基于RobotStudio的機(jī)器人飲料裝箱流水線(xiàn)設(shè)計(jì)仿真

摘 要：隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人化工廠越來(lái)越普遍。使用工業(yè)機(jī)器人代替人工，既能提高生產(chǎn)效率，又可以減少操作不當(dāng)引起的人身意外。為減少人力資源的浪費(fèi)，提高社會(huì)生產(chǎn)力，本文基于RobotStudio設(shè)計(jì)了機(jī)器人飲料裝箱流水線(xiàn)。將Smart組件與3臺(tái)IRB2600機(jī)器人搭配，實(shí)現(xiàn)飲料裝箱的全過(guò)程自動(dòng)化生產(chǎn)仿真。仿真結(jié)果表明基于機(jī)器人飲料裝箱流水線(xiàn)設(shè)計(jì)的可行性，為類(lèi)似項(xiàng)目的自動(dòng)化生產(chǎn)提供解決方案。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；流水線(xiàn)設(shè)計(jì)；自動(dòng)化生產(chǎn)；RobotStudio；Smart組件

中圖分類(lèi)號(hào)：TP 242" " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)不僅提高了工業(yè)生產(chǎn)的效率，還減少了人力資源的浪費(fèi)。其中，搬運(yùn)裝箱機(jī)器人能夠自動(dòng)完成貨物的包裝作業(yè)，提高了裝箱的效率，減少了人工操作的誤差和安全隱患，極大地提高了物流行業(yè)的效率和安全性[1]。

RobotStudio是一款較為簡(jiǎn)單的ABB工業(yè)機(jī)器人仿真軟件，它提供了直觀的圖形用戶(hù)界面，方便用戶(hù)進(jìn)行機(jī)器人建模和編程[2]。在仿真環(huán)境中，用戶(hù)可以根據(jù)實(shí)際工作場(chǎng)景和需求，進(jìn)行多次試驗(yàn)和優(yōu)化，以確定最佳的機(jī)器人仿真程序。還可以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行多次測(cè)試和驗(yàn)證，以保證其在實(shí)際操作中具有良好的安全性和可靠性[3]。使用RobotStudio進(jìn)行仿真試驗(yàn)可以避免在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，從而降低測(cè)試成本，縮短測(cè)試時(shí)間。

基于RobotStudio的機(jī)器人飲料裝箱流水線(xiàn)設(shè)計(jì)，為飲料裝箱和封裝生產(chǎn)線(xiàn)提供了一種高效、可靠、無(wú)須人工干預(yù)的自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)計(jì)方案，也為類(lèi)似工程提供了可靠的工業(yè)設(shè)計(jì)方案，具有重要的研究意義。

1 工作站設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的基于機(jī)器人的飲料裝箱流水線(xiàn)要求工作機(jī)器人具有工作空間大、運(yùn)動(dòng)靈活以及運(yùn)行誤差小等特性，因此本文選用具有高作業(yè)效率、高協(xié)調(diào)能力、高精準(zhǔn)能力和高容錯(cuò)率等特點(diǎn)的IRB2600機(jī)器人。

本文設(shè)計(jì)的飲料裝箱—封裝—碼垛工作系統(tǒng)采用Robot-Stuido軟件進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)并仿真。從RobotStudio模型庫(kù)中導(dǎo)入傳送帶和安全圍欄等模型；運(yùn)用建模功能完成碼垛盤(pán)、搬運(yùn)物、底盒以及盒蓋的建模；利用 Smart 組件使模型不斷生成并控制各模型的運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到傳送效果；完成I/O信號(hào)的連接以及搬運(yùn)、碼垛程序的編寫(xiě)后，進(jìn)行仿真測(cè)試，觀察是否需要進(jìn)行調(diào)整。設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

通過(guò)RobotStudio創(chuàng)建1個(gè)新的工作站，從導(dǎo)入模型庫(kù)中選取傳送帶、安全圍欄、控制柜導(dǎo)入工作站，布局調(diào)整后從“ABB模型庫(kù)”中選取IRB2600型機(jī)器人分別放至對(duì)應(yīng)加工點(diǎn)，調(diào)整工作站中各模型的位置，避免出現(xiàn)機(jī)械臂工作軌跡重疊并發(fā)生碰撞的情況。利用建模功能搭建機(jī)器人末端工具，并完成安裝。工作站整體布局如圖2所示。

1.2 Smart組件設(shè)計(jì)

本文涉及的Smart組件包括Timer、Source、Queue、LinearMover、

PlaneSensor、GetParent以及Attacher。

各Smart組件的作用如下。由Timer進(jìn)行周期設(shè)定，間隔設(shè)定好的時(shí)間輸出信號(hào)到Source組件進(jìn)行模型復(fù)制，將復(fù)制的模型導(dǎo)入Queue組件形成隊(duì)列，通過(guò)LinearMover組件進(jìn)行隊(duì)列移動(dòng)，完成模型的不斷運(yùn)輸。在需要停止的位置放置PlaneSensor組件來(lái)控制傳送帶的停止，實(shí)現(xiàn)運(yùn)送到達(dá)指定位置即停止運(yùn)輸?shù)男Ч?。運(yùn)用GetParent組件改變物件的父對(duì)象，實(shí)現(xiàn)物體的搬運(yùn)以及模型一體化運(yùn)動(dòng)。各部分Smart組件設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

1.3 各部分通信設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目的正常運(yùn)行基于一定的工作邏輯，需要各部分之間進(jìn)行信號(hào)交流以達(dá)到所預(yù)設(shè)的運(yùn)行效果。判斷物料與底盒是否就位，當(dāng)兩者皆就位時(shí)，抓取機(jī)器人執(zhí)行抓取程序。抓取完成后，抓取機(jī)器人輸出1個(gè)裝載完成的信號(hào)給封裝機(jī)器人，由封裝機(jī)器人完成封裝工序。封裝完成后，封裝機(jī)器人輸出1個(gè)完工信號(hào)，裝箱傳送帶將成品運(yùn)送至碼垛點(diǎn)，此時(shí)碼垛機(jī)器人進(jìn)行碼垛工序。各部分的I/O信號(hào)表見(jiàn)表2。

2 RAPID程序設(shè)計(jì)

2.1 抓取機(jī)器人

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)為1箱9瓶飲料，分布為3行3列。將抓手設(shè)置為每次抓取3瓶飲料。只需在標(biāo)定位置基礎(chǔ)上完成2次縱坐標(biāo)變換即可裝滿(mǎn)底盒。此處運(yùn)用FOR循環(huán)中的i控制坐標(biāo)偏移量搭配MoveJ offs（point，x，y，z）完成目標(biāo)點(diǎn)位變換。

上述代碼中，point為目標(biāo)點(diǎn)；x為x軸偏移量；y為y軸偏移量；z為z軸偏移量。

變換規(guī)律程序如下。

FOR i FROM e TO 2 DO

WaitDI die，1;

WaitDI di1，1;

MoveJ offs（Target_10，0，0，200） ， v800，z20，ToolFrame1＼wobj：=wobj0;

MoveL offs（Target_10，0，0，0），v500，fine，ToolFrame1＼wobj：=wobj0;

setdo doe，1;

waitTime 1.1;

MoveL offs（Target_10，0，0，250），v800，z20，ToolFrame1＼wobj：=wobjo;

MoveJ offs（Target_20，0，i*100，500） ，v800，z20，ToolFrame1＼wobj：=wobj0;

MoveL offs（Target_20，0，i*100，0），v500，fine，ToolFrame1 ＼wobj：=wobj0;

setdo do0，0;

waitTime 1.1;

MoveL offs（Target_20，0，i*100，350），v800，fine，ToolFrame1 ＼wobj：=wobj0;

2.2 封裝機(jī)器人

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)為嵌套式盒裝，如果要封裝，就需要在搬運(yùn)軌跡之間進(jìn)行設(shè)點(diǎn)，使機(jī)械臂搬運(yùn)符合運(yùn)動(dòng)常理，防止超出運(yùn)動(dòng)范圍導(dǎo)致項(xiàng)目報(bào)錯(cuò)，也防止在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與底盒發(fā)生碰撞導(dǎo)致盒蓋掉落。運(yùn)用MoveJ offs（point，x，y，z）取2個(gè)過(guò)程點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)2點(diǎn)搬運(yùn)。

封裝過(guò)程取點(diǎn)程序如下。

MoveJ offs（Target_10，0，0，200），v6e0，fine，tool0＼wobj ： =wobj0;

MoveJ offs（Target_20，0，0，200），v600，fine，tool0＼wobj：=wobj0;

2.3 碼垛機(jī)器人

本文碼垛設(shè)計(jì)為1層9箱，分布為3行3列。與抓取過(guò)程的單坐標(biāo)變換不同，碼垛需要對(duì)3個(gè)坐標(biāo)都進(jìn)行偏移變換。通過(guò)整除和取余算法計(jì)算本次放置位置的層數(shù)、行數(shù)和列數(shù)后，運(yùn)用MoveJ offs（point，x，y，z）對(duì)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行移動(dòng)變換以達(dá)到碼垛效果。

坐標(biāo)偏移算法如公式（1）所示。

（1）

式中：i為碼垛個(gè)數(shù)；÷為整除算法；%為取余算法；a為層數(shù)；b為本層的碼垛個(gè)數(shù)；c為行數(shù)；d為列數(shù)；x為目標(biāo)點(diǎn)x軸偏移量；y為目標(biāo)點(diǎn)y軸偏移量；z為目標(biāo)點(diǎn)z軸偏移量。

碼垛過(guò)程部分程序如下。

MoveJ offs（Target_20，（（i mod 9） DIV 3）*（-320），（i mod 3）*（-320），（i div 9）*215+250），v800，z20，MyNewTool＼WObj：=wobj0;

MoveL offs（Target_20，（（i mod 9） DIV 3）*（-320），（i mod 3）*（-320），（i div 9）*215），v300，fine，MyNewTool＼WObj：=wobj0;

setdo do2，0;

WaitTime 1.1;

MoveL offs（Target_20，（（i mod 9） DIV 3）*（-320），（i mod 3）*（-320），（i div 9）*215+250），v800，z50，MyNewTool＼WObj：=wobj0;

3 仿真

經(jīng)仿真驗(yàn)證，本項(xiàng)目可以實(shí)現(xiàn)由物料傳送帶、底盒傳送帶、盒蓋傳送帶末端生成對(duì)應(yīng)部件，當(dāng)各位置物料到位時(shí)，抓取機(jī)器人進(jìn)行裝箱，3個(gè)1抓，9個(gè)1箱。裝箱完成后，由封裝機(jī)器人完成封裝。封裝完成后，底盒傳送帶繼續(xù)運(yùn)行，各位置物料缺少后在各自傳送帶末端補(bǔ)充新品，并運(yùn)輸至指定位置，循環(huán)裝箱和封裝操作。成品運(yùn)輸?shù)桨徇\(yùn)位置，由碼垛機(jī)器人取走碼垛，完成產(chǎn)品自動(dòng)封裝流程。碼垛成品如圖3所示。

仿真結(jié)果顯示，運(yùn)輸過(guò)程未發(fā)生碰撞，機(jī)械臂搬運(yùn)過(guò)程順暢，各部分工作環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)良好，符合設(shè)計(jì)預(yù)期效果。

4 結(jié)論

搬運(yùn)機(jī)器人涉及力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電器液壓氣壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等領(lǐng)域，已成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)體系中的一項(xiàng)重要組成部分[4]。對(duì)長(zhǎng)距離運(yùn)輸來(lái)說(shuō)，搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)能夠有效地進(jìn)行任意站點(diǎn)運(yùn)輸，很大程度減少了人力資源的浪費(fèi)，提高了工作效率，同時(shí)解決枯燥的機(jī)械式搬運(yùn)工作帶來(lái)的雇員流失問(wèn)題，能合理地利用現(xiàn)有占地面積，提升企業(yè)形象和車(chē)間整潔度，實(shí)現(xiàn)無(wú)人化生產(chǎn)[5-8]。

本文根據(jù)飲料生產(chǎn)的正常工藝步驟設(shè)計(jì)了裝箱—封裝—搬運(yùn)流水線(xiàn)，結(jié)合RobotStudio軟件對(duì)全工作流程進(jìn)行仿真，創(chuàng)建了物料傳送帶、盒蓋傳送帶、底盒傳送帶、吸盤(pán)以及抓手等Smart組件，實(shí)現(xiàn)了抓取、封裝和碼垛3個(gè)機(jī)器人與傳送帶之間的I/O鏈接，此外還使用線(xiàn)傳感器與面?zhèn)鞲衅饔糜诟鞑糠种g信號(hào)的接收與發(fā)出。整個(gè)仿真系統(tǒng)經(jīng)過(guò)調(diào)試后，3個(gè)機(jī)器人可以正常工作，達(dá)到預(yù)期效果，說(shuō)明了項(xiàng)目的可行性，為類(lèi)似的項(xiàng)目給出了解決方案。

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