基于RobotStudio的工業機器人打磨應用設計與仿真*

李 慧

(山西工程職業學院，山西 太原 030009)

0 引言

隨著機器人的迅速發展，機器人技術已經成為展示一個國家制造和科技水平的重要標志。在技術發達國家已經建成一批工業機器人制造廠，如瑞典的ABB、日本的FANUC和MOTOMAN、德國的KUKA等，這些企業已經成為各國的支柱性產業[1]。我國工業機器人發展由于起步較晚，基本還處在產業化的初級階段，市場相對比較小。按照工信部的發展規劃，到2020年我國工業機器人裝機量將達到100萬臺，意味著大概需要數百萬工業機器人應用相關從業人員，其中，工業機器人本體制造與集成廠商需要機器人研發、銷售、安裝調試、技術支持等專業人才；機器人的終端應用企業需要機器人工作站調試維護、操作編程等綜合素質較強的技術人才。

隨著制造企業市場競爭壓力的日益加劇，機器人的終端應用企業在生產中需要更高的效率，以降低價格，提升質量。眾所周知，讓機器人編程在新產品生產剛開始就花費時間測試或試運行是不可行的，因為這需要停止現有的生產過程，對新的或修改的部件進行編程。而不驗證到達距離及工作區域，就冒險制造刀具和固定裝置已經不再適用于當前高速運轉的工業環境[2]，因此現在生產廠家在設計之初就會對新部件的可制造性進行檢查。在產品制造的同時對機器人系統進行編程，可加速產品生產過程，打破時間和空間的限制，縮短產品上市時間[3-4]。

在實際機器人安裝前，在仿真軟件RobotStudio中對真實的機器人工作站進行離線編程，能夠更好地調試實現工業機器人打磨應用中的各項功能[5]。

1 工業機器人仿真工作站

地面型多功能ABB工業機器人系統由多種功能模塊組合搭建而成，在此系統中可實現工業機器人的多種綜合應用[6]。多種功能模塊分別為：

(1) 工業機器人模塊：該仿真系統中采用的是ABB IRB1410五公斤負載工業機器人。

(2) 出庫變頻輸送模塊：玻璃管內的工件依次下落后，由氣缸推出到傳送皮帶上。

(3) 工業視覺檢測模塊：由CCD工業視覺檢測系統、視覺處理軟件、連接電纜、支架等組成，能夠檢測傳送帶上工件顏色等信息。

(4) 變位機夾具模塊：由伺服驅動的旋轉變位機與旋轉臺上的氣動夾具組成，可以夾持物料倉庫內的模擬噴涂、模擬焊接、模擬拋光打磨等各類型工件，可與工業機器人進行協同作業。

(5) 平面碼垛模塊：工業機器人末端工具抓取尼龍工件后，按照程序設定進行碼垛作業。

(6) 工件倉儲模塊：倉儲模塊由三行三列組成，可放置9個工件，例如模擬焊接、模擬拋光打磨、模擬噴涂工件等。

(7) 多功能涂膠裝配模塊：安裝在基礎底座平臺上、配合機器人末端作業工具進行模擬涂膠裝配作業。

(8) 擴展模塊：包括搬運模塊、循跡模塊、畫圖模塊等。

(9) 多種末端工具模塊：機器人末端夾爪可以夾取四種不同的工具，如模擬噴槍、拋光打磨、真空吸盤、模擬焊接工具，完成不同的工作任務。

(10) PLC與觸摸屏模塊：該系統使用的是西門子PLC-1200系列控制各個功能模塊，并搭配昆侖通態觸摸屏監控與操作。

(11) 其他：包括無油靜音氣泵、警示燈、走線槽、安全防護欄、油水分離器等氣路系統。

2 打磨仿真工作站

利用地面型多功能ABB工業機器人系統能夠搭建多種仿真工作站。本文研究的仿真工作站完成的工作任務為：利用工業機器人夾取打磨工件放置到變位機上，然后夾取打磨工具對工件進行打磨。搭建打磨仿真工作站的核心問題就是設計變位機夾具模塊的旋轉，使其配合工業機器人夾取的拋光打磨工具來打磨尼龍工件。

2.1 搭建打磨仿真工作站

(1) 設計創建工作站：拆解完整的工業機器人工作站SolidWorks模型，將打磨應用所需要的組件、模塊都導入到仿真工作站中，設定本地原點，放置到相對工業機器人來說的可工作區域。在仿真過程中，工作站中的機器人基坐標系框架必須與控制系統中的基坐標系框架保持一致才可正常運行。而當在工作站中移動機器人后，通常要使用工作站中當前基坐標系框架數據去同步控制器中的該項數據，最終使其保持數據的一致。打磨仿真工作站布局如圖1所示。

圖1 打磨仿真工作站布局

(2) 設置機械裝置：組合各個組件并將其合并到部件(注意該過程不可逆)，將需要的工件或機械裝置設置完好，尤其是需要抓取的工件和需要改變姿態的機械裝置——變位機。如圖2所示設置好機械裝置的鏈接接點，然后編譯機械裝置，變位機機械裝置可以同時設置往復運動和旋轉，但是一個機械裝置中只能有一個基座，原則是選取不動的物體作為基座[7]。機械裝置中定義的不同姿態能夠在Smart組件中實現位置移動功能的激發。將傳感器安裝到機械裝置上時，傳感器也會隨之一起運行。在本工作站仿真環境中，動畫效果均由Smart組件體現，Smart組件的動畫效果是通過其輸入/輸出信號與機器人的I/O信號相關聯，最終實現了工作站動畫效果與機器人程序的同步。

圖2 設置機械裝置

(3) 生成軌跡：在示教目標點和示教指令時，也可以直接生成自動路徑(如圖3所示)，最后調整及檢查各指令的工具坐標系和工件坐標系正確與否，還可以通過編輯指令，設置速度和轉彎半徑[8]。目標點基本設置完成后，就可以將工作站中的數據同步到RAPID程序中去，注意目標點設為可變量比較好，最后放在主模塊下，便于編輯。

(4) 設置I/O信號：ABB標準I/O板是下掛在DeviceNet網絡上的，所以要設定模塊在網絡中的地址，端子X5的6～12跳線用來決定模塊的地址，地址可用范圍為10～63。在控制器選項卡下選擇I/O系統，首先設置板卡在DeviceNet中添加，然后設置輸入輸出信號(如圖4所示)，注意Smart組件中的輸入輸出需要與此處的輸入輸出一一對應，并在工作站邏輯中進行關聯性設定。需要指出的是，輸入輸出的地址不能重復，而且在設置好I/O信號后必須重啟控制器，才可以保證配置信號生效。

(5) 離線編程：首先將整個程序要實現的功能細節化，實現各部分的功能，然后再利用主程序中的WHILE循環指令來控制循環，注意各子程序之間的連接，以及信號的置位/復位功能。在初始化函數rInitAll( )中最好將所有的輸入信號都復位，以防止發生錯誤導致工具不能準確置位。

圖3 示教路徑和目標點

圖4 控制器信號設置

在編寫好所有的RAPID程序后，進行調試運行，調整RAPID程序中的速度數據，以便于工作站既快速又安全準確地實現各指令，從而使程序更加完善。除此之外注意Smart組件的各輸入輸出信號是否正確聯接，而且在RAPID程序中還可以添加布爾量的程序數據來控制IF條件句或TEST功能的實現。

(6) 打包保存：在整個程序可以實現后，將程序中不必要的目標點及程序數據和路徑都刪除，各組件合成為部件，設定各部件名稱，最后打包工作站，使控制器與工作站打包到一個工作站文件中。這樣打磨仿真工作站就完成了。

2.2 RAPID程序示例

RAPID程序由程序模塊和系統模塊組成，包含了一連串控制機器人的指令，執行這些指令可實現需要的操作[9]。主程序main( )是整個RAPID程序執行的起點,打磨仿真工作站的主程序如下：

3 小結

本文搭建了打磨仿真工作站，基于這個工業站，利用RAPID離線編程實現了多功能ABB工業機器人系統的打磨功能。在該應用中，關鍵點就是工業機器人如何與變位機互相配合將工件打磨完成。在打磨工作站中，變位機以機械裝置設定出現在Smart組件中，因此交互信號的變化是至關重要的[10]，而交互信號的傳輸則是機器人系統在實際操作中的核心問題。由此可見在機器人產業發展中，虛擬仿真技術很大程度上決定了機器人實操過程的精確度和實時性，二者是緊密聯系且互相促進的。

全球制造業競爭已經拉開序幕，以機器人為代表的新一代高新技術產業將成為科技創新與產業變革的制勝法寶。對于中國來說，未來的十年充滿了機遇與挑戰，既是傳統制造業轉型升級和提升制造業競爭力最為關鍵的黃金時期，也是通過“智能制造”實現“彎道超車”、踐行制造業強國之夢的歷史性發展機遇。