基于RobotStudio的空調(diào)壓縮機自動裝配生產(chǎn)線虛擬仿真＊

劉海龍,吳海波,張 蕾

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412001）

1 引言

在“中國制造2025”戰(zhàn)略背景下，以工業(yè)機器人應(yīng)用為核心的智能制造工廠近年得到快速發(fā)展，智能制造生產(chǎn)線由原來單一的設(shè)備應(yīng)用轉(zhuǎn)變?yōu)榇笠?guī)模的流水線生產(chǎn)集成應(yīng)用，極大提高了生產(chǎn)效率和質(zhì)量穩(wěn)定性，智能制造也是未來產(chǎn)業(yè)升級的重要發(fā)展方向[1]。目前市場主流的家用空調(diào)壓縮機有活塞式、滾動轉(zhuǎn)子式和渦旋式三種[2]。本文中以3 匹及以下主流空調(diào)用滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機自動裝配工作站為例，對其實際裝配生產(chǎn)工序進行虛擬仿真，實現(xiàn)對該壓縮機的上下料、四角螺絲安裝、安裝吸氣管和排氣管等多道裝配工序仿真[3]。在滾動轉(zhuǎn)子壓縮機自動化生產(chǎn)線的設(shè)計過程中，由于系統(tǒng)集成零部件多、投入較大、多設(shè)備的互聯(lián)與協(xié)同作業(yè)調(diào)試時間長，因此在生產(chǎn)線設(shè)計前期，需借助虛擬仿真技術(shù)，在虛擬環(huán)境中對生產(chǎn)對象、過程、設(shè)備、工藝等進行配置與仿真模擬，極大提高生產(chǎn)線設(shè)備研發(fā)和調(diào)試時間、節(jié)約設(shè)計成本、降低設(shè)備的投資風(fēng)險[4-5]。本文以空調(diào)壓縮機自動裝配生產(chǎn)線為研究對象，利用RobotStudio、SolidWorks 等軟件工具設(shè)計以3臺工業(yè)機器人協(xié)同配合的裝配工作站，包括檢測、上下料、軌跡編程、和裝配工藝等。針對吳安成等人提出的空調(diào)壓縮機排氣管和吸氣管異形軸裝配工藝復(fù)雜的問題[6]，提出了新的多機器人柔性生產(chǎn)裝配協(xié)同方案；王軼等人提出利用雙視覺在壓縮機固定孔三維空間的精確定位問題[7]，本文進行了算法改進和仿真驗證；季贊華等人構(gòu)建了雙工業(yè)機器人的協(xié)同裝配螺絲工序[8]，但主要針對雙機器人的空間運動軌跡設(shè)計分析，對于缺少雙機器人通訊上的配合協(xié)作方面的內(nèi)容在本方案中進行了補充。

本文按企業(yè)實際生產(chǎn)要求應(yīng)用SolidWorks 設(shè)計模型，利用RobotStudio創(chuàng)建空調(diào)外機壓縮機自動化裝配生產(chǎn)線。針對生產(chǎn)線的布局與結(jié)構(gòu)、壓縮機抓取工具、軸承座和倍速鏈、作業(yè)工業(yè)機器人進行研究和設(shè)計仿真，探討利用RobotStudio 實現(xiàn)空調(diào)壓縮機裝配生產(chǎn)線最佳解決方案，仿真方案能夠完全模擬現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)工藝要求，實現(xiàn)壓縮機生產(chǎn)線的上下料、搬運、裝配、檢測、輸送鏈傳送、碼垛等生產(chǎn)工序，通過兩臺工業(yè)機器人與外圍設(shè)備、傳感器網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)組成緊密耦合的工作站，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化運行，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化系統(tǒng)最佳能效解決方案，提高經(jīng)濟效益。

2 自動裝配生產(chǎn)線仿真設(shè)計

RobotStudio是世界五百強之一的ABB公司開發(fā)的計算機仿真軟件，該軟件是以ABB工業(yè)機器人為核心的機械、電氣、傳感器、通信等綜合性的動態(tài)設(shè)計應(yīng)用[9]。仿真系統(tǒng)中三維模型的設(shè)計通過CAD 軟件進行精確設(shè)計和導(dǎo)入，RobotStudio 設(shè)計工作站布局、工業(yè)機器人控制器、示教器、運動軌跡、電氣控制信號、傳感器網(wǎng)絡(luò)等配置，在機械物理尺寸和電氣控制方面均保證與實物完全一致[10]。因此，在仿真軟件中調(diào)試好的模型組件可直接應(yīng)用于生產(chǎn)，程序也可直接導(dǎo)入到實物控制器中運行，完全模擬了真實的工作環(huán)境。

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)空調(diào)壓縮機的生產(chǎn)和裝配過程、工藝要求，本系統(tǒng)選用ABB IRB2600 型的工業(yè)機器人3 臺，按工作站的工序流程，分別負責(zé)壓縮機的上下料、墊片與彈片裝配和緊固螺絲裝配。系統(tǒng)屬于整個空調(diào)外機生產(chǎn)線的一個組成部分，系統(tǒng)由工業(yè)機器人、壓縮機零件、傳送鏈、機器人上料工具、機器人裝配工具、傳感器網(wǎng)絡(luò)和輔助外圍設(shè)備組成。ABB IRB2600型工業(yè)機器人最高載荷20kg，臂長1．65m，常應(yīng)用于上下料、裝配等工作站中，非常適合于本設(shè)計方案[11]。PLC可編程控制器在虛擬仿真軟件中采用仿真邏輯模擬實現(xiàn)其功能。動態(tài)機械裝置模塊采用Smart組件設(shè)計。在通信網(wǎng)絡(luò)上，機器人系統(tǒng)、外圍設(shè)備、PLC設(shè)備采用I/O擴展模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 裝配生產(chǎn)線仿真建模

系統(tǒng)的所有外圍模型組件均在Solidworks CAD 軟件中按設(shè)計比例繪制完成，導(dǎo)入到RobotStudio 中，與RobotStudio 匹配格式為STEP AP203/214 格式[12]。工作站外圍設(shè)備模型組件設(shè)計完成后，轉(zhuǎn)換為庫文件或模型文件，導(dǎo)入到RobotStudio 中，仿真軟件庫中可以直接調(diào)用對應(yīng)工業(yè)機器人的示教器、控制柜、機器人本體和機器人輸送鏈模型。在RobotStudio 軟件中采用“放置”功能配置模型組件的坐標、旋轉(zhuǎn)角度、偏移量等數(shù)據(jù)，完成工作站的合理布局。為了確保工業(yè)機器人對工件作業(yè)時不出現(xiàn)奇點，可采用“關(guān)節(jié)運動”模式操縱機器人以作業(yè)姿態(tài)到達工件位置，驗證系統(tǒng)布局的位置合理性。如圖2、圖3所示。

2.3 裝配生產(chǎn)線工作流程

根據(jù)壓縮機裝配工序要求和工業(yè)機器人路徑軌跡規(guī)劃設(shè)計，在一個循環(huán)的工序中，輸送鏈將空調(diào)外機待裝配工件運送到指定位置時，有光電傳感器檢測并將I/O 信號發(fā)送給PLC 控制器，輸送鏈運送停止并固定待裝配工件，單工業(yè)機器人抓取壓縮機零部件精確放置安裝位，發(fā)送信號給PLC，觸發(fā)輸送鏈到固定工序位。同理待裝配工件運送至固定工序位時，由雙機器人協(xié)同進行螺絲、墊片配置和緊固。裝配完成后運送至檢測區(qū)進行合格性檢查。本系統(tǒng)是整個空調(diào)外機生產(chǎn)線的重要組成部分，該裝配工序需要實現(xiàn)機器人、輸送鏈、PLC的相互通訊和精密配合完成，并且在整個設(shè)計過程中均需監(jiān)控多工業(yè)機器人的運行狀態(tài)和防碰撞設(shè)計。詳細流程圖如圖4所示。

3 動態(tài)組件仿真設(shè)計

工作站模型組件布局完成后，為實現(xiàn)輸送鏈、多工業(yè)機器人、多功能工具和傳感器檢測網(wǎng)絡(luò)之間的通信和協(xié)同[13]。需要先創(chuàng)建并設(shè)計所有動態(tài)部件的Smart組件，設(shè)計好Smart動態(tài)組件屬性后需要配置機器人和外圍設(shè)備I/O信號連接及屬性，由此確定多機器人、多設(shè)備的協(xié)同作業(yè)的控制邏輯關(guān)系。

3.1 Smart組件及控制邏輯

為了實現(xiàn)系統(tǒng)的控制邏輯和動態(tài)仿真，主要通過創(chuàng)建Smart組件來實現(xiàn)[14]。為模擬輸送鏈的輸送運動功能，首先使用“創(chuàng)建機械裝置”功能設(shè)計輸送鏈水平機械運動屬性，根據(jù)實際生產(chǎn)及穩(wěn)定性要求，速度配置為200mm/s，并生成輸送鏈機械裝置Conveyor。為實現(xiàn)壓縮機上料機器人的定位上料功能，對機器人多功能夾具創(chuàng)建了SC_Gripper，在夾具中設(shè)置線傳感器LineSensor 對工件進行三維定位檢測，代替現(xiàn)實中機器視覺的功能，夾具的開合機械運動使用I/O端口DO_GripperOpen、DO_GripperClose 控制，夾具啟動信號為DIGripper，完成作業(yè)輸出DOVacuumOK，機械動作時間配置為0．5s。針對雙機器人裝配協(xié)同用緊固工具，創(chuàng)建了SC_Replacement1、SC_Replacement2 兩個裝配工具組件，并配置了Attacher、Detacher兩個螺絲拾取和裝配邏輯子組件。以SC_Gripper為例，其設(shè)計邏輯如圖5所示。

3.2 I/O信號配置及連接

本方案是模擬仿真實際生產(chǎn)線中以西門子PLC S7-1200 為主控單元，為了將PLC、多工業(yè)機器人、傳送帶組件、夾具工裝組件和傳感器網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備實現(xiàn)無縫連接，系統(tǒng)將對所有需通信單元按實際現(xiàn)場設(shè)備配置對應(yīng)的I/O信號。在系統(tǒng)的I/O 設(shè)計中，機器人控制設(shè)備采用機器人輸出信號與執(zhí)行機構(gòu)的Smart 組件輸入信號相連，機器人接收傳感器信號采用機器人輸入信號與傳感器的Smart 組件輸出信號相連[15]。由于I/O 信號涉及組件較多，本文以核心的雙裝配機器人系統(tǒng)I/O 信號的配置為例，裝配機器人單臺配置3個數(shù)字輸入信號、5個數(shù)字輸出信號和1個模擬輸出信號；數(shù)字輸入信號分別為合作機器人準備完成、工件準備就緒和螺絲裝載完成；數(shù)字輸出信號分別為與合作機器人配合本機完成、拾取安裝螺絲、啟動傳感器檢查、啟動輸送帶和裝配完成；模擬輸出信號為控制裝配工具。單臺裝配工業(yè)機器人I/O信號的參數(shù)如表1所示。

表1 AssemblyRobot1 I/O信號的變量參數(shù)

4 系統(tǒng)編程與調(diào)試

4.1 機器人離線編程

在完成裝配生產(chǎn)線的模型布局、Smart 組件設(shè)計和I/O連接設(shè)計后，根據(jù)整個系統(tǒng)的工作邏輯設(shè)計工業(yè)機器人的運動軌跡和工序流程[15]。程序設(shè)計的關(guān)鍵點在于對工件、裝配件等目標點的精確定位和放置，有誤差則會發(fā)生碰撞的危險。其中機器人的規(guī)劃路徑采用TCP 跟蹤，可以清晰的跟蹤TCP路徑并驗證其合理性。為獲得機器人工具與工件對象位置的精確偏移量，添加接近檢測功能，安全距離控制在2mm 之內(nèi)，當工具與工件之間的軌跡小于1mm時顯示預(yù)警黃色，該方法可以有效控制機器人運動的軌跡精度。

工業(yè)機器人的程序在RobotStudio中的RAPID系統(tǒng)中設(shè)計，程序根據(jù)功能的區(qū)分設(shè)置不同的功能程序模塊，由Main主函數(shù)進行邏輯控制和功能函數(shù)調(diào)用[16]。工作站啟動后需要立即進行設(shè)備及I/O 端口的初始化操作，否則有可能導(dǎo)致硬件設(shè)備動作邏輯錯亂的可能。由于系統(tǒng)拾取和搬運的動作邏輯較多，此處以機器人裝配件上料模塊舉例，其主程序如下：

CONST．robtarget．Target_10：=[……]；!定義拾取目標點位置

CONST．robtarget．Target_20：=[……]；!定義放置目標點位置

PROC main( )

rInitAll；!初始化設(shè)備狀態(tài)

VelSet 150，300；!速度控制

ClkStart clock；!計時開始

WHILE TRUE DO；!循環(huán)

MoveL pStart，v150，fine，tPickToolwobj：=Pickwobj；!上料定位

WaitDI Di_RobotRy，1；!機器人就位

WaitDI Di_WorkpieceRy，1；!輸送鏈位置檢測

PickupScrew；!調(diào)用上料函數(shù)

Set Do_PickupScrew；!上料完成通信

Set Do_OpenConveyor；!重啟輸送鏈

PlaceScrew；!調(diào)用放置函數(shù)

Movel Home；!機器人回到home點

ENDWHILE

ClkStop clock； ! 停止計時

Time1：=ClkRead(clock1)； ! 讀取時鐘

ClkStart Timer； ! 統(tǒng)計機器人運行時間

ENDPROC

……

4.2 系統(tǒng)仿真與調(diào)試

完成工業(yè)機器人軌跡編程和系統(tǒng)的工作邏輯后，配置系統(tǒng)的啟動數(shù)字輸入信號DIStart，配置系統(tǒng)運行仿真進入點指針p，配置系統(tǒng)循環(huán)運行模型，單擊“仿真-播放”運行[17]。DIStart 啟動系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件初始化、I/O 端口初始化，輸送鏈啟動運行，線傳感器檢測工件安裝底座運行至指定位置時，觸發(fā)輸送鏈減速停止；同時機器人接收線傳感器到達信號，抓取壓縮機進行上料，上料完成觸發(fā)輸送鏈運行至雙機器人裝配工序。同理，工件定位后，一臺機器人進行安裝墊片、彈片，另一臺機器人裝配螺絲并緊固，完成后觸發(fā)輸送鏈運行至下一道工序，本工作站作為整個空調(diào)外機生產(chǎn)線的一個組成部分，對上道工序和后道工序均保留有設(shè)備接口，具有良好的擴展性。

在RobotStudio仿真軟件中，Smart組件的功能上模擬了PLC 控制邏輯的功能，動態(tài)組件模塊的控制邏輯均通過Smart 組件設(shè)計。系統(tǒng)設(shè)計有豐富的對外接口，與其他部件進行關(guān)聯(lián)和通信，整個工作站的邏輯在仿真配置中，配置多機器人、Smart 和機械組件的系統(tǒng)工作邏輯。通過仿真和調(diào)試，整個工作站能夠循環(huán)、平穩(wěn)、高效運行，大大提高現(xiàn)場調(diào)試效率和調(diào)試周期，達到了預(yù)期設(shè)計目標。

5 結(jié)束語

根據(jù)空調(diào)壓縮機裝配工藝流程，搭建了壓縮機自動化上料和裝配生產(chǎn)線模型，設(shè)計了Smart動態(tài)邏輯組件、傳感器、I/O控制及通信網(wǎng)絡(luò)等電氣、機械部件，通過設(shè)計多工業(yè)機器人軌跡編程實現(xiàn)了系統(tǒng)的動態(tài)仿真。利用虛擬仿真技術(shù)很好地解決了工業(yè)機器人為核心的自動化生產(chǎn)線研發(fā)投資大、調(diào)試設(shè)備難、機器人路徑規(guī)劃難等難點問題，不僅可以為實際的空調(diào)壓縮機自動裝配生產(chǎn)線提供理論依據(jù)和實驗平臺，還能有效支撐對自動化生產(chǎn)線的后期升級，對布局的合理性、優(yōu)化機器人運行軌跡、提高加工效率和節(jié)能降耗方面可提供便捷的驗證平臺，且具有重要的指導(dǎo)意義。