基于RobotStudio的機(jī)器人搬運碼垛虛擬仿真平臺

鄧華軍 段月紅 盧培文

本文引用格式：鄧華軍，段月紅，盧培文.基于RobotStudio的機(jī)器人搬運碼垛虛擬仿真平臺[J].自動化與信息工程，2023，44（1）： 27-32.

DENG Huajun， DUAN Yuehong， LU Peiwen. Virtual simulation platform for robot handling and palletizing ????????????based on RobotStudio[J]. Automation & Information Engineering， 2023，44（1）：27-32.

摘要：以機(jī)器人搬運碼垛平臺為研究對象，通過SolidWorks軟件建立該平臺的三維模型；利用RobotStudio軟件設(shè)計動態(tài)物料輸送鏈、動態(tài)快換工具和動態(tài)真空吸盤3個Smart組件，分別用于模擬機(jī)器人搬運碼垛平臺的物料運動、吸取/釋放物料和裝載/卸載吸盤，并虛擬仿真機(jī)器人搬運碼垛的工作過程。仿真結(jié)果表明：該虛擬仿真平臺可以準(zhǔn)確地模擬機(jī)器人搬運碼垛平臺的動態(tài)效果，順利地完成預(yù)定的工作程序，達(dá)到與真實平臺相同的搬運碼垛效果。

關(guān)鍵詞：RobotStudio；機(jī)器人搬運碼垛平臺；Smart組件；虛擬仿真平臺；SolidWorks

中圖分類號：TP249??????????文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ???????????文章編號：1674-2605（2023）01-0005-06

DOI：10.3969/j.issn.1674-2605.2023.01.005

Virtual Simulation Platformfor Robot Handling and Palletizing ????????????Based on RobotStudio

DENG Huajun??DUAN Yuehong??LU Peiwen

（Ganzhou Polytechnic，?Ganzhou 341000， China）

Abstract：Taking the robot handling and palletizing platform as the research object， the three dimensional model of the platform is established by SolidWorks software; Use RobotStudio software to design three Smart components： dynamic material conveying chain， dynamic quick-change tool and dynamic vacuum suction cups， which are respectively used to simulate the material movement， material absorption/release and loading/unloading suction cups of the robot handling palletizing platform， and to simulate the working process of the robot handling palletizing. The simulation results show that the virtual simulation platform can accurately simulate the dynamic effect of the robot handling and palletizing platform， and successfully complete the predetermined work procedure， achieving the same handling and palletizing effect as the real platform.

Keywords：RobotStudio;?robot handling and palletizing platform;?Smart component;?virtual simulation; SolidWorks

0 引言

搬運碼垛是機(jī)器人的一個典型應(yīng)用場景，約40%的機(jī)器人被用于柔性搬運、碼垛、傳送等場合^[1]。傳統(tǒng)的示教編程方法存在精度不高、效率較低等問題。借助虛擬仿真技術(shù)建立機(jī)器人虛擬仿真平臺，不僅可以快捷、方便地調(diào)試程序，還可以多角度地觀察機(jī)器人的運行情況。另外，隨著職業(yè)教育的發(fā)展，以工業(yè)機(jī)器人為代表的自動化實訓(xùn)平臺被廣泛應(yīng)用于實驗

實訓(xùn)教學(xué)。但由于工業(yè)機(jī)器人相關(guān)實訓(xùn)設(shè)備價格昂貴、數(shù)量較少，制約了技能型人才的培養(yǎng)。虛擬仿真平臺不僅可以優(yōu)化教育資源，還可以將技能大賽的成果高效地轉(zhuǎn)化為實際教學(xué)，提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量^[2-3]。

本文利用三維建模軟件SolidWorks建立機(jī)器人搬運碼垛虛擬仿真平臺設(shè)備的三維模型，并為模型設(shè)置材質(zhì)和外觀，使模型最大程度地反映真實設(shè)備；利用高效離線編程軟件RobotStudio^[4]的Smart組件設(shè)計動態(tài)物料輸送鏈、動態(tài)快換工具和動態(tài)真空吸盤，使機(jī)器人搬運碼垛虛擬仿真平臺具有真實平臺的效果，模擬機(jī)器人搬運碼垛平臺的工作過程。

1 虛擬仿真平臺搭建

1.1 平臺三維模型建立

本文以全國職業(yè)院校技能大賽機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用項目競賽設(shè)備為基礎(chǔ)^[5]，分離出機(jī)器人搬運碼垛平臺。利用三維建模軟件SolidWorks建立機(jī)器人搬運碼垛虛擬仿真平臺中的工作臺、快換工具、真空吸盤、吸盤支架、物料取料架、物料放料架等設(shè)備的三維模型。這些設(shè)備的三維模型可直接導(dǎo)入RobotStudio，搭建虛擬仿真平臺，提高設(shè)計效率。通過設(shè)備間的通訊連接，實現(xiàn)機(jī)器人搬運碼垛的工作過程。

機(jī)器人搬運碼垛平臺采用ABB IRB120型工業(yè)機(jī)器人^[6-7]。建立機(jī)器人搬運碼垛虛擬仿真平臺時，首先，從RobotStudio<基本>功能選項卡中的ABB模型庫直接導(dǎo)入該型號工業(yè)機(jī)器人；然后，其他設(shè)備利用SolidWorks建立與真實設(shè)備一致的模型，并導(dǎo)入RobotStudio中；最后，通過修改設(shè)備模型的位置，完成虛擬仿真平臺的布局，如圖1所示。

1.2 工具坐標(biāo)系的創(chuàng)建

為方便目標(biāo)點位的示教，將工具中心點（tool center point，TCP）轉(zhuǎn)移到工具末端，并在工具末端自動生成工具坐標(biāo)系。首先，創(chuàng)建1個快換工具Tool1，將框架原點設(shè)置在快換末端的中心處，方便捕捉真空吸盤的裝載/卸載位置；然后，創(chuàng)建1個真空吸盤工具Tool2，將框架原點設(shè)置在真空吸盤末端的中心處，方便物料拾取/釋放位置的示教。

1.3 工件坐標(biāo)系的創(chuàng)建

物料取料架導(dǎo)軌是一個與水平面成35°的斜面，三維模型如圖2所示。為方便用戶手動控制機(jī)器人規(guī)劃路徑、編寫程序，以物料取料架為基準(zhǔn)創(chuàng)建1個工件坐標(biāo)系。采用三點法標(biāo)定工件坐標(biāo)系Wobj1，如圖3所示。該坐標(biāo)系的原點在物料取料架底端頂點處，X軸與物料取料架底面的邊重合，Y軸與物料取料架斜面上的邊重合，Z軸與物料取料架斜面垂直。

2 Smart組件的設(shè)計

2.1 動態(tài)物料輸送鏈S_InFeeder

機(jī)器人搬運碼垛平臺在實際工作時，人工將物料放置在取料架頂端；在重力作用下，物料沿斜面導(dǎo)軌滑落至取料架底端；機(jī)器人控制真空吸盤將物料吸走，依次循環(huán)。在機(jī)器人搬運碼垛虛擬仿真平臺中物料無重力，無法自由滑落到取料架底端。為達(dá)到與真實平臺相同的動態(tài)效果，利用RobotStudio軟件中的Smart組件設(shè)計一個動態(tài)物料輸送鏈S_InFeeder。動態(tài)物料輸送鏈S_InFeeder的動態(tài)效果主要包括：在取料架頂端自動生成物料；物料沿著斜面導(dǎo)軌斜向下運動；物料到達(dá)取料架底端后停止運動；物料被真空吸盤吸走后，在取料架頂端再次生成物料，依次循環(huán)^[8-9]。

動態(tài)物料輸送鏈S_InFeeder的創(chuàng)建過程：先新建1個Smart組件并命名為S_InFeeder；再依次創(chuàng)建Source、Queue、LinearMover、PlaneSensor和LogicGate 5個子對象組件。

首先，添加子對象組件Source，其屬性選擇為“物料”。每觸發(fā)一次Source的Execute信號，就會自動生成1個物料復(fù)制品。

然后，添加子對象組件Queue，其屬性保持默認(rèn)，將物料復(fù)制品加入隊列中。

其次，添加子對象組件LinearMover。為保證物料沿斜面導(dǎo)軌作線性運動，設(shè)計線性運動參考坐標(biāo)系Reference，即框架_3，其坐標(biāo)方向與工件坐標(biāo)系Wobj1一致，如圖3所示。LinearMover組件的運動方向為框架_3的Y軸負(fù)方向。

再次，添加子對象組件PlaneSensor。在取料架底端擋板處設(shè)置1個面?zhèn)鞲衅鳎糜跈z測物料是否到位。

最后，添加子對象組件LogicGate。通過創(chuàng)建1個非門邏輯運算，實現(xiàn)面?zhèn)鞲衅餍盘栍?變?yōu)?時，觸發(fā)Source的Execute信號^[10]。

對象組件設(shè)計完成后，創(chuàng)建S_InFeeder組件的屬性和連結(jié)，如表1所示。

通過表1所示的屬性和連結(jié)，實現(xiàn)當(dāng)觸發(fā)入列動作時，物料的復(fù)制品自動加入隊列Queue，并作線性運動；當(dāng)觸發(fā)出列動作時，物料的復(fù)制品自動退出隊列Queue，并停止線性運動。

創(chuàng)建1個數(shù)字輸入信號DIStart，用于觸發(fā)Source的Execute信號，即啟動S_InFeeder輸送鏈。創(chuàng)建1個數(shù)字輸出信號DOArrive，作為物料到位反饋信號。建立S_InFeeder組件的I/O信號和連接，如表2所示。

S_InFeeder組件的工作過程為：輸入信號DIStart觸發(fā)Source的Execute信號，使其產(chǎn)生1個物料復(fù)制品；物料復(fù)制品觸發(fā)Queue的入列動作，并沿斜面導(dǎo)軌作線性運動；物料復(fù)制品與面?zhèn)鞲衅鹘佑|后，觸發(fā)Queue的出列動作，并將物料到位反饋信號置1；通過非門連接觸發(fā)Source的Execute信號，當(dāng)物料復(fù)制品出列后，自動觸發(fā)Source再產(chǎn)生1個物料復(fù)制品。

2.2 動態(tài)快換工具S_Hand

動態(tài)快換工具的動態(tài)效果主要包括：機(jī)器人控制快換工具從吸盤支架上裝載真空吸盤；機(jī)器人控制快換工具在吸盤支架上卸載真空吸盤；自動置位/復(fù)位真空反饋信號^[11]。

動態(tài)快換工具S_Hand的創(chuàng)建過程：首先，新建1個Smart組件并命名為S_Hand；然后，將快換工具Tool1添加到S_Hand組件，設(shè)定為角色Role，使S_Hand組件具有工具屬性；最后，將S_Hand組件安裝到機(jī)器人上，依次創(chuàng)建LineSensor、Attacher、Detacher、Logicgate[Not]和LogicgateSRLatch 5個子對象組件。

首先，添加子對象組件LineSensor。創(chuàng)建1個線傳感器并將其安裝到快換工具上。該傳感器位于快換工具與真空吸盤的接觸面上，用于檢測真空吸盤的到位狀態(tài)。

然后，添加子對象組件Attacher。設(shè)定Attacher的父對象為快換工具，子對象為真空吸盤，實現(xiàn)快換工具裝載真空吸盤的動作效果。

接著，添加子對象組件Detacher。設(shè)定Detacher的子對象為真空吸盤，實現(xiàn)快換工具卸載真空吸盤的動作效果。

最后，添加邏輯信號子對象組件Logicgate[Not]和LogicgateSRLatch。其中，Logicgate[Not]實現(xiàn)數(shù)字輸入信號S_DIHand由1變?yōu)?時，觸發(fā)快換工具卸載真空吸盤動作；LogicgateSRLatch用于觸發(fā)真空反饋信號S_DOVacuum1的置位/復(fù)位動作。

在機(jī)器人搬運碼垛虛擬仿真平臺中，利用S_?Hand窗口的<設(shè)計>選項卡添加線傳感器和Attacher之間的連結(jié)、Attacher和Detacher之間的連結(jié)，以保證快換工具上的線傳感器能檢測到真空吸盤。S_Hand組件的屬性和連結(jié)如表3所示。

創(chuàng)建I/O信號之間的連接關(guān)系：首先，創(chuàng)建1個數(shù)字輸入信號S_DIHand，用于觸發(fā)裝載/卸載動作；然后，創(chuàng)建1個數(shù)字輸出信號S_DOVacuum1，用于觸發(fā)快換工具的真空反饋信號；接著，建立各子對象組件之間的I/O連接，如表4所示；最后，實現(xiàn)快換工具裝載/卸載真空吸盤的動作執(zhí)行，并反饋真空信號。

2.3 動態(tài)真空吸盤S_Sucker

動態(tài)真空吸盤的動態(tài)效果主要包括：機(jī)器人控制真空吸盤從物料取料架上拾取物料；機(jī)器人控制真空吸盤在物料放料架的指定位置釋放物料；可以自動置位/復(fù)位真空反饋信號。

動態(tài)真空吸盤S_Sucker與動態(tài)快換工具S_Hand的設(shè)計方法、屬性和連結(jié)方法類似，屬性和連結(jié)參考表3。不同的是：S_Sucker的線傳感器安裝在真空吸盤末端，用于檢測物料的到位狀態(tài)；子對象組件Attacher和Detacher的子對象Child無需直接指定，而是通過屬性和連結(jié)來關(guān)聯(lián)物料復(fù)制品。

創(chuàng)建1個數(shù)字輸入信號S_DISucker，用于觸發(fā)真空吸盤的拾取/釋放動作。創(chuàng)建1個數(shù)字輸出信號S_DOVacuum2，用于觸發(fā)真空吸盤的反饋信號。與S_Hand組件中的信號和連接類似，創(chuàng)建S_Sucker組件中各子對象組件之間的I/O連接，實現(xiàn)真空吸盤拾取/釋放物料動作的執(zhí)行，并反饋真空信號。

3 平臺整體設(shè)計

3.1 工作流程

機(jī)器人搬運碼垛虛擬仿真平臺的工作流程如圖4所示。

首先，機(jī)器人從工作原點出發(fā)，運動到吸盤支架裝載真空吸盤；然后，控制真空吸盤運動到物料取料架吸取物料，并將其釋放在物料放料架的指定位置；接著，機(jī)器人完成6個物料的搬運碼垛工作，垛型如圖5所示，并將真空吸盤卸載在吸盤支架上；最后，機(jī)器人回到工作原點，完成搬運碼垛的工作流程。

3.2 機(jī)器人I/O信號的創(chuàng)建

根據(jù)機(jī)器人搬運碼垛虛擬仿真平臺創(chuàng)建機(jī)器人控制系統(tǒng)System5。RobotStudio軟件的控制器狀態(tài)變?yōu)榫G色，此時虛擬仿真平臺具有與真實平臺相同的功能，可在虛擬示教器中配置參數(shù)、設(shè)計運行程序等。

在虛擬示教器的控制面板中，先創(chuàng)建DSQC652標(biāo)準(zhǔn)I/O板，地址為10；再配置機(jī)器人的I/O信號，如表5所示。

3.3 工作站邏輯設(shè)計

工作站邏輯設(shè)計是指將機(jī)器人端的I/O信號與Smart組件端的I/O信號進(jìn)行連接，實現(xiàn)信號交互^[12]。利用<仿真>功能選項卡中的<工作站邏輯>控件，建立機(jī)器人與S_InFeeder、S_Hand、S_Sucker 3個Smart組件之間的信號連接。

3.4 程序設(shè)計

根據(jù)機(jī)器人搬運碼垛虛擬仿真平臺的工作流程，設(shè)計1個主程序和3個子程序。3個子程序分別為裝載真空吸盤程序、搬運碼垛程序、卸載真空吸盤程序。通過主程序調(diào)用該3個子程序，完成整個工作流程。在程序編寫之前，利用RobotStudio的“同步”功能，將創(chuàng)建的工具數(shù)據(jù)、工件數(shù)據(jù)同步到RAPID，方便程序的后續(xù)處理。利用虛擬示教器創(chuàng)建1個一維數(shù)組Position{6}來存放6個物料的放置點位置數(shù)據(jù)，利用for循環(huán)來實現(xiàn)6個物料的循環(huán)搬運碼垛。

主程序格式如下：

PROC MAIN（）?????主程序

GetTool;???調(diào)用裝載真空吸盤程序

MA_D;????調(diào)用搬運碼垛程序

PutTool;???調(diào)用卸載真空吸盤程序

ENDPROC

4 仿真結(jié)果分析

程序編寫和點位示教完成后，首先，利用RobotStudio<仿真>功能選項卡中的控件，啟動動態(tài)物料輸送鏈S_InFeeder的動畫仿真；然后，在虛擬示教器中啟動主程序進(jìn)行機(jī)器人搬運碼垛虛擬仿真平臺工作流程的仿真測試，運行效果如圖6所示。

由圖6可知，機(jī)器人搬運碼垛虛擬仿真平臺中的機(jī)器人能夠按照程序的要求完成規(guī)定的搬運碼垛工作，即虛擬仿真平臺中的物料可以按要求沿斜面導(dǎo)軌線性運動到底端擋板處停止，待機(jī)器人控制真空吸盤吸走底端物料后，再自動生成1個物料做相同的線性運動至底端擋板處停止。這一過程模擬了機(jī)器人搬運碼垛平臺中，物料依靠重力從物料架頂端自由滑落到底端的過程。機(jī)器人搬運碼垛虛擬仿真平臺中的機(jī)器人快換工具可以根據(jù)程序要求順利地裝載/卸載真空吸盤。這一過程模擬了機(jī)器人搬運碼垛平臺中，機(jī)器人自動裝載/卸載真空吸盤的過程。機(jī)器人搬運碼垛虛擬仿真平臺中的機(jī)器人控制真空吸盤可以順利地吸取/釋放物料，并按程序要求碼好相應(yīng)的垛型。這一過程模擬了機(jī)器人搬運碼垛平臺中，機(jī)器人搬運碼垛物料的過程。綜上所述，機(jī)器人搬運碼垛虛擬仿真平臺達(dá)到了真實平臺搬運碼垛的效果，可代替真實平臺進(jìn)行程序編寫和調(diào)試。

5 結(jié)束語

本文利用RobotStudio建立了機(jī)器人搬運碼垛虛擬仿真平臺，并設(shè)計了動態(tài)物料輸送鏈、動態(tài)快換工具和動態(tài)真空吸盤3個Smart組件，模擬了機(jī)器人搬運碼垛平臺中物料運動、裝載/卸載吸盤和吸取/釋放物料的動態(tài)效果；建立了機(jī)器人I/O信號和3個Smart組件I/O信號之間的連接；利用虛擬示教器設(shè)計了機(jī)器人搬運碼垛6個物料的程序，實現(xiàn)了機(jī)器人搬運碼垛平臺工作過程的仿真。為仿真試驗平臺的設(shè)計和開發(fā)提供了新思路和可行性依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 葉暉.工業(yè)機(jī)器人典型應(yīng)用案例精析[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2022.

[2] 郝翠霞，葉暉.基于Smart組件的工業(yè)機(jī)器人碼垛仿真設(shè)計[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2018，37（8）：63-66.

[3] 何劍敏，羊榮金，沈孟鋒.基于RobotStudio的智能制造單元實驗平臺仿真設(shè)計[J].實驗技術(shù)與管理，2022，39（3）：99-104.

[4] 葉暉.工業(yè)機(jī)器人工程應(yīng)用虛擬仿真教程[M].2版，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2021.

[5] 李海勝，田東亮，黃俊杰.工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2019.

[6] 張春芝，鐘柱培，許妍嫵.工業(yè)機(jī)器人操作與編程[M].北京：高等教育出版社，2018.

[7] 王曉勇，武昌俊，許妍嫵.工業(yè)機(jī)器人工作站操作與應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2021.

[8] 李福武，黎昌南.工業(yè)機(jī)器人碼垛工作站的設(shè)計與仿真[J].工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，2021，8（6）：19-24;40.

[9] 李志梅.基于RobotStudio的機(jī)器人夾具動態(tài)更換系統(tǒng)仿真設(shè)計[J].機(jī)電工程技術(shù)，2021，50（12）：122-126.

[10] 郝建豹，許煥彬，林炯南.基于RobotStudio的機(jī)器人碼垛工作站虛擬仿真設(shè)計[J].自動化與信息工程，2017，38（2）：26-29.

[11] 郝建豹，林子其，吳新麗.基于RobotStudio的異形軸加工生產(chǎn)線仿真設(shè)計[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2020（9）：83-87.

[12] 周謙.工業(yè)機(jī)器人離線編程及其在光纖激光加工平臺中的應(yīng)用[D].青島：山東科技大學(xué)，2010.

作者簡介：

鄧華軍，男，1988年生，碩士，講師，主要研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)。E-mail：?724631005@qq.com