基于RobotStudio的動(dòng)態(tài)傳輸鏈及工業(yè)機(jī)器人碼垛工作站的仿真設(shè)計(jì)

韓 華

（開(kāi)封大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004）

0 引言

RobotStudio是ABB公司專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的一款工業(yè)機(jī)器人仿真軟件.在規(guī)劃與定義階段，即在實(shí)際構(gòu)建機(jī)器人系統(tǒng)之前，RobotStudio可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和試運(yùn)行［1］.人們還可以利用該軟件，來(lái)確認(rèn)機(jī)器人是否能到達(dá)所有編程位置，并計(jì)算解決方案的工作周期.通過(guò)必要的仿真進(jìn)行論證，可優(yōu)化機(jī)器人工作站系統(tǒng)集成項(xiàng)目的設(shè)計(jì)［2］.

本文利用RobotStudio這一仿真軟件來(lái)創(chuàng)建動(dòng)畫(huà)效果，與機(jī)器人的動(dòng)作配合，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)傳輸鏈及工業(yè)機(jī)器人碼垛工作站的仿真設(shè)計(jì)［3］.即模擬企業(yè)生產(chǎn)中的這樣一個(gè)工作過(guò)程：由生產(chǎn)線(xiàn)上的傳送帶傳輸物料，物料到達(dá)指定位置后，傳送帶停止運(yùn)行，機(jī)器人檢測(cè)到物料到達(dá)的信息后，進(jìn)行物料的搬運(yùn)和碼垛，完成工作.

1 動(dòng)態(tài)傳送鏈的建立

動(dòng)態(tài)傳送鏈的動(dòng)畫(huà)仿真設(shè)計(jì)是利用RobotStudio中的Smart組件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，利用Smart組件可以創(chuàng)建大量實(shí)用的動(dòng)畫(huà)效果，如輸送鏈的運(yùn)行，物料的拾取、放置，機(jī)械裝置的動(dòng)作等.我們要展示的工作過(guò)程是：輸送鏈前端自動(dòng)生成物料，生成的物料朝著傳送鏈傳輸?shù)姆较蜻\(yùn)行，物料到達(dá)傳送鏈的末端后自動(dòng)停止，并且發(fā)出產(chǎn)品到位信號(hào).機(jī)器人拾取物料以后，傳送鏈前端自動(dòng)生成下一個(gè)物料，開(kāi)始下一次循環(huán)［4］.

1.1 設(shè)定傳送鏈的產(chǎn)品源信息

建立Smart組件，并創(chuàng)建子組件Source用于設(shè)定產(chǎn)品源.把需要碼垛的產(chǎn)品設(shè)置成產(chǎn)品源，每觸發(fā)Source執(zhí)行一次，就會(huì)生成一個(gè)碼垛產(chǎn)品的復(fù)制品.

1.2 設(shè)定輸送鏈的動(dòng)態(tài)屬性

建立子組件Queue，使新生成的物料加入隊(duì)伍.建立子組件LinearMover，設(shè)定運(yùn)動(dòng)屬性，如運(yùn)動(dòng)物體、運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)速度、參考坐標(biāo)系等.選擇Queue為運(yùn)動(dòng)物體，運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閭魉蛶н\(yùn)行方向.

1.3 設(shè)定輸送鏈限位傳感器

在傳輸鏈末端，需要設(shè)置用于檢測(cè)物料是否到位的限位傳感器.可以設(shè)置在輸送鏈末端的擋板位置，將傳感器設(shè)定為面型傳感器（見(jiàn)圖1）。當(dāng)面?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)到前方到位的產(chǎn)品時(shí)，會(huì)自動(dòng)輸出一個(gè)信號(hào)，用于邏輯控制。此虛擬傳感器不能與周邊設(shè)備接觸，并且一次只能檢測(cè)一個(gè)物體?？梢詫⑴c此面?zhèn)鞲衅鹘佑|的周邊設(shè)備的屬性設(shè)置為“不可由傳感器檢測(cè)”。

圖1 設(shè)置面?zhèn)鞲衅?/p>

1.4 創(chuàng)建屬性與連結(jié)

建立屬性與連結(jié)是為了實(shí)現(xiàn)Smart各個(gè)子組件的某項(xiàng)屬性之間的連接.例如，在物料的到位信號(hào)與機(jī)器人拾取信號(hào)之間建立屬性鏈接，當(dāng)有到位信號(hào)輸出時(shí)，機(jī)器人拾取信號(hào)會(huì)立即被觸發(fā)，機(jī)器人開(kāi)始拾取工作.

這里，在子組件Source的Copy屬性與子組件Queue的Back屬性之間建立連結(jié)，這樣，產(chǎn)品源每產(chǎn)生一個(gè)復(fù)制品，就會(huì)自動(dòng)加入隊(duì)列Queue中，跟隨隊(duì)伍一起執(zhí)行線(xiàn)性運(yùn)動(dòng).若執(zhí)行“退出隊(duì)列”操作，復(fù)制品就會(huì)退出隊(duì)列.退出隊(duì)列之后，該復(fù)制品就停止線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)了.

1.5 創(chuàng)建信號(hào)與連接

建立IO信號(hào)即創(chuàng)建數(shù)字信號(hào).要實(shí)現(xiàn)IO信號(hào)與各個(gè)Smart組件信息的交互.建立IO信號(hào)后，再設(shè)定IO信號(hào)與Smart子組件信號(hào)的連接關(guān)系、與各Smart子組件信號(hào)的連接關(guān)系.

添加一個(gè)數(shù)字信號(hào)diStart，用于啟動(dòng)Smart輸送鏈；添加輸出信號(hào)doBox，用作產(chǎn)品到位輸出信號(hào).建立連接時(shí)，用diStart去觸發(fā)Source執(zhí)行動(dòng)作.當(dāng)輸送鏈啟動(dòng)時(shí)，產(chǎn)品源會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)碼垛產(chǎn)品的復(fù)制品，并讓復(fù)制品加入隊(duì)列.當(dāng)復(fù)制品運(yùn)動(dòng)到傳送鏈的末端，與面?zhèn)鞲衅鱌laneSensor接觸時(shí)，面?zhèn)鞲衅鬏敵霎a(chǎn)品到位信號(hào)，同時(shí)把物料的復(fù)制品從隊(duì)列中移除，使物料停留在輸送鏈的末端.將doBox設(shè)置為1，表示產(chǎn)品已經(jīng)到位.面?zhèn)鞲衅鱌laneSensor只有一個(gè)輸出信號(hào).通過(guò)添加非門(mén)，增加輸出的另一種狀態(tài)，去觸發(fā)Source的執(zhí)行，即當(dāng)傳感器的輸出信號(hào)由1變?yōu)?時(shí)，觸發(fā)源Source會(huì)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)制品.各個(gè)IO連接中源對(duì)象、源信號(hào)、目標(biāo)對(duì)象、目標(biāo)信號(hào)的設(shè)定如圖2所示.

圖2 各個(gè)IO連接中源對(duì)象、源信號(hào)、目標(biāo)對(duì)象、目標(biāo)信號(hào)的設(shè)定

2 動(dòng)態(tài)夾具的建立

使用一個(gè)海綿式真空吸盤(pán)來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品的拾取和釋放.圍繞該吸盤(pán)，打造一個(gè)具有Smart組件特性的夾具.夾具的動(dòng)態(tài)效果包含：在輸送鏈末端拾取產(chǎn)品，在放置位置釋放產(chǎn)品，自動(dòng)置位復(fù)位真空反饋信號(hào).

2.1 設(shè)定夾具的屬性

選取機(jī)器人末端六軸法蘭盤(pán)的位置安裝夾具吸盤(pán)，建立夾具的Smart子組件tGripper，設(shè)定屬性為Role，讓Smart組件獲得Role的屬性.可以將SC－Gripper當(dāng)做機(jī)器人的工具來(lái)處理.

2.2 設(shè)定夾具的檢測(cè)傳感器

機(jī)器人每次拾取安裝的子對(duì)象和拆除安裝的子對(duì)象，都不是唯一的.我們可以借助一個(gè)針對(duì)物料的檢測(cè)傳感器來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題.選擇在夾具的下底面安裝線(xiàn)形傳感器LineSensor（見(jiàn)圖3），用此傳感器去檢測(cè)物料，判斷物料是否被吸取.每當(dāng)傳感器檢測(cè)到物料時(shí)，都是既作為夾具安裝的子對(duì)象，也作為拆除的子對(duì)象來(lái)看待.

圖3 在夾具底板上創(chuàng)建線(xiàn)傳感器

在建立傳感器時(shí)，需要指定線(xiàn)傳感器的起點(diǎn)和終點(diǎn).為了便于觀(guān)察，可以對(duì)線(xiàn)傳感器進(jìn)行加粗處理，如將其設(shè)置成半徑為3mm的圓柱形傳感器.

在使用虛擬傳感器時(shí)，為了確保檢測(cè)的準(zhǔn)確性，需要調(diào)整線(xiàn)傳感器的長(zhǎng)短.要保證傳感器在和物料接觸時(shí)，一部分在物料的內(nèi)部，一部分在物料外部，這樣才能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)到該物料.為了避免在吸盤(pán)拾取產(chǎn)品時(shí)，該線(xiàn)傳感器完全侵入產(chǎn)品內(nèi)部，需要將起點(diǎn)Start的Z值加大.要保證在吸盤(pán)拾取時(shí)，該線(xiàn)性傳感器一部分在產(chǎn)品內(nèi)部，一部分在產(chǎn)品外部.

2.3 設(shè)置夾具拾取和放置動(dòng)作

設(shè)置拾取對(duì)象，添加子組件Attacher，設(shè)定安裝的父對(duì)象為Smart工具的SC－Gripper，設(shè)置釋放動(dòng)作，添加子組件Detacher.

設(shè)置拆除對(duì)象，添加子組件Detacher，由于子對(duì)象不是特定的一個(gè)物體，故暫不設(shè)置.注意，KeepPosition需要勾選，它表明，釋放后，子對(duì)象保持當(dāng)前的空間位置.

拾取動(dòng)作Attacher和釋放動(dòng)作Detacher中，關(guān)于對(duì)象Child，暫時(shí)都未作設(shè)定，這是因?yàn)樵诒救蝿?wù)中，每次處理的工件都不是同一個(gè)產(chǎn)品，而是由產(chǎn)品源生成的各個(gè)碼垛產(chǎn)品的復(fù)制品.我們無(wú)法在此處直接指定子對(duì)象，而會(huì)在屬性連結(jié)里面設(shè)置此項(xiàng)屬性.

2.4 創(chuàng)建夾具的屬性與連結(jié)

這里需要添加兩個(gè)屬性鏈接.LineSensor的屬性SensedPart指的是線(xiàn)傳感器檢測(cè)到的與其發(fā)生接觸的物體.此處建立連結(jié)是指將線(xiàn)傳感器所檢測(cè)到的物體作為拾取的子對(duì)象.將Attacher和Detacher的子對(duì)象設(shè)置為一致，也就是說(shuō)，將拾取的子對(duì)象作為釋放的子對(duì)象.創(chuàng)建夾具的屬性與連結(jié)如圖4所示.

圖4 創(chuàng)建夾具的屬性與連結(jié)

2.5 創(chuàng)建夾具的信號(hào)與連接

創(chuàng)建一個(gè)數(shù)字輸入信號(hào)diGripper，用于控制夾具拾取、釋放動(dòng)作，置1為打開(kāi)真空拾取，置0為關(guān)閉真空釋放.創(chuàng)建一個(gè)數(shù)字輸出信號(hào)doOK，用于真空反饋信號(hào)，置1為真空已建立，置0為真空已消失.如圖5所示.

圖5 創(chuàng)建夾具的信號(hào)與連接

依次添加輸入信號(hào)，過(guò)程如下：機(jī)器人夾具運(yùn)動(dòng)到拾取位置，打開(kāi)真空以后，線(xiàn)傳感器開(kāi)始檢測(cè)，如果檢測(cè)到產(chǎn)品A與其發(fā)生接觸，則執(zhí)行拾取動(dòng)作，夾具將產(chǎn)品A拾取，并將真空反饋信號(hào)置為1.接著，機(jī)器人夾具運(yùn)動(dòng)到放置位置，關(guān)閉真空以后，執(zhí)行釋放動(dòng)作，產(chǎn)品A被夾具放下，同時(shí)將真空反饋信號(hào)置為0.機(jī)器人夾具再次運(yùn)動(dòng)到拾取位置，去拾取下一個(gè)產(chǎn)品，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán).

2.6 夾具Smart子組件的模擬運(yùn)行

當(dāng)模擬產(chǎn)品Product＿Teach到達(dá)傳送帶的面?zhèn)鞲衅魑恢脮r(shí)，在將diGripper置為1的情況下，夾具將產(chǎn)品拾取（見(jiàn)圖6），同時(shí)真空反饋信號(hào)doOK自動(dòng)置為1.

圖6 夾具將產(chǎn)品拾取

當(dāng)機(jī)械臂移動(dòng)到垛板放置位置時(shí)，在將diGripper置為0的情況下，夾具將搬運(yùn)對(duì)象釋放（見(jiàn)圖7），同時(shí)真空反饋信號(hào)自動(dòng)置為0.

圖7 夾具釋放產(chǎn)品

3 工作站邏輯的設(shè)定

3.1 建立機(jī)器人的I/O信號(hào)

設(shè)定Smart組件與機(jī)器人端的信號(hào)通聯(lián)，從而完成整個(gè)工作站的仿真動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì).工作站邏輯的設(shè)定為：將Smart組件的輸入/輸出信號(hào)與機(jī)器人端的輸入/輸出信號(hào)關(guān)聯(lián).將Smart組件的輸出信號(hào)作為機(jī)器人端的輸入信號(hào)，機(jī)器人端的輸出信號(hào)作為Smart組件的輸入信號(hào).這里，將Smart組件當(dāng)作一個(gè)與機(jī)器人進(jìn)行I/O通信的PLC來(lái)看待.

建立三個(gè)I/O信號(hào)：diBoxInPos數(shù)字輸入信號(hào)，用做產(chǎn)品到位信號(hào)；diVacuumOK數(shù)字輸入信號(hào)，用做真空反饋信號(hào)；doGripperdiBoxInPos數(shù)字輸出信號(hào)，用做控制真空吸盤(pán)動(dòng)作的信號(hào).如圖8所示.

圖8 建立三個(gè)I/O信號(hào)

3.2 在“仿真”功能選項(xiàng)卡中設(shè)定工作站邏輯

在“仿真”功能選項(xiàng)卡中設(shè)定“工作站邏輯”，利用機(jī)器人的輸出信號(hào)去控制夾具系統(tǒng)拾取物料，用機(jī)器人輸出鏈的啟動(dòng)輸出信號(hào)去控制輸出鏈系統(tǒng)的啟動(dòng)，利用工具系統(tǒng)的拾取檢測(cè)信號(hào)去控制機(jī)器人的真空檢測(cè)輸入信號(hào)，用輸送鏈系統(tǒng)的產(chǎn)品到位輸出信號(hào)去控制機(jī)器人系統(tǒng)的產(chǎn)品到位輸入信號(hào).

3.3 編寫(xiě)機(jī)器人程序

用Rapid語(yǔ)言編寫(xiě)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)程序，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人拾取和碼垛動(dòng)作的展開(kāi).機(jī)器人在輸送鏈末端等待，產(chǎn)品到位后，將其拾取，放置在右側(cè)托盤(pán)上面.跺型為常見(jiàn)的“3＋2”，即豎著放2個(gè)產(chǎn)品，橫著放3個(gè)產(chǎn)品，第二層，位置交錯(cuò).以機(jī)器人只進(jìn)行右側(cè)碼垛為例，編寫(xiě)程序.碼垛10個(gè)即滿(mǎn)載，機(jī)器人回到等待位繼續(xù)等待，仿真結(jié)束.

具體程序編寫(xiě)如下：

3.4 設(shè)定工作站邏輯

設(shè)定工作站邏輯，利用機(jī)器人系統(tǒng)System24的輸出信號(hào)doGripper去控制工具系統(tǒng)的拾取信號(hào)diGripper，用輸送鏈的產(chǎn)品到位信號(hào)去關(guān)聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)的產(chǎn)品到位信號(hào)，利用工具系統(tǒng)的拾取檢測(cè)信號(hào)去控制機(jī)器人的真空檢測(cè)輸入信號(hào).如圖9所示.

圖9 設(shè)定工作站的信號(hào)與連接

4 動(dòng)態(tài)傳輸鏈及工業(yè)機(jī)器人碼垛工作站仿真運(yùn)行

選擇“仿真”功能選項(xiàng)卡中的I/O仿真器，“選擇系統(tǒng)”為SC＿InFeeder，點(diǎn)擊開(kāi)始后，輸送鏈前端生成產(chǎn)品源的復(fù)制品，并且該復(fù)制品隨著輸送鏈運(yùn)動(dòng).如圖10所示.

圖10 傳輸鏈動(dòng)態(tài)仿真

復(fù)制品到達(dá)輸送鏈末端后，機(jī)器人接收到產(chǎn)品到位信號(hào)，將其拾取并放置到垛板指定位置.依此循環(huán)，碼垛10個(gè)產(chǎn)品后，機(jī)器人回到等待位置.如圖11所示.

圖11 工業(yè)機(jī)器人碼垛仿真

仿真運(yùn)行可以驗(yàn)證碼垛工作站的程序是否正確.在此，可勾選Source組件的Transient屬性，這樣，當(dāng)結(jié)束仿真時(shí)，復(fù)制的物料模型會(huì)自動(dòng)消失，不用再進(jìn)行手動(dòng)刪除的操作.

5 結(jié)語(yǔ)

貨物的傳輸和碼垛是工業(yè)生產(chǎn)中的典型任務(wù).輸送鏈的傳輸和搬運(yùn)碼垛機(jī)器人的應(yīng)用，將勞動(dòng)者從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來(lái)，既提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，也保證了產(chǎn)品的質(zhì)量.

RobotStudio軟件中的Smart組件能模擬出機(jī)器人搬運(yùn)物料的場(chǎng)景，能打造出動(dòng)畫(huà)效果，是工業(yè)機(jī)器人工作站仿真設(shè)計(jì)的實(shí)用工具［5］.仿真技術(shù)為機(jī)器人工作站系統(tǒng)集成項(xiàng)目前期方案的可行性論證提供了有效的途徑，通過(guò)前期的仿真，生產(chǎn)線(xiàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和調(diào)試時(shí)間可大大縮短，這樣可為企業(yè)節(jié)約成本，增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益［6］.