基于RobotStudio的生產(chǎn)線下料系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真??

劉海燕 蘇 宇 林春蘭 范徽倚

(①桂林理工大學(xué)機(jī)械與控制工程學(xué)院，廣西桂林541004；②廣西科技大學(xué)職業(yè)技術(shù)教育學(xué)院，廣西柳州545006；③廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司百色平果供電局，廣西百色531400)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代工業(yè)制造業(yè)逐漸趨向于自動(dòng)化生產(chǎn)，大大降低勞動(dòng)力成本，有效縮短生產(chǎn)的周期，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，提高產(chǎn)量和效率。因此，解決工業(yè)機(jī)器人在實(shí)際的生產(chǎn)制造中應(yīng)用可能遇到的許多相關(guān)問(wèn)題，對(duì)促進(jìn)自動(dòng)化制造的發(fā)展優(yōu)勢(shì)有著很大的影響，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的理論和應(yīng)用上的研究也有著非常重要的意義。在應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人的前期設(shè)計(jì)、規(guī)劃和實(shí)施方案等準(zhǔn)備工作上，往往借助于機(jī)器人專業(yè)仿真軟件，通過(guò)在計(jì)算機(jī)環(huán)境中對(duì)生產(chǎn)線上各設(shè)備進(jìn)行仿真模擬，在不消耗任何實(shí)際生產(chǎn)資源的情況下對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，從而更合理地配置規(guī)劃生產(chǎn)資源，評(píng)價(jià)智能生產(chǎn)線的可行性及潛在問(wèn)題，對(duì)于降低開發(fā)成本，縮短整個(gè)智能生產(chǎn)線的研發(fā)周期，具有十分重要的作用。碼垛作為自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域中的一門新興技術(shù)，工作要求是將箱體、袋狀等對(duì)象按照一定的次序和模式碼放在托板上，以方便完成物料的搬運(yùn)、裝卸、存儲(chǔ)和運(yùn)輸?shù)纫幌盗形锪骰顒?dòng)，常常用于食品飲料、煤炭和化工等大批量生產(chǎn)的場(chǎng)合。在碼垛機(jī)器人的應(yīng)用中，通過(guò)結(jié)合其他外圍設(shè)備的通信連接，共同構(gòu)成自動(dòng)生產(chǎn)線。

從實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中的某下料系統(tǒng)需求出發(fā)，討論機(jī)器人工作布局、運(yùn)動(dòng)軌跡、路徑規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)仿真等內(nèi)容。本文基于RobotStudio離線編程軟件虛擬仿真自動(dòng)下料系統(tǒng):由壓鑄機(jī)生產(chǎn)原材料，再由搬運(yùn)機(jī)器人完成取料放置到輸送鏈傳送，并完成質(zhì)量檢測(cè)等作業(yè)，最后由碼垛機(jī)器人完成物料的堆垛工作。這一系列的自動(dòng)化搬運(yùn)和碼垛等工作，只需兩臺(tái)機(jī)器人來(lái)完成，通過(guò)機(jī)器人與外圍工作站之間的信號(hào)連接，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行。

1 下料過(guò)程仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ABB RobotStudio是瑞典ABB公司開發(fā)的一套計(jì)算機(jī)仿真軟件，它具有CAD模型導(dǎo)入和機(jī)器人離線示教編程、動(dòng)態(tài)仿真、碰撞檢測(cè)等功能。由于RobotStudio軟件是以ABB機(jī)器人的虛擬控制器為基礎(chǔ)開發(fā)，所以軟件中的機(jī)器人本體參數(shù)、仿真示教器和控制器都是與實(shí)際機(jī)器人的一樣，I/O信號(hào)仿真、指令程序等與實(shí)際的機(jī)器人在生產(chǎn)線運(yùn)行過(guò)程中的控制信號(hào)及程序也是一致的。因此，RobotStudio軟件上編寫和調(diào)試好的程序可以導(dǎo)入到真實(shí)控制器中運(yùn)行，從而模擬真實(shí)的工作環(huán)境。

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)ABB工業(yè)機(jī)器人IRB4600在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)制造中搬運(yùn)和碼垛的工作過(guò)程，壓鑄機(jī)利用壓力的作用把熔融液壓射到模具腔室中，鑄造所需要的毛坯產(chǎn)品，待冷卻成型，開模得到固體的鑄件。產(chǎn)品壓鑄完成后壓鑄機(jī)門打開，并發(fā)送信號(hào)給取料機(jī)器人抓取鑄造件放置到輸送鏈上。在輸送鏈的中部裝設(shè)有質(zhì)量檢測(cè)裝置，通過(guò)該裝置對(duì)壓鑄生產(chǎn)出來(lái)的鑄造件產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳送給碼垛機(jī)器人。碼垛機(jī)器人根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)判斷該產(chǎn)品是否為良品。如果產(chǎn)品為良好，碼垛機(jī)器人抓取后整齊有序地碼垛到小車的棧板上。物料達(dá)到規(guī)定的數(shù)量后，小車能夠自動(dòng)將產(chǎn)品運(yùn)走并返回等待區(qū)。如果產(chǎn)品為非良品，碼垛機(jī)器人將其抓取放置到非良品區(qū)，等待工作人員的處理。機(jī)器人自動(dòng)下料系統(tǒng)的空間布局如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

RobotStudio軟件仿真建模和機(jī)器人程序編寫基本流程如圖2所示。

1.3 RobotStudio建模

1.3.1 壓鑄機(jī)工作站

壓鑄機(jī)的模型工作站主要由開關(guān)門機(jī)構(gòu)、合開模液壓缸、頂出液壓缸和壓鑄模型具等組成，如圖3所示。壓鑄機(jī)的開關(guān)門機(jī)構(gòu)和合開模機(jī)構(gòu)的4個(gè)動(dòng)作姿態(tài)分別為:開關(guān)門和合開模。當(dāng)生產(chǎn)線準(zhǔn)備就緒后，壓鑄機(jī)先后完成關(guān)閉安全門、合模壓鑄產(chǎn)品、待模型冷卻后開模和打開安全門。

1.3.2 輸送鏈工作站

輸送鏈多用于物料的傳送運(yùn)輸，以減少物料周轉(zhuǎn)的時(shí)間，提高工作效率。通過(guò)在傳送帶上安裝傳感器，控制和監(jiān)控物料傳送帶的運(yùn)行和狀態(tài)等，如圖4所示。

1.3.3 質(zhì)量檢測(cè)工作站

質(zhì)量檢測(cè)工作站是采用超聲波的檢驗(yàn)方式，利用無(wú)損探傷的方法迅速發(fā)現(xiàn)壓鑄件內(nèi)部是否存在缺陷，并把檢測(cè)數(shù)據(jù)即時(shí)傳送給碼垛機(jī)器人，執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的操作。質(zhì)量檢測(cè)工作站如圖5所示，主要由:裝置底座、支架和探測(cè)發(fā)射器等組成，如圖5所示。在質(zhì)量檢測(cè)裝置的建模中，把質(zhì)量檢測(cè)裝置正在運(yùn)行的狀態(tài)，通過(guò)三維錐形體來(lái)表現(xiàn)探測(cè)信號(hào)的掃描范圍，如圖5b所示。

1.3.4 輸出線工作站

輸出線工作站主要由物流小車、棧板和棧板底座組成，生產(chǎn)線啟動(dòng)運(yùn)行之后，物流小車能夠自動(dòng)拖運(yùn)空的棧板駛?cè)搿?/p>

1.3.5 末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)

末端執(zhí)行器是安裝在工業(yè)機(jī)器人末端的操作工具，用來(lái)吸取搬運(yùn)物料。為滿足操作方便、動(dòng)作迅速和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等要求，本文采用的末端執(zhí)行器為真空吸盤。真空吸盤的建模部件包括連接盤、支架和6個(gè)吸嘴等，導(dǎo)入其三維圖形到機(jī)器人中，作為末端執(zhí)行器，如圖6所示。

2 Smart組件設(shè)計(jì)

在RobotStudio仿真軟件中搭建壓鑄機(jī)、輸送線、運(yùn)料的小車等裝置的工作站之后，如果要實(shí)現(xiàn)工作站的運(yùn)行動(dòng)態(tài)效果，則需要在“建模”選項(xiàng)卡中新增Smart組件，該組件主要是用于創(chuàng)建I/O信號(hào)連接和屬性控制的動(dòng)態(tài)組件。下面以Smart組件_壓鑄機(jī)為例說(shuō)明Smart組件的添加及IO信號(hào)的添加及控制邏輯關(guān)系的建立。

2.1 Smart組件_壓鑄機(jī)的添加及控制邏輯

為實(shí)現(xiàn)壓鑄機(jī)的動(dòng)態(tài)效果，主要通過(guò)添加Smart組件及創(chuàng)建機(jī)械裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)；為模擬壓鑄機(jī)的開關(guān)門和壓鑄加工的動(dòng)作效果，首先利用Robotstudio軟件的“創(chuàng)建機(jī)械裝置”功能，新創(chuàng)建和設(shè)置壓鑄機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置DOOR和Punch。然后新增一個(gè)Smart組件并打開該組件的編輯器，在組成選項(xiàng)卡中依次添加4個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)械裝置關(guān)節(jié)到一個(gè)已定義的姿態(tài)的子組件PoseMover，每個(gè)動(dòng)作運(yùn)行的時(shí)間設(shè)置為2s。添加SimulationEvents(仿真和停止時(shí)發(fā)出脈沖信號(hào))子組件，仿真開始時(shí)SimulationStarted發(fā)出的脈沖信號(hào)，控制PoseMover_1(關(guān)門狀態(tài))子組件的運(yùn)行完成壓鑄機(jī)的關(guān)門工作，PoseMover_1動(dòng)作完成Executed輸出為1控制PoseMover_3(合模狀態(tài))子組件的運(yùn)行完成壓鑄機(jī)的合模工作。

PoseMover_3動(dòng)作完成 Executed輸出為1控制Source子組件來(lái)創(chuàng)建物料組件的拷貝，產(chǎn)出的拷貝經(jīng)由Queue(隊(duì)列)子組件進(jìn)行組操作，在LinearMover(線性運(yùn)動(dòng))子組件的控制下運(yùn)行至壓鑄模型內(nèi)，拷貝的物料與PlaneSensor(面?zhèn)鞲衅?子組件接觸，面?zhèn)鞲衅靼l(fā)出完成信號(hào)控制PoseMover_4(開模狀態(tài))子組件的運(yùn)行完成壓鑄機(jī)的開模工作，PoseMover_4動(dòng)作完成Executed輸出為1控制PoseMover_2(開門狀態(tài))子組件的運(yùn)行，完成壓鑄機(jī)的開門工作并發(fā)出壓鑄加工完成的信號(hào)。但由于ABB機(jī)器人在高頻信號(hào)轉(zhuǎn)變到低頻信號(hào)時(shí)不能觸發(fā)動(dòng)作，所以通過(guò)添加 LogicGate[NOT］(邏輯取反)子組件，進(jìn)行對(duì)信號(hào)的取反操作，觸發(fā)LogicSRLatch_1(置位/復(fù)位)組件進(jìn)行置位和復(fù)位動(dòng)作，使壓鑄加工完成輸出的高頻信號(hào)在轉(zhuǎn)換成低頻信號(hào)時(shí)能夠觸發(fā)動(dòng)作，控制I/O信號(hào)的輸出，把壓鑄完成的信號(hào)傳送給搬運(yùn)機(jī)器人。

2.2 Smart組件的I/O信號(hào)設(shè)置及連接

動(dòng)態(tài)壓鑄機(jī)的Smart組件中，創(chuàng)建數(shù)字型輸入信號(hào)doReset和一組輸出信號(hào) yInput和yOutput，分別用于復(fù)位完成、啟動(dòng)壓鑄機(jī)加工和壓鑄加工完成的I/O信號(hào)。設(shè)定其初始值值均為0，Smart組件中各子組件之間的邏輯控制，主要是通過(guò)I/O信號(hào)的連接來(lái)實(shí)現(xiàn)，部分I/O信號(hào)邏輯連接如表1所示。

表1 Smart組件_壓鑄機(jī)的部分I/O信號(hào)邏輯關(guān)系

3 機(jī)器人工作站系統(tǒng)編程及仿真

本文通過(guò)兩臺(tái)ABB工業(yè)機(jī)器人相互協(xié)調(diào)工作的方式，分別創(chuàng)建了碼垛機(jī)器人系統(tǒng)和搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)。下面以碼垛機(jī)器人系統(tǒng)創(chuàng)建、IO信號(hào)配置及地址分配、系統(tǒng)編程為例說(shuō)明碼垛機(jī)器人工作站系統(tǒng)的創(chuàng)建。

3.1 碼垛機(jī)器人系統(tǒng)IO信號(hào)變量參數(shù)及地址分配

碼垛機(jī)器人系統(tǒng)一共設(shè)置3個(gè)數(shù)字輸入信號(hào)和5個(gè)數(shù)字輸出信號(hào):輸入信號(hào)分別用于物料準(zhǔn)備就緒、物料吸取完成和物料裝載完成的信號(hào)連接；輸出信號(hào)分別用于控制物流小車的啟動(dòng)、設(shè)置屬性連結(jié)、棧板載入、工作站連結(jié)和吸取物料。I/O信號(hào)的參數(shù)如表2所示。

3.2 機(jī)器人離線編程

ABB工業(yè)機(jī)器人的程序主要由模塊組成，包括系統(tǒng)模塊和用戶建立的模塊。編寫程序時(shí)，可以根據(jù)不同的控制要求建立多個(gè)模塊，通過(guò)新建模塊來(lái)構(gòu)建機(jī)器人的程序。工業(yè)的生產(chǎn)制造中，工業(yè)機(jī)器人被應(yīng)用于物品的搬運(yùn)較多，其中包括:水平位置的搬運(yùn)，即將物料從同一個(gè)高度的位置搬運(yùn)到另一個(gè)位置，高度一樣，位置不同；另一個(gè)是立體位置的搬運(yùn)，即將物料搬運(yùn)到低于或高于現(xiàn)在物料所在的位置。在本設(shè)計(jì)中，主要用機(jī)器人將物料從壓鑄機(jī)里面取出搬運(yùn)到輸送鏈上，進(jìn)行傳送，完成物料的周轉(zhuǎn)，工作流程如圖7所示。碼垛作業(yè)一共搬運(yùn)15個(gè)物料作為一個(gè)工作周期，若搬運(yùn)的物料數(shù)量達(dá)到15個(gè)，將啟動(dòng)輸出線將裝載滿的物料運(yùn)走，再進(jìn)入下一個(gè)工作周期。本設(shè)計(jì)完成的是一個(gè)3×5層的碼垛任務(wù)，將待碼垛的物料搬運(yùn)到棧板上，工作流程如圖8所示。

表2 I/O信號(hào)的變量參數(shù)

搬運(yùn)模塊部分主程序如下:

PROC main()

rInitAll；!調(diào)用初始化程序，用于復(fù)位數(shù)據(jù)

WHILE TRUE DO!機(jī)器人進(jìn)行循環(huán)重復(fù)的動(dòng)作

QuLiao；!調(diào)用吸取物料程序

ENDWHILE

ENDPROC

初始化程序

PROC rInitAll()

MoveJ p1，vmax，z50，tool0；!以最大速度移動(dòng)至P1準(zhǔn)備點(diǎn)的位置

WaitDI diReset，1；!等待壓鑄機(jī)復(fù)位完成的信號(hào)為1

Reset yOutput；!復(fù)位壓鑄機(jī)信號(hào)為0

Reset sOutput；!復(fù)位上料工具動(dòng)作信號(hào)為0

Reset rOutput；!復(fù)位輸送鏈啟動(dòng)信號(hào)為0

WaitTime 0.5；!延時(shí)時(shí)間0.5s

Set yOutput；!啟動(dòng)壓鑄機(jī)，信號(hào)置為1

WaitDI yInput，1；!等待壓鑄機(jī)完成信號(hào)為1

ENDPROC

…………

3.3 工作站邏輯連接

本設(shè)計(jì)分別創(chuàng)建了搬運(yùn)機(jī)器人、碼垛機(jī)器人、壓鑄機(jī)工作站、傳送帶工作站和輸出線工作站之后，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況，為實(shí)現(xiàn)整套生產(chǎn)線全自動(dòng)化生產(chǎn)，需要將各個(gè)工作站和兩臺(tái)工業(yè)機(jī)器人之間建立通信連接。

為實(shí)現(xiàn)物料在多個(gè)工作站之間完成不同的工序和周轉(zhuǎn)，需要通過(guò)工作站邏輯的屬性連結(jié)，建立相關(guān)聯(lián)的屬性設(shè)置，將搬運(yùn)機(jī)器人每次取料獲取的源對(duì)象連結(jié)到傳送帶目標(biāo)對(duì)象的源對(duì)象。待質(zhì)量檢測(cè)完成并傳送到碼垛取料點(diǎn)，碼垛機(jī)器人取走的物料作為輸出線運(yùn)輸離開的目標(biāo)對(duì)象源對(duì)象。生產(chǎn)線從壓鑄機(jī)壓鑄造產(chǎn)品，完成本鑄后通知搬運(yùn)機(jī)器人取走放到傳送帶周轉(zhuǎn)，放到傳送帶完成后需要機(jī)器人發(fā)送啟動(dòng)的信號(hào)給傳送帶。質(zhì)量檢測(cè)裝置對(duì)物料進(jìn)行檢測(cè)的啟動(dòng)時(shí)間和完成，以及碼垛機(jī)器人碼走直至物流小車運(yùn)輸離開。這一系列信號(hào)的邏輯連接，都需要通過(guò)工作站的邏輯設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)。工作站邏輯的源信號(hào)和目標(biāo)信號(hào)設(shè)置以及相互之間的邏輯關(guān)系如表3所示。

表3 工作站部分I/O信號(hào)之間的邏輯關(guān)系

3.4 仿真

本設(shè)計(jì)通過(guò)搭建整個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)線的出料系統(tǒng)，內(nèi)容包括工作站的空間設(shè)計(jì)、三維模型搭建、設(shè)計(jì)并創(chuàng)建機(jī)械裝置、Smart組件的設(shè)計(jì)連接、工作站之間的邏輯控制、機(jī)器人系統(tǒng)創(chuàng)建和離線示教編程、I/O信號(hào)連接等。完成后單擊“仿真控制”選項(xiàng)卡的“播放”運(yùn)行，壓鑄機(jī)啟動(dòng)加工物料，加工完成后發(fā)出信號(hào)，搬運(yùn)機(jī)器人吸取物料放置輸送鏈。完成對(duì)物料的質(zhì)量檢測(cè)的工作，并將檢測(cè)的數(shù)據(jù)即時(shí)發(fā)送給碼垛機(jī)器人，最后由碼垛機(jī)器人根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，按照3×5的結(jié)構(gòu)進(jìn)行碼垛。碼垛完成一個(gè)棧板為一個(gè)運(yùn)行周期，如圖9所示。

實(shí)際的生產(chǎn)線中常常以PLC作為中央控制器，采用Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線，利用PLC與機(jī)器人等外圍設(shè)備的I/O板進(jìn)行連接，接收和處理壓鑄機(jī)、輸送鏈、輸出線和工業(yè)機(jī)器人等發(fā)送來(lái)的信號(hào)，執(zhí)行相應(yīng)的操作。在RobotStudio仿真軟件中，Smart組件的功能和應(yīng)用類似于PLC。只要將工作站的I/O信號(hào)和工業(yè)機(jī)器人的I/O信號(hào)相關(guān)聯(lián)，模擬PLC的功能，與每個(gè)工作站和機(jī)器人進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，即可模擬生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，離線編寫機(jī)器人的程序和調(diào)試，實(shí)現(xiàn)整條生產(chǎn)線的規(guī)劃和調(diào)整。相比于現(xiàn)場(chǎng)，大大提高了工作效率和節(jié)約生產(chǎn)的成本。

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)針生產(chǎn)線出料系統(tǒng)對(duì)于自動(dòng)化搬運(yùn)、碼垛等的需求，應(yīng)用 RobotStudio仿真軟件，根據(jù) ABBIRB4600工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)制造中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)自動(dòng)化出料系統(tǒng)的建模仿真，并建立相應(yīng)的控制系統(tǒng)和I/O信號(hào)。針對(duì)機(jī)器人在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用可能遇到的各種問(wèn)題，利用虛擬仿真技術(shù)來(lái)解決現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)線的開發(fā)調(diào)試和機(jī)器人路徑規(guī)劃困難等問(wèn)題，為ABB-IRB4600工業(yè)機(jī)器人能夠更好地完成生產(chǎn)線上的各項(xiàng)工作做好準(zhǔn)備。本設(shè)計(jì)在上述各方面都達(dá)到了預(yù)期效果，但是工業(yè)機(jī)器人涉及到的專業(yè)比較多，領(lǐng)域也比較廣，在現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)線中，需要考慮的因素遠(yuǎn)遠(yuǎn)要多的多，對(duì)機(jī)器人的參數(shù)設(shè)置和應(yīng)用的要求會(huì)更高更嚴(yán)格。