基于IRobotSIM工業(yè)機器人上下料工作站仿真設(shè)計*

馮玉飛，鄧三鵬，祁宇明

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機器人及智能裝備研究院，天津 300222)

0 引 言

隨著德國工業(yè)4.0、美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及中國制造2025的提出，智能制造、自動化裝備等產(chǎn)業(yè)得到重點關(guān)注，我國制造業(yè)目前正在推進以提高產(chǎn)品質(zhì)量和企業(yè)生產(chǎn)效率為目標(biāo)的“機器換人”[1-3]，工業(yè)機器人極大地提高了五軸機床上下料效率，降低了人員安全事故的發(fā)生率，快速滿足工廠的大批量生產(chǎn)，提高了企業(yè)的市場競爭力[4]。

生產(chǎn)線節(jié)拍是影響著企業(yè)生產(chǎn)效率重要因素，在生產(chǎn)線投入進行前，通常需要耗費大量的人力和物力資源進行生產(chǎn)線節(jié)拍設(shè)計和調(diào)試，而且一旦訂單需求發(fā)生改變，又可能需要重新進行生產(chǎn)線節(jié)拍設(shè)計和調(diào)試，文獻檢索發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)線的節(jié)拍分析多以工業(yè)機器人調(diào)試為主，仿真優(yōu)化工具主要是RobotStudio和ROBO GUIDE，很少考慮到傳送帶、數(shù)控機床與工業(yè)機器人之間的協(xié)同設(shè)計[5-7]。

為提高工業(yè)機器人上下料工作站的設(shè)計效率，筆者通過對新設(shè)計的工作站進行全周期生產(chǎn)過程動態(tài)模擬和多視角觀察，得出單一工序的生產(chǎn)節(jié)拍，通過調(diào)節(jié)工業(yè)機器人和傳送帶的位置和運行速度，達到優(yōu)化工作站空間布局和生產(chǎn)節(jié)拍的目的，解決了生產(chǎn)線現(xiàn)場調(diào)試周期長的問題[8-11]。

1 上下料工作站整體布局

工業(yè)機器人上下料工作站如圖1所示，主要包括工業(yè)機器人、末端執(zhí)行器、五軸機床、毛坯件傳送帶、成品傳送帶和托盤等。工業(yè)機器人通過末端執(zhí)行器夾持毛坯件和成品件；毛坯件傳送帶用于輸送毛坯件，成品傳送帶用于把托盤輸送至工業(yè)機器人放置成品件的位置，當(dāng)托盤滿載后自動將滿載的托盤輸送至成品傳送帶末端，同時輸送下一個托盤。

圖1 工業(yè)機器人上下料工作站布局

2 搭建上下料工作站場景

在SolidWorks環(huán)境中設(shè)計工業(yè)機器人、五軸機床、傳送帶等組件的三維幾何模型，并將設(shè)計好的三維幾何模型以.stp格式導(dǎo)入IRobotSIM仿真環(huán)境中，通過拖拽三維幾何模型搭建工作站空間布局，建立工業(yè)機器人和五軸機床運動模型。

2.1 工業(yè)機器人運動模型建立

在IRobotSIM仿真環(huán)境中，將工業(yè)機器人合并為底座、末端執(zhí)行器和運動軸(一軸、二軸、三軸、四軸、五軸、六軸)三大部分，在各運動軸旋轉(zhuǎn)中心位置安裝旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，并設(shè)置旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運動最小行程、行程范圍和當(dāng)前位置，按照從底座到六軸的順序拖動旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和運動實體，采用樹形結(jié)構(gòu)建立各軸運動單元與旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運動關(guān)系，如圖2所示；建立執(zhí)行器末端點和目標(biāo)點，采用DLS阻尼最小二乘法實現(xiàn)執(zhí)行器末端點與目標(biāo)點逼近運算。

圖2 工業(yè)機器人運動模型

2.2 五軸機床運動模型建立

將五軸機床合并為底座、防護門、機床夾具、機床X軸、機床Y軸和機床主軸，其中防護門、夾具、機床X軸、Y軸均屬于直線運動，機床主軸為連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動；可以在防護門、機床夾具、機床X軸、Y軸的運動單元安裝平移關(guān)節(jié)，并設(shè)置平移關(guān)節(jié)的運動最小行程、行程范圍和當(dāng)前位置模擬各單元直線運動，在機床主軸添加旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，并將旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)置為無限行程模擬主軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動，五軸機床關(guān)節(jié)樹如圖3所示。

圖3 五軸機床關(guān)節(jié)樹

3 設(shè)定上下料工作站生產(chǎn)節(jié)拍

工業(yè)機器人上下料工作站仿真運行需要4個線性腳本同時驅(qū)動，通過線程腳本驅(qū)動各個運動單元按照設(shè)定的程序運動，實現(xiàn)從毛坯件到成品件的出料、上料、下料和收納動作仿真。線性腳本1的功能是將毛坯件輸送至工業(yè)機器人的抓取位置，同時觸發(fā)工業(yè)機器人抓取毛坯件；線性腳本2的功能是通過與工業(yè)機器人雙向通信確定毛坯件的位置，啟動五軸機床加工毛坯件程序，線程腳本1、2如表1所列。

表1 線程腳本1、2

線性腳本3的功能是工業(yè)機器人夾持毛坯件放置在五軸機床加工臺，將加工完的成品件放置在托盤中，完成2兩臺五軸機床輪流上料和下料；線性腳本4的功能是當(dāng)托盤滿載后，成品輸送帶自動將托盤輸送至末端，同時輸送新的托盤，線性腳本3、4如表2所列。

表2 線性腳本3、4

4 上下料工作站仿真運行

在IRobotSIM的虛擬環(huán)境中真實地模擬工作站的生產(chǎn)加工動態(tài)過程，通過多視角觀察和碰撞檢測，驗證工作站空間布局的合理性，如圖4所示，并記錄單一加工節(jié)拍生產(chǎn)時間，如表3所示。

圖4 工業(yè)機器人上下料工作站多視角過程

表3 單一加工工位生產(chǎn)節(jié)拍

通過調(diào)整設(shè)備的位置坐標(biāo)，對工作站的空間布局進行優(yōu)化；毛坯件從檢測位置輸送到抓取位置時間為4 s，工業(yè)機器人運動到抓取位置為2 s，在抓取毛坯件過程中，工業(yè)機器人等待時間為2 s，通過調(diào)節(jié)傳送帶輸送速度和移動距離傳感器的檢測位置，將毛坯件從檢測位置輸送到抓取位置時間調(diào)整為2.1 s，工業(yè)機器人等待時間調(diào)整為0.1 s，降低了工業(yè)機器人上下料的等待時間。若要繼續(xù)提高上下料效率，可通過增加托盤輸送速度、毛坯件輸送速度，或提高工業(yè)機器人的運動速度來實現(xiàn)。

5 結(jié) 語

分別對工業(yè)機器人上下料工作站的組成、工作站場景的搭建、工作站生產(chǎn)節(jié)拍的設(shè)定以及工作站仿真分析四個方面進行了論述，在IRobotSIM仿真環(huán)境中，通過對工作站進行全周期生產(chǎn)過程動態(tài)模擬和多視角觀察，驗證工作站的可行性、可靠性，找到工作站前期研發(fā)設(shè)計可能存在的缺陷。通過調(diào)整工業(yè)機器人、傳送帶等設(shè)備的位置坐標(biāo)，優(yōu)化工作站的空間布局；通過調(diào)整工業(yè)機器人運行速度、傳送帶輸送速度以及毛坯件投放周期等生產(chǎn)參數(shù)，優(yōu)化工作站的生產(chǎn)節(jié)拍，加快了生產(chǎn)線調(diào)試和迭代更新速度，為生產(chǎn)線建設(shè)或者工藝改進提供了新的智能解決方案。