工業(yè)機器人自動上下料工作站仿真系統(tǒng)設計①

□□ 那亞莉

(山西職業(yè)技術學院，山西 太原 030006)

引言

制造業(yè)是國民經(jīng)濟的主體，是立國之本、興國之器、強國之基。目前，我國已成為工業(yè)機器人消費大國，但工業(yè)機器人技術研究尚處于起步階段，對集成制造系統(tǒng)自動生產(chǎn)線的設計、過程管理等方面缺乏系統(tǒng)深入的開發(fā)[1-3]。

工業(yè)機器人自動上下料生產(chǎn)線的虛擬仿真技術是借助虛擬現(xiàn)實技術、模擬生產(chǎn)環(huán)境，用更加經(jīng)濟、有效的方式對生產(chǎn)線進行合理配置，形成的工業(yè)機器人程序和數(shù)據(jù)將直接用于現(xiàn)場生產(chǎn)，避免因現(xiàn)場直接編程調(diào)試導致的停產(chǎn)或碰撞干涉等情況的發(fā)生。

依據(jù)國內(nèi)外相關研究情況，已有一些基于RobotStudio軟件的工業(yè)機器人自動化生產(chǎn)線仿真設計，但結合現(xiàn)場環(huán)境、工藝節(jié)拍等技術要求的系統(tǒng)集成自動生產(chǎn)線工作站的研究和應用略顯不足[4-7]。本文以工業(yè)機器人自動上下料工作站為研究對象，基于RobotStudio工業(yè)機器人仿真軟件，通過Smart組件、事件管理器等手段實現(xiàn)工業(yè)機器人和機床的運動仿真，并進行自動上下料工作站信號邏輯設定、軌跡規(guī)劃和工藝節(jié)拍調(diào)試。依據(jù)仿真模型直觀地檢測設備運行情況，改變系統(tǒng)參數(shù)，指導現(xiàn)場生產(chǎn)，極大地提高了生產(chǎn)過程設計效率，并可以滿足一定的柔性制造要求，具有較高的實用性。

1 工作站系統(tǒng)

工業(yè)機器人自動上下料工作站分別由工業(yè)機器人、數(shù)控機床、導軌、輸送鏈、控制柜等設備組成。工作站要求工業(yè)機器人抓取上料輸送鏈運來的毛坯件，為四臺數(shù)控機床完成自動上下料，成品件由下料輸送鏈運出，毛坯件和成品件均按照4×4模式碼放。工作站在運行期間，不需人工實時補料、取料。

為滿足任務要求，工作站選用了以下設備：

(1)ABB的IRB2600工業(yè)機器人，負載能力為20 kg，可達范圍為1.65 m。

(2)機器人導軌IRBT2005，軌跡長度為5 m。

(3)可實現(xiàn)同時夾取毛坯件和成品件的雙夾爪工具，由三維模型導入。

(4)實現(xiàn)物料運入運出的兩個輸送鏈，型號為600_guide，寬度為600 mm。

(5)數(shù)控機床4臺。

(6)其他設備，如機器人控制柜、安全圍欄等。

2 工作站系統(tǒng)仿真設計

根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場的任務要求，基于RobotStudio工業(yè)機器人離線編程軟件，對工業(yè)機器人自動上下料工作站進行了布局規(guī)劃、動作流程設計、路徑規(guī)劃、運動仿真等。

2.1 工作站布局規(guī)劃

根據(jù)生產(chǎn)環(huán)境、工藝節(jié)拍等工作要求，工作站需要一臺工業(yè)機器人分別為四臺數(shù)控機床上下料，數(shù)控機床可以兩兩并列分布，同時需要一個導軌輔助機器人的移動，擴大運動范圍。兩條輸送鏈分別完成毛坯件和成品件的供料、運料，分列兩側(cè)。各項設備模型由RobotStudio軟件自帶模型庫或三維模型文件導入，建立的工業(yè)機器人自動上下料工作站的布局規(guī)劃如圖1所示。

圖1 工業(yè)機器人自動上下料工作站的布局規(guī)劃

2.2 動作流程設計

在工作任務開始之前，工作人員將毛坯件以4×4模式碼放至托板上，由輸送鏈1運入工作站，待毛坯件托板運送到位，通過傳感器向機器人發(fā)送到位信號，工業(yè)機器人開始工作，運動至取料位置，夾爪1夾取毛坯件，運動至數(shù)控機床1附近，發(fā)送信號給數(shù)控機床1，機床停止加工并開門，夾爪2先將已加工好的成品件取下，再由夾爪1將毛坯件安裝至機床卡盤，機器人退出機床，發(fā)送上料完成信號，機床關門并開始加工；機器人運動至放料位置，由夾爪2將成品件以4×4模式碼放至成品件托板，機器人返回取料位置，繼續(xù)為下一個車床上下料，直至成品件托板達到飽和為止；最后由輸送鏈將成品件托板運出工作站。工業(yè)機器人自動上下料工作站系統(tǒng)動作流程圖如圖2所示。

圖2 工業(yè)機器人自動上下料工作站系統(tǒng)流程圖

2.3 工作站Smart組件設計

工業(yè)機器人自動上下料工作站中的仿真動畫效果可以通過RobotStudio軟件中的Smart組件功能來完成。機器人雙夾爪工具的抓放效果分別由安裝對象組件Attacher、拆除對象組件Detacher、線性傳感器LineSensor等子組件來實現(xiàn)，雙夾爪工具的各子組件屬性連接關系如圖3所示。兩條輸送鏈的傳輸效果則是在機械裝置創(chuàng)建的基礎上，由平面?zhèn)鞲衅鱌laneSensor、機械裝置到達位姿組件PoseMover等子組件來實現(xiàn)的，動態(tài)輸送鏈的各子組件屬性連接關系如圖4所示。機床動作仿真主要是由旋轉(zhuǎn)組件Rotator實現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)動，線性移動組件LinerMover2實現(xiàn)機床門和進給裝置的移動。工件隨托盤移動的仿真效果由事件管理器實現(xiàn)。

圖3 雙夾爪工具的各子組件屬性連接關系

圖4 動態(tài)輸送鏈的各子組件屬性連接關系

2.4 I/O信號創(chuàng)建與工作站邏輯設定

生產(chǎn)中由于通信數(shù)據(jù)量較大，工業(yè)機器人與移動導軌、機床、輸送鏈等設備之間的信號交互是通過PLC實現(xiàn)的，而在仿真工作站中，可以將Smart組件視作PLC，起到連接機器人與周邊設備的作用[8]。觸發(fā)Smart組件需要創(chuàng)建工作站I/O信號，設定工作站邏輯，與Smart組件中的I/O信號對應連接，再在機器人程序中編寫調(diào)用工作站信號，即可實現(xiàn)自動控制各個設備的仿真效果。工作站部分I/O信號配置見表1。工作站I/O信號與Smart組件中的I/O信號對應連接情況，即工作站邏輯設定情況見表2。

表1 工作站部分I/O信號

表2 部分工作站邏輯設定

3 路徑規(guī)劃與編程調(diào)試

3.1 路徑規(guī)劃

為使工業(yè)機器人能夠準確完成工作任務要求，需在工作站中進行示教編程。為提高編程效率，簡化工作量，可以先在工作站中進行路徑規(guī)劃。工業(yè)機器人在取毛坯件時，使用夾爪1，進入機床之前，需要先在工具轉(zhuǎn)換點將工具轉(zhuǎn)換為夾爪2，再進入機床進行下料，下料完成后再次轉(zhuǎn)換為夾爪1上料，完成后運動至成品件托板進行放料。工業(yè)機器人為其中一臺機床上下料的運動路徑如圖5所示。工業(yè)機器人自動上下料工作站路徑規(guī)劃如圖6所示。

圖6 工業(yè)機器人自動上下料工作站路徑規(guī)劃

3.2 編程調(diào)試

完成機器人路徑規(guī)劃后，將路徑同步到RAPID代碼，生成程序代碼，根據(jù)需要進行程序調(diào)試與優(yōu)化，經(jīng)離線驗證后，可通過網(wǎng)線接口將程序數(shù)據(jù)從PC端傳至機器人控制器，再根據(jù)現(xiàn)場設備情況進行調(diào)試后即可開始生產(chǎn)運行，RobotStudio也可保持與生產(chǎn)線同步運行。工業(yè)機器人自動上下料工作站的主程序和部分例行程序如下:

PROC main()

rInitialize; ！調(diào)用初始化程序

WHILE TRUE DO 程序循環(huán)

IF DI_cnv1_ok=1 THEN ！如果毛坯件托板到位

FOR i From 1 TO 4 DO ！開始4×4取放料

FOR j From 1 TO 4 DO ！開始4×4取放料

rPick; ！調(diào)用取料程序

rUnload; ！調(diào)用下料程序

rLoad; ！調(diào)用上料程序

rPlace; ！調(diào)用放料程序

rHome_Pick; ！調(diào)用回取料原點程序

ENDFOR

ENDFOR

ENDIF

ENDWHILE

ENDPROC

PROC rInitialize()

AccSet 100, 80;!加速度控制指令

VelSet 100, 800;!速度控制指令

rHome_Pick; ！調(diào)用回取料原點程序

rIni_Signal; ！重置工作站信號

ENDPROC

4 結語

結合生產(chǎn)情況，合理構建工業(yè)機器人自動上下料工作站布局，設置Smart組件動態(tài)屬性，完成自動上下料路徑規(guī)劃、離線編程和仿真調(diào)試。該工作站可以根據(jù)生產(chǎn)要求調(diào)整生產(chǎn)節(jié)拍，以工藝節(jié)拍1 min為例，可以將機器人最大運行速度設置為800，根據(jù)動作路徑將轉(zhuǎn)彎半徑設置為z0～z50，適當加快機器人在導軌上進行較大距離移動時的速度，經(jīng)仿真運行驗證，可滿足工藝節(jié)拍要求。該工作站還可以根據(jù)要求，調(diào)整機床數(shù)量、位置，增設其他設備，具有一定的柔性空間，為生產(chǎn)線設計提供了可行性依據(jù)，將大大縮短生產(chǎn)線的設計制造、調(diào)試周期，降低生產(chǎn)成本。