機床上下料機器人工作站的設(shè)計與運行

林雁飛 朱洪雷

摘要：在傳統(tǒng)機械加工行業(yè)中融入工業(yè)機器人實現(xiàn)加工過程的全自動化，是當前產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的熱點。現(xiàn)基于RobotStudio 6.07仿真軟件，結(jié)合SOLIDWORKS，創(chuàng)建了機床上下料機器人工作站。同時，對工作站各部件的模型及動態(tài)設(shè)計、機器人程序設(shè)計和工作站的調(diào)試與運行進行了分析，具有一定的研究價值和實際應(yīng)用意義。

關(guān)鍵詞：機床上下料機器人;RobotStudio;Smart組件;SOLIDWORKS

0 引言

傳統(tǒng)的機械加工行業(yè)因生產(chǎn)效率低、勞動強度大以及安全防護不足等原因，逐漸被集物料搬運、傳送、加工、檢測于一體的柔性制造系統(tǒng)替代。柔性制造系統(tǒng)是指由統(tǒng)一的信息控制系統(tǒng)、物料儲運系統(tǒng)和一組數(shù)字控制加工設(shè)備組成，能適應(yīng)加工對象變換的自動化機械制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing System，F(xiàn)MS）[1]。它由一個傳輸系統(tǒng)聯(lián)系起一些設(shè)備，包括工業(yè)機器人、數(shù)控機床、傳送鏈、立體倉庫、RFID等，系統(tǒng)通過工業(yè)機器人把工件送到各加工設(shè)備，使工件加工準確、迅速并實現(xiàn)了自動化。工業(yè)機器人作為FMS系統(tǒng)的一個重要組成構(gòu)件，是傳統(tǒng)制造業(yè)向智能制造產(chǎn)業(yè)升級的不可替代的重要裝備。機床上下料機器人取代人工，配合數(shù)控機床實現(xiàn)加工過程中零件的抓取、上下料、清掃、打磨、工件翻轉(zhuǎn)等工作，極大地節(jié)約了人工成本，有效減少了生產(chǎn)過程中的人為安全隱患，提高了生產(chǎn)效率。隨著加工效率的不斷提升，越來越多的生產(chǎn)制造廠將工業(yè)機器人引入實際生產(chǎn)中。工業(yè)機器人在機床上的應(yīng)用必定成為未來的一大發(fā)展趨向[2]。

工業(yè)機器人離線編程是利用計算機圖形學(xué)，在專門的軟件環(huán)境下構(gòu)建機器人及其工作環(huán)境的幾何模型，并通過規(guī)劃算法對圖形進行控制和操作，在離線狀態(tài)下對工作站工作過程進行控制。離線編程軟件分為通用型和專用型兩種，從應(yīng)用的角度出發(fā)，當明確機器人品牌時，優(yōu)先考慮專用型編程軟件。ABB RobotStudio離線編程軟件是采用了ABB公司的VirtualRobotTM技術(shù)，對ABB工業(yè)機器人的工作站進行了虛擬現(xiàn)實的構(gòu)建，通過可視化及可確認的解決方案和布局來獲得實際產(chǎn)品的可行性分析，是一款應(yīng)用很廣的ABB工業(yè)機器人專用仿真軟件[3]。本文基于RobotStudio 6.07仿真軟件，選取ABB IRB2600機器人進行工作站的布局。

1 機床上下料機器人工作站部件設(shè)計及布局

本設(shè)計實現(xiàn)了機械加工的全流程柔性生產(chǎn)，充分體現(xiàn)了智能制造的全自動化特性。工作站系統(tǒng)由工業(yè)機器人、立體倉庫、AGV小車、滑軌、取料機、數(shù)控機床等部件組成，工作站布局如圖1所示。由于機床上下料機器人工作站部件繁多，軟件系統(tǒng)中自帶的模型庫無法滿足設(shè)計需求，因此本設(shè)計采用SOLIDWORKS軟件對各部件進行創(chuàng)建。SOLIDWORKS軟件以其優(yōu)異的性能、易用性和創(chuàng)新性，極大地提高了機械設(shè)計的效率和質(zhì)量，目前已成為主流3D CAD軟件市場的標準[4]，其與RobotStudio軟件的兼容性，使得更為復(fù)雜的工作站設(shè)計成為可能。

1.1? ? 機器人及底座選型

結(jié)合機床上下料機器人的工作流程，本設(shè)計選取了ABB IRB 2600六軸機器人，這是一款中型搬運機器人，載荷量高達20 kg，常用于物料的搬運、上下料、弧焊等，具有同類產(chǎn)品中最高的精確度及加速度，可確保產(chǎn)量高及廢品率低，從而提高生產(chǎn)率[5]。在本工作站中，工業(yè)機器人在工件搬運過程中，需要往返于4臺數(shù)控機床與立體倉庫之間，采用滑軌控制工業(yè)機器人的位移，而滑軌與機器人之間需配置專用的底座IRBT 2005，以保證機器人位移時的穩(wěn)定性與到位精度。

1.2? ? 機器人夾具設(shè)計

本設(shè)計中的上下料機器人需要同時兼顧4臺機床的上下料工作，機床面向滑軌對立布局，結(jié)合生產(chǎn)過程，考慮到整個系統(tǒng)運行的效率及設(shè)計難度，設(shè)計采用雙夾具模式，在工業(yè)機器人法蘭盤的末端裝上兩套夾具，如圖2所示。這樣，第一次上料時，工業(yè)機器人到位后，可以同時給對立位的兩臺機床上料，而加工過程中，對一臺機床可以同時完成上料與下料的工作，最后完成加工時，也能做到兩臺機床同時下料，大大減少了機器人往返倉庫與機床的次數(shù)。不僅如此，機器人采用氣壓傳動的方式，反應(yīng)速度快，安全性和可靠性強，能耗小，大大節(jié)約了運行成本。在設(shè)計中需要創(chuàng)建夾具的機械裝置及Smart組件，實現(xiàn)軟件仿真的動態(tài)演示，夾具的Smart組件設(shè)計如圖3所示。

1.3? ? 數(shù)控機床的Smart組件設(shè)計

工作站創(chuàng)建了FEELER TV-510數(shù)控機床的整體部件，數(shù)控機床的主體部件在SOLIDWORKS軟件中完成裝配，導(dǎo)入RobotStudio后，設(shè)置氣動防護門、液壓卡盤，防護門開關(guān)和卡盤松緊分別由氣動電磁閥控制，防護門上裝有感應(yīng)開關(guān)，用于發(fā)出車床門關(guān)閉到位信號、車床門打開到位信號。數(shù)控機床裝配如圖4所示，對數(shù)控機床的防護門、加工軸承、加工夾具等進行了Smart組件的設(shè)計，如圖5所示。

1.4? ? 立體倉庫的Smart組件設(shè)計

如圖6所示，立體倉庫主要由取料機、貨架、料盤等部件組成，取料機到達取料點時，發(fā)出到位信號，倉庫配置的氣缸將料盤推出到取料機的托臺上，取料機運行到機器人取放點。加工以一個料盤為單位循環(huán)進行，設(shè)計中將供料和成品分置于同一料盤的不同位置，左邊放毛料，右邊放成品，結(jié)合工業(yè)機器人的雙夾具設(shè)計，可同時實現(xiàn)取料和放料，減少了機器人在供料倉與出料倉之間的流轉(zhuǎn)，提高了工作效率。

2 機床上下料機器人工作站的仿真設(shè)計

2.1? ? 機器人程序設(shè)計

根據(jù)機床上下料機器人工作站的工作流程，設(shè)計機器人程序。在用戶程序Module1模塊下，采用例行程序的方式對機器人的工作進行系統(tǒng)劃分，有助于理清控制思路。其中，主程序main（）主要通過條件判斷進行例行程序的調(diào)用，還有料盤位物料的搬運與碼垛程序chang_pick（）和change_put（），機床位毛料的上料程序put（）和成品的下料程序PICK（），四臺機床的上下料程序machine_toolA、machine_toolB、machine_toolC和machine_toolD，復(fù)位程序fuyuan（）等，如圖7所示。同時，機器人的位置示教點可以通過路徑規(guī)劃實現(xiàn)，不同的工藝過程用不同的路徑進行分類，便于修改調(diào)整，如圖8所示。

2.2? ? 工作站調(diào)試與運行

機床上下料機器人程序設(shè)計完成后，需要創(chuàng)建工作站邏輯信號，這是工作站調(diào)試的重要步驟。將工作站中的其他動態(tài)部件在Smart組件設(shè)計時創(chuàng)建的信號，與機器人的輸入輸出信號進行聯(lián)結(jié)，只有實現(xiàn)外圍設(shè)備與機器人的通信，才能實現(xiàn)工作站的動態(tài)運行。工作站邏輯設(shè)計如圖9所示。

3 結(jié)語

隨著智能制造的發(fā)展，工業(yè)機器人越來越多地介入到傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)中，成為產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的核心力量，逐步形成了“工業(yè)機器人+”的發(fā)展模式。本設(shè)計應(yīng)用SOLIDWORKS、ABB RobotStudio等仿真軟件信息化手段，對機床上下料機器人工作站進行了仿真，立體化展現(xiàn)了工作站的運行過程，對工業(yè)機器人系統(tǒng)集成的各個環(huán)節(jié)進行了驗證，為后續(xù)的真實場景搭建提供了有效方案。

[參考文獻]

[1] 百度百科.柔性制造系統(tǒng)[EB/OL].[2020-10-10].https：//baike.baidu.com/item/柔性制造系統(tǒng)/1288288？fr=aladdin.

[2] 熊雋.IRB1410型機床上下料機器人設(shè)計[D].成都：西南交通大學(xué)，2016.

[3] 朱洪雷，代慧.工業(yè)機器人離線編程（ABB）[M].北京：高等教育出版社，2018.

[4] DS SOLIDWORKS公司.SOLIDWORKS零件與裝配體教程（2016版）[M].杭州新迪數(shù)字工程系統(tǒng)有限公司，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2016.

[5] 機器人在線.最先進的工業(yè)機器人abb IRB2600資料[EB/OL].（2018-08-14）[2020-10-10].http：//www.imrobotic.com/news/detail/7225.

收稿日期：2020-12-02

作者簡介：林雁飛（1979—），女，福建福州人，講師，研究方向：工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)、微電子集成電路。