工業機器人自動分揀工作站設計*

王 陽，于 濤

(遼寧工業大學 機械工程與自動化學院，遼寧 錦州 121000)

0 引言

隨著《中國制造2025》和“十四五”規劃政策的出臺，智能制造成為中國未來經濟發展不可或缺的技術支撐。工業機器人在自動化生產線中的應用也會越來越廣泛[1]。

就目前一部分自動化生產線而言，有一些上下料、產品分類等工作仍然需要大量人工輔助，無法滿足高效生產需求，所以利用機器人進行分揀工作成為一種大趨勢。孫立新等[2]利用SW和RobotStudio搭建了工業機器人分揀工作站并進行了離線編程與仿真。許國強[3]基于視覺識別技術，利用RobotStudio針對沖壓件特征搭建了沖壓件自動分揀工作站，規劃了運動軌跡，進行了程序編寫。

鑒于前人的研究較為復雜，本文將利用RobotStudio與SW建立一個精準、簡單、安全、可靠的工業機器人自動分揀工作站。在仿真軟件中建立等同于實體的工業機器人自動分揀工作站，可大大降低在實際創建時的錯誤率。

1 工作站系統設計

工作站控制系統基于機、電、氣一體化。將PLC作為機器人工作的核心控制設備，搭配用于檢測物料位置的傳感器對工作站進行聯合控制[4]。將工業相機作為機器人視覺設備，為機器人提供物料位置坐標，以保證機器人準確抓取。上位機與機器人之間直接連接，通過Socket通信。圖1為機器人工作站控制系統結構框圖。

圖1 機器人工作站控制系統結構框圖

2 工作站搭建

本設計真實的機器人自動分揀工作站采用ABB工業機器人IRB1200進行物料搬運。此機器人工作范圍較廣，工作半徑可達901 mm，有效負載5 kg，手臂負載也可達0.3 kg[5]。該機器人機械結構緊湊，適用于物料搬運。利用SolidWorks軟件建模并將其導入RobotStudio后配合系統建立此工作站布局圖，如圖2所示。

1-離線編程系統;2-物料臺;3-機器人;4-工業相機a;5-工業相機b;6-氣缸;7-安全門;8-傳送帶；9-控制柜

如圖2所示，將機器人安裝在物料臺與傳送帶中間，在滿足抓取范圍要求的前提下，縮小了占地面積，提高了緊湊性。此外，工作站還包括氣缸、安全門、工業相機、機器人控制柜等部分。

3 工作站設計

3.1 機械裝置創建

工作站模型中的機械裝置是機器人、工具等部分的圖解，它的位姿變換是完成系統工作動畫演示的重要組成部分。

在工作站搭建的模型基礎上創建機械裝置為后續設計提供動作基礎。以氣缸為例說明整個機械裝置設計過程。氣缸用于將傳送帶上運送的物料推至物料筐中，它由支架、缸體、擋板和桿體組成，其中擋板和桿體可以做伸縮運動。氣缸的具體設計過程如下：首先，創建一個機械裝置命名為氣缸，將支架設置為L1，桿體設置為L2，并將L1屬性設置為BaseLink；然后創建節點命名為m1，父鏈接為L1，子鏈接為L2，關節類型為往復型；手動移動桿體確定可完成動作的位置坐標，將坐標依次填入關節軸屬性中，如圖3所示；最后編譯機械裝置并保存，以備后續調用。

圖3 氣缸機械裝置創建

3.2 動態Smart組件設計

Smart組件設計是機器人完成預設功能動態仿真與信號交互的重要環節[6-9]。本設計中通過對Smart組件的設計來實現仿真邏輯。

以機械抓手為例來說明整個Smart組件的設計過程。首先創建一個Smart組件；然后添加一個LineSensor子組件,用來檢測物料到達抓手可抓取坐標點，即接收信號后機械手停止動作，要通過設置屬性來定義傳感器的起點、結束點和感應半徑[10]；將其檢測到的物料設置為Attacher子組件的安裝對象；機械抓手的夾緊與松開動作由兩個PoseMover子組件進行控制；再分別添加一個Detacher子組件和邏輯非門子組件LogicGate[NOT]，設置輸出變化時間為0 s；最后創建機械抓手的I/O信號，用于與其他Smart組件進行信號交互。機器人抓手Smart組件設計如圖4所示。

圖4 機器人抓手Smart組件設計

3.3 系統工作流程

根據自動分揀任務要求，設計了本工作站仿真系統的作業流程，如圖5所示。

圖5 工作站仿真系統作業流程

機器人自動分揀工作站的系統工作流程如下：系統啟動，相機對物料臺的物料進行掃描并將信息發送給機器人；機器人抓取物料將其送至傳送帶；傳送帶上的相機對物料進行二次掃描確定物料類別并發送信號給氣缸組，氣缸根據指令將物料推送至儲物區。系列動作循環。

3.4 機器人離線編程

3.4.1 創建信號板并配置系統信號

在工業機器人中，通過I/O數據信號板來實現機器人系統與外界輸入或者輸出信號的交換。

創建一個標準信號板DSQC652(16輸入信號和16輸出信號)。為了使機器人系統與外部之間信號準確傳遞，要進行系統信號配置。工業機器人系統部分I/O信號配置如表1所示。

表1 工業機器人系統部分I/O信號配置

3.4.2 編寫離線程序

根據搭建好的模型與系統信號配置，結合Smart組件設計，新建程序模塊進行RAPID程序編寫[11]。

主程序如下：

PROC main ( )

initialize;！初始化

findobject;！相機掃描確定物料位置

pickobject1;！機器人抓取物料1

placeobjet;！機器人將物料1放置于傳送帶并分揀

pickobject2;！機器人抓取物料2

placeobjet;！機器人將物料2放置于傳送帶并分揀

pickobject3;！機器人抓取物料3

placeobjet;！機器人將物料3放置于傳送帶并分揀

ENDPROC

部分子程序如下：

PROC pickobject1 ( )

WaitTime 1;！等待1 s

Set do01;！氣缸1傳感器激活

Reset do02;！關閉氣缸2響應

Reset do03;！關閉氣缸3響應

MoveJ Offs(pick,0,0,100), v150, z20, tool0;！抓手移至物料正上方

MoveL pick, v20, fine, tool0;！抓手下移至待抓取位置

WaitTime 0.5;！等待0.5 s

Set do05;！機器人抓取物料

WaitTime 0.5;！等待0.5 s

MoveL Offs(pick,0,0,100), v150, z20, tool0;！機器人抓起物料

ENDPROC

3.5 工作站邏輯

在工作站系統中需要利用I/O信號將機器人與Smart組件之間進行邏輯連接，來實現整個工作站各工作部分之間的精準配合。工作站部分I/O信號連接如表2所示。

表2 工作站部分I/O信號連接

4 仿真

4.1 仿真測試

在前期工作完成之后，進行了多次工業機器人分揀工作站的動態仿真。在多次仿真過程中，機器人均按照原定設計路徑對物料進行視覺識別并準確抓取；并在傳送帶上對物料再次進行視覺識別，根據類別給氣缸發送觸發信號，準確推送物料到特定儲物筐中。工作站仿真過程如圖6所示。

圖6 工作站仿真過程

4.2 實驗驗證

在實驗現場，將離線程序導入機器人控制柜，并初始化機器人坐標，準備完畢后開始實驗。整個機器人自動分揀過程如圖7、圖8所示。

圖7 機器人搬運物料過程

圖8 物料在傳送帶上分類過程

經實驗測得，機器人完成一個物料分揀的工作時間為30 s。連續8 h工作可循環分揀960個物料，相比人工分揀，分揀效率有所提升。

5 結語

本文結合實際生產情況，利用RobotStudio搭建機器人自動分揀工作站，實現對物料的智能識別分類。在工作站中，創建了IRB1200機器人系統，創建了機械裝置，設計了Smart組件，配置了I/O信號，編寫了機器人離線程序。經過多次仿真實驗與現場實驗，結果表明所設計的工業機器人自動分揀工作站視覺識別準確，抓取精度較高，分揀過程迅速，能夠安全、可靠地完成分揀任務。在實際的分揀過程中，通過調節相應的參數可以很大程度縮短分揀時間，提高工作效率。本設計結構簡單、功能全面、性能可靠，能夠為類似分揀工作站的設計提供理論依據。