號(hào)連接。

表2 吸盤(pán)Smart組件信號(hào)連接表

巧克力輸送和托盤(pán)輸送的運(yùn)動(dòng)類(lèi)似，下面以托盤(pán)輸送Smart組件為例說(shuō)明設(shè)計(jì)與制作的過(guò)程。要實(shí)現(xiàn)的托盤(pán)輸送的效果是：托盤(pán)輸送裝置啟動(dòng)以后，托盤(pán)沿輸送裝置移動(dòng)。到達(dá)機(jī)器人裝盒位置后，托盤(pán)停止移動(dòng)。待托盤(pán)裝滿(mǎn)后，托盤(pán)又開(kāi)始沿輸送裝置移動(dòng)。并且，每隔一段時(shí)間有新的托盤(pán)自動(dòng)加入輸送裝置，隨輸送裝置一起移動(dòng)。按照該設(shè)計(jì)思路，制作托盤(pán)輸送Smart組件SC_Conveyer的過(guò)程如下：首先添加子組件，包括1個(gè)動(dòng)作子組件Source（創(chuàng)建拷貝），本體子組件LinearMover（沿直線(xiàn)移動(dòng)物體），傳感器子組件Planesensor（面?zhèn)鞲衅鳎?個(gè)信號(hào)子組件Logicgate（邏輯非門(mén)）和Timer（脈沖輸出），以及1個(gè)其它類(lèi)子組件Queue（隊(duì)列）。

托盤(pán)輸送Smart組件各子組件之間只有1個(gè)屬性連結(jié)，即每次Source執(zhí)行所創(chuàng)建的托盤(pán)拷貝，將作為要加入隊(duì)列Queue的對(duì)象，如表3所示。

表3 托盤(pán)輸送Smart組件屬性連接表

然后，為托盤(pán)輸送Smart組件SC_Conveyer創(chuàng)建了2個(gè)數(shù)字輸入信號(hào)diStart_T、diActsensor，1個(gè)數(shù)字輸出信號(hào)doInpos。

當(dāng)啟動(dòng)信號(hào)diStart_T置位，Timer開(kāi)始計(jì)時(shí)，每隔一定時(shí)間輸出脈沖。Timer的脈沖輸出將觸發(fā)動(dòng)作子組件Source執(zhí)行，創(chuàng)建托盤(pán)的拷貝。啟動(dòng)信號(hào)diStart_T置位，還將觸發(fā)LinearMover執(zhí)行，即托盤(pán)隊(duì)列Queue沿直線(xiàn)移動(dòng)。每隔一定時(shí)間間隔所生成的托盤(pán)拷貝都將加入隊(duì)列Queue，沿輸送裝置移動(dòng)。當(dāng)排頭的托盤(pán)移動(dòng)至機(jī)器人裝盒位置時(shí)，將觸發(fā)位于此處的面?zhèn)鞲衅鱌lanesensor，發(fā)出托盤(pán)到位信號(hào)doInpos。Planesensor檢測(cè)到托盤(pán)，同時(shí)會(huì)觸發(fā)LinearMover不執(zhí)行，Timer暫停計(jì)時(shí)，此時(shí)托盤(pán)隊(duì)列Queue停止移動(dòng)。

待托盤(pán)裝滿(mǎn)以后，為了盡量減少機(jī)器人等待時(shí)間，要立即執(zhí)行LinearMover。為了實(shí)現(xiàn)立即啟動(dòng)輸送，為托盤(pán)輸送Smart組件SC_Conveyer創(chuàng)建數(shù)字輸入信號(hào)diActsensor。通過(guò)控制程序復(fù)位該信號(hào)，使面?zhèn)鞲衅鱌lanesensor失效，Planesensor輸出信號(hào)從“1”變?yōu)椤?”，LinearMover重新執(zhí)行，Timer繼續(xù)計(jì)時(shí)。而機(jī)器人到安全點(diǎn)等待，待托盤(pán)完全通過(guò)后，再通過(guò)控制程序置位diActsensor，激活面?zhèn)鞲衅鱌lanesensor。如上所述，設(shè)定托盤(pán)輸送Smart組件各子組件之間的信號(hào)連接，如表4所示。

表4 托盤(pán)輸送Smart組件信號(hào)連接表

4 控制程序編寫(xiě)

依據(jù)對(duì)IRB 360并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，完成對(duì)巧克力抓取點(diǎn)、9個(gè)巧克力放置點(diǎn)以及安全點(diǎn)的示教，創(chuàng)建程序數(shù)據(jù)。對(duì)機(jī)器人控制器進(jìn)行了I/O信號(hào)的配置，完成了ABB機(jī)器人RAPID控制程序的離線(xiàn)編寫(xiě)。并通過(guò)工作站邏輯設(shè)定實(shí)現(xiàn)Smart組件與控制系統(tǒng)的信號(hào)交互。

在編寫(xiě)控制程序時(shí)，將機(jī)器人吸附巧克力、放置巧克力、計(jì)算放置位置等操作進(jìn)行了封裝和調(diào)用，以提高程序可讀性和可維護(hù)性。系統(tǒng)控制程序具體如下：

如圖3所示，為該巧克力裝盒生產(chǎn)線(xiàn)仿真控制流程圖。

5 仿真與優(yōu)化

基于該巧克力裝盒生產(chǎn)線(xiàn)的仿真模型進(jìn)行了機(jī)器人裝盒仿真。假設(shè)巧克力和托盤(pán)的輸送速度均為100 mm/s，巧克力投放的時(shí)間間隔為1 s，托盤(pán)投放的時(shí)間間隔為8 s。在控制程序中設(shè)定裝盒10件，使用RAPID計(jì)時(shí)指令和寫(xiě)屏指令，計(jì)算輸出裝盒總時(shí)間為402.764 s，則計(jì)算得到平均裝盒時(shí)間約為40.28 s/盒。機(jī)器人等待下一托盤(pán)到位的時(shí)間為8s，占平均裝盒時(shí)間的比例約為20%。這種情況下，無(wú)法滿(mǎn)足巧克力托盤(pán)運(yùn)送設(shè)計(jì)要求，即當(dāng)前一托盤(pán)通過(guò)裝盒位置，下一托盤(pán)應(yīng)移動(dòng)至裝盒位置，準(zhǔn)備就緒。

基于前述的巧克力生產(chǎn)線(xiàn)裝盒節(jié)拍設(shè)計(jì)原則，同時(shí)為了降低機(jī)器人等待時(shí)間占平均裝盒時(shí)間的比例，針對(duì)巧克力裝盒的節(jié)拍進(jìn)行了優(yōu)化。調(diào)整托盤(pán)投放時(shí)間間隔為3.54 s，滿(mǎn)足前一托盤(pán)通過(guò)裝盒位置，后一托盤(pán)正好到達(dá)裝盒位置的要求。同樣計(jì)算裝盒10件的時(shí)間，得到平均裝盒時(shí)間為35.81 s/盒。機(jī)器人等待下一托盤(pán)到位的時(shí)間3.54 s，占平均裝盒時(shí)間的比例下降到10%。

若要繼續(xù)提高裝盒效率，可通過(guò)增加托盤(pán)輸送速度、巧克力輸送速度，或提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)。基于該仿真模型可方便的調(diào)整該生產(chǎn)線(xiàn)輸送速度、機(jī)器人速度以及產(chǎn)品投放時(shí)間間隔等工藝參數(shù)，直觀(guān)的展現(xiàn)生產(chǎn)線(xiàn)上機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和裝盒節(jié)拍的協(xié)調(diào)效果，指導(dǎo)生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)整。

6 結(jié)語(yǔ)

基于Robotstudio進(jìn)行了巧克力裝盒生產(chǎn)線(xiàn)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和生產(chǎn)線(xiàn)節(jié)拍設(shè)計(jì)的仿真研究。使用該仿真模型和方法，能在不影響巧克力裝盒生產(chǎn)的情況下，根據(jù)生產(chǎn)需求，進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，得到機(jī)器人與輸送裝置協(xié)調(diào)運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)節(jié)拍設(shè)計(jì)和生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)整方案的驗(yàn)證。能夠縮短生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)和調(diào)試周期，降低成本，提高生產(chǎn)制造的效率。生產(chǎn)線(xiàn)輸送裝置的運(yùn)動(dòng)仿真及其與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)的方法，可用于其它具有多套輸送設(shè)備和復(fù)雜控制要求的生產(chǎn)線(xiàn)仿真。