基于RobotStudio的木窗生產(chǎn)線仿真設(shè)計(jì)*

郝建豹，林令暉，祝嘉林，陳斯根，黃世光

（廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院工業(yè)機(jī)器人系，廣州 510800）

0 引言

以機(jī)器人為主體的智能制造，體現(xiàn)了制造業(yè)的智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展要求，各行各業(yè)中大規(guī)模應(yīng)用機(jī)器人正成為一種趨勢(shì)[1－2]。目前，標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品批量生產(chǎn)模式已經(jīng)不能適應(yīng)國(guó)內(nèi)個(gè)性化及結(jié)構(gòu)多元化的市場(chǎng)需求，“個(gè)性化定制、柔性化生產(chǎn)”己成為門(mén)窗等家居產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和未來(lái)發(fā)展的方向[3－4]。

李偉光等[5]研究了3種典型木門(mén)門(mén)扇自動(dòng)化柔性生產(chǎn)線的布置方案，但沒(méi)有深入探討可行性。趙晏林[6]研究了多品種小批量環(huán)境下的家具混流生產(chǎn)線平衡分析與改善；錢(qián)文婷等[7]研究了家具自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)，深入研究了單個(gè)工作站，但目前的發(fā)展趨勢(shì)是以多機(jī)器人為主體的智能制造生產(chǎn)線。木門(mén)窗等家具生產(chǎn)加工采用智能化生產(chǎn)線，有助于實(shí)現(xiàn)由手工制作、多人工參與的機(jī)械化生產(chǎn)、產(chǎn)品單一性向無(wú)人化、智能化、規(guī)模定制、高經(jīng)濟(jì)效益、綠色環(huán)保等綜合發(fā)展，有助于使企業(yè)早日實(shí)現(xiàn)面向未來(lái)的智能制造，增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，推動(dòng)木門(mén)窗等家具制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

本文應(yīng)用SolidWorks 和RobotStudio 軟件設(shè)計(jì)一條集鋸切、刨削、裝配、檢測(cè)、上色及自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)于一體的定制木窗智能化仿真生產(chǎn)線，并借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在虛擬環(huán)境中對(duì)智能制造生產(chǎn)線中的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡等工作站設(shè)備以及生產(chǎn)過(guò)程、生產(chǎn)效率、生產(chǎn)節(jié)拍等進(jìn)行仿真模擬。模擬生產(chǎn)可以以更加經(jīng)濟(jì)、有效的方式驗(yàn)證生產(chǎn)線各設(shè)備的配置情況，用來(lái)指導(dǎo)木門(mén)窗生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)與升級(jí)，降低實(shí)體生產(chǎn)線的投資風(fēng)險(xiǎn)。本研究對(duì)家具制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)具有一定的借鑒意義。

1 生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)構(gòu)建

按照設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定各工作站形狀尺寸和位置關(guān)系等，利用三維仿真軟件SolidWorks 設(shè)計(jì)好木材切割機(jī)、銑削中心、上色工作站、立體倉(cāng)庫(kù)等工作站的仿真模型，進(jìn)而在RobotStudio 中完成整條生產(chǎn)線的布局與仿真調(diào)試等后續(xù)工作。仿真生產(chǎn)線設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 木窗仿真生產(chǎn)線構(gòu)建流程

在RobotStudio 中構(gòu)建的木窗智能制造生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)包含了木板切割工作站、木窗邊框切割工作站、圖案銑削中心，裝配視覺(jué)檢測(cè)工作站、上色工作站、成品木窗立體倉(cāng)儲(chǔ)工作站、木屑收集裝置及其他外圍設(shè)備組成等，生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)鳥(niǎo)瞰圖如圖2所示。各工作站上下料機(jī)器人及上色工作站的噴涂機(jī)器人都選用ABB公司的IRB4600型號(hào)。

圖2 仿真生產(chǎn)線鳥(niǎo)瞰圖

2 機(jī)器人手部設(shè)計(jì)與標(biāo)定

結(jié)合木窗生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，上下料工作站采用了ABB 搬運(yùn)機(jī)器人IRB4600 來(lái)進(jìn)行上下料，設(shè)計(jì)了機(jī)器人的夾持手部，用來(lái)夾取木窗邊框放置到裝配臺(tái)上。由于木窗面積較大，表面光滑，易夾傷加工好的木窗，采用吸盤(pán)作為抓取木窗的執(zhí)行手部，如圖3所示。

圖3 邊框夾持及木窗吸取手部

機(jī)器人手部坐標(biāo)系標(biāo)定有助于機(jī)器人碰撞檢測(cè)與軌跡跟蹤，手部標(biāo)定常用的方法有旋轉(zhuǎn)矩陣法、四元數(shù)法和歐拉角法等[8－9]，本文用四元數(shù)法，手部坐標(biāo)系方向的方位數(shù)據(jù)為[q1,q2,q3,q4]，其4 個(gè)數(shù)值表示旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)帶符號(hào)常數(shù)的四元數(shù)，且滿足。其中：

式中：(x1,x2,x3)、(y1,y2,y3)、(z1,z2,z3)分別為定義手部坐標(biāo)系單位向量在手腕基準(zhǔn)坐標(biāo)系3個(gè)軸上的投影。

以邊框夾持手部坐標(biāo)系標(biāo)定為例，標(biāo)定前僅含有機(jī)器人手腕基準(zhǔn)坐標(biāo)系，定義手部坐標(biāo)系ToolFrame，方向參考手腕基準(zhǔn)坐標(biāo)系，按照四元數(shù)法，則可確定ToolFrame手部姿態(tài)方位數(shù)據(jù)為[1,0,0,0]。定義機(jī)器人手部TCP位于手腕坐標(biāo)系的（0,0,180）位置，夾持手部質(zhì)量為1 kg，重心位于手腕基準(zhǔn)坐標(biāo)系的（0,0,165）位置，則如圖4所示的機(jī)器人手部坐標(biāo)系為：

圖4 機(jī)器人手部坐標(biāo)系標(biāo)定

3 系統(tǒng)組件設(shè)計(jì)與編程

3.1 動(dòng)態(tài)組件設(shè)計(jì)

實(shí)際的智能化生產(chǎn)線，以PLC為中央控制中心，以Ether?net、Profinet 等為通訊接口，將PLC 與工業(yè)機(jī)器人、切割設(shè)備、銑削加工中心等設(shè)備連接，接收并處理工業(yè)機(jī)器人、輸送線、銑削加工中心等其他設(shè)備傳送來(lái)的信號(hào)。仿真時(shí)，利用RobotStudio 中Smart 組件來(lái)模擬實(shí)際PLC，所以Smart 組件的構(gòu)建是實(shí)現(xiàn)各工作站動(dòng)畫(huà)效果的關(guān)鍵。以銑削加工中心Smart組件為例說(shuō)明構(gòu)建過(guò)程，首先創(chuàng)建一個(gè)銑削數(shù)控機(jī)床機(jī)械裝置，建立機(jī)床門(mén)的開(kāi)門(mén)關(guān)門(mén)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，通過(guò)事件管理器建立一個(gè)輸入I/O信號(hào)作為機(jī)器人輸出信號(hào)關(guān)聯(lián)，當(dāng)機(jī)器人輸出置位/復(fù)位doKaiMen信號(hào)給事件管理器時(shí)，對(duì)應(yīng)執(zhí)行銑削數(shù)控機(jī)床執(zhí)行上下料的開(kāi)門(mén)/關(guān)門(mén)，然后再建立Smart組件的I/O輸入輸出信號(hào)與機(jī)器人的I/O輸入輸出信號(hào)關(guān)聯(lián)，當(dāng)輸送鏈Smart 組件輸出doDaoliao 信號(hào)發(fā)送給機(jī)器人輸入diDaoliao 信號(hào)，讓去機(jī)器人執(zhí)行拾取物料，機(jī)器人輸出一個(gè)doGrip 信號(hào)給吸盤(pán)Smart組件輸入信號(hào)diGrip吸緊物料，拾取物料后，機(jī)器人輸出doKaiMen信號(hào)給銑床開(kāi)門(mén)，把物料放好在銑床工作臺(tái)后，機(jī)器人復(fù)位doKaiMen信號(hào)給銑床關(guān)門(mén)，機(jī)器人再根據(jù)要求銑削出規(guī)定的木窗紋案，并分別輸出doSource/doSource_1/doSource_2 信號(hào)給銑床Smart 組件輸入信號(hào)diSource/diS?ource_1/dSource_2，讓銑床執(zhí)行不同程序銑削紋案；當(dāng)銑削完成后，銑床Smart 組件輸出一個(gè)doSourceOK 信號(hào)給機(jī)器人輸入信號(hào)diSourceOK，讓機(jī)器人進(jìn)去拾取銑削好紋案的木窗。整個(gè)銑削加工中心工作站Smart 動(dòng)態(tài)組件邏輯關(guān)系如圖5 所示。

圖5 Smart動(dòng)態(tài)組件邏輯關(guān)系

3.2 機(jī)器人程序編制

本文設(shè)計(jì)的定制木窗智能制造生產(chǎn)線通過(guò)4 臺(tái)機(jī)器人系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)工作的方式完成，具體為銑削加工中心搬運(yùn)機(jī)器人、裝配視覺(jué)檢測(cè)工作站機(jī)器人、邊框下料機(jī)器人系統(tǒng)及上色機(jī)器人系統(tǒng)。以銑削加工中心搬運(yùn)機(jī)器人為例，在定義工具坐標(biāo)、工件坐標(biāo)、I/O 信號(hào)，Smart 組件等完成后，就可以在應(yīng)用模塊編寫(xiě)工作站main 主程序、Pick_1 上料例行程序、Drop_1下料例行程序、Pick_2轉(zhuǎn)換二次上料例行程序、Drop_2完成下料例行程序、Init 初始化例行程序等，部分例行程序及邏輯關(guān)系如下:

在每個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)包括主程序在內(nèi)的各個(gè)例行程序都在應(yīng)用模塊內(nèi)完成，主程序調(diào)用初始化例行程序及各運(yùn)動(dòng)例行程序，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人、銑削加工中心及外圍設(shè)備各種動(dòng)作。初始化程序用來(lái)初始化機(jī)器人位置、姿態(tài)，設(shè)定機(jī)器人最大運(yùn)行速度，設(shè)置加速度以及工作站各相關(guān)設(shè)備復(fù)位。各運(yùn)動(dòng)例行程序在WHILE 循環(huán)語(yǔ)句內(nèi)完成，因各運(yùn)動(dòng)程序通過(guò)傳感器由IF 條件語(yǔ)句完成，為避免機(jī)器人控制器CPU 過(guò)載，設(shè)定循環(huán)等待時(shí)間為0.1 s。機(jī)器人程序可在示教器或RAPID 中完成，仿真調(diào)試完成后，可下載到實(shí)體機(jī)器人控制器中。

4 機(jī)器人TCP軌跡優(yōu)化仿真

定制木窗智能制造生產(chǎn)線中，木窗的品質(zhì)（加工質(zhì)量、表面光潔度）主要由木窗的加工條件（切割機(jī)、加工中心、裝配定位、上色機(jī)器人工藝等）決定。在不影響木窗品質(zhì)的前提下，本文利用RobotStudio 的仿真功能，在仿真模型中多次模擬木窗生產(chǎn)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)線節(jié)拍最大的影響因素為各工作站上下料機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)指令，改變指令參數(shù)可改變節(jié)拍。為提高生產(chǎn)效率，最大程度地減小銑削加工中心等各工作站等待時(shí)間，仿真分析時(shí)，采用機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)指令為MoveJ Offs（pPick,0,0,800）,v1 000,fine,ToolFrame。設(shè)定機(jī)器人TCP 軌跡追蹤后，其邊框上下料機(jī)器人在機(jī)床卡盤(pán)放料TCP運(yùn)行軌跡如圖6（a）所示。若把參數(shù)fine修改為轉(zhuǎn)彎半徑z150，其速TCP運(yùn)行軌跡如圖6（b）所示。

圖6 TCP運(yùn)行軌跡

從圖6（b）可看出，機(jī)器人TCP 運(yùn)行軌跡在轉(zhuǎn)彎處更平順，機(jī)器人動(dòng)作也更柔順，實(shí)際運(yùn)行中機(jī)器人沒(méi)有暫停和急加速現(xiàn)象，這也有助于機(jī)器人電機(jī)和減速器的保護(hù)。裝配臺(tái)上方有3處看似是急轉(zhuǎn)彎處，實(shí)際為機(jī)器人放下邊框后上升到轉(zhuǎn)彎處等待切割工作站輸送帶邊框到位，而沒(méi)有命令機(jī)器人回到pHome 點(diǎn)等待，也是便于提高效率。通過(guò)這種方式可以對(duì)生產(chǎn)線所有機(jī)器人TCP 運(yùn)行軌跡優(yōu)化。根據(jù)仿真情況，不但可以?xún)?yōu)化TCP 運(yùn)行軌跡，還可優(yōu)化機(jī)器人速度、機(jī)器人位置與姿態(tài)等，這對(duì)以后的木窗等家具的實(shí)際生產(chǎn)線的調(diào)試具有非常重要的指導(dǎo)意義。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著當(dāng)前加工、制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，以多機(jī)器人為主體的智能制造生產(chǎn)線在家具制造業(yè)將會(huì)大量應(yīng)用。本文基于SolidWorks與RobotStudio建立了智能制造生產(chǎn)線仿真模型，并實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的編程和整線仿真調(diào)試。在不更換任何硬件設(shè)備的前提下，根據(jù)加工的要求，可模擬生產(chǎn)多種木窗產(chǎn)品。針對(duì)實(shí)體生產(chǎn)線在設(shè)計(jì)與調(diào)試中存在的問(wèn)題如軌跡優(yōu)化、生產(chǎn)效率提高等，利用虛擬仿真技術(shù)做了探討，可為工程的實(shí)施提供理論依據(jù)和試驗(yàn)平臺(tái)。