郝建豹 許煥彬 林炯南

（廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系）

基于RobotStudio的機器人碼垛工作站虛擬仿真設(shè)計*

郝建豹 許煥彬 林炯南

（廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系）

介紹一種利用SolidWorks和RobotStudio構(gòu)建機器人碼垛工作站的虛擬仿真方案。首先，利用SolidWorks設(shè)計傳送帶等工作站的三維仿真模型，分析構(gòu)建碼垛工作站的基本流程；其次，創(chuàng)建仿真運行I/O信號和動態(tài)Smart組件；最后，離線編制了機器人碼垛仿真程序。仿真結(jié)果表明，該虛擬碼垛工作站可實現(xiàn)碼垛作業(yè)。

SolidWorks；RobotStudio；碼垛工作站；虛擬仿真

0 引言

工業(yè)機器人作為現(xiàn)代工業(yè)的三大支柱之一，廣泛應(yīng)用于食品、化工、醫(yī)藥包裝等行業(yè)。碼垛機器人作為包裝線的后續(xù)設(shè)備，將包裝袋按照預(yù)定的編組方式、逐個逐層碼放在托盤或箱體內(nèi)，能極大地提高生產(chǎn)能力和轉(zhuǎn)運能力。隨著物流自動化技術(shù)領(lǐng)域的擴大，碼垛機器人應(yīng)用場合也逐漸在擴大[1]。

當(dāng)前，應(yīng)用于生產(chǎn)的機器人系統(tǒng)大多采用示教再現(xiàn)編程方式，而示教再現(xiàn)編程在實際生產(chǎn)應(yīng)用中存在精度靠目測、效率低等問題[2-4]。為提高編程效率，使編程者遠離危險的工作環(huán)境，改善編程環(huán)境，可采用機器人虛擬離線編程[5]。其基本思想是利用離線仿真技術(shù)，構(gòu)造虛擬機器人及其工作環(huán)境；在虛擬模型中引入機器人和場景，同時操作者能夠操縱機器人在場景中移動，可以選擇不同的觀察角度，從不同的側(cè)面觀察機器人的運動情況；可以在計算機屏幕上引導(dǎo)虛擬機器人末端執(zhí)行器運動，進行虛擬在線示教，產(chǎn)生機器人作業(yè)軌跡，由此生成機器人語言程序，將編輯好的程序保存在PC機上，并傳送給機器人控制器。

本文以六自由度關(guān)節(jié)型機器人IRB120為研究對象，運用SolidWorks軟件建立碼垛工作站的三維實體模型，導(dǎo)入RobotStudio中，并進行仿真，為機器人編程和調(diào)試提供安全靈活的環(huán)境，提高編程效率，指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)，在一定程度上提高了現(xiàn)場操作人員的安全性，減輕了現(xiàn)場調(diào)試的工作量。

1 搭建仿真平臺

RobotStudio軟件具有CAD模型導(dǎo)入、路徑自動規(guī)劃、離線編程、仿真調(diào)試、到達性檢測、碰撞檢測、程序的直接下載和載入、二次開發(fā)等功能[6-7]。其仿真示教器、控制器、機器人本體與實際機器人一樣，仿真信號、程序等與實際機器人生產(chǎn)線運行過程中的信號及程序也是一致的，還可以進行干涉檢查以及運行情況的報警。但是該軟件的造型功能有限，多數(shù)情況下需要其他三維CAD軟件進行建模等操作后再由接口導(dǎo)入。

仿真系統(tǒng)創(chuàng)建步驟：1)利用SolidWorks軟件設(shè)計機器人末端執(zhí)行器、傳送帶、托盤等工作站的三維仿真模型，轉(zhuǎn)換為.STL格式，導(dǎo)入該文件完成建模布局工作；2)打開軟件模型庫，導(dǎo)入IRB120機器人；3)調(diào)整RobotStudio的可視化系統(tǒng)，將工作站調(diào)節(jié)在機器人的工作空間。碼垛工作站仿真系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 碼垛工作站仿真系統(tǒng)

2 仿真系統(tǒng)設(shè)計

2.1 仿真和離線編程流程

RobotStudio仿真和離線編程的基本流程如圖2所示。

圖2 RobotStudio仿真和離線編程的基本流程圖

2.2 仿真運行I/O信號

仿真應(yīng)用中，標(biāo)準(zhǔn)IO板提供的常用信號處理有數(shù)字輸入DI、數(shù)字輸出DO、模擬輸入AI、模擬輸出AO和輸送鏈跟蹤。I/O板是下掛在DeviceNet現(xiàn)場總線下的設(shè)備，將Smart組件的I/O信號與機器人的I/O信號關(guān)聯(lián)，即Smart組件的輸出信號作為機器人端的輸入信號，機器人端的輸出信號作為Smart組件的輸入信號，此時Smart組件可以看成一個與機器人進行I/O通信的模擬PLC，離線編寫生產(chǎn)線程序，就可以實現(xiàn)生產(chǎn)線整體仿真。本項目采用8個DI，8個DO的DSQC651板，設(shè)定地址為10，連接總線為DeviceNet。碼垛工作站I/O信號如表1所示。

表1 碼垛工作站I/O信號

2.3 動態(tài)組件設(shè)計

傳送帶以及碼垛相關(guān)的外圍器件裝有虛擬傳感器。以傳送帶為例，當(dāng)傳送帶上的工件被搬運走以后，需要產(chǎn)生一個新的工件供機器人搬運。當(dāng)工件到達某個點時，傳感器要給機器人系統(tǒng)一個信號，表示有工件到達，這樣機器人就按照程序要求去指定點搬運工件，搬運后的工件放置在機器人系統(tǒng)中指定的位置。

在RobotStudio中創(chuàng)建機器人碼垛裝置的動態(tài)效果對仿真起了極其重要的作用。其軟件中的Smart組件能實現(xiàn)動畫效果。以傳送帶Smart組件為例，首先添加子組件，如本體子組件、動作子組件，設(shè)定傳送帶的運動屬性，傳送帶限位傳感器；再設(shè)定各子組件的屬性連結(jié)；然后創(chuàng)建輸送鏈 Smart組件所需的 I/O信號，用于與各 Smart子組件進行信號交互；最后進行機器人信號與Smart組件信號間的關(guān)聯(lián)。Smart組件的動態(tài)仿真模擬了真實的生產(chǎn)線工件抓取、搬運和碼垛的工作過程。碼垛工作站 Smart組件設(shè)計如圖3所示。

圖3 碼垛工作站Smart組件設(shè)計

3 系統(tǒng)編程與仿真

3.1 程序編制

在碼垛工作站模型建立的前提下，RobotStudio軟件可進行離線編程。根據(jù)碼垛流程、I/O信號設(shè)計的Smart組件，可在RAPID離線開發(fā)程序，示教目標(biāo)點。碼垛機器人程序中需要定位的有4個點（2個放置點和2個拾取點）。拾取點由固定的傳感器檢測，放置點主要跟設(shè)置的坐標(biāo)系與位置計算有關(guān)。這4個點之間以外的路徑由程序指令控制，需配置合理的姿態(tài)移動。將編輯好的程序保存在PC機上，并傳送給機器人控制器。

機器人碼垛的主程序和部分例行程序如下：

PROCMain()!主程序

rInitAll;!調(diào)用初始化程序

WHILE TRUEDO!利用程序WHILE將初始化程序隔開

3.2 仿真分析

在不影響碼垛品質(zhì)及安全的前提下，工作站節(jié)拍最大的影響因素是機器人的TCP速度，改變TCP速度可改變節(jié)拍。仿真過程中，筆者設(shè)定抓取工件時最大速度數(shù)據(jù)speeddatavLoadMax:=[800,300,5000,1000]和最小速度數(shù)據(jù)vLoadM in:=[500,200,5000,1000]，空載時最大速度數(shù)據(jù)vEmptyMax:=[1500,500,5000,1000]和最小速度數(shù)據(jù)vEmptyM in:=[100,200,5000,1000]。設(shè)置機器人的TCP最大速度為1500mm/s，設(shè)定2個托盤完成3×5的碼垛作業(yè)，根據(jù)仿真可知碼垛的節(jié)拍為140 s。碼垛作業(yè)效果圖如圖4所示。

圖4 碼垛工作站作業(yè)效果圖

同時，仿真過程中也可以設(shè)置碰撞模塊，可自動監(jiān)測并顯示程序執(zhí)行時這些對象是否會發(fā)生碰撞，這對以后的實際生產(chǎn)非常有用。

4 結(jié)語

本文利用RobotStudio軟件可識別各種CAD格式數(shù)據(jù)，結(jié)合SolidWorks的三維造型功能，使得組建虛擬碼垛工作站變得更加方便和準(zhǔn)確。通過仿真直觀地檢查編程結(jié)果，并進行人工修正。工業(yè)機器人軌跡數(shù)據(jù)、虛擬仿真生成的程序可以通過數(shù)據(jù)傳輸給現(xiàn)場工業(yè)機器人，便于現(xiàn)場調(diào)試。

該設(shè)計方案可以為企業(yè)實際碼垛工作站的設(shè)計提供理論依據(jù)和試驗平臺，為工作人員機器人編程和調(diào)試提供安全、靈活的環(huán)境。

[1]褚金錢,徐方.基于Solidworks與Matlab的碼垛機器人動力學(xué)仿真[J].組合機床與自動化加工技術(shù),2013(9):28-31.

[2]徐正,單忠德,李周,等.基于lightning的生產(chǎn)線仿真[J].中國機械工程,2011,22(14):1690-1693．

[3]徐清華,張艷峰,賈現(xiàn)春.機器人沖壓生產(chǎn)線的虛擬設(shè)計仿真[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2013(6):63-64,67.

[4]陜軍峰,魚海翔,朱學(xué)軍.機器人碼垛離線仿真與遠程控制技術(shù)研究[J].組合機床與自動化加工技術(shù),2011(4):70-73.

[5]邱雪松,肖超,譚候金,等.大型機器人沖壓生產(chǎn)線多軟件聯(lián)合仿真[J].中國機械工程,2016,27(6):772-777.

[6]陸葉.基于RobotStudio的機器人柔性制造生產(chǎn)線的仿真設(shè)計[J].組合機床與自動化加工技術(shù),2016(6):157-160.

[7]葉暉,何智勇,楊薇.工業(yè)機器人工程應(yīng)用虛擬仿真教程[M].北京:機械工業(yè)出版社,2014.

Virtual Simulation Design of Robot PalletizingW orkstation Based on RobotStudio

Hao Jianbao Xu Huanbin Lin Jiongnan
(DepartmentofMechanicaland Electrical Engineering,Guangdong Communication Polytechnic)

The construction of a robotpalletizingworkstation using SolidWorksand RobotStudio simulation program.Firstly, a 3D simulationmodelwas designed using SolidWorks beltworkstation,analyzes the basic process of palletizing workstation,then create a simulation of I/O signaland dynam ic Smart components,finally off-line program,the simulation results show that stacking can be realized.To provide a theoretical basis and experimental platform design the design for enterprise actual palletizing workstation,providing safe and flexible environment for the staffof robotprogramm ing and debugging.

SolidWorks;RobotStudio;PalletizingWorkstation;VirtualSimulation

郝建豹，男，1978年生，講師，碩士，主要研究方向：工業(yè)機器人技術(shù)及應(yīng)用等。E-mail:952691544@qq.com

廣東省高等職業(yè)技術(shù)教育研究會項目（GDGZ15Y032）；廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項目（AK18Y16085）。