工業機器人寫字工作站仿真應用研究★

王小剛

（山西水利職業技術學院機電工程系， 山西 太原 030000）

0 引言

國際機器人聯合會（IFR）最新發布的《中國機器人產業發展報告（2022）》顯示，工業機器人產量達36.6 萬臺，比2015 年增長了10 倍。數據顯示工業機器人的應用越來越廣泛和普及，急需一大批的專業人才對工業機器人進行應用編程。為了較為直觀地展現工業機器人的靈活性，各個展示場合經常性地選用工業機器人寫字工作站。以往的示教編程在寫字場景往往需要示教較多的示教點，人為地示教受編程人員的經驗和操作熟練程度影響，往往是示教精讀不足的根源。在本文中，將使用離線編程的方式控制工業機器人寫字工作站。利用離線編程工具RobotStudio 能夠較好地控制成本，取得可視、可信的運行數據和結果，并盡可能地減少停機，避免現場編程過程中可能出現的碰撞、干涉、不合理等情況。

為了完善工業機器人寫字工作站的應用，實現寫字的動態視覺效果，本文基于ABB RobotStudio 離線編程工具，對ABB IBR120 型工業機器人寫字工作站進行了仿真應用的研究。通過三維建模、Smart 組件設計、I/O 信號創建與連接、工作站邏輯設定、路徑規劃、程序設計和仿真運行等手段實現了按指定文字樣式、書寫節拍等要求進行寫字的預期任務。借助虛擬仿真運行軟件可以直觀地考察運行效果，適時地修改配置參數，極大地提高設計過程和編程效率，一定程度上滿足了展示場景要求較短的編程時間、書寫不同文字的要求，具有較強的應用意義。

1 寫字工作站

寫字工作站是工業機器人按照文字輪廓進行走軌跡的運動。本文擬在書寫平臺上寫下“學黨史、強技能”。為了滿足該任務要求，從展會搬運靈活性要求、經濟性等角度出發，本工作站可選用以下設備：

1）ABB IRB120 桌面小型工業機器人，負載能力為3 kg，可達范圍為0.58 m；

2）可實現常用馬克筆夾取的平口夾爪工具；

3）待書寫平臺；

4）其他設備，如機器人控制柜、安全圍欄等，虛擬仿真中可省略。

2 工作站仿真設計

根據生產現場的任務要求，按照真實環境，利用RobotStudio 工業機器人離線編程軟件對系統進行了工作站布局規劃、待書寫文字建模、書寫操作、Smart 組件設計、I/O型號創建與連接、工作站邏輯設定等操作。

2.1 工作站布局規劃

根據書寫要求，工作站需要用一臺機器人在待書寫平臺上進行書寫。這里工業機器人寫字工作站主要由ABB IRB120 型工業機器人、書寫平臺、夾有馬克筆的平口夾爪工具等組成，具體布局如圖1 所示。

圖1 工業機器人寫字工作站布局規劃

2.2 待書寫文字建模

為了讓機器人能按照給定的文字進行書寫，首先要創建該文字的三維建模。一般方法是先使用RobotStudio 的測量工具，測量出具體的書寫平臺待書寫文字區域的大小，再在三維建模軟件中進行模型的創建。這里我們選用SolidWorks 進行文字“學黨史、強技能”模型的創建。其一般方法是先按照之前測量的書寫平臺尺寸創建對應大小的凸臺，再使用“文本”工具在凸臺上寫字。為了后續操作方便，可以將書寫好的文字進行小尺寸的拉伸并著上顏色，以默認文件格式保存即可，如圖2 所示。

圖2 工業機器人寫字工作站三維文字示例

2.3 書寫操作

在工作任務開始之前，使用RobotStudio 的放置功能將待書寫文字建模放到書寫平臺上，使用自動路徑命令逐字的捕獲建模文字的邊緣，捕獲完成后將路徑同步到RAPID 中即可，待仿真運行無誤后，機器人就可以按照建好的模型進行移動了。工業機器人寫字工作站書寫操作如圖3 所示。

圖3 工業機器人寫字工作站書寫操作流程

2.4 Smart 組件設計

在完成上述的操作后，工業機器人已經能夠沿著設置的路徑進行移動了，但是在虛擬仿真的環境中是無法留下書寫的痕跡，故需要在工業機器人離線編程軟件RobotStudio 中實現書寫筆跡的效果，使用Smart組件是較為靈活的一種方式。Smart 組件與事件管理器相似，都可以實現動畫效果的功能，但是Smart 組件比事件管理器功能更為強大，能夠更加高度逼真地模擬現場設備的I/O 接口與控制邏輯等功能[1-2]。

工業機器人書寫的動態字跡效果可以由動作組件“TraceTCP”，開啟/關閉機器人的TCP 跟蹤來完成。工業機器人寫字工作站組件與屬性連接關系如圖4 所示。

圖4 工業機器人寫字工作站組件與屬性連接關系

2.5 I/O 信號創建與連接

工業機器人寫字工作站在書寫時，機器人夾持的寫字筆工具在書寫時需要外部提供給相應的動作信號，書寫筆在發生動作后可以反饋給機器人相應的動作結果。在后續進行離線編程時，機器人的動作信號可以和這里創建的Smart I/O 信號相連接，讓機器人具有控制Smart 組件的能力。這里創建一個數字量輸入信號di_write，用于控制寫字筆書寫軌跡的開啟和結束動作，置1 為啟用書寫筆書寫軌跡效果，清0 為關閉書寫筆的書寫軌跡效果。

2.6 工作站邏輯設定

工作站邏輯設定是用來關聯Smart 組件與機器人端的信號通信的，通過設置可完成整個工作站的仿真動畫。工作站的邏輯設定一般是先將Smart 組件的輸入或輸出信號與工業機器人端的輸出或輸入信號進行關聯，Smart 組件的輸出信號作為工業機器人端的輸入信號，工業機器人端的輸出信號作為Smart 組件的輸入信號，這樣就可以將Smart 組件當作是一個可以與工業機器人進行I/O 通信的可編程控制器了，便于后續的程序控制[3]。這里先為機器人添加一個數字量輸出信號do_write，用作控制書寫筆軌跡是否啟用，讓其與Smart 組件的數字量輸入信號di_write 進行關聯。工業機器人寫字工作站邏輯設定如圖5 所示。

圖5 工業機器人寫字工作站邏輯設定

3 工作站程序設計

為了使工業機器人寫字工作站達到書寫留痕的效果，需要對其進行RAPID 程序設計，添加筆跡控制的I/O 信號。為了提高編程效率，簡化工作量，可以先在虛擬仿真環境RobotStudio 中進行程序的編寫。工業機器人寫字工作站書寫效果如圖6 所示。

圖6 工業機器人寫字工作站書寫效果

完成工業機器人寫字路徑規劃后，需要進行RAPID 程序設計開啟書寫筆跡或關閉書寫筆跡，其主要程序包括工作站初始化程序、工作站書寫程序和主程序。其主要程序代碼如下所示：

4 仿真測試及運行

規劃好運行軌跡，編寫好程序后，一般要驗證當前工業機器人運行軌跡是否會與周邊設備發生干涉，使用運動監控功能可以達到這一目的；此外，機器人仿真運行后，還要對軌跡進行分析，確定機器人運行軌跡是否滿足要求，可通過TCP 跟蹤功能將工業機器人的實際運行軌跡記錄下來，進行進一步分析[4]。待分析調優并經離線驗證無誤后，可以通過以太網接口將程序和相關數據下載到工業機器人控制器中，再結合現場實際情況稍加調試即可運用在實際的展會等場景中了。

5 結語

本文利用ABB RobotStudio 離線編程軟件結合書寫展示實際的場景，搭建了工業機器人寫字工作站，并完成了工業機器人工作站布局規劃、待書寫文字建模、書寫操作、Smart 組件設計、I/O 信號創建與連接、工作站邏輯設定、程序設計和仿真測試及運行。該工作站可以根據書寫展示要求重新設置要書寫的文字、調整書寫速度以滿足場景需要。該方法大大縮短了手動逐點示教的長周期和低精度的缺點，很大程度提高書寫程序設計的效率和書寫文字的美觀程度。