基于Robot Studio的機(jī)器人等離子去板坯毛刺工作站設(shè)計(jì)與仿真

江天琦，許四祥，郝 奇，朱寶林

(安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 安徽 馬鞍山 243000)

現(xiàn)代化的大型連鑄機(jī)采用火焰切割的方式將連鑄坯切割成定尺長(zhǎng)度，但火焰切割過(guò)程中熔融鋼液向下流動(dòng)導(dǎo)致鑄坯底部粘連有一條不規(guī)則的毛刺，嚴(yán)重影響了軋鋼成品的表面質(zhì)量和軋輥的壽命。現(xiàn)有的去除毛刺方法主要有錘刀式去除法和刮刀式去除法，但它們滿足不了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)線的質(zhì)量要求[1-3]。本課題組提出了一種等離子去板坯毛刺的新方法[4]，實(shí)驗(yàn)證明等離子去毛刺能獲得良好效果。筆者嘗試通過(guò)RobotStudio軟件實(shí)現(xiàn)機(jī)器人等離子切割去除板坯毛刺工作站的設(shè)計(jì)與仿真，為機(jī)器人等離子切割去除板坯毛刺技術(shù)的開發(fā)提供技術(shù)支持。

1 工作站總體方案設(shè)計(jì)

1.1 工作站布局設(shè)計(jì)

機(jī)器人等離子去板坯毛刺工作站采用前后兩臺(tái)懸掛式ABB IRB-1200型工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行工作，此種布局方式具有節(jié)省工作空間、可充分發(fā)揮機(jī)器人工作范圍、縮短板坯加工時(shí)間、有效節(jié)約加工成本等優(yōu)點(diǎn)。工作站布局如圖1所示，主要由工業(yè)機(jī)器人、可編程控制器(PLC)、送料輥道、上下料機(jī)構(gòu)、變頻電機(jī)和光電傳感器等部件組成。以PLC為控制核心，通過(guò)PLC連接外圍設(shè)備建立設(shè)備間通訊及管理，實(shí)現(xiàn)工作站完整的工作流程。

1.2 工作站關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

瑞典ABB公司的RobotStudio軟件具有三維模型導(dǎo)入、軌跡自動(dòng)規(guī)劃、離線編程、仿真調(diào)試、碰撞檢測(cè)、二次開發(fā)等功能[5-8]，但是該軟件建模功能并不強(qiáng)大，只能創(chuàng)建簡(jiǎn)單的三維模型，絕大多數(shù)情況下要把所需要的模型通過(guò)其他建模軟件建立后再導(dǎo)入RobotStudio軟件中才能滿足要求。

采用SolidWorks軟件構(gòu)建了等離子去板坯毛刺工作站的關(guān)鍵部件。如圖2所示，分別為等離子切割槍、輸送輥道以及龍門。其中龍門安裝了導(dǎo)軌絲杠，可以使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)在龍門兩端之間的移動(dòng)工作，擴(kuò)大了機(jī)器人的工作空間。但由于本工作站采用懸掛式ABB IRB-1200型工業(yè)機(jī)器人，在未安裝等離子切割槍時(shí)機(jī)器人工作范圍為901 mm，可以在固定的位置下滿足本工作站的加工需要，所以在本工作站中將龍門頂部導(dǎo)軌設(shè)為靜止不動(dòng)，機(jī)器人懸掛于龍門導(dǎo)軌中心位置進(jìn)行加工。

1.前部機(jī)器人; 2.前部龍門; 3.等離子切割槍; 4.后部機(jī)器人; 5.后部龍門; 6.輸送輥道; 7.后部光電傳感器; 8.升降機(jī)構(gòu); 9.加工板坯; 10.前部光電傳感器

圖2 工作站關(guān)鍵部件三維模型

1.3 工作站工作流程設(shè)計(jì)

整個(gè)工作站的工作流程為：首先輥道運(yùn)送板坯，速度為800 mm/s；當(dāng)板坯觸碰到前部線性傳感器時(shí)，輥道開始減速，當(dāng)板坯觸碰到后部傳感器時(shí)，輥道完全停止；此時(shí)板坯進(jìn)入待加工工位，上下料機(jī)構(gòu)開始啟動(dòng)，將板坯抬起，抬起高度為130 mm，之后板坯進(jìn)入加工工位，前后兩個(gè)機(jī)器人開始進(jìn)行去毛刺作業(yè)；加工完成后，上下料機(jī)構(gòu)再次啟動(dòng)，將加工完成的板坯運(yùn)送至待加工位置，同時(shí)自身回到初始位置；當(dāng)板坯到達(dá)待加工位置時(shí)，輥道啟動(dòng)，同時(shí)下一塊板坯開始運(yùn)送，整個(gè)加工流程完成。具體流程如圖3所示。

圖3 工作站工作流程

2 工作站系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 工作站動(dòng)態(tài)Smart組件設(shè)計(jì)

在RobotStudio中創(chuàng)建機(jī)器人去板坯毛刺工作站、運(yùn)送輥道、上下料機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)效果對(duì)仿真起了重要的作用[5]。其軟件中的Smart組件能實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫效果。

先設(shè)定將用到的Smart組件，分為兩類：第一類為運(yùn)送輥道的Smart組件，首先添加子組件，包含動(dòng)作子組件Source、Slink，本體子組件LinearMover、LinearMover2，信號(hào)子組件LogicSRLatch，傳感器子組件LineSensor，以及其他子組件Queue、SimulationalEvents；第二類為上下料機(jī)構(gòu)的Smart組件，依次添加動(dòng)作子組件Attacher、Detacher，本體子組件LinearMover2，傳感器子組件PlaneSensor；再設(shè)定各組件之間的屬性連接，即不同子組件之間屬性的相關(guān)聯(lián)；然后創(chuàng)建I/O信號(hào)和I/O連接，即各子組件間運(yùn)動(dòng)的相關(guān)聯(lián)，各組件間的邏輯關(guān)系如圖4所示。

圖4 工作站Smart組件間邏輯關(guān)系

2.2 設(shè)置工作站仿真運(yùn)行I/O信號(hào)

真實(shí)的工作站以PLC作為中央控制系統(tǒng)，將PLC與機(jī)器人等設(shè)備I/O板進(jìn)行連接，采用現(xiàn)場(chǎng)總線，接受并處理輥道、上下料機(jī)構(gòu)、工業(yè)機(jī)器人等發(fā)送來(lái)的信號(hào)。再模擬工作站運(yùn)行時(shí)，Smart組件近似于PLC，當(dāng)將Smart組件的I/O信號(hào)與工業(yè)機(jī)器人的I/O信號(hào)相關(guān)聯(lián)時(shí)，就相當(dāng)于是在模擬PLC與機(jī)器人、輥道、上下料機(jī)構(gòu)之間的通信，離線編寫機(jī)器人工作程序，就可以實(shí)現(xiàn)工作站完整的工作流程[9]。表1為等離子去板坯毛刺工作站的I/O信號(hào)。

表1 工作站I/O信號(hào)

3 工作站仿真

由于采用前后兩個(gè)機(jī)器人同時(shí)對(duì)板坯進(jìn)行加工，且加工時(shí)板坯自身沒(méi)有位移，所以可以將一個(gè)完整的同時(shí)加工流程編寫為2個(gè)獨(dú)立的程序，即前后2個(gè)機(jī)器人分別獨(dú)立完成自身的程序，互不干涉。在使用RobotStudio軟件進(jìn)行離線編程之前，先設(shè)置3個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)：工件數(shù)據(jù)(Tooldate)、工具數(shù)據(jù)(Wobdate)、有效載荷(Loaddate)。然后進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，這其中又包括了示教目標(biāo)點(diǎn)、配置運(yùn)動(dòng)參數(shù)、生成運(yùn)動(dòng)路徑等[10-12]。這里僅給出前部機(jī)器人去除毛刺的部分主程序：

IF DiQuchu=1 THEN

MoveL FrontHome,v200,fine,ToolFrontWObj:=WobFront; !機(jī)器人回到初始位置

MoveL RelTool(FrontStrat,0,0,-50),v200,fine,ToolFrontWObj:=WobFront;

MoveL FrontStrat,v20,fine,ToolFrontWObj:=WobFront; !移動(dòng)機(jī)器人到達(dá)加工起點(diǎn)位置

set DoQuchu; !等離子切割機(jī)開始工作

MoveL FrontEnd,v200,fine,ToolFrontWObj:=WobFront; !移動(dòng)機(jī)器人到達(dá)加工終點(diǎn)

reset DoQuchu; !等離子切割機(jī)停止工作

MoveL RelTool(FrontEnd,0,0,-50),v20,fine,ToolFrontWObj:=WobFront;

MoveL FrontHome,v200,fine,ToolFrontWObj:=WobFront; !移動(dòng)機(jī)器人回歸初始位置。

Set DoTool; !發(fā)出信號(hào)給上下料機(jī)構(gòu)

ENDIF

運(yùn)用RobotStudio軟件對(duì)Rapid程序進(jìn)行驗(yàn)證并運(yùn)行后，可以得到等離子切割槍的仿真運(yùn)動(dòng)軌跡。如圖5所示，工作站完整實(shí)現(xiàn)了去板坯毛刺的工作流程，在板坯被升降裝置提升至加工位置后，前后機(jī)器人分別先以20 mm/s的速度將等離子切割槍移動(dòng)至加工起點(diǎn)，其次等離子切割槍以200 mm/s的速度完成了去除板坯毛刺，最后機(jī)器人又以20 mm/s的速度回到了初始位置，同時(shí)板坯下降，離開加工位置，等板坯重新回到輥道上時(shí)，輥道重新運(yùn)動(dòng)，下一塊未加工板坯開始輸送。

圖5 仿真效果圖

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合SolidWorks的建模功能，在RobotStudio中建立了等離子去板坯毛刺工作站的仿真模型，根據(jù)實(shí)際工況要求，設(shè)計(jì)了工作站的工作流程及布局；設(shè)計(jì)了工作站動(dòng)態(tài)Smart組件；模擬PLC與輥道、上下料機(jī)構(gòu)、前后機(jī)器人等設(shè)備的I/O信號(hào)進(jìn)行通信；實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人對(duì)板坯毛刺進(jìn)行去除的軌跡規(guī)劃、離線編程和仿真調(diào)試,為機(jī)器人等離子去除板坯毛刺工作站的搭建提供了技術(shù)支持。