基于RobotStudio的機器人飲料裝箱流水線設計仿真

摘 要：隨著機器人技術的發(fā)展，機器人化工廠越來越普遍。使用工業(yè)機器人代替人工，既能提高生產效率，又可以減少操作不當引起的人身意外。為減少人力資源的浪費，提高社會生產力，本文基于RobotStudio設計了機器人飲料裝箱流水線。將Smart組件與3臺IRB2600機器人搭配，實現(xiàn)飲料裝箱的全過程自動化生產仿真。仿真結果表明基于機器人飲料裝箱流水線設計的可行性，為類似項目的自動化生產提供解決方案。

關鍵詞：工業(yè)機器人；流水線設計；自動化生產；RobotStudio；Smart組件

中圖分類號：TP 242" " " " " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

隨著工業(yè)生產的不斷發(fā)展，自動化技術的應用越來越廣泛，工業(yè)自動化生產線不僅提高了工業(yè)生產的效率，還減少了人力資源的浪費。其中，搬運裝箱機器人能夠自動完成貨物的包裝作業(yè)，提高了裝箱的效率，減少了人工操作的誤差和安全隱患，極大地提高了物流行業(yè)的效率和安全性[1]。

RobotStudio是一款較為簡單的ABB工業(yè)機器人仿真軟件，它提供了直觀的圖形用戶界面，方便用戶進行機器人建模和編程[2]。在仿真環(huán)境中，用戶可以根據(jù)實際工作場景和需求，進行多次試驗和優(yōu)化，以確定最佳的機器人仿真程序。還可以對機器人進行多次測試和驗證，以保證其在實際操作中具有良好的安全性和可靠性[3]。使用RobotStudio進行仿真試驗可以避免在實際生產環(huán)境中進行測試，從而降低測試成本，縮短測試時間。

基于RobotStudio的機器人飲料裝箱流水線設計，為飲料裝箱和封裝生產線提供了一種高效、可靠、無須人工干預的自動化生產設計方案，也為類似工程提供了可靠的工業(yè)設計方案，具有重要的研究意義。

1 工作站設計

1.1 總體方案設計

本文設計的基于機器人的飲料裝箱流水線要求工作機器人具有工作空間大、運動靈活以及運行誤差小等特性，因此本文選用具有高作業(yè)效率、高協(xié)調能力、高精準能力和高容錯率等特點的IRB2600機器人。

本文設計的飲料裝箱—封裝—碼垛工作系統(tǒng)采用Robot-Stuido軟件進行模擬設計并仿真。從RobotStudio模型庫中導入傳送帶和安全圍欄等模型；運用建模功能完成碼垛盤、搬運物、底盒以及盒蓋的建模；利用 Smart 組件使模型不斷生成并控制各模型的運動，以達到傳送效果；完成I/O信號的連接以及搬運、碼垛程序的編寫后，進行仿真測試，觀察是否需要進行調整。設計流程如圖1所示。

通過RobotStudio創(chuàng)建1個新的工作站，從導入模型庫中選取傳送帶、安全圍欄、控制柜導入工作站，布局調整后從“ABB模型庫”中選取IRB2600型機器人分別放至對應加工點，調整工作站中各模型的位置，避免出現(xiàn)機械臂工作軌跡重疊并發(fā)生碰撞的情況。利用建模功能搭建機器人末端工具，并完成安裝。工作站整體布局如圖2所示。

1.2 Smart組件設計

本文涉及的Smart組件包括Timer、Source、Queue、LinearMover、

PlaneSensor、GetParent以及Attacher。

各Smart組件的作用如下。由Timer進行周期設定，間隔設定好的時間輸出信號到Source組件進行模型復制，將復制的模型導入Queue組件形成隊列，通過LinearMover組件進行隊列移動，完成模型的不斷運輸。在需要停止的位置放置PlaneSensor組件來控制傳送帶的停止，實現(xiàn)運送到達指定位置即停止運輸?shù)男Ч＿\用GetParent組件改變物件的父對象，實現(xiàn)物體的搬運以及模型一體化運動。各部分Smart組件設計見表1。

1.3 各部分通信設計

本項目的正常運行基于一定的工作邏輯，需要各部分之間進行信號交流以達到所預設的運行效果。判斷物料與底盒是否就位，當兩者皆就位時，抓取機器人執(zhí)行抓取程序。抓取完成后，抓取機器人輸出1個裝載完成的信號給封裝機器人，由封裝機器人完成封裝工序。封裝完成后，封裝機器人輸出1個完工信號，裝箱傳送帶將成品運送至碼垛點，此時碼垛機器人進行碼垛工序。各部分的I/O信號表見表2。

2 RAPID程序設計

2.1 抓取機器人

本項目設計為1箱9瓶飲料，分布為3行3列。將抓手設置為每次抓取3瓶飲料。只需在標定位置基礎上完成2次縱坐標變換即可裝滿底盒。此處運用FOR循環(huán)中的i控制坐標偏移量搭配MoveJ offs（point，x，y，z）完成目標點位變換。

上述代碼中，point為目標點；x為x軸偏移量；y為y軸偏移量；z為z軸偏移量。

變換規(guī)律程序如下。

FOR i FROM e TO 2 DO

WaitDI die，1;

WaitDI di1，1;

MoveJ offs（Target_10，0，0，200） ， v800，z20，ToolFrame1＼wobj：=wobj0;

MoveL offs（Target_10，0，0，0），v500，fine，ToolFrame1＼wobj：=wobj0;

setdo doe，1;

waitTime 1.1;

MoveL offs（Target_10，0，0，250），v800，z20，ToolFrame1＼wobj：=wobjo;

MoveJ offs（Target_20，0，i*100，500） ，v800，z20，ToolFrame1＼wobj：=wobj0;

MoveL offs（Target_20，0，i*100，0），v500，fine，ToolFrame1 ＼wobj：=wobj0;

setdo do0，0;

waitTime 1.1;

MoveL offs（Target_20，0，i*100，350），v800，fine，ToolFrame1 ＼wobj：=wobj0;

2.2 封裝機器人

本項目設計為嵌套式盒裝，如果要封裝，就需要在搬運軌跡之間進行設點，使機械臂搬運符合運動常理，防止超出運動范圍導致項目報錯，也防止在運動過程中與底盒發(fā)生碰撞導致盒蓋掉落。運用MoveJ offs（point，x，y，z）取2個過程點，實現(xiàn)2點搬運。

封裝過程取點程序如下。

MoveJ offs（Target_10，0，0，200），v6e0，fine，tool0＼wobj ： =wobj0;

MoveJ offs（Target_20，0，0，200），v600，fine，tool0＼wobj：=wobj0;

2.3 碼垛機器人

本文碼垛設計為1層9箱，分布為3行3列。與抓取過程的單坐標變換不同，碼垛需要對3個坐標都進行偏移變換。通過整除和取余算法計算本次放置位置的層數(shù)、行數(shù)和列數(shù)后，運用MoveJ offs（point，x，y，z）對目標點進行移動變換以達到碼垛效果。

坐標偏移算法如公式（1）所示。

（1）

式中：i為碼垛個數(shù)；÷為整除算法；%為取余算法；a為層數(shù)；b為本層的碼垛個數(shù)；c為行數(shù)；d為列數(shù)；x為目標點x軸偏移量；y為目標點y軸偏移量；z為目標點z軸偏移量。

碼垛過程部分程序如下。

MoveJ offs（Target_20，（（i mod 9） DIV 3）*（-320），（i mod 3）*（-320），（i div 9）*215+250），v800，z20，MyNewTool＼WObj：=wobj0;

MoveL offs（Target_20，（（i mod 9） DIV 3）*（-320），（i mod 3）*（-320），（i div 9）*215），v300，fine，MyNewTool＼WObj：=wobj0;

setdo do2，0;

WaitTime 1.1;

MoveL offs（Target_20，（（i mod 9） DIV 3）*（-320），（i mod 3）*（-320），（i div 9）*215+250），v800，z50，MyNewTool＼WObj：=wobj0;

3 仿真

經(jīng)仿真驗證，本項目可以實現(xiàn)由物料傳送帶、底盒傳送帶、盒蓋傳送帶末端生成對應部件，當各位置物料到位時，抓取機器人進行裝箱，3個1抓，9個1箱。裝箱完成后，由封裝機器人完成封裝。封裝完成后，底盒傳送帶繼續(xù)運行，各位置物料缺少后在各自傳送帶末端補充新品，并運輸至指定位置，循環(huán)裝箱和封裝操作。成品運輸?shù)桨徇\位置，由碼垛機器人取走碼垛，完成產品自動封裝流程。碼垛成品如圖3所示。

仿真結果顯示，運輸過程未發(fā)生碰撞，機械臂搬運過程順暢，各部分工作環(huán)節(jié)協(xié)調良好，符合設計預期效果。

4 結論

搬運機器人涉及力學、機械學、電器液壓氣壓技術、自動控制技術、傳感器技術、單片機技術和計算機技術等領域，已成為現(xiàn)代機械制造生產體系中的一項重要組成部分[4]。對長距離運輸來說，搬運機器人系統(tǒng)能夠有效地進行任意站點運輸，很大程度減少了人力資源的浪費，提高了工作效率，同時解決枯燥的機械式搬運工作帶來的雇員流失問題，能合理地利用現(xiàn)有占地面積，提升企業(yè)形象和車間整潔度，實現(xiàn)無人化生產[5-8]。

本文根據(jù)飲料生產的正常工藝步驟設計了裝箱—封裝—搬運流水線，結合RobotStudio軟件對全工作流程進行仿真，創(chuàng)建了物料傳送帶、盒蓋傳送帶、底盒傳送帶、吸盤以及抓手等Smart組件，實現(xiàn)了抓取、封裝和碼垛3個機器人與傳送帶之間的I/O鏈接，此外還使用線傳感器與面?zhèn)鞲衅饔糜诟鞑糠种g信號的接收與發(fā)出。整個仿真系統(tǒng)經(jīng)過調試后，3個機器人可以正常工作，達到預期效果，說明了項目的可行性，為類似的項目給出了解決方案。

參考文獻

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