機器人自動化生產線過程的仿真與實現

耿永秀，陳 哲，曹祖鳴，王 巍

（揚力集團股份有限公司，江蘇 揚州 225000）

隨著工業自動化發展的需求，制造業也向自動化生產轉型，采用機器人生產線的用戶不斷增加。傳統生產線產品的搬運采用人工操作，不僅生產效率低下，還有安全風險的存在。因此工業機器人自動化生產線成套設備已成為未來發展主流[1-2]。通過機器人虛擬仿真對生產線中生產過程進行模擬，可有效降低生產成本、規避安全風險。

目前機器人生產線過程仿真軟件種類繁多，各有優劣[3]。本文中討論的沖壓自動化生產線采用的是ABB公司的工業機器人作為自動上下料設備，為此，選擇三維軟件對自動化生產線過程進行仿真，便于在軟件模型庫中調用與實際一致的工業機器人及外部設備。通過仿真軟件的應用，可以實現機器人安裝前的離線編程，提高編程效率，改善編程環境，同時可以實現生產布局的方案設計、機器人到達能力檢測、碰撞檢測、離線編程等功能。

1 自動化生產線三維布局的建立

生產線的三維布局是機器人自動化沖壓線的前提與基礎，而三維建模的準確性直接關系到仿真結果的可靠性。為加快建模速度，本文利用SolidWorks建立機床、拆垛小車、對中臺等生產設備的三維模型，并轉換為STEP或者X-T格式進行軟件間模型的傳輸。

在機床布局過程中，為保證沖壓機操作臺處于機器人工作空間的可達范圍內，可將機器人拖拽到壓機的磨具上抓取物料，檢測是否處在機器人覆蓋半徑內，是否有干涉，是否能流暢的完成動作，最后確定沖床間距及機器人位置坐標。通過在三維仿真環境中依次載入四臺機床、拆垛小車、重力對中臺、皮帶線的三維模型，并調用IRB6700機器人模型，設計出自動化生產線整體布局，如圖1所示。

2 自動化生產線仿真過程的實現

在三維仿真環境中，可以客觀的對機器人自動沖壓線的完整過程進行實時模擬，以便更加合理的進行生產線的布局與生產資源的配置。同時，在仿真環境中對機器人沖壓生產線的設計方案進行驗證分析，如機器人的可達性、機器人驅動程序的正確性、碰撞檢測、奇異點規避等。

2.1 仿真生產線流程設計

為保證仿真效果，自動化生產線的仿真流程應與實際工作情況一一對應。仿真開始后，拆垛小車進入工作區域，機器人1得到位信號后拾取拆垛，放在重力對中臺，機器人2得到放置結束信號后拾取對中臺上的板料放入第一壓機中，壓機沖壓，機器人3等待沖壓完成信號發出后拾取板料送入第二臺壓機中，壓機沖壓，機器人4等待沖壓完成信號發出后拾取板料送入第三臺壓機中，壓機沖壓，機器人5等待沖壓完成信號發出后拾取板料送入第四臺壓機中，壓機沖壓，機器人6等待沖壓完成信號發出后拾取板料放置于皮帶線，皮帶線將產品輸送至末端，仿真結束。

2.2 Smart組件的設計

Smart組件是三維仿真軟件的一種受信號與屬性控制的動作組件，本文用Smart組件功能依次創建動態機床上下沖壓組件，端拾器真空系統吸料和放料組件、皮帶線輸送鏈組件，Smart組件具體參數如圖2所示。通過以上參數設置，可以實現機床沖壓動態效果，包含機床中滑塊向下運動的動作，停止動作、滑塊向上移動動作、再次向下運動依次順序循環；端拾器吸料放料動作，包括端拾器上傳感器遇到料片產生吸附動作、端拾器到達目的地產生放料動作，端拾器再次移動有料處吸附動作，按照此順序依次循環；皮帶輸送鏈向前移動，到達末端消失依次循環。

2.3 邏輯工作站的連接

三維仿真過程的核心就是建立控制信號間的邏輯關系，該自動化生產線包括4個沖壓單元，6個機器人傳送單元、1個輸送系統單元，根據單元間的控制需求，添加相應的I/O信號，在邏輯工作站中把信號邏輯關系建立起來。

其中機器人I/O信號，將Smart組件的輸入輸出信號和機器人端的輸入輸出端信號關聯，這是工作站邏輯站的設定，Smart組件的輸出信號作為機器人端的輸入信號，機器人端的輸出信號作為Smart組件的輸入信號，機器人的輸出信號可以作為下一臺機器人的輸入信號，這樣Smart組件就可以和工業機器人進行I/O通信。本自動化生產線建立的邏輯站參數關系如圖3所示。

2.4 沖壓機器人軌跡的規劃

在自動化生產線控制程序編寫前，需要對機器人進行軌跡的規劃及目標點的示教。自動化生產線中機器人分為三類：拆垛機器人、傳送機器人和下料機器人。拆垛機器人共有3個示教點，分別是機器人拾起板料點、中間過渡點home點、機器人放置點；傳送機器人共有5個示教點，分別是機器人拾取點、機器人在機床1等待點，機器人中間過渡點、機器人在機床2等待點、機器人放置點；下料機器人共有4個示教點，分別是機床中拾取板料點、機床外等待點、過渡點、機器人放置點。目標點示教后同步至rapid程序中，進行程序的編程。

3 結語

本文搭建的機器人仿真工作站，在保證Smart組件創建的正確性、邏輯關系連接的正確性、機器人控制程序的正確性的前提下，經調試優化后，該工作站能正常運行，前后動作銜接合理，符合生產實際。模型調試過程發現，建立自動化生產線工作站有兩大難點：①Smart組件和邏輯工作站在創建時要注意I/O信號的連接關系，一一對應，邏輯清晰；②在編程時要按照生產實際順序，層層遞進，使程序更易理解[5]。

本文建立的自動化生產線仿真模型，可以實現對整個生產線的直觀展示，通過在仿真環境下的試運行，提前解決在生產線布置中產生的問題，對生產的預期效果有個準確定位，有效節省設計到投入生產所需時間。基于該仿真模型設計的門殼自動化生產線，已成功應用于實際并開始生產運行，大大縮短了生產線的設計周期，降低了調試過程中的經濟損失，對制造業自動化生產線有重要的參考意義。