基于RobotStudio 的飲料裝箱碼垛模擬仿真設(shè)計

梅秋平 李 雯 黃海桐 劉龍鑫 伍斌華

（重慶機電職業(yè)技術(shù)大學，重慶 402760）

工業(yè)機器人是一種高度智能的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備。碼垛機器人在現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用越來越廣泛，其多關(guān)節(jié)機械手和多自由度的機械裝置可以準確實現(xiàn)非常復雜的操作，為現(xiàn)代生產(chǎn)提供更高的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。工業(yè)機器人運用于食品生產(chǎn)線的每個步驟，能夠在生產(chǎn)流程中自動完成重復性的工作，如裝配、包裝、搬運等，從而減少人為操作的誤差和疲勞程度，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量的可靠性，大幅降低生產(chǎn)成本，節(jié)約人力資源[1]。

為了更好地了解這種設(shè)備的設(shè)計和工作原理，利用仿真技術(shù)編寫程序，詳細模擬機器人在工作站的整個工作流程，深入研究相關(guān)組件的設(shè)計，如機器人工作站、信號連接和組件連接。利用Smart 組件可以連接多個工具和機器人的確切位置，從而精準協(xié)調(diào)并快速完成各種自動化任務(wù)。通過編寫和優(yōu)化機器人程序，能夠在仿真環(huán)境中模擬出各種不同的搬運和碼垛操作。

1 工作站組成與機器人選擇

1.1 工作站組成

機器人工作站由機器人、傳送帶、夾爪、吸盤、飲料和托盤等組成，如圖1 所示。其中：機器人作為核心設(shè)備可以安裝各種工具，用以實現(xiàn)不同的功能；傳送帶用來運輸物體；托盤用來放置物體；吸盤和抓夾安裝在兩個機器人上，用來搬運物體；箱子用來裝載物體。

圖1 工作站

1.2 機器人選擇

此次選用的IRB 2600 機器人是一種緊湊的機器人，屬于ABB 機器人系列中的中型機器人，擁有1.65 m的X軸行程和20 kg 的額定負載容量。這款機器人距離目標設(shè)備較近，能夠縮小工作站的占地面積[2]。它采用先進的技術(shù)和材料，具有出色的運動控制和定位能力，可以在高速移動和精確定位之間進行快速切換，負載能力更強，非常適用于物料搬運、碼垛等目標應(yīng)用。經(jīng)過精心的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并制定一系列防護措施，此機器人既可以快速完成搬運碼垛任務(wù)，又可以保持高精度，確保生產(chǎn)過程的準確性和穩(wěn)定性。

2 工作流程

2.1 整體路徑規(guī)劃

在傳送帶400 的起點位置，每隔2.4 s 有一個飲料瓶從起點出發(fā)。同時，傳送帶400-2 的起點位置，每隔4.8 s 傳輸一個箱子用來裝飲料瓶。當3 個飲料瓶到定位槽內(nèi)時，傳送帶400 停止傳輸，同時箱子到達指定位置。機器人1 接收到信號后，夾起3 個飲料瓶裝入箱內(nèi)，裝滿9 瓶飲料，傳送帶400-3 開始運動。箱子進入封箱部分，封箱完成從傳送帶400-guide 輸出到達指定位置。機器人2 接收信號，利用吸盤吸取封箱依次放在托盤上。此過程循環(huán)往復，直到任務(wù)完成。

2.2 抓夾設(shè)計

夾爪夾具主要用來裝夾飲料瓶[3]。通過RobotStudio軟件中自帶的三維建模功能完成飲料瓶建模，尺寸參考市面通用型飲料瓶。為了提高搬運效率，在本工作站中設(shè)計一次夾取3 瓶飲料的機械夾爪夾具，結(jié)構(gòu)外形如圖2 所示。

圖2 夾具結(jié)構(gòu)

2.2.1 吸盤夾具Smart 組件創(chuàng)建

創(chuàng)建Smart 組件是通過添加各種邏輯、動作等組件實現(xiàn)工作站設(shè)計的過程，具體創(chuàng)建過程如下。首先，創(chuàng)建一個Smart 組件并重命名，將吸盤放進組件內(nèi)，同時將吸盤里面的工具設(shè)置為角色，保證機器人能夠識別吸盤的工具坐標。其次，添加安裝、拆除、直線傳感器和非門組件，添加XP 輸入信號。最后，添加直徑為2 mm 的直線傳感器，位置在吸盤下表面中心處，上下各偏移20 mm。輸入信號為1 時，XP 輸入信號連接并激活直線傳感器，將檢測到的物體傳送到子對象上（安裝父對象為吸盤）。輸入信號為0 時，直線傳感器將檢測到的物體傳送到拆除模塊[4]。

運用信號控制安裝和拆除過程。設(shè)置吸盤本地原點，在吸盤上表面中點處點擊應(yīng)用。旋轉(zhuǎn)吸盤坐標，當其與機器人法蘭盤坐標方向一致后安裝吸盤夾具，如圖3 所示。

圖3 吸盤夾具安裝

2.2.2 抓夾夾具Smart 組件創(chuàng)建

由于抓夾夾具有可動部分，需要創(chuàng)建機械裝置。首先，在建模模塊中點擊創(chuàng)建機械裝置，類型選擇為工具。其次，創(chuàng)建一個Smart 組件并重命名，將抓夾整個機械裝置放在Smart 組件內(nèi)。最后，添加安裝、拆除、直線傳感器等組件，設(shè)置直徑為2 mm 的直線傳感器，位置為沿中心上下各偏移20 mm，完成后點擊應(yīng)用。

因為需要同時夾起3 個飲料瓶，所以要設(shè)置3 個直線傳感器。直接創(chuàng)建一個新的Smart 組件并重命名抓夾X3，把抓夾1 放在組件內(nèi)，再復制兩個同樣的抓夾并重命名為抓夾2 和抓夾3。設(shè)置抓夾2、抓夾3 的偏移位置，間隔100 mm。對整個抓夾X3 的Smart 組件進行連線設(shè)計，創(chuàng)建輸入信號XP3，連接抓夾1 ～3，實現(xiàn)3 個位置一起運動。設(shè)置抓夾的本地原點為上表面圓心，旋轉(zhuǎn)坐標使其和機器人法蘭盤坐標方向一致，最后安裝在機器人上，如圖4 所示。

圖4 夾爪工具安裝

2.3 飲料傳送帶設(shè)計

選定飲料中心點位置并對準定位槽中心，保持飲料在Y軸不會偏移。創(chuàng)建Smart 組件，重命名飲料傳送帶，將飲料傳送帶、飲料、定位槽放在Smart 組件內(nèi)，設(shè)置飲料傳送帶和定位槽不由傳感器檢測，避免阻礙運行。在Smart 組件內(nèi)添加面?zhèn)鞲衅?、隊列、直線運動等組件，進行連線設(shè)計。在傳送帶終點位置創(chuàng)建3 個面?zhèn)鞲衅?，間隔100 mm，讓物體累計在定位槽內(nèi)，方便夾取飲料。當面?zhèn)鞲衅鳈z測到物體時，整條傳送帶將停止運動。第1 個面?zhèn)鞲衅鳈z測到第1 個物體時才打開第2 個面?zhèn)鞲衅鳎源祟愅?，依次按照順序檢測物體，完畢后傳送帶停止運動。將面?zhèn)鞲衅鳈z測到的物體安裝到定位物體上重新定位，定位后拆除，保留定位后的位置。設(shè)置輸出信號，由面?zhèn)鞲衅? 連接輸出信號，此階段工作任務(wù)完成[5]。

2.4 裝箱傳送帶設(shè)計

每隔4.8 s 向前運輸一個箱子，到達機器人位置后停止運動。機器人接收信號將飲料瓶裝在箱內(nèi)，將箱子放在傳送帶起點位置，開始構(gòu)建傳送帶。首先，創(chuàng)建Smart 組件并重命名，將傳送帶400-2、400-3 和箱子放在Smart 組件內(nèi)，設(shè)置2 個傳送帶不由傳感器檢測，避免阻礙運行。其次，Smart 組件內(nèi)添加面?zhèn)鞲衅?、隊列、直線運動、圖形拷貝、非門、時鐘等進行連線設(shè)計。最后，捕捉傳送帶邊緣創(chuàng)建一個面?zhèn)鞲衅?，目的是讓箱子碰到面?zhèn)鞲衅骱笙?。進入下一封箱階段，創(chuàng)建第2 個傳感器，使箱子停于機器人前，進行飲料裝箱任務(wù)。裝配過程中，需要對箱子進行定位，并對飲料瓶進行父對象設(shè)計。

2.5 封箱傳送帶設(shè)計

將封箱放在合適位置，創(chuàng)建Smart 組件。將傳送帶400-guide 放進組件內(nèi)，關(guān)閉傳送帶由傳感器檢測。將箱子合并成一個組件，重新設(shè)置本地原點后放進組件內(nèi)。Smart 組件內(nèi)添加面?zhèn)鞲衅?、隊列、直線運動、圖形拷貝、非門等組件，進行連線設(shè)計。創(chuàng)建時間延遲和模擬打包過程。創(chuàng)建輸入信號，連接邏輯門、拷貝、隊列，信號輸入經(jīng)過3 s 進行物體拷貝，并進入隊列。面?zhèn)鞲衅鳈z測到物體后將信號傳給非門，非門輸出一個控制信號，控制直線運動。設(shè)置輸出信號，使得碼垛機器人和傳送帶收到物體已經(jīng)到達的消息，開始下一步工作，然后設(shè)定定位即可。

3 仿真調(diào)試

RAPID 語言是一種支持分層編程方案的編程語言，應(yīng)用該語言可以將工作流程編入機器人進行仿真模擬[6]。飲料瓶向前移動，到達定位位置。機械臂到達抓取點上方，飲料瓶到位后機器人抓取飲料瓶放入箱內(nèi)。裝箱完成后，箱子向前移動進入封箱階段。封箱結(jié)束后到達下一個被抓取點，吸盤抓取箱子并進行碼垛，工作站仿真完成。搬運裝箱仿真過程和搬運碼垛仿真過程分別如圖5 和圖6 所示。

圖5 搬運裝箱仿真過程

圖6 搬運碼垛仿真過程

4 結(jié)語

首先，利用RobotStudio 軟件構(gòu)建機器人工作站，并對軟件中沒有的物料模型進行建模。其次，將機器人、傳送帶等組件導入工作站，規(guī)劃整個工作站的具體布局。再次，根據(jù)工作站路徑規(guī)劃、工作流程，采用RAPID 程序進行邏輯編程，讓機器人按照目標點位置進行模擬運動。最后，進行仿真模擬。由仿真結(jié)果可以看出，該工作站完成了所有任務(wù)，驗證了飲料裝箱碼垛工作站的可執(zhí)行性。