ABB工業(yè)機器人切割工作站的仿真設計

仝 敏

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院 陜西 西安 710300）

0 引言

近年來，機器人在經濟、社會等各個領域的應用越來越廣，特別是工業(yè)機器人已經成為裝備制造企業(yè)實現自動化、智能化轉型升級的重要推動力。工業(yè)機器人是一種模仿人手動作，并按設定的程序、軌跡和控制要求配合不同的終端執(zhí)行器，進行工件抓取、材料搬運、自動噴涂、金屬焊接、成品碼垛的機電一體化自動化裝置[1]。利用工業(yè)機器人進行激光切割，是當今的機器人應用領域和激光切割領域的一大熱點[2]。工業(yè)機器人的內部結構復雜，成本較高，在實際使用中操作不當容易損壞設備，隨著虛擬仿真技術的發(fā)展，采用機器人仿真軟件可以預先對設計的工作站進行仿真，降低維修成本。本設計以某生產線上ABB工業(yè)機器人的切割工作站為研究對象，使用RobotStudio仿真軟件對末端執(zhí)行器、活塞、傳送鏈等進行建模，完成了虛擬場景空間布局，從布局創(chuàng)建系統(tǒng)，對機器人軌跡進行規(guī)劃，編寫作業(yè)程序，對程序中的各個點位進行示教，實現切割虛擬工作站的建立與仿真。

1 切割機器人的結構和運動

機器人按照結構可以劃分為直角坐標式機器人、圓柱坐標式機器人、多關節(jié)型機器人等，其中圓柱坐標系式機器人笨重不靈活，在形式多樣的切割機器人中，使用較多的有直角坐標型和關節(jié)型兩種。其中關節(jié)型工業(yè)機器人機身結構緊湊，動作靈活性高且工作移動空間大。此外，自由度數是機器人的一個重要技術指標，自由度減少可簡化機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)設計，但會降低機械臂靈活性，反之，將提高機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)復雜性。常見的工業(yè)機器人多為六自由度，典型的六關節(jié)工業(yè)機器人本體由底座、腰部、大臂、肘部、小臂、腕部和手部組成，6個關節(jié)合成實現運動。目前，六軸關節(jié)式機器人可用于自動裝配、噴漆、搬運、焊接、切割等工作。許多知名機器人公司和研究機構，如ABB、KUKA、沈陽新松、哈工大機器人研究所等都推出了各自的關節(jié)型切割工業(yè)機器人，現階段切割工業(yè)機器人的工作能力不斷提高，控制系統(tǒng)的靈活性及負載能力不斷增強，在工業(yè)生產中得到了廣泛應用。

切割工業(yè)機器人主要由機器人本體、控制柜和人機交互裝置3部分組成[3]，見圖1。機器人本體是完成各種作業(yè)的機械主體，是切割工作站的執(zhí)行機構。其中包含互相連接的機械機構、內外部傳感裝置和驅動裝置，工作時通過末端執(zhí)行器實現對工作目標的放置。機器人控制柜相當于人的大腦[4]，內部集成了示教器線纜、電力電纜、SMB電纜、主電源控制開關、模式切換開關、急停按鈕、電機上電和抱閘等各類接口，用于控制機器人的運動和信號的輸入輸出。人機交互裝置是指專用的手持示教器，主要由觸摸屏、按鍵、操縱桿、使能鍵和急停按鈕組成，通過示教器可以實現對工業(yè)機器人的編程和調試[5]。

本次仿真設計的切割工作站中，工業(yè)機器人以ABB公司軟件模型庫中的IRB 120型為主要建模對象，當垂直料庫中的活塞原料運動到傳送鏈末端后，機器人安裝夾爪工具抓取活塞原料并放在激光切割臺上，切割臺下面的吸盤工作，機器人將夾爪卸下，安裝激光切割工具在激光切割臺上動作，完成切割。

2 切割工作站模型搭建

在實際場景中，由控制柜、示教器、工業(yè)機器人、輸送鏈、末端執(zhí)行器等組成切割工作站，通過控制器與外部設備連接通信，實現切割作業(yè)。工業(yè)機器人內部結構復雜，成本較高，在使用中如果操作不當或程序編寫有誤，容易損壞設備，對企業(yè)造成損失。現階段，虛擬仿真技術已成為工業(yè)機器人工作站搭建的發(fā)展趨勢，因而在使用之前可用專用的仿真軟件進行仿真設計，提高工作效率。工業(yè)機器人常用的仿真軟件有RobotMaster、RobotArt、DELMIA、RobotWorks、RobotStudio等[6]。其中，RobotStudio是ABB公司推出的一款集仿真和編程功能于一身，支持三維軟件，例如，CAD、UG、SW等軟件模型導入，可配置，編程和運行虛擬控制器，還可通過以太網對實際控制器進行編程，配置和監(jiān)控等在線操作，極大地提高編程的效率。

本設計采用RobotStudio軟件對切割工作站進行建模和仿真，創(chuàng)建一個空的工作站，點擊ABB模型庫，導入IRB 120型機器人，見圖2。顯示機器人工作區(qū)域，基坐標位于機器人底部，根據工作區(qū)域適當調整機器人基座的位置，不斷調整機器人和周邊設備的可到達的區(qū)域，見圖3。預先使用三維軟件對末端執(zhí)行器、活塞、切割臺等進行建模，在模型庫中依次導入傳送帶、切割臺、工具臺、夾爪工具、激光切割工具、活塞等，完成機器人本體及周邊設備選取，見圖4。點擊機器人系統(tǒng)菜單，選擇從布局創(chuàng)建系統(tǒng)，在工業(yè)網絡選項中選擇709-1 DeviceNet Master/Slave選項，完成系統(tǒng)創(chuàng)建。

3 切割工作站工作流程

切割工作站主要由IRB 120型機器人、輸送鏈、活塞、傳感器、切割工具、工作臺等組成，工作流程見圖5。

首先對搭建的系統(tǒng)進行安全檢查，調整周邊設備的位置布局，保證機器人的工作空間，避免與外部設備發(fā)生干涉。由于夾爪工具模型和切割工具模型的本地坐標系與機器人法蘭盤坐標系tool0重合，工具末端的工具坐標系即為機器人的工具坐標系[7]，因而在安裝工具之前需對工具模型做處理，第1步在吸盤工具法蘭端創(chuàng)建本地坐標系，第2步在工具末端創(chuàng)建工件坐標系，經過上述處理后，工具與系統(tǒng)庫里的默認工具具有了相同的屬性，保證工具安裝到機器人法蘭盤末端時的工具姿態(tài)。使用Do_Quick change信號安裝夾爪工具，機器人從初始位置觸發(fā)，當檢測到傳送鏈上活塞到位信號后，機器人按照預先設計的路徑達到取件工具點，使用Do_Gripper信號置位，實現夾爪閉合，夾取活塞，按設計路徑將活塞夾取到激光切割臺活塞放置點，將Do_Gripper信號復位，松開夾爪，放置活塞。切割臺檢測信號Di_Cut檢測到上面有活塞后，下面的吸盤開始工作，機器人按設計路徑到達夾爪放置點，通過快換信號自動卸下夾爪后，按設計路徑到達激光切割工具安裝位置，通過快換信號完成切割工具的安裝。機器人按設計路徑到達切割位置點進行切割，待切割完成后按設計路徑到達切割工具放置點，使用快換信號卸下激光切割工具，機器人按預先設計的路徑返回到初始位置，重復上述步驟。

4 機器人I/O信號

ABB標準I/O板提供的常用信號處理有數字輸入信號DI、數字輸出信號DO、模擬輸入信號AI、模擬輸出信號AO以及輸送鏈跟蹤[8]，常用的標準I/O板有DSQC651和DSQC652。本次選擇ABB標準I/O板DSQC652，該板卡是掛在Device Net下的設備，其中，X5端子為Device Net接口，共計12個跳線，6號跳線為地址選擇公共端邏輯地，當使用短接片將6號跳線與其他接線柱相連接時，則與之連接的引腳視為低電平，用0表示，沒有連接的引腳視為高電平，用1表示，7～12跳線用來決定I/O板在總線中的地址，其可用范圍為0～63。DSQC652的板卡在機器人出廠時，已將第8腳和第10腳的跳線剪去，則其地址為001010，從右到左分別為7～12跳線的狀態(tài)，則8號引腳對應21，10號引腳對應23，計算可得節(jié)點的地址為10。在虛擬示教器中選擇控制面板，選擇配置選項，選擇Device Net Device選項，將本次配置的DSQC652板卡的地址設置為10。

工業(yè)機器人可通過I/O與外部設備進行交互，DSQC652板卡共有16個數字量輸入信號和16個數字量輸出信號。根據控制任務，設置切割工作站的相關的I/O信號。其中，Do_Quick change信號為快換信號，其值為0或者1，主要用于卸下和安裝末端工具，在本次設計中主要用于夾爪和切割工具的安裝和卸下。Do_Gripper信號用于控制夾爪動作，通過對該信號的置位和復位操作，可以實現夾爪的夾緊和松開，實現對活塞的抓取和放置。當傳送鏈上的活塞運動到末端指定位置時，采用傳感器檢測到位與否，設置活塞到位信號為數字量輸入信號Di_Piston。切割工作站的部分I/O信號見表1。

表1 切割工作站部分I/O信號

5 系統(tǒng)編程與仿真

切割工作站創(chuàng)建完成后，優(yōu)化切割工作站的單元布局，對其進行干涉區(qū)設置，防止由于信號誤操作對設備造成損害[9]。選擇示教點位，記錄各示教點的屬性，如點的坐標、相應的功能和功能數據，根據作業(yè)效率、作業(yè)安全、運行時間等設置最大速度和加速度限制，完成路徑規(guī)劃實現其運動控制。通過軟件創(chuàng)建切割工作站，模擬真實的工作場景，離線編寫程序，檢測路徑規(guī)劃的合理性。優(yōu)化切割工作站的單元布局，避免機器人與外部設備之間發(fā)生碰撞，將RobotStudio中的程序進行同步，調試和觀察機器人切割運行狀態(tài)，仿真結果見圖6。

如果出現錯誤，及時調整程序，待程序運行無誤后，可以將程序下載到真實控制器中，使用真實示教器修改真實空間中的示教點坐標，即可完成程序的遷移，極大地提高了編程的效率。

6 結語

切割機器人要求能高速、高精度地實現切割。在設計時根據工作場景確定機器人的結構和控制要求，綜合考慮運行速度、工作空間、定位精度、承載能力等技術指標，依據作業(yè)要求擬定作業(yè)工藝。本文以某生產線上的切割工業(yè)機器人為研究對象，使用RobotStudio軟件對末端機械爪、活塞、傳送鏈、切割工具、工作臺等進行建模，完成虛擬場景空間布局。根據切割工作站的工作流程及控制要求配置DSQC652板卡并完成相關I/O信號的配置，通過離線編程對設計的軌跡進行仿真，根據系統(tǒng)運行狀態(tài)優(yōu)化切割工作站的運動路徑，最終實現虛擬切割工作站的建立與仿真。結果表明，該系統(tǒng)適用于切割作業(yè)中，為切割機器人的仿真設計提供了具體方法，優(yōu)化切割路徑，提高切割質量和效率，降低生產線設計和調試成本，對現階段工業(yè)機器人切割工作站的仿真設計具有一定借鑒意義。