唐 靜

(常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院 江蘇常州 213164)

工業(yè)機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學(xué)科技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)的自動化裝備[1]。隨著現(xiàn)代工業(yè)對產(chǎn)品加工效率和質(zhì)量要求的提高，以及勞動力成本的增加，工業(yè)機器人在搬運、焊接、噴涂等領(lǐng)域逐步得到廣泛應(yīng)用。其中，搬運機器人可安裝不同的末端執(zhí)行器以完成各種不同形狀和狀態(tài)的工件搬運工作，以減輕人類繁重的體力勞動。目前，世界上使用的搬運機器人已超過10萬臺，被廣泛應(yīng)用于機床上下料、自動化生產(chǎn)線、裝配流水線、碼垛搬運、集裝箱等自動搬運。

20世紀(jì)70年代末，機器人離線編程與仿真技術(shù)的研究開始起步，國內(nèi)外各科研機構(gòu)和制造廠商紛紛投入大量的時間和精力并取得了豐碩的成果。Workspace是美國Robot Simulation公司發(fā)布的機器人仿真與離線編程軟件，精確性高、兼容性強，是首個商品化的基于微機的機器人離線編程軟件[2]。Roboguide是日本FANUC公司在自己生產(chǎn)的機器人的基礎(chǔ)上研發(fā)的一款仿真與離線編程軟件，通過機器人的運動仿真，可以驗證設(shè)計方案的可行性，同時可以估算周期時間[3]。這些離線編程與仿真軟件已比較成熟，本文基于Roboguide 9.0平臺，最終完成了某自動化生產(chǎn)線中搬運機器人工作站的離線編程與運動仿真。生產(chǎn)線的搬運要求是，一臺6軸機器人將工件從工位1搬運至檢測臺進(jìn)行檢測，檢測完搬運至工位2，再由輸送鏈輸送至工位3，最后由一臺7軸機器人將工件從工位3搬運至工位4的接料框中。

1 工作站的創(chuàng)建

1.1 搬運機器人的添加

根據(jù)生產(chǎn)線的搬運要求，工作站需要6軸和7軸搬運機器人各一臺，以完成工件的整個搬運。根據(jù)要求，6軸搬運機器人選擇R-2000iC/165F型號即可。7軸搬運機器人選擇M-10iA/12型號，勾選選項Extended Axis Control(J518)，并在TP上進(jìn)入控制啟動模式，進(jìn)行第7軸實際電機類型、軸類型、軸安裝方式等設(shè)定。案例中7軸搬運機器人的附加軸是平行于Y軸的直線軸。所有設(shè)定完成后，7軸機器人退出控制啟動模式。利用Roboguide 9.0軟件庫中自帶的行走軸模型，建立一個運行范圍為5米的機器人行走軸。

1.2 機器人工具的添加

機器人工具，即機器人的末端執(zhí)行器，如手爪、吸盤等。在Roboguide軟件中，首先選擇合適的機器人工具。6軸搬運機器人直接選取EOATs庫中的grippers氣動手爪，7軸搬運機器人通過導(dǎo)入自己建模的文件“手爪_7axis.igs”。其次，設(shè)置機器人工具的位置數(shù)據(jù)和TCP位置，以確保仿真的正確運行。工具的位置數(shù)據(jù)根據(jù)搬運機器人手部末端的位置設(shè)定，設(shè)定完的工具能正確安裝在機器人的法蘭盤上。TCP位置為手爪的中心位置，可以直接輸入數(shù)據(jù)，也可以使用鼠標(biāo)直接拖動工具坐標(biāo)系調(diào)整至手爪的中心位置。根據(jù)以上原則，分別為grippers氣動手爪和手爪_7axis設(shè)置工具位置和TCP位置。

工業(yè)機器人有世界坐標(biāo)系和工具坐標(biāo)系等多個坐標(biāo)系，其運動軌跡上的各個插值點都是用工具坐標(biāo)系相對于世界坐標(biāo)系的期望位置與姿態(tài)來表述的。案例中6軸機器人的坐標(biāo)系如圖1所示，機器人末端安裝的氣動手爪的TCP位置相對于世界坐標(biāo)系的坐標(biāo)為[155 0，0，200，0，180，180]。

圖1 6軸機器人坐標(biāo)系

1.3 工件的添加

在Roboguide軟件中，根據(jù)實際要求添加外形、大小和位置確定的工件Part。接著，定義每個機器人工具上的Part方向。運動仿真時，搬運機器人的grippers氣動手爪需要執(zhí)行打開和關(guān)閉兩個動作，通過工具的“Simulation”選項可以設(shè)置上述兩種動作。其次，在“Parts”選項中勾選需要搬運的工件，并正確設(shè)置其位置和方向，否則機器人無法正確動作。

1.4 機構(gòu)及其鏈接的添加

生產(chǎn)線的搬運要求是，通過輸送鏈將6軸機器人搬運、檢測完的工件由工位2輸送到工位3。首先，添加一個大小和位置固定的機構(gòu)(輸送鏈，長度為3 600mm)。其次，在輸送鏈上工位2的位置下方添加一個鏈接Link1，并設(shè)置Link1的運動方向和控制方式，以及Link1上工件的位置和方向。

在上述主要內(nèi)容添加的基礎(chǔ)上，還需要添加工件物料臺、檢測臺、圍欄和接料框等周邊設(shè)備。創(chuàng)建完成的搬運機器人工作站如圖2所示。

圖2 搬運機器人工作站

此外，還需設(shè)置6軸和7軸搬運機器人離線編程相關(guān)的輸送鏈運動控制信號。當(dāng)6軸機器人的輸出信號DO[101]為OFF時，輸送鏈負(fù)向移動0 mm，即在工位2的位置，到位后輸入信號DI[101]為ON。當(dāng)6軸機器人的輸出信號DO[101]為ON時，輸送鏈以500 mm/sec正向移動3 500 mm，即移動到工位3的位置后，7軸機器人的輸入信號DI[102]為ON，由此觸發(fā)7軸機器人的搬運動作。

2 離線程序的編寫

2.1 仿真程序的生成

搬運機器人的仿真動作主要是對工件的抓取和放置。在Roboguide 9.0軟件中，插入Pickup(抓取仿真指令)或Drop(放置仿真指令)，再分別選取相應(yīng)的工件、機器人工具工作臺面即可。由Roboguide 9.0軟件自動生成的6軸或7軸機器人的抓取和放置子程序，可以直接被下述的動作程序調(diào)用[4]。

2.2 動作程序的編寫

根據(jù)生產(chǎn)線的搬運要求，在Roboguide 9.0的虛擬TP上，分別編寫6軸和7軸搬運機器人的動作程序。結(jié)合上述輸送鏈控制信號的設(shè)置，以7軸搬運機器人為例，其控制流程如圖3所示。

圖3 7軸機器人的控制流程

動作程序編寫的重點是6軸機器人的輸入信號DI[101]、輸出信號DO[101]和7軸機器人的輸入信號DI[102]的正確傳遞。圖4是在Roboguide 9.0的虛擬TP上編寫的7軸機器人的控制程序，用WAIT指令等待輸入信號DI[102]，用CALL指令分別調(diào)用抓取和放置的仿真子程序。6軸機器人的離線編程方法與之類似。

圖4 7軸機器人動作程序

3 機器人的運動仿真

依靠正確的機器人運動學(xué)和逆運動學(xué)模型，可以實現(xiàn)機器人的位置及姿態(tài)正確無誤的運動仿真。通過軌跡規(guī)劃算法，可以進(jìn)行詳細(xì)的計算以獲得機器人具體的運動軌跡點。通過Roboguide 9.0中搬運機器人工作站的運動仿真，可以檢查是否有碰撞、動作是否都正確等。圖5是7軸機器人的運動仿真軌跡，對應(yīng)圖4的程序顯示了從P[1]至P[6]點的位置和運行速度等數(shù)據(jù)信息，且整個運行過程中無碰撞、動作都正確。這驗證了離線程序的正確性。經(jīng)運動仿真驗證過的離線程序基本可以直接應(yīng)用在實際生產(chǎn)線的現(xiàn)場調(diào)試中，這可以大大縮短項目整個的設(shè)計和調(diào)試周期[5]。

圖5 7軸機器人運動仿真軌跡

4 結(jié)束語

Roboguide軟件圍繞一個離線的三維世界進(jìn)行現(xiàn)實中各類工業(yè)機器人及其周邊設(shè)備的布局的模擬，通過軟件虛擬TP的離線編程可以進(jìn)一步模擬運動軌跡。通過Roboguide軟件進(jìn)行搬運機器人的運動仿真，可以監(jiān)控機器人搬運過程中的每一個動作。如果有問題，可以提前修改離線程序并使其運行正確。因此，基于Roboguide的工業(yè)機器人離線編程與運動仿真可以保證離線程序的正確性、提高項目的設(shè)計效率，并為現(xiàn)場安裝與調(diào)試節(jié)省時間和成本。

參考文獻(xiàn)：

[1] 曲兵兵，房術(shù)榮，張偉強，等.基于Roboguide的弧焊機器人離線編程研究[J].煤礦機械，2016(4)：50-52.

[2] 黃曉霞.用于焊接機器人離線編程系統(tǒng)的運動學(xué)分析及仿真[D].廣州：華南理工大學(xué)，2014：28.

[3] 姚貴昌，段方高，陸宗學(xué)，等.基于Roboguide平臺的FANUC機器人虛擬現(xiàn)實技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].機械工程師，2014(1)：60-63.

[4] 謝志軍，郭光明，張偉軍.基于Roboguide白車身在線測量系統(tǒng)的機器人離線編程方法研究[J].機電一體化，2016(11)：3-8.

[5] 欒京東，馬琪，郭明儒，等.機器人上下料物流系統(tǒng)在數(shù)控機床加工中的設(shè)計與應(yīng)用[J].航天制造技術(shù)，2017(4)：66-70.