工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)工作站仿真應(yīng)用研究

王小剛，李 飛

(1.山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，山西 太原 030027；2.北華航空工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河北 廊坊 065000)

0 引言

國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)(IFR)最新發(fā)布的《2021年世界機(jī)器人報(bào)告》顯示，2021年在全球工廠中運(yùn)行的工業(yè)機(jī)器人達(dá)到了300萬臺(tái)，與上一年相比增長(zhǎng)了10%。全世界雖然仍在新冠病毒疫情的籠罩下，但工業(yè)機(jī)器人行業(yè)并未受到嚴(yán)重的挑戰(zhàn),中國(guó)制造業(yè)的訂單接收和生產(chǎn)在2020年第二季度開始激增,北美經(jīng)濟(jì)在2020年下半年開始復(fù)蘇，隨后歐洲經(jīng)濟(jì)也開始復(fù)蘇[1]。數(shù)據(jù)顯示工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛和普及，急需一大批專業(yè)人才對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行應(yīng)用編程。為了較好地控制成本，取得可視、可信的運(yùn)行數(shù)據(jù)和結(jié)果，開發(fā)人員一般需要借助虛擬仿真技術(shù)對(duì)工作實(shí)況進(jìn)行模擬生產(chǎn)，盡可能地減少停機(jī)，避免現(xiàn)場(chǎng)編程過程中可能出現(xiàn)的碰撞、干涉、不合理等情況[2]。

為了完善工業(yè)機(jī)器人吸附式末端執(zhí)行器物料搬運(yùn)工作站的編程，實(shí)現(xiàn)物料搬運(yùn)的動(dòng)態(tài)視覺效果，本文基于ABB RobotStudio離線編程工具，對(duì)ABB IRB型工業(yè)機(jī)器人吸附式末端執(zhí)行器物料搬運(yùn)工作站進(jìn)行了仿真應(yīng)用的研究。通過Smart組件設(shè)計(jì)、I/O信號(hào)的創(chuàng)建與連接、工作站邏輯設(shè)定、路徑規(guī)劃、程序設(shè)計(jì)和仿真運(yùn)行等手段完成了按指定作業(yè)軌跡、工藝節(jié)拍要求進(jìn)行搬運(yùn)的預(yù)期任務(wù)。借助虛擬仿真運(yùn)行軟件可以直觀地考察運(yùn)行效果，適時(shí)修改配置參數(shù)，有效地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)，極大地提高了設(shè)計(jì)過程和編程效率，在一定程度上滿足了柔性制造的要求，具有較大的生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用意義。

1 搬運(yùn)工作站

搬運(yùn)工作站的應(yīng)用范圍廣泛，主要用于物料的搬運(yùn)及碼垛，由搬運(yùn)機(jī)器人、末端執(zhí)行器、機(jī)器人控制柜和堆放單元等組成。工件由人力或使用其他裝置輸送到預(yù)定位置，由機(jī)器人將其抓取并搬運(yùn)到料架上，同時(shí)可按要求將工件堆放整齊。

在搬運(yùn)工作站中經(jīng)常會(huì)用到吸附式末端執(zhí)行器和夾鉗式末端執(zhí)行器。吸附式末端執(zhí)行器靠吸附力取料，適用于大平面、易碎(玻璃、磁盤)、微小的物體，因此使用面較廣。根據(jù)吸附力的不同，吸附式末端執(zhí)行器可分為氣吸附和磁吸附兩種。氣吸附式末端執(zhí)行器利用輕型塑膠或塑料制成的皮碗通過抽空與物體接觸平面密封型腔的空氣而產(chǎn)生的負(fù)壓真空吸力來抓取和搬運(yùn)物體。與夾鉗式末端執(zhí)行器相比，吸附式末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、吸附力分布均勻，對(duì)于薄片狀物體的搬運(yùn)更具有優(yōu)越性，其廣泛應(yīng)用于非金屬材料或不可剩磁材料的吸附，但要求物體表面較平整光滑、無孔、無凹槽[3]。

本文擬將每批4件的易碎玻璃器皿從工作臺(tái)右側(cè)的待搬運(yùn)平臺(tái)上依次搬運(yùn)到左側(cè)的塑料托架上，準(zhǔn)備下一步的打包裝箱。為了滿足該任務(wù)要求，從搬運(yùn)物料重量、工作臺(tái)的大小以及經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，仿真工作站可選用以下設(shè)備：

(1) ABB IRB120桌面小型工業(yè)機(jī)器人,負(fù)載能力為3 kg,可達(dá)范圍為0.58 m。

(2) 可實(shí)現(xiàn)玻璃器皿搬運(yùn)的氣吸附式末端執(zhí)行器。

(3) 待搬運(yùn)的玻璃器皿若干，這里使用三維模型軟件創(chuàng)建并導(dǎo)入。

(4) 其他設(shè)備,如機(jī)器人控制柜、安全圍欄等，虛擬仿真中可省略。

2 工作站仿真設(shè)計(jì)

根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的任務(wù)要求，按照真實(shí)環(huán)境，利用RobotStudio工業(yè)機(jī)器人離線編程軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了工作站布局規(guī)劃、搬運(yùn)流程設(shè)計(jì)、Smart組件設(shè)計(jì)、I/O信號(hào)創(chuàng)建與連接、工作站邏輯設(shè)定等操作。

2.1 工作站布局規(guī)劃

根據(jù)生產(chǎn)應(yīng)用實(shí)際，工作站需要用一臺(tái)機(jī)器人對(duì)工作臺(tái)上的待搬運(yùn)玻璃器皿由源位置移動(dòng)到目標(biāo)位置的塑料托架上。這里工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)工作站主要由ABB IRB120型工業(yè)機(jī)器人、工作臺(tái)、吸附式末端執(zhí)行器、塑料托架(目標(biāo)位置)、待搬運(yùn)的玻璃器皿(源位置)組成，具體布局如圖1所示。

圖1 工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)工作站布局規(guī)劃

2.2 搬運(yùn)流程設(shè)計(jì)

在工作任務(wù)開始之前，由上一道工序?qū)?個(gè)待搬運(yùn)的玻璃器皿放在了源位置的待搬運(yùn)平臺(tái)上。系統(tǒng)發(fā)出指令后，工業(yè)機(jī)器人開始移動(dòng)，工業(yè)機(jī)器人吸附式末端執(zhí)行器逐次吸取源位置上的待搬運(yùn)玻璃器皿，并逐一把每個(gè)器皿搬運(yùn)到目標(biāo)位置的塑料托架上。待所有器皿搬運(yùn)完畢，工業(yè)機(jī)器人回到初始位置，等待下一批器皿的搬運(yùn)。工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)工作站搬運(yùn)流程如圖2所示。

圖2 工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)工作站搬運(yùn)流程

2.3 Smart組件設(shè)計(jì)

在工業(yè)機(jī)器人離線編程軟件RobotStudio中要實(shí)現(xiàn)真空吸盤吸取物料的效果，使用Smart組件是較為靈活的一種方式。Smart組件與事件管理器相似，都可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫效果，但是Smart組件比事件管理器功能更為強(qiáng)大，具有能夠更加高度逼真地模擬現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的I/O接口與控制邏輯等功能[4]。

工業(yè)機(jī)器人吸附式末端執(zhí)行器的抽真空和真空破壞的效果由動(dòng)作“Attacher”：安裝一個(gè)對(duì)象、“Detacher”：拆除一個(gè)已安裝的對(duì)象、“LineSensor”：檢測(cè)是否有任務(wù)對(duì)象與執(zhí)行器運(yùn)行軌跡之間的線段相交、“LogicGate”：進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的邏輯運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)?！癓ineSensor”線傳感器用來檢測(cè)機(jī)器人吸盤工具是否接觸到搬運(yùn)物料。工業(yè)機(jī)器人吸附式末端執(zhí)行器各子組件屬性連接關(guān)系如圖3所示。

圖3 工業(yè)機(jī)器人吸附式末端執(zhí)行器各子組件屬性連接關(guān)系

2.4 I/O信號(hào)創(chuàng)建與連接

工業(yè)機(jī)器人物料搬運(yùn)虛擬仿真工作站在搬運(yùn)時(shí)，末端執(zhí)行器的虛擬吸附動(dòng)作需要外部提供相應(yīng)的動(dòng)作信號(hào)，執(zhí)行器在發(fā)生動(dòng)作后可以反饋給機(jī)器人相應(yīng)的動(dòng)作結(jié)果。在后續(xù)進(jìn)行離線編程時(shí)，機(jī)器人的動(dòng)作信號(hào)可以與所創(chuàng)建的Smart I/O信號(hào)相連接，使得機(jī)器人具有控制Smart組件的能力。在此創(chuàng)建一個(gè)數(shù)字量輸入信號(hào)DI1，用于控制吸附式末端執(zhí)行器的抽真空和真空破壞動(dòng)作，置1為打開真空進(jìn)行物料拾取，清0為關(guān)閉真空進(jìn)行物料釋放。

2.5 工作站邏輯設(shè)定

工作站邏輯設(shè)定是用來關(guān)聯(lián)Smart組件與機(jī)器人端的信號(hào)通信的，通過設(shè)置可完成整個(gè)工作站的仿真動(dòng)畫。工作站的邏輯設(shè)定一般是先將Smart組件的輸入或輸出信號(hào)與工業(yè)機(jī)器人端的輸出或輸入信號(hào)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，Smart組件的輸出信號(hào)作為工業(yè)機(jī)器人端的輸入信號(hào)，工業(yè)機(jī)器人端的輸出信號(hào)作為Smart組件的輸入信號(hào)，這樣就可以將Smart組件當(dāng)做是一個(gè)可以與工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行I/O通信的可編程控制器了，便于后續(xù)的程序控制。在此設(shè)置工業(yè)機(jī)器人的數(shù)字量輸出信號(hào)為DO1，用來控制真空吸盤動(dòng)作，使其與Smart組件的數(shù)字量輸入信號(hào)DI1進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

3 工作站路徑規(guī)劃與程序設(shè)計(jì)

3.1 工作站路徑規(guī)劃

為了使工業(yè)機(jī)器人吸附式末端執(zhí)行器物料搬運(yùn)工作站能夠按照之前給定的任務(wù)開展工作，需要對(duì)其進(jìn)行RAPID程序設(shè)計(jì)。為提高編程效率，簡(jiǎn)化工作量，可以先在虛擬仿真環(huán)境RobotStudio中進(jìn)行路徑規(guī)劃和程序編寫。工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)工作站路徑規(guī)劃如圖4所示。

圖4 工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)工作站路徑規(guī)劃

3.2 工作站程序設(shè)計(jì)

完成工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)工作站路徑規(guī)劃后，需要進(jìn)行RAPID程序設(shè)計(jì)，其主要程序包括工作站初始化程序、工作站搬運(yùn)程序和主程序。其主要程序代碼如下：

PROC main()!工作站搬運(yùn)主程序

rInitialize； !調(diào)用工作站初始化程序

rHandling； !調(diào)用工作站搬運(yùn)程序

ENDPROC

PROC rHandling () !工作站搬運(yùn)程序

MoveJ phome,v1000,z100,Tool1WObj:=Wobj1; !機(jī)器人返回到初始位置

MoveJ pw1,v1000,z100,Tool1WObj:=Wobj1; !機(jī)器人運(yùn)行到取料進(jìn)入點(diǎn)

MoveL pick1,v1000,fine,Tool1WObj:=Wobj1; !機(jī)器人運(yùn)行到取料位置

Set do1_tool; !進(jìn)行玻璃器皿的吸取

WaitTime 0.3; !延時(shí)等待，確保取料動(dòng)作執(zhí)行完畢

MoveJ pw1,v1000,z100,Tool1WObj:=Wobj1; !機(jī)器人運(yùn)行到取料離開點(diǎn)

MoveJ p_waite,v1000,z100,Tool1WObj:=Wobj1; !機(jī)器人運(yùn)行到搬運(yùn)過渡點(diǎn)

MoveJ plw1,v1000,z100,Tool1WObj:=Wobj1; !機(jī)器人運(yùn)行到放料進(jìn)入點(diǎn)

MoveL place1,v1000,fine,Tool1WObj:=Wobj1; !機(jī)器人運(yùn)行到放料點(diǎn)

Reset do1_tool; !進(jìn)行玻璃器皿的放置

WaitTime 0.3; !延時(shí)等待，確保放料動(dòng)作執(zhí)行完畢

MoveJ plw1,v1000,z100,Tool1WObj:=Wobj1; !機(jī)器人運(yùn)行到放料離開點(diǎn)

MoveJ phome,v1000,z100,Tool1WObj:=Wobj1; !機(jī)器人返回初始位置，等待下一輪取料

ENDPROC

PROC rInitialize() !工作站初始化程序

AccSet 50,100; !加速度控制指令

VelSet 50,800; !速度控制指令

rInitSignal; !重置工作站信號(hào)

ENDPROC

4 仿真測(cè)試及運(yùn)行

規(guī)劃好運(yùn)行軌跡，編寫好程序后，一般要驗(yàn)證當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行軌跡是否會(huì)與周邊設(shè)備發(fā)生干涉，使用運(yùn)動(dòng)監(jiān)控功能可以達(dá)到這一目的；此外，機(jī)器人仿真運(yùn)行后，還要對(duì)軌跡進(jìn)行分析，以確定機(jī)器人運(yùn)行軌跡是否滿足要求，可通過TCP跟蹤功能將工業(yè)機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)行軌跡記錄下來進(jìn)行進(jìn)一步分析[5]。待分析調(diào)優(yōu)并經(jīng)離線驗(yàn)證無誤后，可以通過以太網(wǎng)接口將程序和相關(guān)數(shù)據(jù)下載到工業(yè)機(jī)器人控制器中，再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況稍加調(diào)試即可運(yùn)用于企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際中。

5 結(jié)語

本文利用ABB RobotStudio離線編程軟件結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，搭建了工業(yè)機(jī)器人吸附式末端執(zhí)行器物料搬運(yùn)工作站,并完成了工業(yè)機(jī)器人工作站布局規(guī)劃、搬運(yùn)流程設(shè)計(jì)、Smart組件設(shè)計(jì)、I/O信號(hào)創(chuàng)建與連接、工作站邏輯設(shè)定、路徑規(guī)劃、程序設(shè)計(jì)和仿真測(cè)試及運(yùn)行。該工作站可以根據(jù)生產(chǎn)要求重新規(guī)劃路徑、調(diào)整生產(chǎn)節(jié)拍以滿足工藝要求。該工作站還可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際要求增加數(shù)控機(jī)床等外圍設(shè)備，完成機(jī)床上下料等操作，為生產(chǎn)線柔性設(shè)計(jì)提供了可行性依據(jù),將大大縮短基于吸附式末端執(zhí)行器物料搬運(yùn)的工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)制造、調(diào)試周期,一定程度上降低了生產(chǎn)成本。