基于 RobotStudio的機器人夾具動態更換系統仿真設計

摘要：以電機成品裝配過程中機器人自動快換夾具為研究對象，基于 SolidWorks三維建模，以及 RobotStudio Smart組件，提出了一種機器人夾具動態更換仿真系統設計方案。首先對機器人末端夾具及外圍設備進行三維實體建模，通過 RobotStudio接口導入.stp 或.sat格式文件，創建工具及機械裝置，完成整個工作站的空間布局;然后依據實際系統工作流程，創建仿真運行 I/O信號，進行了動態 Smart組件的設計、工作站的邏輯連接，機器人離線編程，最終實現了機器人側夾具動態更換仿真，完成了電機成品虛擬裝配，可為從事機器人系統仿真工程技術人員提供一定參考。

關鍵詞：RobotStudio;Smart組件;夾具動態更換;仿真設計;離線編程

中圖分類號：TP242???????????? 文獻標志碼：A

文章編號：1009-9492（2021）12-0122-05

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Simulation Design of Robot Fixture Dynamic Replacement System Based on RobotStudio Software

Li Zhimei

（Shazhou Professional Institute of Technology， Zhangjiagang， Jiangsu 215600， China）

Abstract： Taking the robot automatic quick change fixture in the assembly process of motor product as the research object， a design scheme of fixture dynamic change simulation system was proposed based on SolidWorks 3D modeling and RobotStudio Smart component. Firstly， the end fixture and peripheral equipment were modeled by 3D entity， and the. stp or. sat format files were imported through the RobotStudio interface， and the tools and mechanical devices were created， and the spatial layout of the entire workstation was completed. Then， according to the working process of the actual system， the simulation I/O signal was created， and the design of the dynamic Smart component， the logical connection of the workstation， and the off-line programming of the robot were carried out. Finally， the dynamic replacement simulation of the robot fixture was realized， and the virtual assembly of the motor product was completed， which could provide some reference for the engineers and technicians engaged in the simulation of the robot system.

Key words： RobotStudio; Smart component; fixture dynamic replacement; simulation design; off-line programming

0 引言

智能制造領域內，工業機器人與外圍設備協同作業仿真，在不消耗任何實際生產資源的情況下，能以可視化的動態模擬呈現實際生產過程與生產場景，應用在方案前期設計、規劃和實施等準備工作中，可提前解決實際生產制造中應用可能遇到的問題，對降低開發成本，縮短生產研發周期，具有十分重要作用[1-2]。

實際生產現場中，機器人末端經常需要通過快換來更換夾具，以進行不同零件搬運裝配等工作。在真實的環境中，因有氣路、傳感器、重力等因素，往往實現起來不成問題，但在仿真方案中，若想呈現聯動動態效果，除了機器人 RAPID 語言編程之外，還需另外進行動態 Smart組件的設計、工作站的邏輯連接等[3-4]。本文基于 ABB RobotStudio軟件，針對電機成品裝配過程中，如何實現動態更換夾具問題，提出一種新的 Smart組件設計方案，以期為相關工程技術人員提供一定技術參考。

1 機器人工作站創建

瑞典 ABB 公司 RobotStudio軟件在機器人離線編程方面功能強大，但在三維建模方面功能性有待于優化[5]。可利用SolidWorks/Pro-E 等專業建模軟件，對機器人末端夾具及工作站外圍設備等進行三維建模，然后轉換為.stp 或.sat 格式文件，再導入 RobotStudio 軟件中，創建工具及機械裝置，然后構建機器人電機成品裝配工作站[6-7]。

1.1 工具及機械裝置的創建

工具創建：為了使機器人編程時能選擇不同工具坐標系，RobotStudio中導入機器人側（主側）快換，在設置本地原點后，可創建其為“工具”。根據3個夾具模型的尺寸，添加3個工具坐標系框架在機器人側快換裝置上，如圖1所示。以框架1為例，當其對應1號弧口夾具（帶工具側快換）鎖緊至機器人側快換時，框架1的位置等于該夾具抓取目標對象作用點至 tool0沿 X＼Y＼Z 方向距離。

機械裝置創建：以2號淺直口夾具為例，為了使夾具夾爪能實現動態開、合，整裝配體導入 RobotStudio后要分整體模型為左瓣爪、右瓣爪、氣缸基座3部分，如圖2所示。然后“建模”菜單下“創建機械裝置”，機械裝置類型選為“工具”，依次添加3個鏈接，注意設置氣缸基座 BaseLink 不動件，“接點”設置好夾爪的開合距離，“工具數據”注意 TCP方向等選項。完成后，進行“編譯機械裝置”，再添加兩個姿態“放松姿態”與“夾緊姿態”。1號弧口夾具與3號橫直口夾具類似處理[3]。

1.2 機器人裝配工作站構建

創建好工具及機械裝置后，在 RobotStudio中導入機器人側快換并拖曳安裝至機器人末端法蘭盤，然后分別再導入夾具支撐架、立體倉庫、搬運模塊以及電機組件等，最后導入3個夾具（帶工具側快換）并放置在夾具支撐架上，完成整個工作站的空間布局，如圖3所示。

2 夾具動態更換仿真系統設計

2.1 系統工作流程

電機成品裝配工作流程如圖4所示。任務要求：機器人取1號夾具→抓轉子、并裝配入定子→放1號夾具、換2號夾具→抓端蓋、并裝配入定子→放2號夾具、換3號夾具→搬運電機成品入庫→放3號工具、返回工作原點。

實際工作站中，機器人自動工具快換裝置為日本 EINS OX-03A/0X-03AI ，使用氣體鎖緊主側和工具側，主側快換配管連接如圖5所示，氣路換向采用單電控電磁閥。

2.2 動態Smart組件設計

夾具動態更換動畫效果須通過 RobotStudio Smart 組件來實現[8-9]。除了機器人末端更換夾具之外，所更換夾具夾爪還須實現開/合以搬運目標對象并裝配，故創建兩級 Smart組件。一級調用二級。機器人系統通過 I/O與一級 Smart 組件連接。動態 Smart 仿真系統中創建 I/O 信號如表1所示。

（1） 一級 Smart組件設計

一級 SCGripper設計如圖6所示，功能定義為拾取各號夾具;二級 SCGripper01～ SCGripper03，功能定義為各號夾具夾爪開合并實現目標對象搬運裝配。其中， SC? Gripper01對應1號弧口夾具，SCGripper02對應2號淺直口夾具， SCGripper03對應3號橫直口夾具，均由 InSC2信號控制。

工作原理：線性傳感器 LineSensor 安裝在機器人側快換上（圖7）;當輸入信號 Insc 為1時， LineSensor當前檢測到哪個夾具，通過三級獲取父對象 GetParent 來獲取該夾具完整實體，以此作為 Attacher作用對象;當輸入信號 Insc 為0時，通過邏輯信號子組件 LogicGate[NOT]來驅動 Detacher釋放 Attacher所作用的對象。

（2） 二級 Smart組件設計

線性傳感器 LineSensor 安裝在夾具兩夾爪中間（圖8）。二級組件 SCGripper01與 SCGripper02類似。以搬運電機轉子 SCGripper01為例，Smart設計如圖9所示。

工作原理：當 LineSensor 被輸入信號 inGripper01激活，并檢測到拾取對象時，通過 PoseMover_2與 Attacher 實現動畫夾緊及拾取動作;反之，則通過邏輯取反 Log?icGate[NOT]、PoseMover_1以及 Detacher子組件，實現夾爪動畫夾緊及放松動作，放松釋放所拾取對象后，通過 LinerarMover2實現自由落體裝配入定子，然后通過 At? tacher_2設定與電機定子隨動綁定（定義電機定子為父對象）。

SCGripper03主要實現動態搬運電機成品入庫， Smart 組件設計如圖10所示。線性傳感器 LineSensor 被輸入信號 InGripper 激活時，當檢測到部分拾取對象，通過 GetParent 獲取完整電機成品實體，作為 Attacher 與 Detacher作用對象。其他與上述同理，此處不作贅述。

3 系統編程與仿真調試

3.1? 工作站邏輯連接

在機器人系統中，添加 I/O板卡 d652，配置 I/O信號 DO15、DO16，機器人系統 System12與一級 Smart組件 I/ O 連接如表2所示。其中，DO15為主盤鎖緊/松開信號， DO16為夾具夾爪夾緊/放松信號。

3.2 機器人系統程序編制

當建好工作站三維模型，完成 Smart 動態組件設計，并配置好 I/O信號、以及工作站邏輯連接后，可進行機器人系統離線編程。

（1） 主程序及子程序

主程序與子程序編寫如表3所示，其中，main（）為機器人電機裝配搬運入庫主程序，ToolPick（）為夾具拾取子程序;ToolPut（）為夾具釋放子程序。

ToolPos{1}～ ToolPos{3}為 robtarget 型一維數組常量，分別用來存儲三個夾具的各自拾取點位;ToolTemp 為 robtarget型可變量，用來存儲預備更換夾具拾取點。

（2）電機轉子裝配路徑規劃

電機端蓋裝配 AssembleCover、轉子裝配 Assem? bleRotor，以及搬運入庫子程序 PutInStorage 運動路徑類似。此處以機器人裝配電機轉子為例，其運動路線進行設計如圖11所示。示教編程時注意：①夾爪夾緊與放松用 Set/Reset DO16驅動;②工具坐標系須選擇1號弧口夾具所對應的 Tool01，因工具創建時已定義在夾具夾取中心點上（圖12），所以選擇后機器人控制點從便會從末端法蘭盤中心轉移到該點上，這樣隨著腕部移動，工具坐標方向也會隨之變化。

3.3 夾具動態更換系統仿真調試

在進行夾具動態系統調試前，在 RobotStudio 菜單“仿真”→“重置”→“保存當前狀態”為系統初始狀態，以便中間出現異常，可返回“已保存狀態”進行重置。此外，若機器人程序是在工作站中編寫，則須同步到 RAPID ，然后“仿真”菜單下，設置入口程序即可，相關可相關文獻[10-15]。

4 結束語

隨著智能制造技術發展，虛擬動態仿真技術將會得到大量應用。本文基于 SolidWorks/Pro-E 等三維建模，采用 ABB RobotStudio軟件，針對對產品裝配過程中夾具動態更換，提出一種新的 Smart組件設計方法。該方法主要針對快換氣路中采用單電控電磁換向閥，若雙電控電磁換向閥控制，讀者須自己繼續嘗試。

參考文獻：

[1]劉海燕， 蘇宇，林春蘭，等.基于 RobotStudio的生產線下料系統設計與仿真[J].制造技術與機床，2019（5）：67-75.

[2]陸葉.基于 RobotStudio的機器人柔性制造生產線的仿真設計[J].組合機床與自動化加工技術，2016（6）：157-160.

[3]趙錫恒.基于 RobotStudio的工業機器人裝配工作站仿真應用[J].機電工程技術，2020，49（8）：204-206.

[4]郝建豹，許煥彬，林炯南.基于 RobotStudio的多機器人柔性制造生產線虛擬仿真設計[J].機床與液壓，2018（11）：54-57.

[5]孫立新， 高菲菲，王傳龍，等.基于 RobotStudio的機器人分揀工作站仿真設計[J].機床與液壓，2019，47（21）：29-33.

[6]朱文華， 史秋雨，蔡寶，等.基于 RobotStudio工業機器人工藝仿真平臺設計[J].制造業制動化，2020，42（12）：28-31.

[7]郝翠霞， 葉暉.基于 Smart組件的工業機器人碼垛仿真設計[J].自動化技術與應用，2018（7）：63-66.

[8]楊會攀.基于 Smart組件的動態夾具設計在教學中的應用[J].職業教育，2019（42）：197.

[9]高茂源，王好臣， 叢志文，等.基于 RobotStudio的機器人碼垛優化研究[J].組合機床與自動化加工技術，2020（11）：38-41.

[10]黃明鑫， 惠為東.基于 RobotStudio的機器人碼垛工作站仿真研究[J].南方農機，2018，49（23）：43-51.

[11]劉杰.工業機器人離線編程與仿真項目教程[M].武漢：華中科技大學出版社，2019.

[12]張明文.工業機器人離線編程[M].武漢：華中科技大學出版社，2017.

[13]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.

[14]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.

[15]胡畢富， 陳南江， 林燕文.工業機器人離線編程與仿真技術（RobotStudio）[M].北京：高等教育出版社，2019.

作者簡介：李志梅（1979-），女，吉林蛟河人，碩士，副教授，研究領域為機電控制與自動化，已發表論文20余篇。

（編輯：刁少華）