基于ABB工業(yè)機(jī)器人激光雕刻虛擬仿真及工作站的探索研究

李金金

在科技發(fā)展日新月異的今天，隨著我國的綜合實(shí)力不斷增強(qiáng)，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用已經(jīng)不斷引入到各行各業(yè)。本文主要是利用ABB機(jī)器人，結(jié)合RobotStudio離線編程軟件進(jìn)行激光雕刻工作站的建立，雕刻軌跡的生成，以及雕刻仿真，最后對機(jī)器人工作站進(jìn)行調(diào)試。

工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用十分廣泛，其編程形式主要是示教編程和離線編程。示教編程適用于軌跡比較簡單的工件，根據(jù)工藝和精度的要求設(shè)定一定數(shù)量的目標(biāo)點(diǎn)，機(jī)器人控制器根據(jù)這些目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，從而形成運(yùn)行的軌跡。編程的過程比較耗費(fèi)時間，并且示教的精度不高，示教編程對于比較復(fù)雜的軌跡基本上實(shí)現(xiàn)不了。所以本論文采用離線編程軟件進(jìn)行工作站的建立、仿真，節(jié)省了編程的時間，提高了編程的精度，從而提高生產(chǎn)效率，節(jié)約了人力成本。

一、ABB機(jī)器人離線編程仿真

如今工業(yè)機(jī)器人使用越來越廣泛，工作也越來越復(fù)雜，導(dǎo)致編程的難度越來越大。如果使用示教編程，不僅費(fèi)時，且容易出錯，離線編程就能很好地解決這個問題。ABB公司的RobotStudio離線編程軟件能構(gòu)建真實(shí)的加工環(huán)境，利用“自動軌跡”功能生成加工軌跡，并利用軟件的編輯功能對所生成的程序進(jìn)行編輯。同時，軟件還可以進(jìn)行模擬仿真，以便檢測程序以及其他的設(shè)置是否正確。模擬仿真沒錯以后，可以導(dǎo)入程序進(jìn)入到機(jī)器人的示教器，進(jìn)行實(shí)踐的調(diào)試和試生產(chǎn)。

利用離線編程軟件建立工作站、生成程序的步驟如下：①在Solideworks軟件中進(jìn)行工具模型和加工工件的模型制作。②在RobotStudio中建立系統(tǒng)。選擇合適的機(jī)器人，本次任務(wù)選擇IRB1200工業(yè)機(jī)器人。對機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行布局操作，把建立好的工具導(dǎo)入到離線編程軟件，調(diào)整好工具的姿態(tài)，設(shè)定工具的坐標(biāo)系，為后續(xù)的編程打好一定的基礎(chǔ)，把建模軟件做好的工具模型導(dǎo)入到離線編程軟件，并調(diào)整好工件的姿態(tài)，保證工具的每個角落都在機(jī)器人的運(yùn)動范圍內(nèi)。③利用RobotStudio離線編程軟件的自動軌跡功能，生成雕刻的軌跡曲線，并利用軟件的調(diào)整功能，調(diào)整機(jī)器人的工作姿態(tài)。④優(yōu)化程序。導(dǎo)入到機(jī)器人示教器進(jìn)行調(diào)試。

二、機(jī)器人雕刻軌跡點(diǎn)生成

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，建立虛擬的機(jī)器人工作站。由于此工作站是根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)情況來確立的，所以使用到的工具、客戶需求的工件都需要自己進(jìn)行建模。模型建立好之后，導(dǎo)入到RobotStudio軟件中。因?yàn)樽约航⒌墓ぞ邔?dǎo)入之后只是一個3D模型，沒有工具的屬性，不能裝配到機(jī)器人的法蘭盤，所以導(dǎo)入后的工具需要進(jìn)行調(diào)整。這就要利用離線編程軟件的姿態(tài)調(diào)整功能，并利用框架功能建立工具的坐標(biāo)系，再把框架轉(zhuǎn)換成工具的TCP坐標(biāo)。這樣工具模型就有了工具的屬性，可以輕松把工具裝配到機(jī)器人的法蘭盤。裝好工具（如圖1所示）之后，利用布局功能建立機(jī)器人的控制系統(tǒng)，機(jī)器人系統(tǒng)一定要跟實(shí)際的機(jī)器人系統(tǒng)相匹配，否則生成的程序沒辦法完成真正的調(diào)試。

在雕刻的過程中，機(jī)器人的工具所走的軌跡就是所雕刻圖案的實(shí)體邊。為了方便后續(xù)的調(diào)試工作，在軌跡生成之前，要建立工件的坐標(biāo)系。定好工件坐標(biāo)系之后，就可以沿著3D模型圖形的軌跡邊進(jìn)行雕刻軌跡的生成。其運(yùn)動的軌跡雖然是平面的二維軌跡，但是線條比較密集、復(fù)雜。在軌跡逼近的時候，可根據(jù)不同的軌跡情況選擇直線逼近、圓弧逼近，還有等距逼近等。根據(jù)圖2所示模型，選擇“自動軌跡”命令，生成其中一條軌跡路徑和目標(biāo)點(diǎn)。

三、機(jī)器人姿態(tài)調(diào)整和運(yùn)行參數(shù)的修改

自動路徑生成的軌跡比較精確，對于每一個目標(biāo)點(diǎn)來說，機(jī)器人的姿態(tài)都是不一樣的。所以生成第一次軌跡以后，還要調(diào)整一下機(jī)器人的姿態(tài)。先調(diào)整其中一個目標(biāo)點(diǎn)的姿態(tài)，調(diào)整好之后選中所有的軌跡點(diǎn)，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵“修改位置”中的“對準(zhǔn)目標(biāo)點(diǎn)方向”，將所有生成的目標(biāo)點(diǎn)都進(jìn)行對齊操作，保證機(jī)器人在運(yùn)行的過程中姿態(tài)比較好。當(dāng)然，這只是其中一條軌跡的操作。對于一個比較復(fù)雜的零件來說，目標(biāo)點(diǎn)是非常多的，那就要對生成的每個軌跡都進(jìn)行上述的操作。

六關(guān)節(jié)機(jī)器人在軌跡運(yùn)行的過程中，是六個關(guān)節(jié)相互配合運(yùn)動的一個過程，有時候需要多個關(guān)節(jié)配合運(yùn)動，所以，在軌跡生成之后要對各個關(guān)節(jié)軸進(jìn)行參數(shù)的配置。選中需要配置的目標(biāo)點(diǎn)，鼠標(biāo)右鍵單擊“參數(shù)配置”功能，選擇合理的配置參數(shù)，然后單擊鼠標(biāo)左鍵應(yīng)用按鈕，配置完成。再單擊鼠標(biāo)右鍵選擇“自動配置功能”，此時機(jī)器人將沿著軌跡運(yùn)行一個周期，完成自動配置的過程。調(diào)整后機(jī)器人的姿態(tài)如圖3所示。

四、離線程序的修改和優(yōu)化

在RobotStudio離線編程軟件中，利用自動路徑生成的程序不一定能順利地完成工作任務(wù)，所以還需要對程序進(jìn)行必要的修改。在軟件中打開程序編輯器，看到自動生成的程序速度為V1000、過渡半徑為Z100，這個參數(shù)明顯不符合實(shí)際加工的需要。所以，要使用替換命令把運(yùn)行速度V1000改為V10，過渡半徑的修改分兩種情況進(jìn)行：其一，在例行程序的開頭和結(jié)尾需要精準(zhǔn)到達(dá)，所以要用到fine指令;其二，在例行程序的中間需要準(zhǔn)確到達(dá)，但是為了程序運(yùn)作，減少停頓，所以要使用Z0。

在對程序的參數(shù)進(jìn)行修改之后，還需要對機(jī)器人的進(jìn)入點(diǎn)和退出點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，保證機(jī)器人在接近工件和離開工件的時候沒有發(fā)生碰撞，并要求空軌跡的時候運(yùn)行速度比較快，能節(jié)約運(yùn)行時間，提高工作效率。所以，在程序的開頭設(shè)定一個HOME點(diǎn)，在HOME點(diǎn)之后，再設(shè)定一個接近點(diǎn)，在雕刻完成以后還要設(shè)定一個逃逸點(diǎn)。

在機(jī)器人雕刻的過程中，需要對激光的啟動和停止進(jìn)行合理的控制，所以需要配置機(jī)器人的輸入輸出信號，并且在雕刻程序開始之前要置位控制信號，保證激光能正常輸出，在結(jié)束雕刻之后，保證機(jī)器人輸出信號復(fù)位，使得激光發(fā)生器停止輸出，避免一直出光損壞已經(jīng)雕刻好的工件。在激光啟動和停止之前，要保證機(jī)器人移動的位置已經(jīng)準(zhǔn)確到達(dá)了目標(biāo)點(diǎn)，所以在啟動激光發(fā)生器之前都需要添加一個時間等待信號，用來確保機(jī)器人準(zhǔn)確到達(dá)。否則，雕刻的起點(diǎn)和終點(diǎn)會有瑕疵。

五、激光雕刻工作站整體設(shè)計思路

在實(shí)際的雕刻過程中，有大大小小的軌跡幾十條，每條軌跡的雕刻是不間斷的，但是軌跡之間沒有聯(lián)系，所以在一條軌跡轉(zhuǎn)移到另外一條軌跡的時候，必須控制激光發(fā)生器停止出光。本論文的設(shè)計采用的機(jī)器人為ABB-IRB1200，激光發(fā)生器使用的是7W定焦藍(lán)光模組，供電電壓為12V，控制接口采用PWM信號控制功率，使用前打開電源開關(guān)直接輸出，使用PWM信號控制功率。

綜合上述分析，結(jié)合現(xiàn)有條件，設(shè)計工業(yè)機(jī)器人激光輸出控制的步驟：①機(jī)器人運(yùn)動到軌跡開始目標(biāo)點(diǎn)，機(jī)器人置位輸出信號DO;②西門子PLC接收信號，輸出控制信號;③PWM發(fā)生器接受PLC的輸出信號，開始產(chǎn)生脈沖;④激光發(fā)生器開始出光，出光的功率可通過PWM進(jìn)行調(diào)節(jié);⑤機(jī)器人運(yùn)行到軌跡結(jié)束目標(biāo)點(diǎn)，機(jī)器人復(fù)位輸出信號DO，此時西門子PLC沒用輸入信號，同時西門子PLC的輸出停止。PWM發(fā)生器沒有脈沖發(fā)生，激光發(fā)生器就停止出光，如此循環(huán)往復(fù)，便可以完成工件的激光雕刻。

六、調(diào)試工作站

在RobotStudio離線編程軟件中生成好的程序，需要進(jìn)行同步操作。點(diǎn)擊同步按鍵，同步到工作站。在軟件中模擬仿真運(yùn)行軌跡，軌跡運(yùn)行正確的話，可以導(dǎo)入到機(jī)器人的示教器進(jìn)行調(diào)試。在調(diào)試之前需要修改工件坐標(biāo)系，以確保程序中目標(biāo)點(diǎn)正確，建立好工件坐標(biāo)系之后，就可以把機(jī)器人的控制柜打到自動運(yùn)行模式，進(jìn)行單步運(yùn)行，第一次運(yùn)行軌跡不僅僅是確認(rèn)軌跡有沒有錯，還要看看激光發(fā)生器的功率是否符合雕刻的材質(zhì)，保證雕刻的紋理清晰可見，又不至于功率過大，發(fā)生燒黑的情況。經(jīng)過調(diào)試之后完成的成品見圖4。

本設(shè)計主要側(cè)重離線編程的實(shí)現(xiàn)，對工作站的整體設(shè)計介紹比較簡單。在離線編程軟件中，導(dǎo)入建模軟件生成3D模型，利用自動路徑生成雕刻的軌跡，建立激光雕刻的仿真工作站，充分體現(xiàn)了離線編程的便利性，解決了示教編程無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜圖形編程的問題。

責(zé)任編輯 陳春陽