基于三菱工業機器人工作站的離線編程與虛擬仿真技術研究

鄒鵬達

（溫州職業技術學院電氣電子工程系，浙江 溫州 325035）

0 引言

離線編程與虛擬仿真是指借助計算機圖形學的成果， 建立機器人及其外圍環境的虛擬模型， 再通過相應的編程語言， 轉化成一定的規劃與算法， 對虛擬模型的圖形進行控制和操作， 實現虛擬機器人系統的編程控制和運動仿真效果。

近年來， 許多學者對工業機器人編程技術進行了研究。 利用工業機器人的離線編程與虛擬仿真功能，能夠在不依賴與現場設備的條件下， 借助電腦中的虛擬工業機器人及其外圍環境模型， 模擬工業機器人的現場編程操作和作業[1-4]。 機器人離線編程具有以下優點：

（1）效果形象直觀，便于學習者細致觀察機器人動作和理解抽象概念。

（2）操作過程安全便捷，環境優越。 現場操作具有一定的危險， 而工業機器人往往在比較惡劣的環境中作業。

（3）不占用工業機器人作業時間，提高工業機器人的使用率。 在電腦上對下一個作業任務。 進行離線編程和作業仿真時， 機器人不需要停機， 仍可在生產線上作業。

（4）便于實現更加復雜作業任務的程序設計。

（5）便于開展機器人作業系統集成的一體化設計。

本文基于三菱工業機器人對工作站進行離線編程和虛擬仿真技術的研究， 對機器人在工業生產線中的應用提供理論依據，和現實意義。

1 機器人虛擬工作站的建立

1.1 虛擬零部件創建

若要在虛擬機器人工作站安裝抓手，并處理工件，必須要對三維零件進行處理。 SolidWorks 是基于Windows 開發的三維CAD 系統， 目前已經成為三維機械設計軟件的標準， 可實現零件的設計以及裝配功能。本文基于SolidWorks 軟件創建的虛擬工作站所需要的零件。 機器人工作站包括工業機器人、工件、托盤以及外圍設備，根據實際所需要的設備，采用SolidWorks三維建模軟件對所需工作站的模型進行創建。

1.2 虛擬抓手設計

MELFA Works 是一個運行在SolidWorks 軟件環境下的插件， 借助該插件可進行虛擬工業機器人系統構建、 工業機器人動作的模擬控制、 參數設置等諸多項目的模擬仿真操作。 MELFA Works 能夠識別的虛擬抓手類型有：抓取類抓手、非抓取類抓手、自動換刀器主體、自動換刀器工具等。 抓手設計過程如下：（1）保存文件名稱。 打開SolidWorks 軟件， 新建零件文檔并保存，若創建抓手的虛擬零件，命名為xxx_Hand。 （2）創建零件模型。 利用SolidWorks 軟件，根據零部件的結構特征創建相應的三維建模。 （3）添加用戶坐標系。 為虛擬抓手的三維模型添加安裝坐標系， 命名為Orig1；若創建抓取類的虛擬抓手或虛擬自動換刀器工具， 還要在末端適當位置添加工件抓取坐標系， 命名為Pick1 ～Pick8； 若創建非抓取類的虛擬抓手或自動換刀器主體， 還要在末端適當位置添加抓取坐標系， 命名為Orig2。

1.3 虛擬工件設計

虛擬工件的設計過程如下：1、 保存文件名為xxx_Work：打開SolidWorks 軟件，新建零件文檔并保存，命名為xxx_Work。 2、創建零件模型。 根據結構特征三維建模。 3、添加用戶坐標系。 為虛擬工件的三維模型添加抓取位置坐標系，命名為Orig1。

1.4 虛擬工作站的創建

虛擬工作站的創建過程如下：（1）新建機器人工作站。 （2）加載“搬運支架臺總和.prt”、“目標盤組合.prt”和“庫盤組合.prt”等虛擬零件模型，并布局。 （3）加載機器人， 并且對虛擬工業機器人進行設置和布局。 包括機器人型號，安裝抓手，對抓手的控制進行設置。 創建的虛擬工作站如圖所示。

圖1 機器人虛擬工作站

2 離線編程與虛擬仿真調試

機器人編程軟件RT TOOLBOX 也可以像鏈接真實機器人控制器一樣，鏈接至MELFA Works 中的虛擬控制器。 通過RTTOOLBOX 對MELFA Works 中的虛擬控制器下載程序、 設置參數等虛擬操作。 借助MELFAWorks，RT TOOLBOX 還 可 以 對SolidWorks 環 境中的虛擬機器人本體進行操作， 如虛擬機器人本體當前位置的讀取、 虛擬示教盒操控等。 機器人編程軟件RT TOOLBOX、MELFA Works、SolidWorks、真實機器人控制器與本體之間的關系如圖2 所示。

圖2 機器人虛擬仿真系統

工業機器人工作站離線開發流程如圖3 所示，首先創建零部件， 然后新建虛擬仿真工程， 把三菱工業機器人加載進來，在MEL FA Works 中，可以設置最多8 個不同類型的機器人工程，可以加載機器人本體、從本體上安裝和卸載抓手、 行走臺， 并且設置模擬仿真所需的機器人抓手信號。 機器人控制器型號有CRn-500、CRnQ-7xx/CR75x-Q、CRnQ7xx/CR75x-D 等3 個 選項可供選擇， 根據實際類型選擇虛擬控制器型號。 然后選擇機器人程序語言版本， 機器人本體模型。 虛擬抓手安裝到機器人本體上需要單機目標虛擬抓手，單擊“Connect”按鈕，單擊“Hand”文本框，選中目標虛擬抓手， 這樣， 虛擬抓手便自動化安裝到機器人終端法蘭面上。 接著設置模擬仿真所需要的機器人抓手信號。 用于設置機器人抓手的信號，“-1”表示未設置號碼。 在仿真模擬時， 機器人程序中輸出此處設置的號碼信號， 可以模擬控制抓手抓或放工件或自動化換刀器抓或放工具的動作Pick1 ～Pick8 表示虛擬抓手中設置了相應坐標系的虛擬抓手信號。 接著把外圍設備加載進來， 根據機器人工作站的實際布局進行固定。 通過改變機器人的姿態， 創建校準數據示教機器人的動作位置，用虛擬控制器確認動作，創建機器人程序。

圖3 機器人離線程序開發流程

圖4 機器人離線程序

虛擬仿真技術通過虛擬控制器來實現， 它是電腦中模擬真實機器人控制器的一個功能部件。 虛擬控制器幾乎可以完全地模擬真實控制器， 因此， 可以像使用真實控制器一地在電腦仿真環境下使用虛擬控制器中的所有操作，如程序下載、參數設置、監視、與離線編程軟件RT TOOLOX 鏈接。 本文通過將虛擬控制器與虛擬機器人本體的鏈接， 機器人程序動作也可以在虛擬本體中重現。 在離線編程軟件RT TOOLOX 中編寫機器人程序如下圖4 所示。 通過離線編程和虛擬仿真技術， 該程序可控制工業機器人在虛擬模型中進行機器人工作運動以及抓取動作的實現。

3 總結

本文研究了基于三菱工業機器人的工作站的離線編程與虛擬仿真技術， 應用Solidworks 、Melfaworks 、RT-ToolBox 軟件對工業機器人工作站進行虛擬建模，離線編程， 為機器人作業系統集成一體化設計提供很好的理論與實踐支持。