基于RobotStudio的機(jī)器人智能裝配工作站仿真設(shè)計(jì)

趙偉博，李琳杰

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空工程學(xué)院，咸陽(yáng) 712000）

隨著西方發(fā)達(dá)國(guó)家重回制造業(yè)，提出“制造業(yè)回歸”、“再工業(yè)化”等戰(zhàn)略，新一輪工業(yè)革命席卷而來，智能制造成為各國(guó)搶占制造業(yè)新格局的關(guān)鍵領(lǐng)域[1]。為實(shí)現(xiàn)制造業(yè)從“中國(guó)制造”向“中國(guó)智造”的轉(zhuǎn)型升級(jí)，2015 年國(guó)務(wù)院出臺(tái)《中國(guó)制造2025》戰(zhàn)略文件，提出制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略，推動(dòng)制造業(yè)向新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合的智能化制造轉(zhuǎn)型升級(jí)。工業(yè)機(jī)器人作為智能制造執(zhí)行環(huán)節(jié)的關(guān)鍵設(shè)備，廣泛應(yīng)用于裝配、焊接、打磨、噴涂等裝備制造領(lǐng)域，極大地促進(jìn)了傳統(tǒng)制造業(yè)的升級(jí)改造[2-3]。

文獻(xiàn)[4-9]均通過RobotStudio 仿真軟件搭建虛擬的自動(dòng)化生產(chǎn)線或傳統(tǒng)裝配加工工作站，給出了工作站控制邏輯和重要部件的Smart 組件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了工件的搬運(yùn)、加工、裝配等制造環(huán)節(jié)的仿真、調(diào)試和分析。以上成果主要以Smart 組件為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)工作站的動(dòng)態(tài)仿真效果，工作站邏輯設(shè)計(jì)復(fù)雜，且無法模擬工件裝配過程中有可能發(fā)生的物理碰撞，仿真結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用相差較大。

從實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)完成機(jī)器人關(guān)節(jié)零部件裝配的功能需求出發(fā)，筆者利用SolidWorks 建模軟件和RobotStudio 虛擬仿真軟件搭建了機(jī)器人智能裝配工作站，給出了工作站快換工具、旋轉(zhuǎn)料庫(kù)、變位機(jī)單元等模塊的Smart 組件設(shè)計(jì)，并結(jié)合工件的物理仿真效果，設(shè)計(jì)工作站控制邏輯，通過RAPID 離線編程實(shí)現(xiàn)工作站的整體仿真調(diào)試。

1 搭建仿真工作站

筆者利用SolidWorks 建模軟件創(chuàng)建工作站模型并導(dǎo)入RobotStudio 仿真軟件進(jìn)行工作站布局。如圖1 所示，工業(yè)機(jī)器人智能裝配仿真工作站主要由1 臺(tái)ABB 工業(yè)機(jī)器人、快換工具單元、井式供料單元、輸送帶模塊、立體倉(cāng)庫(kù)、旋轉(zhuǎn)料庫(kù)、變位機(jī)模塊、視覺檢測(cè)模塊、裝配模塊、RFID 模塊等多個(gè)模塊組成。其中，RFID 模塊和裝配模塊安裝于變位機(jī)旋轉(zhuǎn)面板，跟隨變位機(jī)一起運(yùn)動(dòng)。

圖1 裝配工作站布局Fig.1 Assembly workstation layout

工作站模擬裝配對(duì)象為機(jī)器人關(guān)節(jié)部件，其零件簡(jiǎn)化模型如圖2 所示，主要包括關(guān)節(jié)底座、電機(jī)、減速器和輸出法蘭4 種零件。關(guān)節(jié)部件的裝配順序如下：關(guān)節(jié)底座—電機(jī)—減速器—輸出法蘭。其中，輸出法蘭裝配到關(guān)節(jié)底座后需要旋轉(zhuǎn)90°鎖緊整個(gè)關(guān)節(jié)部件。

圖2 關(guān)節(jié)零件模型Fig.2 Joint part model

2 工作站Smart 組件設(shè)計(jì)

2.1 快換工具Smart 組件設(shè)計(jì)

如圖3 所示，機(jī)器人快換工具主要由主盤、副盤、弧口爪、直口爪、吸盤及工具支架等部件組成。其中，主盤安裝于機(jī)器人末端法蘭盤上，副盤安裝于各工具上。

圖3 快換工具單元Fig.3 Quick change tool unit

機(jī)器人在裝配關(guān)節(jié)部件時(shí)，需要根據(jù)零件類型選取不同的工具進(jìn)行裝配，其中，弧口爪用于抓取關(guān)節(jié)底座，直口爪用于抓取電機(jī)，吸盤用于法蘭和減速器的裝配。機(jī)器人更換工具的動(dòng)態(tài)效果采用Smart 組件實(shí)現(xiàn)，組件屬性設(shè)置如圖4 所示。快換工具組件主要包括傳感器子組件LineSensor 和Get-Parent、動(dòng)作子組件Attacher 和Detacher 以及邏輯信號(hào)子組件LogicGate 等。在快換工具Smart 組件中之所以需要添加GetParent 子組件，是因?yàn)榛】谧?、直口爪和吸盤工具均是裝配體模型，LineSensor 子組件只能檢測(cè)到工具裝配體的某一個(gè)零件，而不能檢測(cè)到整個(gè)工具，因此需要通過獲取父對(duì)象GetParent 子組件來得到LineSensor 檢測(cè)到的零件的上一級(jí)對(duì)象（裝配體）。

圖4 快換工具Smart 組件設(shè)計(jì)Fig.4 Quick change tool Smart component design

通過上述操作，機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)更換不同工具的動(dòng)態(tài)仿真，而手爪工具和吸盤工具的動(dòng)作需要再創(chuàng)建相應(yīng)的Smart 組件來實(shí)現(xiàn)?；】谧Α⒅笨谧臀P均通過RobotStudio 軟件創(chuàng)建成工具機(jī)械裝置，其中弧口爪和直口爪工具均設(shè)置了夾緊和張開兩個(gè)動(dòng)作姿態(tài)。

弧口爪Smart 組件設(shè)計(jì)如圖5 所示，包含Line-Sensor、Attacher、Detacher 和PoseMover 等子組件。其中，機(jī)器人系統(tǒng)通過配置I/O 信號(hào)與弧口爪Smart 組件的輸入信號(hào)tool1 建立連接，進(jìn)而控制弧口爪工具的張開和夾緊動(dòng)作。直口爪工具和吸盤工具的Smart 組件設(shè)計(jì)與弧口爪工具類似，這里不再贅述。

圖5 弧口爪工具Smart 組件Fig.5 Arc jaw tool Smart component

2.2 運(yùn)動(dòng)控制Smart 組件設(shè)計(jì)

工作站運(yùn)動(dòng)控制單元包含旋轉(zhuǎn)料庫(kù)、變位機(jī)及裝配模塊。每個(gè)模塊均根據(jù)各自相應(yīng)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)創(chuàng)建了相應(yīng)的機(jī)械裝置。如圖6 所示，運(yùn)動(dòng)控制Smart 組件配置了3 個(gè)數(shù)字輸入信號(hào)，其中ro1 控制旋轉(zhuǎn)料庫(kù)，turn0 控制變位機(jī)，assemb 控制裝配模塊。添加子組件PoseMover 時(shí)，需要設(shè)置機(jī)械裝置姿態(tài)轉(zhuǎn)換延時(shí)參數(shù)Duration 來模擬真實(shí)的運(yùn)動(dòng)過程。

圖6 運(yùn)動(dòng)控制Smart 組件Fig.6 Motion control Smart component

2.3 視覺模塊Smart 組件設(shè)計(jì)

視覺模塊安裝于輸送帶模塊一側(cè)，相機(jī)位于輸送帶末端正上方位置。井式供料單元推料至輸送帶，輸送帶輸送工件至末端，相機(jī)拍照檢測(cè)。視覺檢測(cè)Smart 組件是用于模擬相機(jī)拍照，檢測(cè)法蘭工件旋轉(zhuǎn)角度并發(fā)送給機(jī)器人進(jìn)行法蘭工件的自動(dòng)裝配。為了便于控制，將井式供料Smart 組件合并于視覺檢測(cè)組件中進(jìn)行推料控制。如圖7 所示，視覺檢測(cè)組件通過子組件Show 和Hide 實(shí)現(xiàn)拍照閃爍效果，子組件PositionSensor 可以獲取法蘭工件位置數(shù)據(jù)。需要說明一點(diǎn)，法蘭工件旋轉(zhuǎn)角度參考的工件坐標(biāo)系必須創(chuàng)建于法蘭中心。

圖7 視覺檢測(cè)Smart 組件Fig.7 Visual inspection Smart component

此外，視覺檢測(cè)Smart 組件設(shè)有2 個(gè)輸入信號(hào)：xj 和tuiwul；1 個(gè)模擬輸出信號(hào)：FL_angle。機(jī)器人系統(tǒng)通過工作站邏輯設(shè)定可實(shí)現(xiàn)與視覺模塊的數(shù)據(jù)交互。

3 工作站邏輯

3.1 物理仿真

RobotStudio 仿真軟件通過設(shè)置對(duì)象的物理行為來實(shí)現(xiàn)物體真實(shí)物理特性的模擬。如圖8 所示，RobotStudio 仿真軟件提供了4 種物理行為：不活動(dòng)、固定、運(yùn)動(dòng)學(xué)的和動(dòng)態(tài)。

圖8 物理行為Fig.8 Physical behavior

如表1 所示，該工作站中工件的輸送和裝配過程均是通過設(shè)置相關(guān)對(duì)象的物理行為實(shí)現(xiàn)工件裝配的動(dòng)態(tài)模擬。

表1 工件物理效果Tab.1 Physical effect of workpiece

以輸送帶為例，將其物理行為設(shè)置為運(yùn)動(dòng)學(xué)的，然后將末端擋板設(shè)置為固定，最后啟用表面速度進(jìn)行仿真來實(shí)現(xiàn)真實(shí)輸送帶的輸送效果。相較于Smart 組件，物理仿真能更加真實(shí)地模擬物體裝配過程中的碰撞效果，更貼近實(shí)際裝配過程，可有效地幫助技術(shù)人員進(jìn)行實(shí)際工作站的編程調(diào)試。

3.2 工作站邏輯設(shè)計(jì)

在完成上述模塊的Smart 組件設(shè)計(jì)之后，需要設(shè)定工作站邏輯將機(jī)器人系統(tǒng)與各Smart 組件輸入輸出信號(hào)進(jìn)行連接。工作站邏輯如圖9 所示，其中子組件PhysicsControl 用于改變工件的物理行為，子組件PlaneSensor 安裝于輸送帶末端檢測(cè)工件。表2給出了機(jī)器人系統(tǒng)具體的輸入輸出信號(hào)，通過編寫機(jī)器人程序可實(shí)現(xiàn)工作站的自動(dòng)裝配。

表2 機(jī)器人系統(tǒng)信號(hào)配置Tab.2 Robot system signal configuration

圖9 工作站邏輯Fig.9 Workstation logic

4 機(jī)器人RAPID 程序

工作站邏輯設(shè)置完成之后，根據(jù)表2 的信號(hào)配置編寫機(jī)器人程序。程序采用“總-分”結(jié)構(gòu)，按照工件裝配流程編寫相應(yīng)子程序，通過主程序main 進(jìn)行邏輯調(diào)用。其中，機(jī)器人取放工具的軌跡路徑基本一致，只有目標(biāo)點(diǎn)位置不同。因此，可通過編寫含參程序進(jìn)行簡(jiǎn)化[10]。機(jī)器人部分程序如下：

其中，main 程序調(diào)用的裝配子程序中均調(diào)用了上述qfsz 含參子程序。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究從仿真模擬機(jī)器人自動(dòng)裝配的角度出發(fā)，提出了一種基于Smart 組件和物理仿真的機(jī)器人智能裝配工作站仿真設(shè)計(jì)方法。文中給出了工作站的結(jié)構(gòu)組成和基本布局，并詳細(xì)介紹了快換工具、變位機(jī)及視覺檢測(cè)等模塊的Smart 組件設(shè)計(jì)過程。為了貼近實(shí)際裝配效果，筆者結(jié)合虛擬仿真軟件的物理仿真功能，設(shè)計(jì)了工作站控制邏輯，編寫并調(diào)試機(jī)器人程序。工作站虛擬仿真運(yùn)行良好，能夠自主完成工件的自動(dòng)裝配。同時(shí)，本文設(shè)計(jì)的工作站結(jié)構(gòu)布局和工作流程對(duì)企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)線智能化改造升級(jí)具有很好的借鑒意義。