基于RobotStudio的機器人柔性制造生產線的仿真設計*

陸　葉

(茂名職業技術學院 機電信息系，廣東 茂名　525000)

基于RobotStudio的機器人柔性制造生產線的仿真設計*

陸葉

(茂名職業技術學院 機電信息系，廣東 茂名525000)

摘要：以工業機器人柔性制造生產線為研究對象，文章介紹了RobotStudio軟件對生產線仿真建模的方案。根據零件加工工藝和生產流程，構建了機器人生產線的空間布局，利用三維建模軟件為機器人設計取放料手爪，創建Smart組件實施動畫效果，采集現場所需的I/O信號進行設備通訊，實現了一臺ABB(Asea Brown Boveri)機器人為四臺數控機床自動上下料的軌跡規劃、離線編程和仿真過程。該設計方案與實際生產同步，為設計者和管理者提供生產線設計的理論依據和試驗平臺，降低了生產線設計、調試的成本，提高了生產效率。

關鍵詞：RobotStudio；工業機器人；柔性制造；仿真

0引言

目前，工業機器人在我國制造行業的應用日趨廣泛，但是對機器人生產線的設計、改造、過程監控、產品可制造性的預測等方面缺乏快速響應。機器人柔性制造生產線的虛擬仿真技術是借助虛擬現實技術、機器人技術與計算機技術結合，在虛擬環境中對生產線各元素、生產過程等進行仿真模擬，用更加經濟、有效的方式對柔性制造生產線進行合理配置，降低設備投資風險，已成為工業機器人應用發展的趨勢。

國外對工業機器人三維模擬仿真技術的研究起步較早，不同的機器人廠商為自己生產的機器人開發了離線編程仿真軟件，如瑞典 ABB 提供的Robot Studio、日本FAUNC的 ROBOGUIDE、MOTOMAN的MOTOSIMEG等。還有離線編程軟件如西門子的ROBCAD、達索的DELMIA等，這些軟件對機器人生產線的仿真設計也提出了相關解決方案[1-2]。近年來，我國在機器人領域發展迅速，楊建宇等提出利用虛擬現實技術對機器人進行仿真、監控和遙操作集成的研究方法[3]，張文香等利用VC++和OpenGL開發了工業機器人的三維仿真系統[4]。國內知名的新松機器人、廣數機器人、FOXBOT機器人等都開發有機器人編程軟件，但主要用于對機器人的現場編程調試，在離線編程、生產線系統集成等方面的深入研究和應用略顯不足。

本文目的是為了進一步完善柔性制造生產線的設計體系，對機器人生產線的組成、上下料工作站、離線編程以及仿真模擬等進行研究，探討利用ABB機器人的虛擬仿真軟件RobotStudio對機器人柔性制造生產線進行仿真設計的技術方案，為機器人生產線的研究提供理論依據和試驗平臺。

1機器人柔性制造生產線仿真系統

實際生產中，機器人柔性制造生產線主要由工業機器人、可編程控制器(PLC)、數控機床(CNC)、送料機和其他周邊設備組成。以PLC為控制核心，通過PLC連接外圍設備、建立設備間通訊及管理，實現機器人在數控機床和送料機之間的上下料和轉運。

機器人柔性制造生產線仿真系統選用ABB IRB 2600機器人，其精度高、操作速度快、適合上下料、物料搬運、弧焊等領域[5]。添加了專門的末端執行器(手爪)可為數控機床自動上下料。內置RobotStudio軟件擁有CAD 模型導入、路徑自動規劃、離線編程、仿真調試、程序上下載、二次開發等功能[6]。其仿真控制模塊與實際機器人運行情況一一對應，仿真信號、程序等也是實際機器人生產線運行過程中的信號及程序，還可以進行干涉檢查以及運行情況的報警，因此非常準確的模擬出實際機器人運行的情況。通過該軟件仿真模擬、調試機器人柔性制造生產線的生產過程，優化編程路徑，為生產提供真實的驗證。

2仿真系統設計

2.1系統工作流程及生產線布局

如圖1所示，車削加工的軸零件表面由圓柱、圓弧、槽、內孔、內槽、內螺紋等表面組成，需要兩次裝夾。根據零件加工工藝要求和車削節拍，由兩臺數控車床組成一個車削加工單元，分別完成車削的兩道工序，一臺機器人可為兩個車削單元的四臺數控車床上下料。數控車床平行對面擺放，機床之間安置有導軌，工業機器人安裝在上面來回運動為機床上下料，兩臺送料機分別進行毛坯和成品的供料運料。把送料機放在第一道工序兩臺數控車床的端部位置，方便機器人抓取待加工和卸下加工好的工件，物料搬運采用AGV小車搬運或者利用另外的機器人實現運送[7]。

圖1　車削軸零件圖

RobotStudio自帶機器人庫、模型庫等模型，可根據要求選用相應型號的機器人并直接加載到工作站中，為處理多工位的需要，還為機器人配備了行走導軌。但是該軟件的造型功能比較有限，大多數情況下需要其他的三維CAD軟件進行建模等操作后再由接口導入，如利用UG軟件設計好機床等設備的三維仿真模型，轉換為.STL或.SAT等格式，導入該軟件來完成建模布局工作。機器人柔性制造生產線的空間布局如圖2 所示。

圖2　機器人柔性制造生產線的空間布局

2.2機器人上下料手爪的設計

圖3　機器人手爪

考慮到機器人的工作流程，取毛坯一次可為兩臺機床自動上下料，在ABB機器人的六軸末端必須裝有夾取工件的上下料手爪。由于氣壓傳動的反應迅速、安全可靠、能量損耗小、成本低廉，因此采用氣壓傳動方式，包含氣缸、電磁閥、傳感器及機械部件等，利用三維建模軟件設計的手爪如圖3所示。該手爪用法蘭和機器人的六軸末端法蘭連接，兩夾持端成一角度，方便調整位置和姿態，同時兩套氣缸分別控制兩個夾持端動作，用于夾取毛坯、半成品或成品，手爪上安裝有工件檢測傳感器，實現自動上下料。

2.3生產線動態Smart組件的設計

在RobotStudio中創建機器人上下料的仿真工作站，送料機構、機器人手爪、數控機床等裝置的動態效果對整個工作站起了極其重要的作用[6]。Smart組件能實現動畫效果，以數控機床Smart組件為例，首先添加子組件，如本體子組件poseMover、動作子組件Attacher和Detacher、邏輯信號子組件LogicGate和LogicSRLatch等；然后設定各子組件的屬性連結，即A組件的動作會引起B組件的變化；最后創建機床Smart組件所需的I/O信號：輸入啟動信號distart、延遲信號dideley，門開到位輸出信號doopen，用于與各Smart子組件進行信號交互。數控機床Smart組件設計如圖4所示。機床Smart組件的動態仿真模擬了真實的機器人為機床自動上下料的工作過程。

圖4　數控機床SMART組件設計

2.4機器人生產線仿真運行I/O信號

真實的生產線以PLC作為中央控制系統，將PLC與機器人等設備I/O板進行連接，采用Profibus現場總線，接收并處理機床、送料機和工業機器人等發送來的信號[8]。仿真生產線中，SMART組件此時可以看成PLC，只要將該組件的輸入/輸出信號與機器人的輸入/輸出信號相關聯，模擬PLC與機器人、機床的大數據量通信，離線編寫生產線程序，就可以實現生產線整體的仿真效果。表1為機器人生產線部分I/O信號。

表1　機器人生產線部分I/O信號

3系統的編程與仿真調試

3.1機器人上下料路徑規劃

對機器人上下料手爪運動路線進行設計，由于機床內夾具、送料機、機器人間固定及夾具安裝有偏差，需要在取放料區域使用不同的WORK工件坐標系，設定機床A使用WORK1，機床B使用WORK2，機床C使用WORK3，機床D使用WORK4，送料機使用WORK5。一個車削單元的二臺機器人上下料路徑規劃如圖5示意圖所示。

圖5　一個車削單元的機器人上下料路徑規劃

工業機器人在原點等待，直到軸坯料由送料機運送到指定的位置，工業機器人開始取料。手爪夾取一個毛坯，等待機床A加工完成以后，先卸下機床A上加工完成的半成品，把毛坯放到機床A上加工，然后等待機床B加工完成，再取下成品，把將半成品放到機床B上加工，把成品放到成品送料機里，如此循環動作。在自動運行前需要按照以上點位要求，將點位示教保存并生成機器人軌跡。圖6中示教點的連線表示機器人運動路徑。

圖6　一個車削單元的機器人上下料路徑仿真

3.2機器人生產線流程設計

根據機器人上下料路徑規劃來設計如圖7的機器人生產線流程圖。

圖7　機器人生產線流程圖

3.3機器人程序的編制

RobotStudio軟件準確離線編程的關鍵是虛擬機器人技術，同樣的代碼運行在PC和機器人控制器上。根據機器人上下料路徑規劃和生產線流程圖，完成I/O信號的設置，程序數據的創建，目標點的示教，就可以編寫相應的機器人控制程序。程序編寫完成后可直接傳輸到機器人控制器，RAPID程序離線開發，保證柔性制造生產線仿真與實際運行同步。

ABB機器人生產線的主程序和部分例行程序如下：

PROCmain()！主程序

rIniAll！調用初始化例行程序

WHILE TRUE DO

IF di01Auto=1 THEN！判斷自動運行信號

PickM ( )！調用取毛坯例行程序

PlaceM ( )！調用放毛坯例行程序

PickB ( )！調用取半成品例行程序

PickC ( )！調用取成品例行程序

PlaceB ( )！調用放半成品例行程序

PlaceC ( ) ！調用放成品例行程序

ENDIF

WaitTime 0.2！等待時間

ENDWHILE

ENDPROC

PROC rIniAll ！初始化例行程序

Accset 100,100; ！加速度控制

VelSet 200,2000;！速度控制

ConfJOff;

ConfLOff;！運動控制

rReset_pout;！調用復位輸出信號例行程序

rHome;！調用回Home點程序

Set do06Start;！機器人可以取件

ENDPROC

主程序中通過調用例行程序來實現機器人的各種動作，首先調用初始化程序，該程序檢查機器人是否在原點pHome，對所有的傳感器信號、布爾量復位，設置初始速度和加速度等。另外6個例行程序是機器人上下料和搬運子程序，利用WHILE循環把初始化程序和其他例行程序隔開，每次循環等待時間為0.2s，以免不滿足機器人動作條件時程序運行過快，CPU超負荷[9]。程序可以在機器人虛擬示教器上修改，也可以在RobotStudio的RAPID編輯器中修改，調試方便快捷。

4結束語

隨著現代加工工藝要求提高，機器人柔性制造生產線大量應用。本文介紹了機器人生產線的設計方案，根據加工實例的要求，構建了仿真生產線的布局；設計機器人專用的取放料手爪；創建了動態Smart組件，模擬PLC與生產線、機器人、機床等設備的I/O信號進行通信；實現了ABB機器人自動上下料、搬運的路徑規劃、離線編程和仿真調試。該技術綜合了機械、電氣、氣動、傳感、通信、仿真等方面，為生產線設計提供了可行性的依據，將大大縮短生產線的設計制造、調試周期，節約成本，對深入研究和應用機器人離線仿真技術起到一定作用。

[參考文獻]

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[3] 楊建宇,謝華龍,韓秀峰,等.基于虛擬現實的機器人異地仿真與監控.基于虛擬現實的機器人異地仿真與監控[J].東北大學學報(自然科學版),2013,34(11):1634-1637.

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[5] 葉暉,管小青.工業機器人實操與應用技巧[M].北京:機械工業出版社,2013.

[6] 葉暉.工業機器人工程應用虛擬仿真教程[M].北京:機械工業出版社,2014.

[7] 朱華炳,秦磊,張希杰,等. 基于工業機器人的齒輪軸磨削自動化系統設計與研究[J].組合機床與自動化加工技術,2013(12):41-44,48.

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[9] 葉暉.工業機器人典型應用案例精析[M].北京:機械工業出版社,2014.

(編輯趙蓉)

Simulation Design of Robot Flexible Manufacturing Line Based on RobotStudio

LU Ye

(Department of Mechanical and electrical information，Maoming Polytechnic College，Maoming Guangdong 525000，China)

Abstract：Taking the industrial robot flexible manufacturing production lines as the research object, a scheme of modeling of manufacturing line based on RobotStudio software is presented in this paper. According to parts processing technology and production processes, the spatial layout of the robot manufacturing line is constructed. The robot gripper is created by using three-dimensional modeling software. Smart modules for animation and the required I / O signals for device communications is acquired. An ABB(Asea Brown Boveri)robot is applied to four CNC machine tools, automatic loading and unloading trajectory planning, off-line programming simulation. The scheme synchronizes with the actual production, providing theoretical basis for the design of the production line as well as the test platform for designers and managers, reducing the cost of production line design, debugging, and improves the production efficiency.

Key words：RobotStudio; industrial robot; flexible manufacturing; simulation

收稿日期：2015-08-02；修回日期：2015-08-25

*基金項目：廣東省高等職業教育教學改革項目(粵教高函[2014]205號)；茂名市科技計劃項目(茂科字[2014]11號)；茂名職業技術學院科研項目(茂職院[2013]23號)

作者簡介：陸葉(1979—)，女，廣東陽江人，茂名職業技術學院講師，碩士，研究方向是機器人技術、仿真技術,(E-mail)lisa786@163.com。

中圖分類號：TH165;TG659

文獻標識碼：A