基于RobotStudio 的復(fù)雜曲面拋光系統(tǒng)研究

錢亞瑋，金曉怡，劉雙龍，奚鷹

（1.201620 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院；2.201804 上海市 同濟大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院）

0 引言

“中國制造2025”為我國智能制造指明了方向[1-2]。與發(fā)達國家相比，我國的自動化和工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)仍處在起步階段，一些中小企業(yè)將“機器換人”作為現(xiàn)階段企業(yè)發(fā)展的目標和方向，這可改善員工的工作條件[3-5]。夏仁兵[6]基于六自由度工業(yè)機器人研究并開發(fā)了復(fù)雜曲面零件的自動拋光系統(tǒng)，利用WHUT-CLGenerator 系統(tǒng)離線生成拋光數(shù)據(jù)，將其導(dǎo)入ROBCAD 系統(tǒng)驗證軌跡的正確性及各多軸刀位點的可達性后，再導(dǎo)入WHUTRoPolish 系統(tǒng)完成拋光，該系統(tǒng)適用于大型零件，能夠?qū)θ我鈴?fù)雜曲面零件實現(xiàn)自動拋光；謝海龍等[7]介紹了基于網(wǎng)格曲面參數(shù)化算法的拋光軌跡生成法等多種軌跡生成法，為曲面零件拋光的軌跡規(guī)劃提供了較系統(tǒng)的解決方案；曹茗茗[8]以葉片型面拋光為例，設(shè)計了微細磨料水射流曲面拋光軟件，該軟件可以識別CAM軟件導(dǎo)出的NC文件，用譯碼、軌跡規(guī)劃、速度與處理等優(yōu)化拋光軌跡。對復(fù)雜曲面拋光的研究多聚焦于軌跡規(guī)劃，對零件的擺放位置也有一定要求，適用于個性化生產(chǎn)。我國有很多勞動密集型產(chǎn)業(yè)，需要用到的軌跡規(guī)劃較為單一，例如手表行業(yè)[9]。手表行業(yè)中大部分工藝流程都由人工完成，特別是手表外殼的拋光工藝，其拋光過程較為復(fù)雜，需要操作人員手和眼高度配合才能完成，但長時間高精度、高效率工作非人力所及。

本文基于RobotStudio 仿真軟件搭建了復(fù)雜曲面拋光系統(tǒng)的工藝仿真平臺，固定砂輪，用機器人抓取表殼進行拋光，通過機械設(shè)備的穩(wěn)定性提高手表外殼加工的產(chǎn)量和效率。

1 拋光系統(tǒng)流程設(shè)計

工業(yè)機器人常見的幾個應(yīng)用場景包括碼垛、打磨、視覺、裝配和倉儲[10-12]，本文的場景包括視覺和打磨，對IRB1200 工業(yè)機器人復(fù)雜曲面拋光系統(tǒng)的工藝流程進行設(shè)計，具體步驟如下：

（1）機器人旋轉(zhuǎn)到初始位置等待上料。由人工上料（每個物料盤可放16 塊表殼，表殼可隨機擺放，如圖1 所示），右側(cè)工業(yè)相機對物料盤拍照并上傳至上位機；視覺處理程序判斷每個表殼的位置和角度信息；上位機進行信息儲存，通過PLC的模擬量信號傳輸給機器人；機器人將每個表殼的信息存儲到抓取隊列中，之后機器人在右側(cè)等待位置等待“Start”命令；

圖1 物料盤上待加工表殼Fig.1 Watch case to be processed on material tray

（2）PLC 發(fā)送給機器人“Start”數(shù)字量信號，機器人依照抓取隊列中的信息對表殼進行拋光。機器人首先運動到視覺隊列中第1 個表殼位置上方并偏轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度，保證與表殼的中線對應(yīng)，然后緩慢降低高度至爪手可以抓取表殼。PLC 控制爪手抓取表殼，并將表殼移動到右側(cè)拋光等待位置，緩慢靠近右側(cè)拋光輪，按規(guī)劃好的路徑對表殼進行拋光。拋光結(jié)束，機器人原位放回表殼，進行下一個表殼的拋光；

（3）右側(cè)物料盤的表殼全部拋光完畢后，機器人運動到初始位置。同理，對左側(cè)物料盤中表殼重復(fù)步驟（1）、步驟（2）的操作。需要注意的是，此時右側(cè)物料盤在流程上留有“空窗期”，所以工作人員要將右側(cè)物料盤上的表殼進行更換，等待機器人下一次的拋光作業(yè)。左側(cè)物料盤的表殼全部拋光完畢后，機器人運動到初始位置。

以上為一個循環(huán)作業(yè)過程，拋光作業(yè)不斷由右側(cè)至左側(cè)循環(huán)。

2 拋光系統(tǒng)流程仿真

2.1 三維模型建立

RobotStudio 工作站中，本文選用的IRB1200工業(yè)機器人模型可從模型庫中直接導(dǎo)入。雖然RobotStudio 軟件提供內(nèi)部建模的操作，但由于本工作站中的外圍設(shè)備結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，故選用SolidWorks 專業(yè)軟件建立三維實體模型。IGES、STEP、VrML、ACIS 及CATIA 等模型格式均可導(dǎo)入RobotStudio，程序員可依據(jù)精確數(shù)據(jù)編寫精度更高的機器人程序，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量[13]。圖2 所示為整個仿真平臺需要搭建的模型。

圖2 仿真平臺整體模型搭建Fig.2 Construction of overall model of simulation platform

復(fù)雜曲面拋光系統(tǒng)分為機器人本體、控制柜、上位機、左右物料區(qū)、拋光輪5 部分，整體布局如圖3 所示。為最大限度地使用機器人的工作半徑，將左右物料區(qū)關(guān)于機器人對稱布置，上位機及控制柜布置在機器人后方，2 個拋光輪放置在機器人前方的拋光作業(yè)區(qū)，由同一個電機驅(qū)動。

圖3 表殼拋光系統(tǒng)整體布局圖Fig.3 Overall layout of case polishing system

2.2 I/O 信號

RobotStudio 中，Smart 組件能夠代替PLC 模擬真實的數(shù)據(jù)通訊[14-16]，實現(xiàn)上下料過程的仿真，用到的Smart 組件主要有Random、Comparer、Expression、VectorConverter、Source 和Sink。上下料Smart 組件邏輯流程圖如圖4 所示。

圖4 上下料Smart 組件邏輯流程圖Fig.4 Logic flow chart of Smart component for unloading and loading

由仿真程序向Smart 組件發(fā)送一個diload 的數(shù)字量上料信號，該信號同時激活Random_Ori 和Random_Pos 隨機數(shù)組件，前者產(chǎn)生0～360 的隨機數(shù)，后者產(chǎn)生-1～3 的隨機數(shù)。Random_Ori 產(chǎn)生的隨機數(shù)傳到Expression 表達式組件進行角度轉(zhuǎn)弧度換算，公式為“Random_Ori/180*pi”。經(jīng)過換算的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絍ectorConverter 向量組件的Z軸數(shù)據(jù)中，產(chǎn)生的包含Z軸隨機角度的向量存儲到用來生成表殼工件的Source 源組件，等待生成信號的激活。生成信號則是Random_Pos 產(chǎn)生的隨機數(shù)，經(jīng)過Comparer 判斷，Random_Pos ≥0 時輸出1，隨機數(shù)＜0 時輸出0。輸出1 可激活Source 源組件以內(nèi)部存儲的位置及角度數(shù)據(jù)生成一個表殼工件，并將loadOK 信號置為1；反之，置為0。

下料主要用到的Smart 組件為Sink 刪除組件。將上料過程中生成的表殼工件連接到Sink 組件的待刪除源物體，等待仿真程序發(fā)送的diclear 信號激活Sink 組件便可將此表殼工件完全刪除，模擬工作人員的下料操作。

上料完畢后，用Smart 組件實現(xiàn)夾爪對表殼工件抓取和放下的仿真。夾爪Smart 組件主要利用到PlaneSensor、Attacher、LogicGateDetach[NOT]、Detacher、LogicSRLatch 和LogicSRLatch_2。夾爪Smart 組件邏輯流程圖如圖5 所示。

圖5 夾爪Smart 組件邏輯流程圖Fig.5 Logic flow chart of gripper Smart component

夾爪邏輯思路：當(dāng)夾爪轉(zhuǎn)到待加工表殼位置時，來自仿真程序的數(shù)字量信號digrip 置1，激活裝在夾爪上的PlaneSensor 面?zhèn)鞲衅鳎瑱z測到物料后，激活A(yù)ttached 組件，使檢測到的物料安裝在夾爪上。夾爪Smart 組件設(shè)計圖如圖6 所示。

圖6 夾爪Smart 組件設(shè)計圖Fig.6 Gripper Smart component design drawing

接下來，由機器人抓著表殼靠近拋光輪進行拋光，拋光軌跡在此不做詳細分析。拋光完畢后，機器人將加工后的表殼放回原位置，仿真程序?qū)igrip信號置0，PlaneSensor面?zhèn)鞲衅魅∠せ顮顟B(tài)。同時，來自digrip 的0 信號經(jīng)過LogicGate [NOT]邏輯非組件后輸出1，激活Detacher 組件，加工后的表殼物料從夾爪上拆除。

每個Smart 組件都設(shè)有一個I/O 信號端口，通過I/O 信號端口，可以在工作站邏輯中對整個工作站的所有Smart組件進行匯總，包括信號的連接、邏輯的梳理等。整個過程相當(dāng)于對仿真工作站的系統(tǒng)調(diào)試，目的是保證工作站能夠按照預(yù)計的仿真流程運行，Smart 組件中部分I/O 信號的連接如表1 所示。

表1 夾爪Smart 組件I/O 信號連接Tab.1 Gripper Smart component I/O signal connection

2.3 程序設(shè)計

為了加工工藝過程的流暢，開始加工流程前的首要任務(wù)是系統(tǒng)初始化[17-19]。本文所編寫的子程序按工作流程排序主要有左右側(cè)識別程序、左右側(cè)上料程序、左右側(cè)下料程序、左右側(cè)拋光程序、拾取程序、放置程序等，具體程序架構(gòu)如圖7 所示。

圖7 表殼拋光系統(tǒng)程序架構(gòu)Fig.7 Case polishing system program architecture

程序設(shè)計的關(guān)鍵是保證生產(chǎn)加工的可持續(xù)性和高效性[20]。在程序設(shè)計的過程中，為保證硬件穩(wěn)定工作，需要對I/O 端口和變量進行初始化。Main()函數(shù)作為整個程序執(zhí)行的起點，控制工作站的整個工作流程，調(diào)用Xialiao_R 和Xialiao_L 程序?qū)ξ锪媳P初始化，調(diào)用Shangliao_R 程序使右側(cè)物料盤上料，Recognition_R 對右表殼位置進行識別，當(dāng)輸入的數(shù)字量信號為1 時，與之對應(yīng)的表殼工位激活并加入拋光隊列，等待抓取程序GripCase、右側(cè)拋光Polish_R、放回程序Putback，在識別的同時，調(diào)用Xialiao_L、Shangliao_L 程序。完成右側(cè)物料盤上表殼的拋光工作后，對左側(cè)物料盤執(zhí)行同樣操作。將上述右側(cè)、左側(cè)2 套操作并入一個For 循環(huán)語句，使整個拋光流程循環(huán)進行。

3 仿真結(jié)果分析

通過搭建三維模型、設(shè)計Smart 組件、連接I/O 信號、離線編程，完成了復(fù)雜曲面拋光系統(tǒng)在RobotStudio 軟件中的仿真工作站設(shè)計，工藝仿真模擬效果如圖8 所示。

圖8 表殼拋光系統(tǒng)仿真模擬效果圖Fig.8 Simulation effect diagram of watch case polishing system

在機器人對表殼抓取拋光過程中，RobotStudio軟件提供的實時碰撞監(jiān)測組件可以有效防止實際加工過程中機器人與外圍設(shè)備之間、機器人末端夾具與拋光機之間發(fā)生碰撞[21]。機器人上下料過程中的碰撞仿真效果如圖9 所示，碰撞監(jiān)測分析中顯示碰撞對象的名稱以及碰撞點的坐標。

圖9 機器人抓取表殼與拋光輪外殼碰撞圖Fig.9 Collision diagram of robot grabbing watch case and polishing wheel shell

4 結(jié)語

本文基于RobotStudio 仿真軟件搭建了復(fù)雜曲面拋光系統(tǒng)的工藝仿真平臺，根據(jù)實際表殼工件參數(shù)創(chuàng)建了工件模型、設(shè)計了夾爪工具，并且對工作站中的外圍設(shè)備進行建模；然后依照Smart 組件創(chuàng)建工作站邏輯，實現(xiàn)了表殼工件抓取和放置的動作效果，通過配置I/O 信號實現(xiàn)了仿真控制器與機器人的通信。編寫離線程序，完成機器人識別表殼位置信息并進行抓取、拋光、放回等作業(yè)，利用碰撞監(jiān)測功能實時監(jiān)測加工過程中設(shè)備間的碰撞情況，以確保設(shè)備安全運行。該拋光系統(tǒng)結(jié)合了視覺和拋光兩大功能，大大提高了手表外殼的拋光效率，改善了工人的工作環(huán)境。目前，拋光系統(tǒng)已投入生產(chǎn)。