虛擬仿真在工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)生產(chǎn)線工作站教學(xué)中的應(yīng)用

李能菲,黃 瓊,常 輝

(安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,安徽 合肥 230011)

0 引言

工業(yè)機(jī)器人技術(shù)伴隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)、機(jī)電工程、信息技術(shù)和控制理論等技術(shù)的發(fā)展,逐步成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備被廣泛應(yīng)用于焊接、裝配、搬運(yùn)、打磨、涂膠等各種領(lǐng)域。工業(yè)機(jī)器人在提高工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化水平的同時(shí),大幅降低了人力成本,提高生產(chǎn)效率。另外,隨著國家對制造業(yè)的高度重視和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級,在推進(jìn)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的同時(shí),對高素質(zhì)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用人才的需求更加迫切。目前,越來越多的高職院校開設(shè)了工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè),在工業(yè)機(jī)器人相關(guān)課程的教學(xué)中,需要依托具體的工業(yè)機(jī)器人工作站,而相關(guān)設(shè)備的價(jià)格較高,所需的場地較大,受資金和場地等條件的制約,學(xué)校實(shí)訓(xùn)設(shè)備數(shù)量較少,課堂上5～6 個(gè)學(xué)生共用一套設(shè)備,生均操作時(shí)間十分有限[1]。針對實(shí)訓(xùn)設(shè)備數(shù)量和學(xué)生操作時(shí)間的局限性,在教學(xué)過程中,通過虛擬仿真軟件對工作站進(jìn)行仿真調(diào)試,然后再到實(shí)體設(shè)備上進(jìn)行驗(yàn)證,降低了實(shí)訓(xùn)成本,提高了實(shí)訓(xùn)效率,教學(xué)效果也會(huì)隨之得到明顯提高,同時(shí)在一定程度上也解決了學(xué)生在課前自學(xué)和課后拓展階段沒有機(jī)會(huì)進(jìn)行實(shí)體操作的問題。

Robot Studio 是ABB 公司開發(fā)的一款工業(yè)機(jī)器人仿真軟件,它的虛擬控制器和虛擬示教器與真實(shí)的ABB機(jī)器人基本相同,可準(zhǔn)確模擬真實(shí)機(jī)器人的各項(xiàng)功能,實(shí)現(xiàn)ABB 各個(gè)系列工業(yè)機(jī)器人的離線編程和外圍設(shè)備的協(xié)同仿真,因其操作界面友好、軟件功能強(qiáng)大而被廣泛應(yīng)用于教學(xué)與生產(chǎn)[2-3]。

文章以實(shí)訓(xùn)室工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線工作站為例,介紹利用Robot Studio 仿真軟件完成工作站的搭建、動(dòng)態(tài)Smart 組件創(chuàng)建、RAPID 程序設(shè)計(jì)、工作站邏輯設(shè)定和仿真調(diào)試,最后將仿真調(diào)試好的程序?qū)雽?shí)體設(shè)備上進(jìn)行驗(yàn)證,進(jìn)而在實(shí)體設(shè)備上操作檢驗(yàn)仿真設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

1 實(shí)訓(xùn)室自動(dòng)生產(chǎn)線工作站

實(shí)訓(xùn)室自動(dòng)生產(chǎn)線工作站主要由ABB IRB120 工業(yè)機(jī)器人、供料單元、同步傳送帶、三相異步電機(jī)、碼垛臺(tái)等組成。其中,供料單元由一個(gè)托料閥和一個(gè)頂料閥控制,控制物料的下落;同步傳送帶由三相異步電動(dòng)機(jī)控制,并裝有編碼器,便于對電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制,可精確定位物料的位置;傳動(dòng)帶的末端裝有光電傳感器,用于檢測物料是否到位。整個(gè)工作站可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的供料、輸送、定位、搬運(yùn)、碼垛等功能,其中物料的供料、輸送和定位由PLC 控制,PLC 型號(hào)為三菱FX5U 系列,物料的搬運(yùn)和碼垛由工業(yè)機(jī)器人完成,PLC 和機(jī)器人之間通過標(biāo)準(zhǔn)I/O 板DSQC652 進(jìn)行通信。

自動(dòng)生產(chǎn)線工作站的工作流程如圖1 所示,通過PLC 控制供料單元進(jìn)行物料供料,待物料被推出后,PLC 通過變頻器驅(qū)動(dòng)同步傳送帶,物料隨傳送帶一起向前移動(dòng),待傳送帶末端傳感器檢測到物料以后,機(jī)器人運(yùn)行至物料上方,將物料進(jìn)行搬運(yùn)碼垛入庫。

圖1 工作流程

2 自動(dòng)生產(chǎn)線工作站仿真

在對工作站進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試前,通過Robot Studio 軟件對工作站進(jìn)行仿真調(diào)試,包括工作站的搭建、動(dòng)態(tài)Smart 組件創(chuàng)建、RAPID 程序設(shè)計(jì)、工作站邏輯設(shè)定和仿真調(diào)試。

2.1 工作站搭建

自動(dòng)化生產(chǎn)線工作站包括工業(yè)機(jī)器人、承載臺(tái)、吸盤工具、供料單元、同步傳送帶、三相異步電機(jī)、碼垛臺(tái)等。這些模型除了工業(yè)機(jī)器人ABB IRB120,其他模型都是通過3D 建模軟件Solid Works 創(chuàng)建,再通過Robot Studio 導(dǎo)入,用兩點(diǎn)法、三點(diǎn)法等方法進(jìn)行調(diào)整布置,布局結(jié)果如圖2 所示。

圖2 自動(dòng)生產(chǎn)線工作站布局

2.2 動(dòng)態(tài)Smart 組件創(chuàng)建

通過Robot Studio 對自動(dòng)生產(chǎn)線工作站進(jìn)行仿真的過程中,同步傳送帶和機(jī)器人吸盤工具的動(dòng)態(tài)效果對整個(gè)工作站的工作過程相當(dāng)重要[4]。Robot Studio 中Smart 組件是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人外圍設(shè)備動(dòng)畫效果的高效工具,同時(shí)也能模擬現(xiàn)場設(shè)備的I/O 接口與控制邏輯。

2.2.1 動(dòng)態(tài)傳送帶的創(chuàng)建

利用Smart 組件創(chuàng)建動(dòng)態(tài)傳送帶的工作流程:傳送帶前端自動(dòng)生成物料、物料隨著傳送帶運(yùn)動(dòng)、物料到達(dá)傳送帶末端碰到光電傳感器、停止傳送等待機(jī)器人抓取、當(dāng)機(jī)器人抓取后傳送帶前端再次生成物料,周而復(fù)始,循環(huán)運(yùn)行。

(1)設(shè)定傳送帶的產(chǎn)品源采用Source 組件,作用是產(chǎn)生產(chǎn)品源的復(fù)制品。此處將搬運(yùn)物料設(shè)為產(chǎn)品源,每觸發(fā)一次Source,就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)搬運(yùn)物料的復(fù)制品,模擬實(shí)際設(shè)備上供料單元落料的功能[5]。

(2)設(shè)定輸送帶的運(yùn)動(dòng)屬性,采用Linear Mover 組件,作用是使搬運(yùn)物料沿著傳動(dòng)帶做直線運(yùn)動(dòng),模擬實(shí)際設(shè)備上搬運(yùn)物料隨著傳動(dòng)帶一起運(yùn)動(dòng)。由于有多個(gè)物料需要搬運(yùn),所以需要運(yùn)動(dòng)一組物料,采用Queue 隊(duì)列組件[6]。Linear Mover 組件設(shè)置運(yùn)動(dòng)屬性,將之前設(shè)定的Queue 隊(duì)列設(shè)為運(yùn)動(dòng)物體,設(shè)置運(yùn)動(dòng)的方向和速度。將Linear Mover 使能Execute 置1,該運(yùn)動(dòng)一直處于激活狀態(tài)。

(3)設(shè)定輸送帶限位傳感器采用PlaneSensor 組件,作用是檢測搬運(yùn)物料是否到達(dá)傳送帶的末端,類似實(shí)際設(shè)備上光電傳感器,將Plane Sensor 使能Active 置1。虛擬傳感器一次只能檢測一個(gè)物體,所以這里將輸送帶和吸盤工具設(shè)置為不可由傳感器檢測。另外,在Smart 組件應(yīng)用中只有信號(hào)發(fā)生0 到1 變化時(shí),才可以觸發(fā)事件。這里需要當(dāng)傳送帶末端的物料被機(jī)器人搬走,虛擬傳感器Plane Sensor 的信號(hào)由1 到0 變化時(shí),自動(dòng)觸發(fā)Source,再次產(chǎn)生一個(gè)復(fù)制品,所以還需要添加一個(gè)邏輯門組件Logic Gate,將Operator 屬性設(shè)置為非門NOT[7]。

(4)屬性與聯(lián)結(jié)設(shè)置,將Source 的屬性Copy 與Queue 的屬性Back 進(jìn)行聯(lián)結(jié),可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品源產(chǎn)生的復(fù)制品在“加入隊(duì)列”這個(gè)動(dòng)作觸發(fā)后,自動(dòng)加入隊(duì)列Queue,隨著隊(duì)列進(jìn)行線性運(yùn)動(dòng),當(dāng)執(zhí)行退出隊(duì)列操作時(shí),復(fù)制品退出隊(duì)列之后就會(huì)停止線性運(yùn)動(dòng)。

(5)I/O 信號(hào)的添加和連接,添加啟動(dòng)信號(hào)distart和復(fù)制品到位信號(hào)dodaowei,并完成6 個(gè)I/O 信號(hào)的連接,邏輯關(guān)系如圖3 所示。剛開始利用啟動(dòng)信號(hào)distart觸發(fā)Source,產(chǎn)生一個(gè)復(fù)制品,復(fù)制品產(chǎn)生后自動(dòng)加入隊(duì)列Queue,并隨著Queue 一起沿著傳送帶運(yùn)動(dòng)。當(dāng)復(fù)制品運(yùn)動(dòng)到傳送帶末端時(shí),與面?zhèn)鞲衅鱌lane Sensor 接觸,并自動(dòng)退出隊(duì)列Queue,同時(shí)復(fù)制品到位信號(hào)dodaowei 被置1。通過非門的中間連接,最終當(dāng)復(fù)制品從傳送帶末端取走時(shí),自動(dòng)觸發(fā)Source,再次產(chǎn)生一個(gè)復(fù)制品,此后進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

圖3 動(dòng)態(tài)傳送帶組件邏輯關(guān)系

2.2.2 動(dòng)態(tài)吸盤的創(chuàng)建

利用Smart 組件創(chuàng)建動(dòng)態(tài)吸盤,實(shí)現(xiàn)吸盤工具吸和放的動(dòng)畫效果:在輸送帶末端將物料吸起,在放置位置釋放物料。

(1)工具屬性設(shè)定,創(chuàng)建一個(gè)Smart 組件,使其具有工具的屬性,來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)效果。

(2) 吸盤工具對物料的檢測采用線傳感器Line Sensor 組件,設(shè)置線傳感器尺寸參數(shù),為了保證傳感器準(zhǔn)確檢測到物料,必須保證線傳感器接觸物料時(shí)一部分在物料內(nèi)部,一部分在物料外部。另外,將吸盤工具設(shè)置為不可由傳感器檢測。

(3)拾取物料動(dòng)作采用Attacher 組件,釋放物料動(dòng)作采用Detacher 組件。這里還需要添加一個(gè)邏輯門組件Logic Gate,將Operator 屬性設(shè)置為非門NOT。

(4)屬性與聯(lián)結(jié)設(shè)置,Line Sensor 屬性Sensed Part與Attacher 屬性Child 聯(lián)結(jié),將線傳感器檢測到的物料作為拾取的子對象。Attacher 屬性Child 與Detacher 屬性Child 聯(lián)結(jié),將拾取的子對象作為釋放的子對象。

(5)I/O 信號(hào)的添加和連接,添加抓取啟動(dòng)信號(hào)digripper,完成4 個(gè)I/O 信號(hào)的連接,邏輯關(guān)系如圖4所示。當(dāng)抓取信號(hào)digripper 置1 時(shí),線傳感器開始檢測,如果檢測到物料與Line Sensor 發(fā)生接觸,則觸發(fā)拾取動(dòng)作,吸盤拾取物料;當(dāng)抓取信號(hào)digripper 置0 時(shí),通過非門的中間連接,最終觸發(fā)釋放動(dòng)作,吸盤釋放物料。動(dòng)態(tài)吸盤仿真效果如圖5 所示。

圖4 動(dòng)態(tài)吸盤組件邏輯關(guān)系

圖5 動(dòng)態(tài)吸盤組件仿真效果

2.3 RAPID 程序設(shè)計(jì)

前面完成了自動(dòng)生產(chǎn)線工作站布局、動(dòng)態(tài)smart 組件的創(chuàng)建,下面需要進(jìn)行機(jī)器人I/O 信號(hào)配置,工具坐標(biāo)和工件坐標(biāo)的創(chuàng)建,并根據(jù)工作流程對工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃和搬運(yùn)碼垛程序設(shè)計(jì)。

(1)I/O 信號(hào)配置。添加數(shù)字輸入信號(hào)DI_00_daowei,用于檢測物料是否已到達(dá)傳送帶末端,還需要添加數(shù)字輸出信號(hào)DO_00_xipan,用于控制吸盤的動(dòng)作。

(2)搬運(yùn)碼垛程序的設(shè)計(jì)。通過四點(diǎn)法標(biāo)定吸盤工具的坐標(biāo)系xipan,通過三點(diǎn)法在碼垛臺(tái)的右上角標(biāo)定工件坐標(biāo)系wobj1,如圖7 所示。在運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃的過程中要注意添加過渡點(diǎn),防止碰撞。在搬運(yùn)碼垛程序設(shè)計(jì)中,由于物料的放置點(diǎn)處于變化中,而且分布很有規(guī)律,相互間隔為50 mm,所以采用兩個(gè)for 循環(huán)嵌套來實(shí)現(xiàn)放置點(diǎn)的規(guī)律移動(dòng)。程序如圖6 所示,其中pick 點(diǎn)和put 點(diǎn)示教位置如圖7 所示。

圖6 工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)碼垛程序

圖7 搬運(yùn)碼垛拾取和放置位置

2.4 工作站邏輯設(shè)定和仿真調(diào)試

Smart 組件負(fù)責(zé)管理機(jī)器人外圍設(shè)備的動(dòng)畫效果,相當(dāng)于實(shí)際工作站里PLC 的功能。工作站邏輯將Smart 組件的I/O 信號(hào)與機(jī)器人端的I/0 信號(hào)進(jìn)行關(guān)聯(lián),實(shí)現(xiàn)Smart 組件與機(jī)器人的信號(hào)通信,從而完成整個(gè)工作站的仿真運(yùn)行。自動(dòng)生產(chǎn)線工作站邏輯:將輸送鏈Smart組件物料到位信號(hào)dodaowei與機(jī)器人輸入信號(hào)DI_00_daowei 進(jìn)行關(guān)聯(lián),讓機(jī)器人判斷物料是否到位。將機(jī)器人吸盤工具動(dòng)作信號(hào)DO_00_xipan 與吸盤工具Smart 組件digripper,讓吸盤組件將物品抓取或放下。工作站邏輯關(guān)系如圖8 所示。

圖8 工作站邏輯關(guān)系

在完成工作站邏輯設(shè)定后,即可進(jìn)行整個(gè)工作站的仿真和調(diào)試。調(diào)試結(jié)果為:傳送帶前端產(chǎn)生物料復(fù)制品,并沿著傳送帶運(yùn)動(dòng);復(fù)制品到達(dá)傳送帶末端,機(jī)器人接收到物料到位信號(hào)后,運(yùn)動(dòng)到傳送帶末端拾取點(diǎn)位置,將物料拾取并放置到碼垛臺(tái)的放置點(diǎn)位置;依次循環(huán),直到搬運(yùn)完4 個(gè)物料后,機(jī)器人復(fù)位。

3 仿真程序的實(shí)體驗(yàn)證

仿真和調(diào)試完成后,將機(jī)器人仿真程序通過U 盤導(dǎo)入如圖1 所示的實(shí)體設(shè)備上進(jìn)行驗(yàn)證,檢驗(yàn)仿真設(shè)計(jì)的合理性與準(zhǔn)確性。驗(yàn)證的一般步驟為:PLC 和機(jī)器人通信I/O 口的連接;供料單元、傳送帶等外圍設(shè)備PLC 程序的編寫下載;機(jī)器人程序的導(dǎo)入;機(jī)器人程序里所涉及的工件坐標(biāo)和工具坐標(biāo)的標(biāo)定;pick 點(diǎn)和put點(diǎn)的現(xiàn)場示教;機(jī)器人程序的手動(dòng)調(diào)試;手動(dòng)調(diào)試沒有問題的情況下完成整個(gè)工作站的自動(dòng)運(yùn)行。

4 結(jié)語

在工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)生產(chǎn)線工作站的教學(xué)中,先通過Robot Studio 軟件對工作站的工作流程進(jìn)行仿真調(diào)試,不僅讓學(xué)生了解到Robot Studio 在工業(yè)機(jī)器人工作站設(shè)計(jì)和調(diào)試中的應(yīng)用,還可以克服當(dāng)前學(xué)校實(shí)訓(xùn)設(shè)備不足、實(shí)操時(shí)間有限等困難,降低了實(shí)訓(xùn)成本,提高了實(shí)訓(xùn)效率,極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性與課堂參與度,教學(xué)效果也隨之得到了提高。文章的研究對工業(yè)機(jī)器人相關(guān)課程的教學(xué)培訓(xùn)、工業(yè)機(jī)器人工作站系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)等都具有一定的指導(dǎo)作用。