基于RobotStudio的工業(yè)機器人集成系統(tǒng)虛實聯(lián)調(diào)仿真工作站設計和開發(fā)

黃燕燕，蔡 偉，熊繼森

（云南機電職業(yè)技術學院，云南 昆明 650203）

0 引言

隨著智能制造技術的快速發(fā)展，工業(yè)機器人的應用越來越廣泛，大學開設工業(yè)機器人集成系統(tǒng)相關課程的需求越來越大，要求也越來越高。由于資金不足或場地受限，一般學校購置的工業(yè)機器人集成系統(tǒng)實訓設備臺數(shù)遠遠不能滿足教學需求。目前解決設備不夠的問題最常用的方法是使用虛擬仿真技術，ABB工業(yè)機器人的學習一般是在RobotStudio軟件上創(chuàng)建虛擬仿真工作站，在虛擬環(huán)境下進行知識點的學習和訓練，以及工作站的功能實現(xiàn)和調(diào)試運行[1-3]。虛擬仿真工作站可以有效解決硬件設備不足的問題，還可能降低設備損壞風險，加快教學速度，其缺點在于機器人周邊設備的動作只能通過SMART組件來實現(xiàn)其邏輯，并非由PLC控制器等設備編程控制，也就無法進行PLC控制器及其他周邊設備的編程訓練。所以這種方法只適用于工業(yè)機器人的學習，而并不適用于包含多種專業(yè)技術的工業(yè)機器人集成系統(tǒng)的學習。本文在RobotSudio軟件的虛擬仿真技術基礎上，借助外部組件，打通西門子PLC控制器與RobotStudio軟件的接口，實現(xiàn)PLC控制器與虛擬仿真工作站之間的數(shù)據(jù)通訊，基于此方法設計出可虛實聯(lián)調(diào)的仿真工作站。

1 工業(yè)機器人集成系統(tǒng)設備簡述

使用的工業(yè)機器人集成系統(tǒng)實訓設備是華航唯實KH11平臺[4]，虛擬仿真工作站選取其中更需要工業(yè)機器人和PLC配合聯(lián)動的3個單元（工具單元、執(zhí)行單元和倉儲單元）進行設計及開發(fā)。所有的三維模型都是按照與實體工作站1∶1的尺寸，在UG12.0軟件上制作完成后導入RobotStudio軟件中，整體模型如圖1所示，其中ABB IRB120機器人使用的是RobotStudio軟件自帶的模型。

圖1 工業(yè)機器人集成系統(tǒng)虛擬仿真工作站模型

執(zhí)行單元包含一個伺服軸及可以隨伺服軸移動的IRB120機器人；工具單元主要包含安裝在機器人末端的快換工具以及放置在工具架上的夾爪工具和吸盤工具；且每個倉位配有一兩個顏色的指示燈進行是否有料的檢測。

圖2 工業(yè)機器人隨伺服軸移動

2 虛擬仿真工作站設計

除了要將所有設計好的三維模型導入并正確放置，虛擬仿真工作站的設計還包括各機械裝置的設計，各SMART組件的設計和邏輯工作站的設計等，使各虛擬設備按照要求模擬真實動作，從而建立可進行工業(yè)機器人配置、編程和調(diào)試、仿真運行和虛實聯(lián)調(diào)的虛擬環(huán)境。

2.1 執(zhí)行單元

由于執(zhí)行單元的伺服軸在RobotStudio6.08軟件自帶模型庫中找不到，需要使用插件External Axis Wizard創(chuàng)建一個外部軸來對其進行仿真。為了方便觀察，伺服軸的仿真模型去掉了實際設備中用于安全防護的保護罩。伺服軸模型分為兩部分，相對固定的臺子和相對運動的滑臺。

首先在“建?！辈藛螜谥惺褂谩皠?chuàng)建機械裝置”命令創(chuàng)建類型為“外軸”的機械裝置，將滑臺設計成可基于臺子進行往復的直線運動。創(chuàng)建虛擬機器人系統(tǒng)后，使用ABB機器人外部軸配置向?qū)Р寮癊xternal Axis Wizard”，對機器人外部軸進行參數(shù)配置。拖動機器人到執(zhí)行單元模型上，再重新啟動機器人系統(tǒng)，啟動完成后機器人本體模型就被安裝到伺服軸模型上了。

自定義伺服軸的運動控制方法與使用模型庫自帶行走軸的控制方法一樣，既可以手動運行控制也可以編寫程序自動運行控制。右擊伺服軸，打開“機械裝置手動關節(jié)”，拖動滑條，就能看到機器人在執(zhí)行單元上移動了。

2.2 工具單元

工具單元包括安裝在機器人末端的快換工具、用于抓取輪轂工件的夾爪工具和吸盤工具，以及用于放置兩個工具的工具支架。

快換工具安裝在工業(yè)機器人末端，用于快速安裝和卸載夾爪工具和吸盤工具，如圖3所示。為后續(xù)快換工具能夠更方便地示教點位，在創(chuàng)建工具時，為快換工具添加了3個TCP：一個快換工具本身的Kuai-HuanGongJu坐標，一個用于拾取夾爪工具的JiaZhua坐標和一個用于拾取吸盤工具的XiPan坐標。創(chuàng)建完后將其安裝在工業(yè)機器人上。注意快換工具要設置不可由傳感器檢測。

圖3 快換工具及創(chuàng)建的工具坐標

創(chuàng)建工具完成后，根據(jù)快換工具的實際功能進行SMART組件的邏輯設計，工具的SMART設計比較簡單，主要使用直線傳感器組件LineSensor、安裝組件Attacher、卸載組件Detacher和邏輯非門組件Logic-Gate[NOT][5]。為了防止設備斷電時工具掉落的情況發(fā)生，設計快換工具的輸入信號AnZhuang，為0時安裝工具，為1時卸載工具，所以邏輯非門組件LogicGate[NOT]放在直線傳感器組件LineSensor前面；因為夾爪工具是機械裝置，無法直接安裝，所以在夾爪工具的中間埋入了一塊內(nèi)部塊，設置為可由傳感器檢測，并拖動至夾爪工具作為夾爪工具的子部件。然后在快換工具的Smart設計中加一個獲取父對象組件Get-Parent，這樣才能檢測和安裝上夾爪工具。同樣，為了保持設計一致，吸盤工具中也埋入了一個內(nèi)部塊。圖4所示是快換工具的SMART組件設計圖。

圖4 快換工具SMART組件設計

夾爪工具和吸盤工具如圖5所示。吸盤工具除了輸入信號之外，還有一個表示吸盤是否吸住的輸出信號，所以吸盤工具的SMART組件設計中增加了置位復位鎖存器組件LogicSRLatch進行輸出信號部分的設計；而夾爪工具為了實現(xiàn)夾緊松開的動畫效果，被創(chuàng)建成了類型為設備的機械裝置，并在SMART設計時用到了兩個姿態(tài)轉(zhuǎn)換組件PoseMover，讓夾爪隨著輸入信號的變化在夾緊姿態(tài)和松開姿態(tài)之間切換。

圖5 夾爪工具和吸盤工具

2.3 倉儲單元

倉儲單元包括倉位支架、6個倉位和6個雙色指示燈。6個倉位都被創(chuàng)建成類型為設備的機械裝置，托盤可推出和縮回。6個指示燈可根據(jù)倉位中是否有料變換顏色。為了實現(xiàn)控制要求，將6個倉位創(chuàng)建成6個SMART組件進行設計，其設計圖基本一致，圖6所示是倉位1的SMART組件設計圖，主要設計思路如下：

圖6 倉儲單元1號倉位的SMART組件設計

（1）每個倉位有一個輸入信號（TuiChu），用于控制托盤伸出縮回；有兩個輸出信號：表示托盤是否推出到位的狀態(tài)TuiDaoWei和表示倉位中是否放置有工件的狀態(tài)YouLiao。

（2）為了實現(xiàn)倉位可根據(jù)輸入信號（TuiChu）進行伸出縮回運動，并且在有輪轂工件的情況下能夠帶著輪轂一起運動，使用了直線傳感器組件LineSensor、安裝組件Attacher、卸載組件Detacher、姿態(tài)轉(zhuǎn)換組件PoseMover以及多個邏輯門組件，設計思路與夾爪工具類似。

（3）為了實時檢測倉位中是否有料，采用脈沖信號組件Timer對直線傳感器LineSensor進行使能，每一秒檢測一次；使用兩個的計數(shù)器組件Counter相隔一個節(jié)拍的計數(shù)值進行比較（Comparer組件），得到倉位是否有料的穩(wěn)定判斷，并用highlighter組件對雙色指示燈的顏色進行變換。

（4）為了實現(xiàn)推出倉位后能由機器人拿走輪轂的功能，設計當TuiChu信號為1時，先檢測是否有料，如果有則安裝輪轂，安裝之后再推出；推出到位后，卸載輪轂，以備機器人拿走輪轂。

（5）為了實現(xiàn)機器人放下輪轂后倉位能夠帶著輪轂縮回的功能，設計當TuiChu信號為0時，先檢測是否有料，有則先安裝輪轂，安裝之后再縮回。

3 虛實聯(lián)調(diào)實現(xiàn)

為了解決虛擬仿真工作站只是用SMART組件實現(xiàn)模擬動作，而不能實現(xiàn)虛擬仿真工作站與PLC控制器聯(lián)調(diào)的問題，在ABB公司的RobotApps網(wǎng)站上下載2個外部組件RSConnectDIOToSnap7和RSConnectGIOToSnap7，可打通RobotStudio軟件對接西門子PLC控制器的接口，將虛擬仿真工作站中的虛擬設備與PLC控制器中的變量進行連接，實現(xiàn)PLC控制器與虛擬仿真工作站的數(shù)據(jù)通訊。

這里主要介紹倉儲單元與PLC之間聯(lián)調(diào)的部分。倉儲單元的每個倉位都是一個SMART組件，I/O信號有控制料倉推出的輸入信號（TuiChu），以及指示推出到位狀態(tài)（TuiDaoWei）和是否有料（YouLiao）的輸出信號。這三個信號在實訓設備中都是連接到PLC由PLC進行監(jiān)控的，所以虛擬仿真工作站中也設計這三個信號與PLC通訊。

在工作站邏輯中添加組件，從“導入模型庫”中找到下載好的RSConnectDIOToSnap7.rslib文件，導入組件。屬性中PLC_Addr是連接的西門子S7-1200 PLC控制器的IP地址192.168.0.20，機架號0，插槽號 1；需要連接的DI信號有6個，分別是6個倉位的推出信號，在PLC中的地址是M2.0-M2. 5；需要連接的DO信號有12個，分別是6個倉位的推出到位信號（PLC地址M10.0-M10.5）和有料信號（PLC地址M11.0-M11.5）。屬性設置好后與6個倉位的SMART組件進行信號連接，如圖7所示。網(wǎng)絡連通后修改Connect信號值為1，即可實現(xiàn)PLC控制器與虛擬仿真工作站之間這18個數(shù)字信號的實時數(shù)據(jù)通訊。

圖7 RSConnectDIOToSnap7組件的屬性設置及信號連接

為了簡單演示下控制效果，在西門子的博途軟件上繪制組態(tài)界面，如圖8所示，各按鍵和指示燈分別鏈接M2.0-M2.5，M10.0-M10.5，M11.0-M11.5地址。運行界面后可對6個倉位進行手動控制和狀態(tài)顯示。

圖8 倉儲單元組態(tài)界面及控制效果

與虛擬仿真工作站連接的可以是真實的PLC設備，如果是線上教學，學生不能使用實訓室的PLC設備，也可以使用PLCSim軟件創(chuàng)建一個PLC模擬設備。此時還需要一個叫做NetToPLCsim的軟件，將PLC的IP地址192.168.0.20映射成電腦的IP地址192.168.0.100，如圖9所示，同時需要修改RSCon-nectDIOToSnap7組件的PLC_Addr屬性為電腦的IP地址192.168.0.100。

圖9 NetToPLCsim軟件設置

4 應用案例

本虛實聯(lián)調(diào)仿真工作站可用于工業(yè)機器人集成系統(tǒng)的課程教學、工業(yè)機器人集成應用“1+X”證書的考前培訓以及高職組全國職業(yè)院校技能大賽“機器人系統(tǒng)集成”賽項的選手培訓中。

在工業(yè)機器人相關課程教學和“1+X”考證培訓中，依照工業(yè)機器人集成系統(tǒng)的工作流程順序，由淺入深、由各單元分別調(diào)試到系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，設計開發(fā)循序漸進的實訓項目，進行項目化教學。系統(tǒng)聯(lián)調(diào)任務根據(jù)工具單元、執(zhí)行單元和倉儲單元的典型工作任務設計，具體任務為：工業(yè)機器人先去工具單元取工具，再去倉儲單元第6倉位取輪轂，再把輪轂從倉位6搬運到倉位5，最后把工具放回工具單元，倉位的伸出縮回由組態(tài)界面控制。

另外，在仿真工作站中再加一個臨時過渡位，還可以進行立體倉庫輪轂排序的程序編寫和仿真結果測試，可用在技能大賽選手培訓中。立體倉庫輪轂排序的具體任務是：立體倉庫中的6個倉位最多能放6個輪轂，分別編碼為0001～0006。初始狀態(tài)下6個輪轂的順序是亂序的，輪轂排序則是通過排序算法將亂序的輪轂工件按順序或逆序或工藝要求的其他排序方式進行排序[6]。

5 結語

結合虛擬仿真技術、PLC控制技術、組態(tài)技術設計的虛實聯(lián)調(diào)仿真工作站，連接了RobotStudio軟件與西門子博途軟件的通訊接口，能夠?qū)崿F(xiàn)脫離設備在電腦上進行練習并得出仿真效果，可以應用于工業(yè)機器人集成系統(tǒng)相關課程的線上教學。同時在有限設備臺數(shù)和有限教學時間的情況下，又能快速將已在虛擬環(huán)境下驗證過的機器人程序和PLC程序下載到實際設備中進行調(diào)試運行，實現(xiàn)線上線下混合式教學，大大節(jié)省了每一位學生占用設備的時間，解決了教學資源緊缺的問題，同時也提升了學生的學習興趣，收到時良好的學習效果。