工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真系統(tǒng)教學(xué)研究

方令權(quán)

(池州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 池州 247000)

一、緒論

自上世紀(jì)60 年代首臺(tái)機(jī)器人發(fā)明以來。機(jī)器人領(lǐng)域幾乎滲透到世界的各個(gè)領(lǐng)域。機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展水平已經(jīng)成為一個(gè)衡量國家高新科技水平和工業(yè)自動(dòng)化程度的重要標(biāo)志。工業(yè)機(jī)器人也是為了更好地落實(shí)《中國制造2025》總體部署，將機(jī)器人作為重點(diǎn)的發(fā)展領(lǐng)域，加快機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)已被越來越多的院校開設(shè)，工業(yè)機(jī)器人作為一門新的專業(yè)備受學(xué)者們的青睞，但其硬件設(shè)施幾十萬到幾百萬不等，學(xué)校不可能擁有這樣的資金儲(chǔ)備各種各樣的機(jī)器人系統(tǒng)，很多院校甚至沒有硬件設(shè)備，這樣遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。虛擬仿真技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)教學(xué)中成為必然。

二、Robotstudio 仿真軟件概述及優(yōu)點(diǎn)

Robotstudio 軟件是ABB 工業(yè)機(jī)器人配套的虛擬仿真軟件。在Robotstudio 中可以實(shí)現(xiàn)CAD 導(dǎo)入、自動(dòng)路徑生成、碰撞檢測、在線作業(yè)。模擬仿真、應(yīng)用功能包以及二次開發(fā)等功能。將 Robotstudio 仿真軟件應(yīng)用到工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)教學(xué)中具有以下優(yōu)勢：

（一）機(jī)器人仿真教學(xué)貼近實(shí)際應(yīng)用，一套簡單的工業(yè)機(jī)器人工作站需要幾十萬的資金，要使工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用 滿足在各行各業(yè)，那么教學(xué)需求應(yīng)達(dá)到相同規(guī)模，這樣的經(jīng)費(fèi)投入又限制了，不可能同時(shí)采購各種工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，在這種學(xué)校實(shí)訓(xùn)資源不足的情況下，采用各種典型機(jī)器人虛擬仿真系統(tǒng)可以滿足學(xué)生學(xué)習(xí)要求。

（二）保障學(xué)生及設(shè)備安全，工業(yè)機(jī)器人作為機(jī)電一體化技術(shù)的高端載體，必須高度重視安全問題，保障學(xué)生人身安全的同事也要保障避免操作對(duì)設(shè)備的損 害，在調(diào)試操作工業(yè)機(jī)器人的時(shí)候操作人員必須在安全范圍內(nèi)調(diào)試，對(duì)于實(shí)操教學(xué)過程中，學(xué)生對(duì)工業(yè)機(jī)器人沒有一定了解的前提下操作機(jī)器人必然存在安全隱患。工業(yè)機(jī)器人課程采用仿真教學(xué)，學(xué)生在實(shí)際操作之前對(duì)工業(yè)機(jī)器人及其設(shè)備的結(jié)構(gòu)，操作，軌跡規(guī)劃有一定的直觀印象。

三、Robotstudio 在專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

（一）構(gòu)建仿真工業(yè)機(jī)器人工作站

工業(yè)機(jī)器人仿真在機(jī)器人基礎(chǔ)課程上進(jìn)行學(xué)習(xí)，同時(shí)為后續(xù)學(xué)工業(yè)機(jī)器人離線編程、綜合實(shí)訓(xùn)等做好鋪墊。通過仿真軟件構(gòu)建工業(yè)機(jī)器人工作站，導(dǎo)入各種不同的ABB 機(jī)器人模型，創(chuàng)建工作站后可以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行手動(dòng)操縱，手動(dòng)關(guān)節(jié)對(duì)機(jī)器人的六個(gè)關(guān)節(jié)軸進(jìn)行操作，線性運(yùn)動(dòng)對(duì)機(jī)器人設(shè)定的工具的 TCP 點(diǎn)沿著 XYZ 三個(gè)方向在空中運(yùn)動(dòng)，手動(dòng)重定位可以使機(jī)器人第六軸法蘭盤工具TCP 點(diǎn)繞坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)。通過單軸運(yùn)動(dòng)，位置和姿態(tài)的調(diào)整實(shí)時(shí)了解機(jī)器人狀態(tài)如圖1 所示，學(xué)生可以全方位觀察機(jī)器人運(yùn)行狀況，對(duì)機(jī)器人產(chǎn)生更加深刻的認(rèn)識(shí)。

（二）機(jī)器人的離線軌跡編程實(shí)踐

工業(yè)機(jī)器人在應(yīng)用過程中，一些規(guī)則的曲線可以采用示教 指令的方法操作。而不規(guī)則的曲線，一般采用描點(diǎn)法，根據(jù)工藝精度示教一定數(shù)量目標(biāo)點(diǎn)，生成軌跡，但這種方法費(fèi)時(shí)、耗力且 不能保證軌跡精度?？梢愿鶕?jù)3D 模型曲線特征自動(dòng)生成機(jī)器 人運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖2 的軌跡曲線就是利用Robotstudio 自動(dòng)生成 的機(jī)器人激光切割路徑。經(jīng)調(diào)試正常之后可傳到機(jī)器人系統(tǒng) 中運(yùn)行，還可以對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整實(shí)現(xiàn)不規(guī)則曲線的操作。

（三）動(dòng)態(tài) Smart 組件的應(yīng)用

提高工業(yè)機(jī)器人的智能效率和可行性，可以使用該仿真軟件的Smart組件，利用 CAD、Solid Works 等三維建模軟件繪制外圍設(shè)備模型轉(zhuǎn)換成Step 格式導(dǎo)入仿真軟件中，完成工作站的布局。添加 Smart 動(dòng)態(tài)輸送鏈組件和動(dòng)態(tài)夾具并對(duì)屬性進(jìn)行設(shè)置，通過參數(shù)設(shè)定，完成輸送鏈動(dòng)態(tài)效果仿真。通過工作站邏輯將機(jī)器人與動(dòng)態(tài) Smart 組件創(chuàng)建1/0 通訊。可以將動(dòng)態(tài)Smart 組件仿真程序應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)。采用虛擬仿真不僅可以 代替真實(shí)設(shè)備，節(jié)約了成本，提高教學(xué)的安全性和趣味性。

（四）Screen Marker 的應(yīng)用

Screen Marker 是創(chuàng)建用戶自定義的工具，這種用戶界面可 以由多個(gè)屏幕組成，只需占用示教器用戶窗口。使用該自定義的操作員界面可以實(shí)地簡化機(jī)器人系統(tǒng)操作，在正確的時(shí)間將 合理的操作員界面以正確的格式顯示給用戶。

四、工業(yè)機(jī)器人涂膠仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目

工業(yè)機(jī)器人涂膠仿真實(shí)訓(xùn)工作站布局如圖3 所示，選取的工業(yè)機(jī)器人型號(hào)為IRB2600。該工作站的突出特點(diǎn)是工業(yè)機(jī)器人對(duì)工件的4 個(gè)直線邊緣進(jìn)行涂膠作業(yè)。學(xué)生通過此仿真項(xiàng)目的訓(xùn)練，將掌握工業(yè)機(jī)器人沿規(guī)則路徑工作的編程技巧，并學(xué)習(xí)采用示教指令的方法設(shè)計(jì)涂膠路徑。

通過這個(gè)仿真項(xiàng)目，學(xué)生還能得到虛擬仿真的方法及其應(yīng)用訓(xùn)練，包括Robot studio 的操作、工作站的開發(fā)流程等。具體實(shí)訓(xùn)內(nèi)容包括：

（一）創(chuàng)建工業(yè)機(jī)器人工作站和系統(tǒng)；

（二）手動(dòng)操縱機(jī)器人；

（三）建立工業(yè)機(jī)器人工件坐標(biāo)；

（四）為工業(yè)機(jī)器人安裝工具；

（五）設(shè)定運(yùn)動(dòng)指令參數(shù)；

（六）創(chuàng)建工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡程序；

（七）仿真設(shè)定，仿真運(yùn)行機(jī)器人軌跡；

（八）將機(jī)器人仿真效果制作成exe 可執(zhí)行文件；

（九）工作站的打包、解包等。

以上實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目選取的是工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的典型案例，訓(xùn)練點(diǎn)包含Robot studio 的基礎(chǔ)應(yīng)用。當(dāng)學(xué)生順序完成仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目后，還可以進(jìn)行項(xiàng)目的橫向擴(kuò)展和縱向擴(kuò)展，將自己的仿真項(xiàng)目拿到實(shí)際設(shè)備中進(jìn)行驗(yàn)證。

五、結(jié)語

Robotstudio 虛擬仿真軟件引入到工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)教學(xué)中，很多機(jī)器人系統(tǒng)學(xué)生無法接觸，通過該軟件可以展現(xiàn)在他們眼前，通過在該軟件中創(chuàng)建工業(yè)機(jī)器人工作站、實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的離線軌跡編程，對(duì)外圍設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)組件的設(shè)置，利用Screen Marker 創(chuàng)建用戶自定義界面等，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人的積極性。