劉春鵬 易文俊

摘 要：以機(jī)器人上下料工作站為研究對(duì)象，針對(duì)其軌跡優(yōu)化和自動(dòng)化生產(chǎn)協(xié)調(diào)之間難度大的問(wèn)題，提出了利用RobotStudio仿真軟件進(jìn)行機(jī)器人上下料工作站的離線(xiàn)編程和動(dòng)態(tài)模擬。給出了工作站的結(jié)構(gòu)布局及上下料平臺(tái)的Smart組件設(shè)計(jì)，結(jié)合機(jī)器人離線(xiàn)編程對(duì)工作站進(jìn)行了仿真調(diào)試。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出實(shí)際的模擬機(jī)器人上下料工作站，工作站由雙爪機(jī)器人、供料單元、機(jī)床卡盤(pán)、立體倉(cāng)庫(kù)及主控PLC等組成。給出了工作站主控系統(tǒng)架構(gòu)和設(shè)備間的通信方式，將仿真工作站的程序?qū)雽?shí)際工作站進(jìn)行設(shè)備調(diào)試。這種由虛擬仿真到實(shí)際設(shè)計(jì)制造的方式，大大縮短了工作站的開(kāi)發(fā)調(diào)試周期，對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械加工類(lèi)企業(yè)進(jìn)行設(shè)備升級(jí)改造具有很好的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：RobotStudio;機(jī)器人上下料;虛擬仿真;PLC;工作站

中圖分類(lèi)號(hào)：TP249; TP273 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：Taking the industrial robot to loadunload workpiece workstation as the research object， aiming at the difficulty of its trajectory optimization and automatic production coordination， the offline programming and dynamic simulation of the industrial robot to loadunload workpiece workstation are proposed by using RobotStudio. The structure layout of the workstation and the smart component design of the loadunload workpiece workstation are given. The simulation and debugging of the workstation are carried out in combination with the offline programming of the robot. On this basis， a real robot to loadunload workpiece workstation is designed. The workstation consists of a two claw robot， a feeding unit， a machine tool chuck， a threedimensional warehouse and a main control PLC. The architecture of workstation main control system and the communication mode between devices are given. The program of simulation workstation is imported into the actual workstation for equipment debugging. This way from virtual simulation to actual design and manufacturing greatly shortens the development and debugging cycle of the workstation， and has a good reference for the upgrading of traditional machining enterprises.

Key words：RobotStudio; robot to loadunload workpiece;virtual simulation; PLC;workstation

隨著工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的日益成熟，機(jī)械加工行業(yè)開(kāi)始大批量采用工業(yè)機(jī)器人替代人工為機(jī)床或者加工中心進(jìn)行上下料。因此，解決工業(yè)機(jī)器人在機(jī)械加工制造中應(yīng)用可能遇到的許多相關(guān)問(wèn)題，有助于工業(yè)機(jī)器人的理論和應(yīng)用上的研究，對(duì)促進(jìn)中國(guó)智能制造的發(fā)展也有著非常重要的意義[1]。

工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)之前往往需要借助于專(zhuān)業(yè)的機(jī)器人仿真軟件對(duì)與機(jī)器人相關(guān)聯(lián)的環(huán)節(jié)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬[2-4]。利用仿真軟件對(duì)機(jī)器人上下料工作站各設(shè)備和上下料過(guò)程進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，可在不消耗任何實(shí)際生產(chǎn)資源的情況下有效降低生產(chǎn)成本、安全風(fēng)險(xiǎn)等。對(duì)于縮短整個(gè)智能生產(chǎn)線(xiàn)的研發(fā)周期，也具有十分重要的作用。

從實(shí)現(xiàn)智能制造生產(chǎn)線(xiàn)中機(jī)器人為機(jī)床自動(dòng)上下料的功能需求出發(fā)，筆者利用RobotStudio離線(xiàn)編程軟件虛擬仿真機(jī)器人上下料工作站，對(duì)工作站布局、路徑規(guī)劃、系統(tǒng)流程等內(nèi)容進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，并在仿真地基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一款簡(jiǎn)易機(jī)器人上下料工作站，該工作站通過(guò)機(jī)器人與外圍設(shè)備的信號(hào)連接實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人自動(dòng)給機(jī)床上下料的工作過(guò)程，整個(gè)過(guò)程包含機(jī)器人自動(dòng)取料、機(jī)器人自動(dòng)給機(jī)床上下料、工件入庫(kù)三個(gè)階段。

1 工作站仿真設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)器人上下料工作站模型搭建

RobotStudio是瑞典ABB公司針對(duì)ABB機(jī)器人開(kāi)發(fā)的一套離線(xiàn)編程虛擬仿真軟件。該軟件不僅可以進(jìn)行機(jī)器人的離線(xiàn)編程、動(dòng)態(tài)仿真和碰撞檢測(cè)，而且其虛擬示教器和控制器與實(shí)際機(jī)器人一樣[5-7]。因此，利用RobotStudio仿真軟件進(jìn)行工作站離線(xiàn)編程、I/O信號(hào)仿真等調(diào)試過(guò)程也與實(shí)際工作站調(diào)試過(guò)程一致。將調(diào)試好的仿真程序?qū)雽?shí)際機(jī)器人控制器中運(yùn)行測(cè)試，實(shí)現(xiàn)模擬真實(shí)的工作環(huán)境[8-10]。通過(guò)對(duì)工作站地仿真測(cè)試，指導(dǎo)真實(shí)工作站的設(shè)計(jì)，從而縮短研發(fā)生產(chǎn)周期。

如圖1所示，工作站由雙爪機(jī)器人、機(jī)床上下料平臺(tái)、工作臺(tái)、主控柜和離線(xiàn)編程系統(tǒng)組成。除機(jī)器人模型外，其他均為SW導(dǎo)入模型。圖2給出了機(jī)床上下料平臺(tái)的結(jié)構(gòu)組成：機(jī)床1卡盤(pán)、機(jī)床2卡盤(pán)、供料單元、立體倉(cāng)庫(kù)。供料單元由頂料氣缸、推料氣缸、落料檢測(cè)傳感器、出料位檢測(cè)傳感器等組成。

1.2 工作站

Smart組件設(shè)計(jì)機(jī)器人與機(jī)床上下料平臺(tái)的信號(hào)交互和動(dòng)態(tài)仿真是整個(gè)工作站虛擬仿真的核心環(huán)節(jié)，其結(jié)果直接影響實(shí)際工作站的設(shè)計(jì)制造。通過(guò)Smart組件的設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)交互的動(dòng)態(tài)過(guò)程地模擬，如圖3。以供料單元的Smart組件為例，首先添加子組件，包括傳感器子組件Planesensor、動(dòng)作子組件Source、本體子組件LinearMover、邏輯信號(hào)子組件Logicgate和LogicSRlatch等。然后設(shè)定各組件之間的信號(hào)交互即屬性連接。最后創(chuàng)建供料單元Smart組件所需的I/O信號(hào)：di_InFeeder和do_BoxinPos，用于與各Smart子組件進(jìn)行信號(hào)交互。

機(jī)器人上下料工作站的Smart組件還包含機(jī)器人手爪組件SC_Grip1和SC_Grip2;機(jī)床1和機(jī)床2卡盤(pán)組件SC_M1和SC_M2。RobotStudio仿真軟件中的Smart組件與PLC的功能類(lèi)似。配置機(jī)器人的I/O信號(hào)與供料單元的I/O信號(hào)相關(guān)聯(lián)，模擬實(shí)際工作站主控PLC的功能。相較于直接設(shè)計(jì)工作站實(shí)物，不僅節(jié)約生產(chǎn)成本，還提高了生產(chǎn)制造的容錯(cuò)率。表1給出了工作站I/O信號(hào)之間的邏輯關(guān)系。

表1中的System15為機(jī)器人系統(tǒng)，相當(dāng)于真實(shí)機(jī)器人的控制器，Robot_sxl為機(jī)器人上下料工作站。

1.3 機(jī)器人離線(xiàn)編程

在進(jìn)行機(jī)器人程序編寫(xiě)之前需要配置機(jī)器人的I/O信號(hào)使之與上下料平臺(tái)及其他設(shè)備進(jìn)行信號(hào)交互。工作站選用ABB標(biāo)準(zhǔn)I/O板DSQC652進(jìn)行信號(hào)連接。機(jī)器人主程序流程如下：

PROC main（）

rInitall;！初始化

WHILE TRUE ?DO！死循環(huán)，目的將初始化程序和軌跡運(yùn)動(dòng)部分程序隔離

WaitDIdi_start，1;！等待PLC工作命令

rPick1;！調(diào)用拾取工件程序1（爪1）

WaitDIdi_start，1;！等待PLC工作命令

rPick2;！調(diào)用拾取工件程序2（爪2）

rPlace1;！調(diào)用放置工件程序1（機(jī)床1卡盤(pán)）

rPlace2;！調(diào)用放置工件程序2（機(jī)床2卡盤(pán)）

WaitDIdi_start，1;！等待PLC工作命令

rpick_ok1;！從機(jī)床1卡盤(pán)抓回

rPick_ok2;！從機(jī)床2卡盤(pán)抓回

rPlace_ok;！入庫(kù)程序

ENDWHILE

ENDPROC

機(jī)器人等待信號(hào)di_start為1時(shí)，手爪1開(kāi)始抓取供料單元推出的待加工工件，手爪1完成工件抓取后，手爪2再抓取下一個(gè)待加工工件;抓料完成后機(jī)器人分別給機(jī)床1和機(jī)床2上料模擬機(jī)床加工，加工完成后，機(jī)器人將加工完成后的工件放至立體倉(cāng)庫(kù)中，如此循環(huán)直至所有工件完成加工，工作站停止運(yùn)行。運(yùn)行機(jī)器人程序進(jìn)行工作站調(diào)試，利用軟件中的碰撞檢測(cè)功能調(diào)整部分有干涉的示教點(diǎn)以及程序參數(shù)完成工作站上下料功能。

2 工作站系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)器人上下料仿真工作站設(shè)計(jì)調(diào)試的真實(shí)工作站如圖4所示。實(shí)際工作站采用IRB 1410機(jī)器人代替仿真模型中的IRB 120機(jī)器人，更接近實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用場(chǎng)景。工作站上下料平臺(tái)通過(guò)端子盒和航插與主控系統(tǒng)連接;手爪、機(jī)床卡盤(pán)以及上下料平臺(tái)的推料和頂料氣缸的氣路通過(guò)電磁閥組與機(jī)器人和主控系統(tǒng)連接。主控系統(tǒng)與機(jī)器人采用I/O通信。

完成工作站布局和電氣連接后，將仿真工作站機(jī)器人程序?qū)胝鎸?shí)機(jī)器人中進(jìn)行調(diào)試。由于仿真工作站與實(shí)際工作站存在位置誤差，需要對(duì)所有目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行手動(dòng)示教，示教完成后再進(jìn)行手動(dòng)調(diào)試，確保機(jī)器人與上下料平臺(tái)間無(wú)運(yùn)動(dòng)干涉。通過(guò)工作站的仿真設(shè)計(jì)可以有效地縮短實(shí)際工作站的調(diào)試周期。

3 工作站主控系統(tǒng)架構(gòu)

工作站選用西門(mén)子PLC1200作為主控系統(tǒng)，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與觸摸屏實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。PLC與機(jī)器人進(jìn)行I/O通訊實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的信號(hào)交互。HMI觸摸屏控制界面如表2所示。觸摸屏分為四個(gè)界面，運(yùn)行界面中主要包含系統(tǒng)啟動(dòng)、停止、復(fù)位功能;點(diǎn)動(dòng)測(cè)試界面主要測(cè)試供料單元?dú)飧?、機(jī)器人手爪、機(jī)床1和機(jī)床2卡盤(pán)等I/O是否正常;故障記錄畫(huà)面主要是根據(jù)報(bào)警信號(hào)提示方便排除設(shè)備故障;I/O監(jiān)控畫(huà)面包含了PLC的所有I/O狀態(tài)。

PLC程序的編寫(xiě)采用“總—分”的模塊化方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。在PLC控制程序的主程序塊中，主要對(duì)各個(gè)功能模塊的程序進(jìn)行調(diào)用。程序運(yùn)行流程見(jiàn)圖5。

表3給出了工作站主控系統(tǒng)部分I/O交互信號(hào)。主控PLC程序運(yùn)行流程如圖5所示。

4 結(jié) 論

從實(shí)現(xiàn)機(jī)器人給機(jī)床上下料的角度出發(fā)，提出了一種基于虛擬仿真的機(jī)器人上下料工作站的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)虛擬仿真軟件RobotStudio搭建工作站仿真模型并進(jìn)行仿真分析和離線(xiàn)編程。在仿真的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出實(shí)際的上下料工作站，給出了工作站PLC主控系統(tǒng)程序架構(gòu)及工作流程，工作站經(jīng)調(diào)試運(yùn)行后能夠?qū)崿F(xiàn)模擬機(jī)器人自動(dòng)上下料。該工作站可用于高職院校進(jìn)行機(jī)器人實(shí)訓(xùn)教學(xué)，其結(jié)構(gòu)布局和工作流程對(duì)企業(yè)進(jìn)行設(shè)備改造升級(jí)具有很好的借鑒意義。

設(shè)計(jì)的工作站還可通過(guò)在立體倉(cāng)庫(kù)中加入料位檢測(cè)傳感器和RFID模塊實(shí)現(xiàn)工件加工信息的追溯和管理，同時(shí)主控系統(tǒng)增加MES軟件，PLC與MES進(jìn)行信息交互，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)字化和智能化。

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