工業(yè)機(jī)器人寫(xiě)字工作站的研究*

武永強(qiáng)，于 濤，車(chē)恒恒

(1.遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 錦州 121000;2.塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

0 引言

工業(yè)機(jī)器人憑借其優(yōu)越的性能以及成熟的離線編程環(huán)境，在我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。用機(jī)器人代替人進(jìn)行作業(yè)時(shí)，必須預(yù)先對(duì)機(jī)器人發(fā)出指示,規(guī)定機(jī)器人應(yīng)該完成的動(dòng)作和作業(yè)的具體內(nèi)容，這個(gè)過(guò)程就稱(chēng)為對(duì)機(jī)器人的編程[1]。

對(duì)于工業(yè)機(jī)器人編程，一般可以分為兩種情況：一種是在示教器上直接編程，這種編程方法方便、快捷，適用于簡(jiǎn)單的程序編輯；另一種是在相應(yīng)的軟件中離線編程，然后再載入機(jī)器人控制柜中，這種編程方法復(fù)雜、可靠，適用于復(fù)雜的編程。

本文為了完善工業(yè)機(jī)器人寫(xiě)字工作站的編程、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜字體的書(shū)寫(xiě)、提高機(jī)器人編程效率，對(duì)離線編程技術(shù)進(jìn)行了研究，使用RobotStudio離線編程軟件完成了工業(yè)機(jī)器人寫(xiě)字工作站的建立及虛擬仿真，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)完成了特定字體的書(shū)寫(xiě)，驗(yàn)證了該離線編程方法的有效性。

1 工業(yè)機(jī)器人寫(xiě)字工作站的建立

工業(yè)機(jī)器人寫(xiě)字工作站的建立在工業(yè)機(jī)器人離線編程中起著至關(guān)重要的作用，直接影響到工業(yè)機(jī)器人在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中的可靠性[2-5]。

工業(yè)機(jī)器人寫(xiě)字工作站主要由ABB IRB120機(jī)器人、機(jī)器人基座、機(jī)器人控制柜、控制柜底座、末端工具Pen、桌面、寫(xiě)字工作臺(tái)、字體模型和地板Floor等組成。采用RobotStudio建立的工業(yè)機(jī)器人寫(xiě)字工作站如圖1所示。

圖1 工業(yè)機(jī)器人寫(xiě)字工作站

2 Smart組件的使用

在離線編程軟件RobotStudio中，工業(yè)機(jī)器人的末端工具Pen不能在寫(xiě)字工作臺(tái)上留下書(shū)寫(xiě)痕跡，所以不能夠直接看到寫(xiě)字的路徑，RobotStudio中的Smart組件專(zhuān)門(mén)解決此問(wèn)題[6-8]。

在工業(yè)機(jī)器人寫(xiě)字工作站中設(shè)置了顯示路徑的Smart組件和顯示筆畫(huà)的Smart組件，以“武”字的第一筆為例，路徑及筆畫(huà)顯示效果如圖2所示。

圖2 “武”字的第一筆路徑及筆畫(huà)顯示效果

在工業(yè)機(jī)器人落筆時(shí)顯示路徑，可以直觀地看到工業(yè)機(jī)器人末端工具Pen的筆尖沿著所示路徑運(yùn)行。在該路徑運(yùn)行完成起筆時(shí)顯示筆畫(huà)，表明該筆畫(huà)寫(xiě)完。顯示路徑和筆畫(huà)的Smart組件設(shè)計(jì)分別如圖3和圖4所示。

圖3 顯示路徑的Smart組件設(shè)計(jì)

圖4 顯示筆畫(huà)的Smart組件設(shè)計(jì)

3 工業(yè)機(jī)器人I/O信號(hào)板的創(chuàng)建及I/O口的配置

3.1 工業(yè)機(jī)器人I/O信號(hào)板的創(chuàng)建

工業(yè)機(jī)器人I/O信號(hào)板對(duì)工業(yè)機(jī)器人十分重要，工業(yè)機(jī)器人利用系統(tǒng)I/O信號(hào)板的I/O信號(hào)與工作站的其余設(shè)備進(jìn)行I/O通訊，I/O通訊可以很好地銜接機(jī)器人與工作站其他設(shè)備[9]。

工業(yè)機(jī)器人寫(xiě)字工作站中設(shè)備較少，故配置一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)板DSQC651(8輸入、8輸出)，并命名為board10，地址總線為10。在示教器中依次單擊“菜單”—“控制面板”—“配置”—“DeviceNet Device”，可添加或者查看I/O信號(hào)板[10，11]。

3.2 工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)I/O信號(hào)配置

為了能夠更加方便地操作工業(yè)機(jī)器人寫(xiě)字，這里適當(dāng)?shù)嘏渲霉I(yè)機(jī)器人系統(tǒng)I/O信號(hào)使外部信號(hào)能夠直接給工業(yè)機(jī)器人下命令。工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的I/O信號(hào)配置一般采用DeviceNet Device控制總線，在已經(jīng)創(chuàng)建好的board10標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)板上配置I/O信號(hào)。工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)部分I/O信號(hào)配置如表1所示。表1中的輸入信號(hào)需要連接到相應(yīng)的系統(tǒng)輸入才能啟動(dòng)機(jī)器人的相關(guān)操作。

表1 工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)部分I/O信號(hào)配置

3.3 工作站I/O信號(hào)配置

工作站的I/O信號(hào)就是模擬機(jī)器人輸入或者輸出所連接的外部信號(hào)，利用外部信號(hào)能夠有效地控制機(jī)器人和工作站中的其余設(shè)備。工作站部分I/O信號(hào)配置如表2所示。

表2 工作站部分I/O信號(hào)配置

4 機(jī)器人程序編輯及工作站邏輯設(shè)計(jì)

4.1 機(jī)器人程序編輯

本文利用RobotStudio離線編程軟件中的自動(dòng)路徑工具生成相應(yīng)的路徑，最后再生成相應(yīng)的程序。具體程序編輯步驟如下：

(1)在建立好工業(yè)機(jī)器人寫(xiě)字工作站以后，定義工具坐標(biāo)Pen_TCP以及工件坐標(biāo)系workobject_1。工具使用的是機(jī)器人庫(kù)中的“Pen”，機(jī)器人系統(tǒng)中有其相應(yīng)的工具數(shù)據(jù)，直接使用即可；工件坐標(biāo)系workobject_1基于寫(xiě)字工作臺(tái)上表面的一個(gè)直角建立，這樣有利于在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中示教工件坐標(biāo)系。

(2)利用離線編程軟件RobotStudio中的自動(dòng)路徑工具，從三維字體模型表面自動(dòng)生成路徑；重復(fù)利用該工具依次生成字體模型的所有筆畫(huà)，將會(huì)得到Path_10～Path_110這樣的11條路徑。

(3)選中每條路徑，利用路徑中的“自動(dòng)配置”、“沿著路徑運(yùn)動(dòng)”來(lái)驗(yàn)證生成的路徑是否正確；接著給每條路徑設(shè)定好程序的入口以及程序出口，設(shè)置速度和轉(zhuǎn)角半徑的可變量以便后期的優(yōu)化處理。

(4)將在工作站中的工具數(shù)據(jù)、工件數(shù)據(jù)以及路徑同步到PC即可有相應(yīng)路徑的例行程序生成；再增加初始化的例行程序rInitialize以及整個(gè)程序出入口的例行程序rPHome，保證機(jī)器人在運(yùn)行中斷后能再次啟動(dòng)從頭再來(lái)；最后編輯主程序，將各例行程序依照邏輯順序添加進(jìn)來(lái)。

(5)利用示教器中的程序自檢功能檢測(cè)程序的正確性，然后仿真運(yùn)行。

機(jī)器人主程序如下：

PROC main()！聲明主程序

jixielingdian;！機(jī)器人回到機(jī)械零點(diǎn)

rInitialize;！機(jī)器人初始化 rPHome;!機(jī)器人到程序入口

Path_10;！機(jī)器人開(kāi)始寫(xiě)字

Path_20;

Path_30;

Path_40;

Path_50;

Path_60;

Path_70;

Path_80;

Path_90;

Path_100;

Path_110;

rPHome;!機(jī)器人從程序入口出來(lái)

jixielingdian;！機(jī)器人回到機(jī)械零點(diǎn)

Stop;！機(jī)器人停止

ENDPROC

4.2 工作站邏輯設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人寫(xiě)字工作站中只有機(jī)器人和各種Smart組件，工作站的邏輯設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單。工作站的I/O連接機(jī)器人系統(tǒng)以及工作站中的Smart組件，用工作站邏輯中的設(shè)計(jì)窗口設(shè)計(jì)工作站邏輯。工作站部分I/O信號(hào)連接如表3所示。

表3 工作站部分I/O信號(hào)連接

5 仿真測(cè)試與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 仿真測(cè)試

本文通過(guò)建立工業(yè)機(jī)器人寫(xiě)字工作站、創(chuàng)建Smart組件、配置I/O信號(hào)、編輯機(jī)器人程序及工作站邏輯完成了工業(yè)機(jī)器人寫(xiě)字工作站的程序編輯，在離線編程軟件RobotStudio的仿真模塊中進(jìn)行仿真，工業(yè)機(jī)器人的寫(xiě)字過(guò)程如圖5所示。

圖5 仿真測(cè)試中工業(yè)機(jī)器人的寫(xiě)字過(guò)程

仿真結(jié)果表明:工業(yè)機(jī)器人寫(xiě)字工作站運(yùn)行流暢、安全可靠，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)目的；工業(yè)機(jī)器人寫(xiě)字過(guò)程流暢、寫(xiě)字效果真實(shí)可見(jiàn)。

5.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將機(jī)器人程序與數(shù)據(jù)導(dǎo)入機(jī)器人控制柜；修改工件坐標(biāo)系使其符合工作臺(tái)的高度要求；檢查無(wú)誤后開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。機(jī)器人的寫(xiě)字過(guò)程如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)中機(jī)器人的寫(xiě)字過(guò)程

通過(guò)改變寫(xiě)字的速度，觀察寫(xiě)字過(guò)程，在不同速度下寫(xiě)出的字體如圖7所示。

圖7 不同速度下寫(xiě)出的字體

通過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程可以看出，機(jī)器人寫(xiě)字動(dòng)作流暢、連貫性強(qiáng)、可靠性高；通過(guò)示教器模擬輸入信號(hào)可以使機(jī)器人啟動(dòng)和停止，驗(yàn)證了I/O信號(hào)的可靠性；機(jī)器人在不同的運(yùn)行速度下寫(xiě)出的字跡幾乎相同?？梢?jiàn)這種寫(xiě)字工作站的編程方法穩(wěn)定性高、重復(fù)精度好。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文利用RobotStudio離線編程軟件搭建了工業(yè)機(jī)器人寫(xiě)字工作站，并完成了工業(yè)機(jī)器人寫(xiě)字路徑的創(chuàng)建、寫(xiě)字程序的編輯以及寫(xiě)字工作站的仿真測(cè)試與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明:與現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)示教直接編寫(xiě)機(jī)器人寫(xiě)字工作站程序相比，本文所提出的基于離線編程軟件RobotStudio的寫(xiě)字工作站程序編輯方法有效提高了編程效率和寫(xiě)字路徑的準(zhǔn)確性。