ABB工業(yè)機(jī)器人切割工作站的仿真設(shè)計

仝 敏

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710300）

0 引言

近年來，機(jī)器人在經(jīng)濟(jì)、社會等各個領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣，特別是工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)成為裝備制造企業(yè)實現(xiàn)自動化、智能化轉(zhuǎn)型升級的重要推動力。工業(yè)機(jī)器人是一種模仿人手動作，并按設(shè)定的程序、軌跡和控制要求配合不同的終端執(zhí)行器，進(jìn)行工件抓取、材料搬運(yùn)、自動噴涂、金屬焊接、成品碼垛的機(jī)電一體化自動化裝置[1]。利用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行激光切割，是當(dāng)今的機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域和激光切割領(lǐng)域的一大熱點[2]。工業(yè)機(jī)器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，在實際使用中操作不當(dāng)容易損壞設(shè)備，隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，采用機(jī)器人仿真軟件可以預(yù)先對設(shè)計的工作站進(jìn)行仿真，降低維修成本。本設(shè)計以某生產(chǎn)線上ABB工業(yè)機(jī)器人的切割工作站為研究對象，使用RobotStudio仿真軟件對末端執(zhí)行器、活塞、傳送鏈等進(jìn)行建模，完成了虛擬場景空間布局，從布局創(chuàng)建系統(tǒng)，對機(jī)器人軌跡進(jìn)行規(guī)劃，編寫作業(yè)程序，對程序中的各個點位進(jìn)行示教，實現(xiàn)切割虛擬工作站的建立與仿真。

1 切割機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動

機(jī)器人按照結(jié)構(gòu)可以劃分為直角坐標(biāo)式機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人、多關(guān)節(jié)型機(jī)器人等，其中圓柱坐標(biāo)系式機(jī)器人笨重不靈活，在形式多樣的切割機(jī)器人中，使用較多的有直角坐標(biāo)型和關(guān)節(jié)型兩種。其中關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人機(jī)身結(jié)構(gòu)緊湊，動作靈活性高且工作移動空間大。此外，自由度數(shù)是機(jī)器人的一個重要技術(shù)指標(biāo)，自由度減少可簡化機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)設(shè)計，但會降低機(jī)械臂靈活性，反之，將提高機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)復(fù)雜性。常見的工業(yè)機(jī)器人多為六自由度，典型的六關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人本體由底座、腰部、大臂、肘部、小臂、腕部和手部組成，6個關(guān)節(jié)合成實現(xiàn)運(yùn)動。目前，六軸關(guān)節(jié)式機(jī)器人可用于自動裝配、噴漆、搬運(yùn)、焊接、切割等工作。許多知名機(jī)器人公司和研究機(jī)構(gòu)，如ABB、KUKA、沈陽新松、哈工大機(jī)器人研究所等都推出了各自的關(guān)節(jié)型切割工業(yè)機(jī)器人，現(xiàn)階段切割工業(yè)機(jī)器人的工作能力不斷提高，控制系統(tǒng)的靈活性及負(fù)載能力不斷增強(qiáng)，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。

切割工業(yè)機(jī)器人主要由機(jī)器人本體、控制柜和人機(jī)交互裝置3部分組成[3]，見圖1。機(jī)器人本體是完成各種作業(yè)的機(jī)械主體，是切割工作站的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其中包含互相連接的機(jī)械機(jī)構(gòu)、內(nèi)外部傳感裝置和驅(qū)動裝置，工作時通過末端執(zhí)行器實現(xiàn)對工作目標(biāo)的放置。機(jī)器人控制柜相當(dāng)于人的大腦[4]，內(nèi)部集成了示教器線纜、電力電纜、SMB電纜、主電源控制開關(guān)、模式切換開關(guān)、急停按鈕、電機(jī)上電和抱閘等各類接口，用于控制機(jī)器人的運(yùn)動和信號的輸入輸出。人機(jī)交互裝置是指專用的手持示教器，主要由觸摸屏、按鍵、操縱桿、使能鍵和急停按鈕組成，通過示教器可以實現(xiàn)對工業(yè)機(jī)器人的編程和調(diào)試[5]。

本次仿真設(shè)計的切割工作站中，工業(yè)機(jī)器人以ABB公司軟件模型庫中的IRB 120型為主要建模對象，當(dāng)垂直料庫中的活塞原料運(yùn)動到傳送鏈末端后，機(jī)器人安裝夾爪工具抓取活塞原料并放在激光切割臺上，切割臺下面的吸盤工作，機(jī)器人將夾爪卸下，安裝激光切割工具在激光切割臺上動作，完成切割。

2 切割工作站模型搭建

在實際場景中，由控制柜、示教器、工業(yè)機(jī)器人、輸送鏈、末端執(zhí)行器等組成切割工作站，通過控制器與外部設(shè)備連接通信，實現(xiàn)切割作業(yè)。工業(yè)機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，在使用中如果操作不當(dāng)或程序編寫有誤，容易損壞設(shè)備，對企業(yè)造成損失。現(xiàn)階段，虛擬仿真技術(shù)已成為工業(yè)機(jī)器人工作站搭建的發(fā)展趨勢，因而在使用之前可用專用的仿真軟件進(jìn)行仿真設(shè)計，提高工作效率。工業(yè)機(jī)器人常用的仿真軟件有RobotMaster、RobotArt、DELMIA、RobotWorks、RobotStudio等[6]。其中，RobotStudio是ABB公司推出的一款集仿真和編程功能于一身，支持三維軟件，例如，CAD、UG、SW等軟件模型導(dǎo)入，可配置，編程和運(yùn)行虛擬控制器，還可通過以太網(wǎng)對實際控制器進(jìn)行編程，配置和監(jiān)控等在線操作，極大地提高編程的效率。

本設(shè)計采用RobotStudio軟件對切割工作站進(jìn)行建模和仿真，創(chuàng)建一個空的工作站，點擊ABB模型庫，導(dǎo)入IRB 120型機(jī)器人，見圖2。顯示機(jī)器人工作區(qū)域，基坐標(biāo)位于機(jī)器人底部，根據(jù)工作區(qū)域適當(dāng)調(diào)整機(jī)器人基座的位置，不斷調(diào)整機(jī)器人和周邊設(shè)備的可到達(dá)的區(qū)域，見圖3。預(yù)先使用三維軟件對末端執(zhí)行器、活塞、切割臺等進(jìn)行建模，在模型庫中依次導(dǎo)入傳送帶、切割臺、工具臺、夾爪工具、激光切割工具、活塞等，完成機(jī)器人本體及周邊設(shè)備選取，見圖4。點擊機(jī)器人系統(tǒng)菜單，選擇從布局創(chuàng)建系統(tǒng)，在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)選項中選擇709-1 DeviceNet Master/Slave選項，完成系統(tǒng)創(chuàng)建。

3 切割工作站工作流程

切割工作站主要由IRB 120型機(jī)器人、輸送鏈、活塞、傳感器、切割工具、工作臺等組成，工作流程見圖5。

首先對搭建的系統(tǒng)進(jìn)行安全檢查，調(diào)整周邊設(shè)備的位置布局，保證機(jī)器人的工作空間，避免與外部設(shè)備發(fā)生干涉。由于夾爪工具模型和切割工具模型的本地坐標(biāo)系與機(jī)器人法蘭盤坐標(biāo)系tool0重合，工具末端的工具坐標(biāo)系即為機(jī)器人的工具坐標(biāo)系[7]，因而在安裝工具之前需對工具模型做處理，第1步在吸盤工具法蘭端創(chuàng)建本地坐標(biāo)系，第2步在工具末端創(chuàng)建工件坐標(biāo)系，經(jīng)過上述處理后，工具與系統(tǒng)庫里的默認(rèn)工具具有了相同的屬性，保證工具安裝到機(jī)器人法蘭盤末端時的工具姿態(tài)。使用Do_Quick change信號安裝夾爪工具，機(jī)器人從初始位置觸發(fā)，當(dāng)檢測到傳送鏈上活塞到位信號后，機(jī)器人按照預(yù)先設(shè)計的路徑達(dá)到取件工具點，使用Do_Gripper信號置位，實現(xiàn)夾爪閉合，夾取活塞，按設(shè)計路徑將活塞夾取到激光切割臺活塞放置點，將Do_Gripper信號復(fù)位，松開夾爪，放置活塞。切割臺檢測信號Di_Cut檢測到上面有活塞后，下面的吸盤開始工作，機(jī)器人按設(shè)計路徑到達(dá)夾爪放置點，通過快換信號自動卸下夾爪后，按設(shè)計路徑到達(dá)激光切割工具安裝位置，通過快換信號完成切割工具的安裝。機(jī)器人按設(shè)計路徑到達(dá)切割位置點進(jìn)行切割，待切割完成后按設(shè)計路徑到達(dá)切割工具放置點，使用快換信號卸下激光切割工具，機(jī)器人按預(yù)先設(shè)計的路徑返回到初始位置，重復(fù)上述步驟。

4 機(jī)器人I/O信號

ABB標(biāo)準(zhǔn)I/O板提供的常用信號處理有數(shù)字輸入信號DI、數(shù)字輸出信號DO、模擬輸入信號AI、模擬輸出信號AO以及輸送鏈跟蹤[8]，常用的標(biāo)準(zhǔn)I/O板有DSQC651和DSQC652。本次選擇ABB標(biāo)準(zhǔn)I/O板DSQC652，該板卡是掛在Device Net下的設(shè)備，其中，X5端子為Device Net接口，共計12個跳線，6號跳線為地址選擇公共端邏輯地，當(dāng)使用短接片將6號跳線與其他接線柱相連接時，則與之連接的引腳視為低電平，用0表示，沒有連接的引腳視為高電平，用1表示，7～12跳線用來決定I/O板在總線中的地址，其可用范圍為0～63。DSQC652的板卡在機(jī)器人出廠時，已將第8腳和第10腳的跳線剪去，則其地址為001010，從右到左分別為7～12跳線的狀態(tài)，則8號引腳對應(yīng)21，10號引腳對應(yīng)23，計算可得節(jié)點的地址為10。在虛擬示教器中選擇控制面板，選擇配置選項，選擇Device Net Device選項，將本次配置的DSQC652板卡的地址設(shè)置為10。

工業(yè)機(jī)器人可通過I/O與外部設(shè)備進(jìn)行交互，DSQC652板卡共有16個數(shù)字量輸入信號和16個數(shù)字量輸出信號。根據(jù)控制任務(wù)，設(shè)置切割工作站的相關(guān)的I/O信號。其中，Do_Quick change信號為快換信號，其值為0或者1，主要用于卸下和安裝末端工具，在本次設(shè)計中主要用于夾爪和切割工具的安裝和卸下。Do_Gripper信號用于控制夾爪動作，通過對該信號的置位和復(fù)位操作，可以實現(xiàn)夾爪的夾緊和松開，實現(xiàn)對活塞的抓取和放置。當(dāng)傳送鏈上的活塞運(yùn)動到末端指定位置時，采用傳感器檢測到位與否，設(shè)置活塞到位信號為數(shù)字量輸入信號Di_Piston。切割工作站的部分I/O信號見表1。

表1 切割工作站部分I/O信號

5 系統(tǒng)編程與仿真

切割工作站創(chuàng)建完成后，優(yōu)化切割工作站的單元布局，對其進(jìn)行干涉區(qū)設(shè)置，防止由于信號誤操作對設(shè)備造成損害[9]。選擇示教點位，記錄各示教點的屬性，如點的坐標(biāo)、相應(yīng)的功能和功能數(shù)據(jù)，根據(jù)作業(yè)效率、作業(yè)安全、運(yùn)行時間等設(shè)置最大速度和加速度限制，完成路徑規(guī)劃實現(xiàn)其運(yùn)動控制。通過軟件創(chuàng)建切割工作站，模擬真實的工作場景，離線編寫程序，檢測路徑規(guī)劃的合理性。優(yōu)化切割工作站的單元布局，避免機(jī)器人與外部設(shè)備之間發(fā)生碰撞，將RobotStudio中的程序進(jìn)行同步，調(diào)試和觀察機(jī)器人切割運(yùn)行狀態(tài)，仿真結(jié)果見圖6。

如果出現(xiàn)錯誤，及時調(diào)整程序，待程序運(yùn)行無誤后，可以將程序下載到真實控制器中，使用真實示教器修改真實空間中的示教點坐標(biāo)，即可完成程序的遷移，極大地提高了編程的效率。

6 結(jié)語

切割機(jī)器人要求能高速、高精度地實現(xiàn)切割。在設(shè)計時根據(jù)工作場景確定機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和控制要求，綜合考慮運(yùn)行速度、工作空間、定位精度、承載能力等技術(shù)指標(biāo)，依據(jù)作業(yè)要求擬定作業(yè)工藝。本文以某生產(chǎn)線上的切割工業(yè)機(jī)器人為研究對象，使用RobotStudio軟件對末端機(jī)械爪、活塞、傳送鏈、切割工具、工作臺等進(jìn)行建模，完成虛擬場景空間布局。根據(jù)切割工作站的工作流程及控制要求配置DSQC652板卡并完成相關(guān)I/O信號的配置，通過離線編程對設(shè)計的軌跡進(jìn)行仿真，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)優(yōu)化切割工作站的運(yùn)動路徑，最終實現(xiàn)虛擬切割工作站的建立與仿真。結(jié)果表明，該系統(tǒng)適用于切割作業(yè)中，為切割機(jī)器人的仿真設(shè)計提供了具體方法，優(yōu)化切割路徑，提高切割質(zhì)量和效率，降低生產(chǎn)線設(shè)計和調(diào)試成本，對現(xiàn)階段工業(yè)機(jī)器人切割工作站的仿真設(shè)計具有一定借鑒意義。