基于RobotStudio的機器人智能裝配工作站仿真設計

趙偉博，李琳杰

（陜西工業(yè)職業(yè)技術學院 航空工程學院，咸陽 712000）

隨著西方發(fā)達國家重回制造業(yè)，提出“制造業(yè)回歸”、“再工業(yè)化”等戰(zhàn)略，新一輪工業(yè)革命席卷而來，智能制造成為各國搶占制造業(yè)新格局的關鍵領域[1]。為實現制造業(yè)從“中國制造”向“中國智造”的轉型升級，2015 年國務院出臺《中國制造2025》戰(zhàn)略文件，提出制造強國戰(zhàn)略，推動制造業(yè)向新一代信息通信技術與先進制造技術深度融合的智能化制造轉型升級。工業(yè)機器人作為智能制造執(zhí)行環(huán)節(jié)的關鍵設備，廣泛應用于裝配、焊接、打磨、噴涂等裝備制造領域，極大地促進了傳統(tǒng)制造業(yè)的升級改造[2-3]。

文獻[4-9]均通過RobotStudio 仿真軟件搭建虛擬的自動化生產線或傳統(tǒng)裝配加工工作站，給出了工作站控制邏輯和重要部件的Smart 組件設計，實現了工件的搬運、加工、裝配等制造環(huán)節(jié)的仿真、調試和分析。以上成果主要以Smart 組件為研究對象，設計工作站的動態(tài)仿真效果，工作站邏輯設計復雜，且無法模擬工件裝配過程中有可能發(fā)生的物理碰撞，仿真結果與實際應用相差較大。

從實現機器人自動完成機器人關節(jié)零部件裝配的功能需求出發(fā)，筆者利用SolidWorks 建模軟件和RobotStudio 虛擬仿真軟件搭建了機器人智能裝配工作站，給出了工作站快換工具、旋轉料庫、變位機單元等模塊的Smart 組件設計，并結合工件的物理仿真效果，設計工作站控制邏輯，通過RAPID 離線編程實現工作站的整體仿真調試。

1 搭建仿真工作站

筆者利用SolidWorks 建模軟件創(chuàng)建工作站模型并導入RobotStudio 仿真軟件進行工作站布局。如圖1 所示，工業(yè)機器人智能裝配仿真工作站主要由1 臺ABB 工業(yè)機器人、快換工具單元、井式供料單元、輸送帶模塊、立體倉庫、旋轉料庫、變位機模塊、視覺檢測模塊、裝配模塊、RFID 模塊等多個模塊組成。其中，RFID 模塊和裝配模塊安裝于變位機旋轉面板，跟隨變位機一起運動。

圖1 裝配工作站布局Fig.1 Assembly workstation layout

工作站模擬裝配對象為機器人關節(jié)部件，其零件簡化模型如圖2 所示，主要包括關節(jié)底座、電機、減速器和輸出法蘭4 種零件。關節(jié)部件的裝配順序如下：關節(jié)底座—電機—減速器—輸出法蘭。其中，輸出法蘭裝配到關節(jié)底座后需要旋轉90°鎖緊整個關節(jié)部件。

圖2 關節(jié)零件模型Fig.2 Joint part model

2 工作站Smart 組件設計

2.1 快換工具Smart 組件設計

如圖3 所示，機器人快換工具主要由主盤、副盤、弧口爪、直口爪、吸盤及工具支架等部件組成。其中，主盤安裝于機器人末端法蘭盤上，副盤安裝于各工具上。

圖3 快換工具單元Fig.3 Quick change tool unit

機器人在裝配關節(jié)部件時，需要根據零件類型選取不同的工具進行裝配，其中，弧口爪用于抓取關節(jié)底座，直口爪用于抓取電機，吸盤用于法蘭和減速器的裝配。機器人更換工具的動態(tài)效果采用Smart 組件實現，組件屬性設置如圖4 所示。快換工具組件主要包括傳感器子組件LineSensor 和Get-Parent、動作子組件Attacher 和Detacher 以及邏輯信號子組件LogicGate 等。在快換工具Smart 組件中之所以需要添加GetParent 子組件，是因為弧口爪、直口爪和吸盤工具均是裝配體模型，LineSensor 子組件只能檢測到工具裝配體的某一個零件，而不能檢測到整個工具，因此需要通過獲取父對象GetParent 子組件來得到LineSensor 檢測到的零件的上一級對象（裝配體）。

圖4 快換工具Smart 組件設計Fig.4 Quick change tool Smart component design

通過上述操作，機器人可實現更換不同工具的動態(tài)仿真，而手爪工具和吸盤工具的動作需要再創(chuàng)建相應的Smart 組件來實現。弧口爪、直口爪和吸盤均通過RobotStudio 軟件創(chuàng)建成工具機械裝置，其中弧口爪和直口爪工具均設置了夾緊和張開兩個動作姿態(tài)。

弧口爪Smart 組件設計如圖5 所示，包含Line-Sensor、Attacher、Detacher 和PoseMover 等子組件。其中，機器人系統(tǒng)通過配置I/O 信號與弧口爪Smart 組件的輸入信號tool1 建立連接，進而控制弧口爪工具的張開和夾緊動作。直口爪工具和吸盤工具的Smart 組件設計與弧口爪工具類似，這里不再贅述。

圖5 弧口爪工具Smart 組件Fig.5 Arc jaw tool Smart component

2.2 運動控制Smart 組件設計

工作站運動控制單元包含旋轉料庫、變位機及裝配模塊。每個模塊均根據各自相應運動特點創(chuàng)建了相應的機械裝置。如圖6 所示，運動控制Smart 組件配置了3 個數字輸入信號，其中ro1 控制旋轉料庫，turn0 控制變位機，assemb 控制裝配模塊。添加子組件PoseMover 時，需要設置機械裝置姿態(tài)轉換延時參數Duration 來模擬真實的運動過程。

圖6 運動控制Smart 組件Fig.6 Motion control Smart component

2.3 視覺模塊Smart 組件設計

視覺模塊安裝于輸送帶模塊一側，相機位于輸送帶末端正上方位置。井式供料單元推料至輸送帶，輸送帶輸送工件至末端，相機拍照檢測。視覺檢測Smart 組件是用于模擬相機拍照，檢測法蘭工件旋轉角度并發(fā)送給機器人進行法蘭工件的自動裝配。為了便于控制，將井式供料Smart 組件合并于視覺檢測組件中進行推料控制。如圖7 所示，視覺檢測組件通過子組件Show 和Hide 實現拍照閃爍效果，子組件PositionSensor 可以獲取法蘭工件位置數據。需要說明一點，法蘭工件旋轉角度參考的工件坐標系必須創(chuàng)建于法蘭中心。

圖7 視覺檢測Smart 組件Fig.7 Visual inspection Smart component

此外，視覺檢測Smart 組件設有2 個輸入信號：xj 和tuiwul；1 個模擬輸出信號：FL_angle。機器人系統(tǒng)通過工作站邏輯設定可實現與視覺模塊的數據交互。

3 工作站邏輯

3.1 物理仿真

RobotStudio 仿真軟件通過設置對象的物理行為來實現物體真實物理特性的模擬。如圖8 所示，RobotStudio 仿真軟件提供了4 種物理行為：不活動、固定、運動學的和動態(tài)。

圖8 物理行為Fig.8 Physical behavior

如表1 所示，該工作站中工件的輸送和裝配過程均是通過設置相關對象的物理行為實現工件裝配的動態(tài)模擬。

表1 工件物理效果Tab.1 Physical effect of workpiece

以輸送帶為例，將其物理行為設置為運動學的，然后將末端擋板設置為固定，最后啟用表面速度進行仿真來實現真實輸送帶的輸送效果。相較于Smart 組件，物理仿真能更加真實地模擬物體裝配過程中的碰撞效果，更貼近實際裝配過程，可有效地幫助技術人員進行實際工作站的編程調試。

3.2 工作站邏輯設計

在完成上述模塊的Smart 組件設計之后，需要設定工作站邏輯將機器人系統(tǒng)與各Smart 組件輸入輸出信號進行連接。工作站邏輯如圖9 所示，其中子組件PhysicsControl 用于改變工件的物理行為，子組件PlaneSensor 安裝于輸送帶末端檢測工件。表2給出了機器人系統(tǒng)具體的輸入輸出信號，通過編寫機器人程序可實現工作站的自動裝配。

表2 機器人系統(tǒng)信號配置Tab.2 Robot system signal configuration

圖9 工作站邏輯Fig.9 Workstation logic

4 機器人RAPID 程序

工作站邏輯設置完成之后，根據表2 的信號配置編寫機器人程序。程序采用“總-分”結構，按照工件裝配流程編寫相應子程序，通過主程序main 進行邏輯調用。其中，機器人取放工具的軌跡路徑基本一致，只有目標點位置不同。因此，可通過編寫含參程序進行簡化[10]。機器人部分程序如下：

其中，main 程序調用的裝配子程序中均調用了上述qfsz 含參子程序。

5 結語

本研究從仿真模擬機器人自動裝配的角度出發(fā)，提出了一種基于Smart 組件和物理仿真的機器人智能裝配工作站仿真設計方法。文中給出了工作站的結構組成和基本布局，并詳細介紹了快換工具、變位機及視覺檢測等模塊的Smart 組件設計過程。為了貼近實際裝配效果，筆者結合虛擬仿真軟件的物理仿真功能，設計了工作站控制邏輯，編寫并調試機器人程序。工作站虛擬仿真運行良好，能夠自主完成工件的自動裝配。同時，本文設計的工作站結構布局和工作流程對企業(yè)進行產線智能化改造升級具有很好的借鑒意義。