□□ 那亞莉

(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006)

引言

制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主體，是立國(guó)之本、興國(guó)之器、強(qiáng)國(guó)之基。目前，我國(guó)已成為工業(yè)機(jī)器人消費(fèi)大國(guó)，但工業(yè)機(jī)器人技術(shù)研究尚處于起步階段，對(duì)集成制造系統(tǒng)自動(dòng)生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)、過(guò)程管理等方面缺乏系統(tǒng)深入的開(kāi)發(fā)[1-3]。

工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)上下料生產(chǎn)線的虛擬仿真技術(shù)是借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、模擬生產(chǎn)環(huán)境，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，形成的工業(yè)機(jī)器人程序和數(shù)據(jù)將直接用于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)，避免因現(xiàn)場(chǎng)直接編程調(diào)試導(dǎo)致的停產(chǎn)或碰撞干涉等情況的發(fā)生。

依據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究情況，已有一些基于RobotStudio軟件的工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線仿真設(shè)計(jì)，但結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、工藝節(jié)拍等技術(shù)要求的系統(tǒng)集成自動(dòng)生產(chǎn)線工作站的研究和應(yīng)用略顯不足[4-7]。本文以工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)上下料工作站為研究對(duì)象，基于RobotStudio工業(yè)機(jī)器人仿真軟件，通過(guò)Smart組件、事件管理器等手段實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人和機(jī)床的運(yùn)動(dòng)仿真，并進(jìn)行自動(dòng)上下料工作站信號(hào)邏輯設(shè)定、軌跡規(guī)劃和工藝節(jié)拍調(diào)試。依據(jù)仿真模型直觀地檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行情況，改變系統(tǒng)參數(shù)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)，極大地提高了生產(chǎn)過(guò)程設(shè)計(jì)效率，并可以滿足一定的柔性制造要求，具有較高的實(shí)用性。

1 工作站系統(tǒng)

工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)上下料工作站分別由工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、導(dǎo)軌、輸送鏈、控制柜等設(shè)備組成。工作站要求工業(yè)機(jī)器人抓取上料輸送鏈運(yùn)來(lái)的毛坯件，為四臺(tái)數(shù)控機(jī)床完成自動(dòng)上下料，成品件由下料輸送鏈運(yùn)出，毛坯件和成品件均按照4×4模式碼放。工作站在運(yùn)行期間，不需人工實(shí)時(shí)補(bǔ)料、取料。

為滿足任務(wù)要求，工作站選用了以下設(shè)備：

(1)ABB的IRB2600工業(yè)機(jī)器人，負(fù)載能力為20 kg，可達(dá)范圍為1.65 m。

(2)機(jī)器人導(dǎo)軌IRBT2005，軌跡長(zhǎng)度為5 m。

(3)可實(shí)現(xiàn)同時(shí)夾取毛坯件和成品件的雙夾爪工具，由三維模型導(dǎo)入。

(4)實(shí)現(xiàn)物料運(yùn)入運(yùn)出的兩個(gè)輸送鏈，型號(hào)為600_guide，寬度為600 mm。

(5)數(shù)控機(jī)床4臺(tái)。

(6)其他設(shè)備，如機(jī)器人控制柜、安全圍欄等。

2 工作站系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的任務(wù)要求，基于RobotStudio工業(yè)機(jī)器人離線編程軟件，對(duì)工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)上下料工作站進(jìn)行了布局規(guī)劃、動(dòng)作流程設(shè)計(jì)、路徑規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)仿真等。

2.1 工作站布局規(guī)劃

根據(jù)生產(chǎn)環(huán)境、工藝節(jié)拍等工作要求，工作站需要一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人分別為四臺(tái)數(shù)控機(jī)床上下料，數(shù)控機(jī)床可以兩兩并列分布，同時(shí)需要一個(gè)導(dǎo)軌輔助機(jī)器人的移動(dòng)，擴(kuò)大運(yùn)動(dòng)范圍。兩條輸送鏈分別完成毛坯件和成品件的供料、運(yùn)料，分列兩側(cè)。各項(xiàng)設(shè)備模型由RobotStudio軟件自帶模型庫(kù)或三維模型文件導(dǎo)入，建立的工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)上下料工作站的布局規(guī)劃如圖1所示。

圖1 工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)上下料工作站的布局規(guī)劃

2.2 動(dòng)作流程設(shè)計(jì)

在工作任務(wù)開(kāi)始之前，工作人員將毛坯件以4×4模式碼放至托板上，由輸送鏈1運(yùn)入工作站，待毛坯件托板運(yùn)送到位，通過(guò)傳感器向機(jī)器人發(fā)送到位信號(hào)，工業(yè)機(jī)器人開(kāi)始工作，運(yùn)動(dòng)至取料位置，夾爪1夾取毛坯件，運(yùn)動(dòng)至數(shù)控機(jī)床1附近，發(fā)送信號(hào)給數(shù)控機(jī)床1，機(jī)床停止加工并開(kāi)門，夾爪2先將已加工好的成品件取下，再由夾爪1將毛坯件安裝至機(jī)床卡盤，機(jī)器人退出機(jī)床，發(fā)送上料完成信號(hào)，機(jī)床關(guān)門并開(kāi)始加工；機(jī)器人運(yùn)動(dòng)至放料位置，由夾爪2將成品件以4×4模式碼放至成品件托板，機(jī)器人返回取料位置，繼續(xù)為下一個(gè)車床上下料，直至成品件托板達(dá)到飽和為止；最后由輸送鏈將成品件托板運(yùn)出工作站。工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)上下料工作站系統(tǒng)動(dòng)作流程圖如圖2所示。

圖2 工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)上下料工作站系統(tǒng)流程圖

2.3 工作站Smart組件設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)上下料工作站中的仿真動(dòng)畫效果可以通過(guò)RobotStudio軟件中的Smart組件功能來(lái)完成。機(jī)器人雙夾爪工具的抓放效果分別由安裝對(duì)象組件Attacher、拆除對(duì)象組件Detacher、線性傳感器LineSensor等子組件來(lái)實(shí)現(xiàn)，雙夾爪工具的各子組件屬性連接關(guān)系如圖3所示。兩條輸送鏈的傳輸效果則是在機(jī)械裝置創(chuàng)建的基礎(chǔ)上，由平面?zhèn)鞲衅鱌laneSensor、機(jī)械裝置到達(dá)位姿組件PoseMover等子組件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，動(dòng)態(tài)輸送鏈的各子組件屬性連接關(guān)系如圖4所示。機(jī)床動(dòng)作仿真主要是由旋轉(zhuǎn)組件Rotator實(shí)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，線性移動(dòng)組件LinerMover2實(shí)現(xiàn)機(jī)床門和進(jìn)給裝置的移動(dòng)。工件隨托盤移動(dòng)的仿真效果由事件管理器實(shí)現(xiàn)。

圖3 雙夾爪工具的各子組件屬性連接關(guān)系

圖4 動(dòng)態(tài)輸送鏈的各子組件屬性連接關(guān)系

2.4 I/O信號(hào)創(chuàng)建與工作站邏輯設(shè)定

生產(chǎn)中由于通信數(shù)據(jù)量較大，工業(yè)機(jī)器人與移動(dòng)導(dǎo)軌、機(jī)床、輸送鏈等設(shè)備之間的信號(hào)交互是通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)的，而在仿真工作站中，可以將Smart組件視作PLC，起到連接機(jī)器人與周邊設(shè)備的作用[8]。觸發(fā)Smart組件需要?jiǎng)?chuàng)建工作站I/O信號(hào)，設(shè)定工作站邏輯，與Smart組件中的I/O信號(hào)對(duì)應(yīng)連接，再在機(jī)器人程序中編寫調(diào)用工作站信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制各個(gè)設(shè)備的仿真效果。工作站部分I/O信號(hào)配置見(jiàn)表1。工作站I/O信號(hào)與Smart組件中的I/O信號(hào)對(duì)應(yīng)連接情況，即工作站邏輯設(shè)定情況見(jiàn)表2。

表1 工作站部分I/O信號(hào)

表2 部分工作站邏輯設(shè)定

3 路徑規(guī)劃與編程調(diào)試

3.1 路徑規(guī)劃

為使工業(yè)機(jī)器人能夠準(zhǔn)確完成工作任務(wù)要求，需在工作站中進(jìn)行示教編程。為提高編程效率，簡(jiǎn)化工作量，可以先在工作站中進(jìn)行路徑規(guī)劃。工業(yè)機(jī)器人在取毛坯件時(shí)，使用夾爪1，進(jìn)入機(jī)床之前，需要先在工具轉(zhuǎn)換點(diǎn)將工具轉(zhuǎn)換為夾爪2，再進(jìn)入機(jī)床進(jìn)行下料，下料完成后再次轉(zhuǎn)換為夾爪1上料，完成后運(yùn)動(dòng)至成品件托板進(jìn)行放料。工業(yè)機(jī)器人為其中一臺(tái)機(jī)床上下料的運(yùn)動(dòng)路徑如圖5所示。工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)上下料工作站路徑規(guī)劃如圖6所示。

圖6 工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)上下料工作站路徑規(guī)劃

3.2 編程調(diào)試

完成機(jī)器人路徑規(guī)劃后，將路徑同步到RAPID代碼，生成程序代碼，根據(jù)需要進(jìn)行程序調(diào)試與優(yōu)化，經(jīng)離線驗(yàn)證后，可通過(guò)網(wǎng)線接口將程序數(shù)據(jù)從PC端傳至機(jī)器人控制器，再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備情況進(jìn)行調(diào)試后即可開(kāi)始生產(chǎn)運(yùn)行，RobotStudio也可保持與生產(chǎn)線同步運(yùn)行。工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)上下料工作站的主程序和部分例行程序如下:

PROC main()

rInitialize; ！調(diào)用初始化程序

WHILE TRUE DO 程序循環(huán)

IF DI_cnv1_ok=1 THEN ！如果毛坯件托板到位

FOR i From 1 TO 4 DO ！開(kāi)始4×4取放料

FOR j From 1 TO 4 DO ！開(kāi)始4×4取放料

rPick; ！調(diào)用取料程序

rUnload; ！調(diào)用下料程序

rLoad; ！調(diào)用上料程序

rPlace; ！調(diào)用放料程序

rHome_Pick; ！調(diào)用回取料原點(diǎn)程序

ENDFOR

ENDFOR

ENDIF

ENDWHILE

ENDPROC

PROC rInitialize()

AccSet 100, 80;!加速度控制指令

VelSet 100, 800;!速度控制指令

rHome_Pick; ！調(diào)用回取料原點(diǎn)程序

rIni_Signal; ！重置工作站信號(hào)

ENDPROC

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合生產(chǎn)情況，合理構(gòu)建工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)上下料工作站布局，設(shè)置Smart組件動(dòng)態(tài)屬性，完成自動(dòng)上下料路徑規(guī)劃、離線編程和仿真調(diào)試。該工作站可以根據(jù)生產(chǎn)要求調(diào)整生產(chǎn)節(jié)拍，以工藝節(jié)拍1 min為例，可以將機(jī)器人最大運(yùn)行速度設(shè)置為800，根據(jù)動(dòng)作路徑將轉(zhuǎn)彎半徑設(shè)置為z0～z50，適當(dāng)加快機(jī)器人在導(dǎo)軌上進(jìn)行較大距離移動(dòng)時(shí)的速度，經(jīng)仿真運(yùn)行驗(yàn)證，可滿足工藝節(jié)拍要求。該工作站還可以根據(jù)要求，調(diào)整機(jī)床數(shù)量、位置，增設(shè)其他設(shè)備，具有一定的柔性空間，為生產(chǎn)線設(shè)計(jì)提供了可行性依據(jù)，將大大縮短生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)制造、調(diào)試周期，降低生產(chǎn)成本。