基于RobotStudio 的第七軸料盒裝箱工作站設計

唐黃正，朱志偉

（長沙民政職業(yè)技術學院，湖南長沙，410004）

搬運與碼垛是工業(yè)機器人常見的應用場合，當前工業(yè)機器人在生產線中主要通過在線示教的方式實現(xiàn)路徑編程，但存在示教過程較復雜，機器人運動精度不高等弊端。利用RobotStudio 離線編程能夠快速進行點位及路徑示教，不消耗實際資源，能夠降低設計成本，提高生產效率[1]。肖全等[2]利用SolidWorks 和RobotStudio 進行機器人搬運工作站的設計與路徑仿真；祁曉玲[3]利用RobotStudio 設計了工業(yè)機器人流水線搬運的仿真工作站；蔡玉強等[4]針對牛奶箱搬運過程存在運動軌跡奇點與動作節(jié)拍時間長的問題，設計了基于RobotStudio 的牛奶箱搬運生產線仿真；王洋洋等[5]針對塑料瓶在傳送帶上位姿不固定無法準確抓取的情況，基于RobotStudio 設計了一種塑料瓶分揀機器人夾持式機構。

通過上述文獻可看出，已經有不少研究者利用RobotStudio 離線編程仿真解決工業(yè)機器人搬運的問題，但是并沒有帶第七軸的裝箱方案設計，并且能夠通過數(shù)據(jù)分析找出裝箱方案的最優(yōu)解。機器人行走軸又稱機器人第七軸，機器人軌道等，用于擴大機器人作業(yè)半徑，擴展機器人使用范圍功能，主要應用于焊接、鑄造、機械加工、智能倉儲、汽車、航天等行業(yè)領域。不管是焊接，噴涂，物流搬運等工藝上均有廣泛應用。

1 第七軸料盒裝箱工作站布局

在進行方案設計時，需要搭建一個工業(yè)機器人帶七軸的料盒裝箱工作站。首先在SolidWorks 當中完成料盒“Cassette”的建模，尺寸為“360mm×570mm×150mm”；接著完成箱子“Box”的建模，因為箱子需要裝4個料盒，雙層碼垛裝箱，所以箱子的尺寸為“750mm×600mm×320mm”，需要預留一些空隙。雙層碼垛裝箱示意圖如圖1 所示。

圖1 裝箱示意圖

接著將工業(yè)機器人“IRB2600”導入，此型號機器人可以用于物料搬運、組裝等生產場合；將第七軸“IRBT2005”導入，此導軌可以配合機器人進行移動。將創(chuàng)建的模型導入，將外圍設施布置好，即將工作站創(chuàng)建完成。

為了能夠使工業(yè)機器人在裝箱過程中處于工作區(qū)域當中，防止出現(xiàn)軸配置錯誤或者奇點，可以精確計算機器人的工作范圍，以機器人所在的地面中心點為坐標原點建立坐標系，O 點(x0,y0,z0)為機器人在第七軸原點的底座中心坐標，P 點(x p,y p,zp)為機器人在第七軸末端的底座中心坐標，A 點(x a,y a,za)為料盒取料位置中心點坐標，B 點(xb,yb,zb)為箱子最下層放置位中心點坐標，此點為工業(yè)機器人所需到達的最遠位置，需滿足以下條件：

其中：R為機器人能夠到達的最大范圍，r為吸盤工具下表面到法蘭盤中心的最短距離。通過測量，得到O 點坐標為（324.5，292，460），P 點坐標為（2174.5，292，460），A 點坐標為（675.9，-606.5，650），B 點坐標為（3388.3，462，660），R的數(shù)值為1650mm，r的數(shù)值為160mm，將數(shù)據(jù)代入到公式(1)中，可以計算出A 點和B 點都在工業(yè)機器人的工作范圍內。

搭建的工作站如圖2 所示。此工作站包括工業(yè)機器人及第七軸、拾取與放置區(qū)底座、物料及箱子，還有一些工業(yè)機器人外圍設備。

圖2 工作站布局

2 流程設計

工作站整個流程為出料區(qū)產生料盒，工業(yè)機器人前往出料區(qū)拾取料盒，通過第七軸移動到末端，然后將料盒放置到箱子當中，出料區(qū)重復生成料盒，工業(yè)機器人重復進行料盒的取放，并且將料盒進行2×2 的碼垛堆疊，最后完成全部裝箱工作，機器人及第七軸都回原點，整體工作流程圖如圖3 所示。

圖3 工作流程圖

■2.1 料盒拾放Smart 組件設計

機器人對料盒要進行拾取放置動作，并且料盒也要不斷生成，需要使用Smart 組件才能實現(xiàn)功能。其中，料盒取放需要用到“Attacher、Detacher、LineSensor、LogicGate[NOT]、LogicSRLatch”這幾個子組件。其中，“Attacher”子組件功能是安裝一個對象，這里用來拾取料盒；“Detacher”子組件功能是拆除一個已安裝對象，這里用來放置物料；“LineSensor”是線傳感器子組件，可以用來檢測是否接觸到物體，這里用來檢測是否感應到料盒，如果感應到料盒，則會輸出信號，代表可以進行拾取，否則不進行拾取；“LogicGate[NOT]”是邏輯門取反，拾取料盒是高電平脈沖信號控制，而放置料盒是低電平脈沖信號控制，所以需要將高電平信號進行取反；“LogicSRLatch”子組件用于信號置位復位，料盒的拾取與放置即信號的一個置位與復位過程，所以需要一個置位與復位的組件進行信號的保持。料盒不斷生成則需要用到“Source”子組件，它的功能是能夠創(chuàng)建一個圖形組件的拷貝，而工作站出料區(qū)需要不斷產生料盒，需要使用“Source”子組件不斷復制料盒，直到箱子裝滿。

Smart 組件需要創(chuàng)建兩個數(shù)字輸入信號，其中Pick_di信號用于啟動拾取或者放置動作，而Copy_di 用于控制料盒的產生；還需要創(chuàng)建一個數(shù)字輸出信號PickOK_do，用于反饋拾放動作是否已完成。

接著將所有Smart 組件的信號都連接在一起，需要建立以下I/O 連接。

（1）料盒拾取輸入信號Pick_di 觸發(fā)線傳感器“LineSensor”的激活。

（2）當線傳感器“LineSensor”檢測到料盒后，代表已到達料盒上方指定位置，其輸出信號“SensorOut”觸發(fā)“Attacher”的執(zhí)行，即拾取料盒。

（3）“Attacher”的拾取動作完成后觸發(fā)置位/復位組件“LogicSRLatch”執(zhí)行“置位”動作，即保持拾取狀態(tài)，這樣料盒就不會掉落。

（4）“Detacher”的釋放動作完成后觸發(fā)置位/復位組件執(zhí)行“復位”動作，即保持放置狀態(tài)，這樣不會發(fā)生誤拾取。

（5）置位/復位組件的動作觸發(fā)反饋信號PickOK_do動作，實現(xiàn)的最終效果為當拾取動作完成后將PickOK_do置為1，當釋放動作完成后將PickOK_do 置為0。

（6）料盒拾取輸入信號Pick_di 信號取反。

（7）取反的輸出結果觸發(fā)“Detacher”工具釋放動作的執(zhí)行。這兩個信號連接，利用非門的中間連接，實現(xiàn)的是當關閉真空后觸發(fā)釋放動作執(zhí)行。

（8）料盒復制輸入信號Copy_di，如果置1，則能觸發(fā)“Source”子組件的激活，從而產生料盒，如果置0，則不產生料盒。

Smart 組件設計邏輯如表1 所示。

表1 Smart組件邏輯表

■2.2 工作站邏輯設計

Smart 組件創(chuàng)建好后，需要與機器人系統(tǒng)進行信號連接，這樣才能實現(xiàn)Smart 組件與機器人系統(tǒng)之間的信號交互。機器人系統(tǒng)需要創(chuàng)建一個數(shù)字輸入信號PickOK_di，用于接收Smart 組件反饋的料盒取放信號；還需要創(chuàng)建兩個數(shù)字輸出信號，其中Pick_do 信號用于控制Smart 組件的料盒取放信號，而Copy_do 用于控制Smart 組件料盒的重復產生。工作站邏輯設計如圖4 所示。

圖4 工作站邏輯圖

■2.3 程序編寫

當所有I/O 信號創(chuàng)建并連接好后，可進行程序編寫和運動路徑規(guī)劃。示教的點位主要有原點、料盒拾取點，料盒放置進入點及料盒放置點。

料盒拾取位置是不變的，但是在放置時要進行2×2 的堆疊裝箱，為了簡化程序，可以將料盒放置進入點及料盒放置點使用MoveL Offs 偏移指令進行偏移，此指令能以選定目標點為基準，沿著選定工件坐標系的X、Y、Z 軸方向偏移一定的距離，這樣不需要示教多個點，從而加快示教速度，同時也可以提高定位的精準度。同時配合使用FOR 循環(huán)嵌套，首先執(zhí)行內層循環(huán)堆疊第一層的兩個料盒，然后將偏移參數(shù)進行修改，接著執(zhí)行外層循環(huán)堆疊第二層兩個料盒，這樣能夠簡單、快捷地實現(xiàn)裝箱，示教點位少，運行速度快，運動路徑如圖5 所示。

圖5 運動路徑

3 仿真分析

工作站整個流程為工業(yè)機器人前往出料區(qū)拾取料盒，通過第七軸移動到末端將料盒放置裝箱，TCP 速度將決定整個裝箱時間，本文共設置了三種不同的速度進行測試，分別是500mm/s、1000mm/s 和2000mm/s。四個料盒裝箱動作是基本相同的，只需要測試第一個料盒的工作流程。其中，圖6～圖8 為TCP 速度分別為500mm/s、1000mm/s 和2000mm/s 時，一個周期內機器人總電機功率、電機總能量以及TCP 速度的軌跡曲線。

圖6 500mm/s 各參數(shù)軌跡曲線

圖7 1000mm/s 各參數(shù)軌跡曲線

圖8 2000mm/s 各參數(shù)軌跡曲線

通過對三種TCP 速度參數(shù)軌跡曲線進行分析，結果如表2 所示。

表2 數(shù)據(jù)分析

從上述數(shù)據(jù)可以看出，TCP 速度越快，則一個周期的時間越短，總電機功率的值越大，電機總能量也越大。如果實際生產當中對時間要求不高，則可以適當?shù)卣{低機器人的運行速度，能夠降低功率和功耗，在同一個運行周期，TCP速度500mm/s 時，能夠比TCP 速度2000mm/s 節(jié)省約一半的能量；如果對時間要求較高，則應該調高機器人的運行速度，在同一個運行周期，TCP 速度2000mm/s 時，能夠比TCP 速度500mm/s 減少一半的運行時間；而綜合來講，TCP 速度1000mm/s 是最適合的，一個周期只比TCP 速度2000mm/s 多用3s 時間，但是最大功率減少了約54.4%，且電機總能量減少了約35.7%，性價比最高，兼顧生產效率和能耗。

4 總結

本文為解決帶第七軸的料盒裝箱工作站路徑規(guī)劃問題，通過搭建工作站，模擬工業(yè)機器人通過第七軸移動，拾放料盒并進行堆疊裝箱的生產場景，最后通過設置不同的TCP速度，驗證最優(yōu)運行方案，能夠有效地提高生產效率并降低能耗。