楊立潔，宗智錕，王桂梅，成樹峰

（河北工程大學(xué) 機(jī)械與裝配工程學(xué)院，邯鄲056038）

虛擬仿真技術(shù)是借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在虛擬環(huán)境中對(duì)生產(chǎn)線各元素、生產(chǎn)過(guò)程、節(jié)拍等進(jìn)行仿真模擬，用更加經(jīng)濟(jì)、有效的方式對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行合理配置，降低設(shè)備投資風(fēng)險(xiǎn)。 文獻(xiàn)[1]以工業(yè)機(jī)器人柔性制造生產(chǎn)線為研究對(duì)象，利用RobotStudio 軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了1 臺(tái)ABB 機(jī)器人為4 臺(tái)數(shù)控機(jī)床自動(dòng)上下料的軌跡規(guī)劃和離線編程；文獻(xiàn)[2-3]針對(duì)異形軸加工程序復(fù)雜、加工精度高等問(wèn)題，提出了一種新型基于RobotStudio 的多機(jī)器人柔性制造生產(chǎn)線虛擬仿真設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[4]等人根據(jù)DH 算法在Matlab 平臺(tái)下對(duì)一種雙臂6R 服務(wù)機(jī)器人的協(xié)作空間問(wèn)題進(jìn)行了仿真分析；文獻(xiàn)[5]以2 臺(tái)ABB 機(jī)器人為核心，配套外圍設(shè)備，構(gòu)建了集搬運(yùn)、裝配、碼垛功能于一體的雙機(jī)器人協(xié)同仿真研究。

本研究目的是應(yīng)用SolidWorks 和RobotStudio聯(lián)合建立陶瓷托輥軸承座自動(dòng)裝配生產(chǎn)線。 針對(duì)生產(chǎn)線設(shè)備的組成與布局、陶瓷托輥與軸承座的上下料機(jī)器人、 離線編程以及仿真模擬等進(jìn)行研究，探討利用ABB 機(jī)器人的虛擬仿真軟件RobotStudio 對(duì)陶瓷托輥軸承座自動(dòng)裝配生產(chǎn)線進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)的技術(shù)方案，使該生產(chǎn)線能夠模擬現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)環(huán)境及裝配生產(chǎn)過(guò)程，為實(shí)現(xiàn)陶瓷托輥軸承座的自動(dòng)裝配生產(chǎn)線的研究提供理論依據(jù)和試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)而指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)，對(duì)工廠以后的自動(dòng)化改造、提高經(jīng)濟(jì)效益、及其向機(jī)械智能化[6]方向發(fā)展具有很大的指導(dǎo)意義。

1 裝配生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)搭建

1.1 裝配生產(chǎn)線整體布局設(shè)計(jì)

使用SolidWorks 設(shè)計(jì)出裝配生產(chǎn)線所需的設(shè)備模型并導(dǎo)入到RobotStudio 環(huán)境中，以完成布局系統(tǒng)的搭建工作[7-8]。 構(gòu)建的陶瓷托輥軸承座自動(dòng)裝配生產(chǎn)線模擬仿真系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 陶瓷托輥軸承座自動(dòng)裝配生產(chǎn)線模擬仿真系統(tǒng)Fig.1 Ceramic roller bearing housing automatic assembly line simulation system

陶瓷托輥軸承座自動(dòng)裝配生產(chǎn)線模擬仿真系統(tǒng)由陶瓷托輥上下料機(jī)器人、 承座上料機(jī)器人、原料儲(chǔ)料架、涂膠機(jī)、壓裝機(jī)、靜置箱、可編程控制器（PLC）、檢測(cè)裝置、倉(cāng)儲(chǔ)庫(kù)和其他周邊設(shè)備組成。 自動(dòng)裝配生產(chǎn)線以PLC 為控制中心，通過(guò)PLC 控制柜連接以上相關(guān)設(shè)備，建立設(shè)備間的通訊及控制管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)陶瓷托輥機(jī)器人在涂膠機(jī)、壓裝機(jī)和裝配線上的自動(dòng)上下料、運(yùn)轉(zhuǎn)和倉(cāng)儲(chǔ)。 跟據(jù)陶瓷托輥的外形特征及質(zhì)量， 陶瓷托輥上下料機(jī)器人選用ABB IRB6620 型六自由度串聯(lián)機(jī)器人，其載荷為150 kg，不僅滿足工作需求，且相比其他類型的機(jī)器人更適合處理更大轉(zhuǎn)動(dòng)慣性的工件[9]；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況為其配套滑動(dòng)導(dǎo)軌IRBT6004，增加其運(yùn)動(dòng)范圍。 軸承座上料機(jī)器人選用ABB IRB1520ID，其精度高、操作速度快、適合陶瓷托輥軸承座上料領(lǐng)域。

1.2 陶瓷托輥上下料機(jī)器人夾具設(shè)計(jì)

該生產(chǎn)線上的陶瓷托輥上下料機(jī)器人（ABB IRB6620）運(yùn)動(dòng)軌跡貫穿整條生產(chǎn)線，其加工對(duì)象為圖2 所示的陶瓷托輥。 不同型號(hào)陶瓷托輥的直徑、長(zhǎng)度都不一樣，其部分型號(hào)參數(shù)如表1 所示。 為適應(yīng)不同型號(hào)陶瓷托輥的取放，在機(jī)器人法蘭盤末端裝2 個(gè)夾具，根據(jù)陶瓷托輥的長(zhǎng)度調(diào)整2 個(gè)夾具的相對(duì)位置， 實(shí)現(xiàn)對(duì)陶瓷托輥的平穩(wěn)夾裝及運(yùn)輸，經(jīng)研究氣壓傳動(dòng)反應(yīng)快、安全可靠、能耗損失小，因此采用氣壓傳動(dòng)方式。 在夾具上安裝工件檢測(cè)傳感器，以便檢測(cè)工件的有無(wú)，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料，避免誤操作而發(fā)生事故[10]。

圖2 陶瓷托輥上下料機(jī)器人夾具及陶瓷托輥Fig.2 Ceramic roller loading and unloading robot fixture and ceramic roller

表1 陶瓷托輥部分型號(hào)參數(shù)Tab.1 Ceramic roller part model parameters

1.3 陶瓷托輥軸承座上料機(jī)器人夾具設(shè)計(jì)

軸承座上料機(jī)器人（ABB IRB1520ID）的工作內(nèi)容是夾取軸承座并放入陶瓷托輥的端口中，以便下一步壓裝機(jī)的壓裝，此時(shí)陶瓷托輥的端口內(nèi)壁已經(jīng)涂抹AB 膠， 工作中為防止AB 膠沾到機(jī)械手夾具上、對(duì)夾具造成損壞，所以需用機(jī)械手加持軸承座端口的內(nèi)徑。 本設(shè)計(jì)采用夾具手指平行運(yùn)動(dòng)的方式裝夾軸承座，選用氣壓傳動(dòng)方式，包括壓力傳感器、氣缸、工件檢測(cè)傳感器等機(jī)械部件。 軸承座上料機(jī)器人夾具設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 軸承座上料機(jī)器人夾具及軸承座Fig.3 Bearing housing loading robot fixture and housing

2 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 仿真系統(tǒng)工作流程

根據(jù)陶瓷托輥上下料機(jī)器人 （ABB IRB6620）路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)的裝配生產(chǎn)線流程如圖4 所示。 在一個(gè)循環(huán)之中，各個(gè)工作臺(tái)上的光電傳感器[11]檢測(cè)各工序加工完畢后，將其信息傳輸給陶瓷托輥上下料機(jī)器人進(jìn)行下一步動(dòng)作，整個(gè)裝配生產(chǎn)線能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人、輸送線、涂膠機(jī)、軸承座壓裝機(jī)相互通訊，并有強(qiáng)制護(hù)鎖的功能，以確保機(jī)器人與其他設(shè)備不會(huì)發(fā)生任何碰撞。

圖4 裝配生產(chǎn)線流程Fig.4 Assembly line flow chart

2.2 裝配生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)運(yùn)行I/O 信號(hào)

在實(shí)際的自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線中，以德國(guó)西門子PLC 為主控單元，采用Profibus-DP、DeviceNet、EthernetIP、RS485 等現(xiàn)場(chǎng)總線通訊方式， 將PLC 與機(jī)器人、涂膠機(jī)、壓裝機(jī)等設(shè)備互相連接，接受處理機(jī)器人、涂膠機(jī)、壓裝機(jī)和其它外圍設(shè)備發(fā)來(lái)的訊息。在此次仿真系統(tǒng)中， 將Smart 組件的I/O 信號(hào)與機(jī)器人的I/O 信號(hào)關(guān)聯(lián)， 即Smart 組件的輸出信號(hào)作為機(jī)器人端口的輸入信號(hào)，機(jī)器人端口的輸出信號(hào)作為Smart 組件的輸入信號(hào)，此時(shí)Smart 組件可以看成一個(gè)與機(jī)器人進(jìn)行I/O 通信的模擬PLC， 離線編寫各設(shè)備的程序，就可以實(shí)現(xiàn)裝配生產(chǎn)線整體的仿真效果[1]。 表2 為陶瓷托輥上下料機(jī)器人I/O 信號(hào)。

表2 陶瓷托輥上下料機(jī)器人I/O 信號(hào)Tab.2 Ceramic roller loading and unloading robot I/O signal

2.3 動(dòng)態(tài)組件設(shè)計(jì)

在RobotStudio 中Smart 組件的動(dòng)態(tài)仿真模擬了真實(shí)的裝配生產(chǎn)線的機(jī)器人的上下料、涂膠、軸承座壓裝的工作流程。整條生產(chǎn)線的Smart 動(dòng)態(tài)組件邏輯關(guān)系如圖5 所示。圖中IRB6620、Gluing Machine、IRB1520ID、Press Machine 分別為陶瓷托輥上下料機(jī)器人、涂膠機(jī)、軸承座上料機(jī)器人、壓裝機(jī)的動(dòng)態(tài)組件邏輯關(guān)系。

圖5 生產(chǎn)線的Smart 動(dòng)態(tài)組件邏輯關(guān)系Fig.5 Smart dynamic component logic relationship of the production line

3 系統(tǒng)編程與仿真

3.1 機(jī)器人程序編寫

在搭建好陶瓷托輥軸承座自動(dòng)裝配生產(chǎn)線模型后，根據(jù)設(shè)計(jì)的I/O 功能與Smart 動(dòng)態(tài)組件，Robot-Studio 可以在RAPID 中進(jìn)行模擬編程，使搭建好的生產(chǎn)線按照真實(shí)生產(chǎn)線的運(yùn)動(dòng)流程進(jìn)行模擬加工。在陶瓷托輥軸承座自動(dòng)裝配生產(chǎn)線模擬仿真系統(tǒng)中編寫程序主要定義的點(diǎn)有陶瓷托輥的拾取點(diǎn)、各加工設(shè)備中陶瓷托輥的放置目標(biāo)點(diǎn)、靜置箱中的陶瓷托輥的放置目標(biāo)點(diǎn)及其陶瓷托輥上下料機(jī)器人TCP 的運(yùn)動(dòng)路徑的起始點(diǎn)。

陶瓷托輥軸承座自動(dòng)裝配生產(chǎn)線部分程序如下：

3.2 裝配生產(chǎn)線仿真分析

基于以上程序設(shè)計(jì)，現(xiàn)通過(guò)RobotStudio 軟件中的創(chuàng)建工件坐標(biāo)、創(chuàng)建工具數(shù)據(jù)與路徑創(chuàng)建等功能進(jìn)行陶瓷托輥上下料機(jī)器人（ABB IRB6620）運(yùn)動(dòng)軌跡的創(chuàng)建與仿真。 在保證陶瓷托輥軸承座自動(dòng)裝配的精度的前提下，盡量縮小各個(gè)設(shè)備之間的上下料運(yùn)行距離。 創(chuàng)建的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖6 所示。

圖6 陶瓷托輥上下料機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.6 Ceramic roller loading and unloading robot movement track

然后進(jìn)行仿真，通過(guò)RobotStudio 軟件中的TCP跟蹤器與信號(hào)分析器等功能，可以對(duì)TCP 的軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并對(duì)自動(dòng)生成仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。現(xiàn)以速度、 加速度與電機(jī)消耗總能量為分析重點(diǎn)，開始設(shè)定TCP 的速度為1.5 m/s，經(jīng)過(guò)仿真得到的實(shí)時(shí)速度軌跡圖與加速度軌跡圖如圖7 所示，但運(yùn)行速度不夠平穩(wěn)。 若限定將接近各個(gè)設(shè)備的放置點(diǎn)時(shí)設(shè)定速度為0.8 m/s，其余路徑速度為1 m/s，得到的速度軌跡圖與加速度軌跡圖如圖8 所示。

圖7 上下料機(jī)器人（ABB IRB6620）TCP 速度與加速度軌跡Fig.7 TCP speed and acceleration trajectory of loading and unloading robot（ABB IRB6620）

圖8 變速后上下料機(jī)器人（ABB IRB6620）TCP 速度與加速度軌跡Fig.8 TCP speed and acceleration trajectory of the loading and unloading robot（ABB IRB6620）after shifting

通過(guò)圖7 與圖8 的對(duì)比可得，在速度為1.5 m/s時(shí)總運(yùn)行時(shí)間為114 s， 限定速度后總運(yùn)行時(shí)間為120 s，雖然總的運(yùn)行時(shí)間多了6 s，但變速后在3 s～5.5 s 時(shí)的相對(duì)速度波動(dòng)明顯減弱，這段時(shí)間的相對(duì)加速度變化值明顯比前者相對(duì)較小，機(jī)器人的抖動(dòng)明顯減弱，機(jī)器人生產(chǎn)運(yùn)行比較平穩(wěn)，保證了陶瓷托輥與軸承座的裝配精度，對(duì)機(jī)器人的使用壽命與后期維護(hù)更有利。 又通過(guò)對(duì)比變速前后的電機(jī)總消耗能量， 變速之后明顯比變速之前減少6883.8J，降低了能源消耗，符合國(guó)家現(xiàn)行的節(jié)能降耗政策。 變速前與變速后電機(jī)總消耗能量如圖9 所示。

圖9 變速前與變速后電機(jī)總消耗能量Fig.9 Total energy consumption of the motor before and after shifting

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)陶瓷托輥軸承座裝配工藝流程， 在Solid-Works 和RobotStudio 基礎(chǔ)上搭建了陶瓷托輥軸承座自動(dòng)裝配生產(chǎn)線模型， 并創(chuàng)建了Smart 動(dòng)態(tài)邏輯組件，模擬PLC、機(jī)器人與壓裝機(jī)等設(shè)備的I/O 信號(hào)的通訊， 設(shè)計(jì)了陶瓷托輥上下料機(jī)器人（ABB IRB6620）運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的離線編程與仿真調(diào)試。 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)加工要求，對(duì)TCP 的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)軌跡跟蹤，并通過(guò)數(shù)據(jù)與曲線圖的比較分析可得出機(jī)器人比較合理的運(yùn)行速度即限定將接近各個(gè)設(shè)備的放置點(diǎn)時(shí)設(shè)定速度為0.8 m/s，其余路徑速度為1 m/s，機(jī)器人運(yùn)行相對(duì)平穩(wěn)，保證了陶瓷托輥與軸承座的裝配精度，對(duì)機(jī)器人的使用壽命與后期維護(hù)更有利，也可達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

通過(guò)模擬仿真，不僅可以為實(shí)際的陶瓷托輥軸承座自動(dòng)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，還對(duì)后續(xù)生產(chǎn)線的合理布局、優(yōu)化機(jī)器人運(yùn)行軌跡、 提高生產(chǎn)線的加工效率具有很大的指導(dǎo)意義，為實(shí)現(xiàn)陶瓷托輥軸承座自動(dòng)裝配生產(chǎn)線的目標(biāo)奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。