張華文，張 麗

（1.河南省工業(yè)機器人應用工程技術研究中心，南陽 473000；2.河南工業(yè)職業(yè)技術學院 自動化工程學院，南陽 473000）

在“工業(yè)革命4.0”和“中國制造2025”政策背景影響下，智能制造技術迅速發(fā)展，工業(yè)機器人作為其中的核心設備廣泛應用于打磨、裝配、焊接等領域[1]。 傳統(tǒng)的在線編程方式需要機器人處于停止狀態(tài)，占用機器人運行時間，影響生產效率；在線示教十分繁瑣，費時費力，在線調試操作時難免會發(fā)生碰撞，存在安全隱患[2]。 離線編程技術通過對實際場景進行建模，可以在機器人正常運行的同時完成編程工作，經過仿真驗證后再下載到機器人實體上來完成相應的任務， 有效地提高了生產效率和安全性。 文獻[3]以民航客機機身自動退漆打磨為研究對象，使用RobotStudio 搭建了飛機機身自動退漆打磨工作站；文獻[4]以陶瓷托輥軸承座自動裝配生產線為研究對象，介紹了一種利用SolidWorks 和Robot-Studio 建模及虛擬運行生產的方案；文獻[5]以汽車輪轂打磨加工作業(yè)為研究對象，提出一種雙工業(yè)機器人協(xié)同打磨作業(yè)工作站設計方案；文獻[6]利用RobotStudio 虛擬仿真軟件設計一類以IRB2600 工業(yè)機器人為控制核心的多機器人工作站，用以實現對裝配搬運生產線的虛擬搭建；文獻[7]構建基于RobotStudio 的工作站仿真，對生產線實體模型采集獲得精確位置信息，能夠實現重載工業(yè)機器人的路徑規(guī)劃。 上述研究都集中于對實際場景進行虛擬仿真，并沒有實現離線編程和設備實體的結合。

本文使用UG 對機器人電機裝配工作站進行建模，并導入到RobotStudio 中，配置I/O 信號，創(chuàng)建Smart 組件， 進行信號連接， 實現工作站的虛擬仿真。使用RAPID 完成離線編程，經過仿真驗證后，下載到機器人實體，完成電機裝配工作。 本系統(tǒng)為電機裝配工作站提供了實驗平臺，提高了生產效率和安全性，對自動化和智能化工廠的發(fā)展具有重要的現實意義。

1 工作站建模

1.1 工作站描述

本工作站用來完成電機底座外殼、電機內芯和法蘭盤的裝配， 主要由ABB IRB120 型機器人、工具架、吸盤工具、手爪工具、立體倉庫、變位機、旋轉物料臺、傳送裝置等部件構成。 其中，工具架用來存放吸盤和手爪工具，立體倉庫用來存放電機底座外殼，旋轉物料臺用來存放電機內芯，傳送裝置用來進行法蘭盤上料，手爪工具和吸盤工具用來夾取不同的配件。 首先使用手爪工具從立體倉庫中抓取電機外殼放置到變位機的夾持工位，然后從旋轉物料臺上夾取電機內芯并放到電機底座中完成裝配，再使用吸盤工具從傳送裝置上吸取法蘭盤并放置到電機底座中完成裝配，最后使用手爪工具將裝配好的電機放回立體倉庫。工作站實體如圖1所示。

圖1 工作站實體Fig.1 Workstation entity

1.2 工作站三維建模

根據工作站各部件實際尺寸， 使用UG 分別繪制出立體倉庫、工具夾、手爪工具、吸盤工具、變位機、旋轉物料臺、傳送裝置和電機配件的三維模型。在RobotStudio 中導入IRB120 機器人模型和UG 三維模型，并進行正確布局。工作站的三維模型如圖2所示。

圖2 工作站三維模型Fig.2 Workstation 3D model

2 系統(tǒng)設計

2.1 創(chuàng)建Smart 組件

Smart 組件能夠賦予幾何體動態(tài)仿真效果。 通過創(chuàng)建不同的Smart 組件，可以仿真出工作站的復雜動作[8]。主要的Smart 組件有：手爪組件、旋轉物料臺組件、傳送裝置供料組件。

在手爪夾具Smart 組件中，添加線性傳感器LineSensor 用來檢測手爪閉合時是否有工件被抓取到，添加PoseMover 組件用來模擬手爪的開合動作，添加Attacher 和Detacher 組件用來實現工件被抓取后和手爪的聯動。 手爪工具的Smart 組件設計如圖3 所示。

圖3 手爪工具Smart 組件設計Fig.3 Design of Smart component of gripper

在旋轉物料臺Smart 組件中， 添加線性傳感器LineSensor 用來檢測電機內芯物料是否到位， 添加Rotator 組件來實現物料臺的旋轉動作，添加Logic-SRLatch 邏輯組件來實現信號的邏輯控制， 添加Timer 組件來實現定時功能。旋轉物料臺Smart 組件設計如圖4 所示。

圖4 旋轉物料臺Smart 組件設計Fig.4 Design of Smart component of rotating table

在傳送裝置供料組件中，添加線性傳感器Line-Sensor 用來檢測工件是否到位； 添加PoseMover 組件用來實現工件在傳送帶上的運動；添加Source 和Sink 組件用來實現工件的產生和被抓取后的消失動作；添加LogicGate 組件來實現信號的邏輯控制。傳送裝置供料Smart 組件設計如圖5 所示。

圖5 傳送裝置供料Smart 組件設計Fig.5 Design of Smart component of conveyor

2.2 機器人I/O 配置

為了和外部控制器進行通信，需要配置機器人的I/O 信號。 將機器人的I/O 信號和Smart 組件的I/O 信號進行關聯，此時的Smart 組件相當于一個和機器人進行通信的PLC，可以實現通信的仿真。 機器人需要配置10 路數字輸出信號，用來控制快換裝置和工具的電磁閥動作、變位機和旋轉物料臺的轉動等。 需要配置3 路數字輸入信號，用來接收物料臺旋轉歸零、工件檢查光電開關等信號的輸入。具體的I/O 信號配置如表1 所示。

表1 機器人I/O 信號配置Tab.1 Robot I/O signal configuration

3 程序設計

本工作站主要完成電機底座外殼、 電機內芯、法蘭盤的正確安裝。 通過機器人更換正確的手爪工具，將底座外殼從立體倉庫搬運到裝配臺上；旋轉供料完成電機內芯上料，工業(yè)機器人將其夾取安裝在底座上；井式供料推出法蘭盤，通過輸送模塊輸送到指定位置，工業(yè)機器人更換吸盤工具，變位機翻轉，工業(yè)機器人將其安裝并旋緊；工業(yè)機器人更換手爪工具， 將裝配好的電機搬運進立體倉庫中。程序流程如圖6 所示。

圖6 程序流程Fig.6 Program flow chart

主要程序如下：

4 實驗結果與分析

在RobotStudio 中可以直接運行程序進行仿真，通過信號分析器可以對TCP 的運行速度進行監(jiān)控。為提高運行效率，需要盡可能使用高速運行，這里設置運行速度為1500 mm/s， 接近點的速度設置為200 mm/s，TCP 的速度曲線如圖7 所示。

圖7 降速前的TCP 速度曲線Fig.7 TCP speed curve before deceleration

可以看出，速度變化并不平穩(wěn)，從而會對設備產生沖擊。 將運行速度降低為1000 mm/s，接近點速度不變，TCP 的速度曲線如圖8 所示。 降速后，運行時間多了0.8 s，但是速度變化更加平穩(wěn)，機器人抖動明顯減弱，對設備的沖擊減小，有利于延長設備的使用壽命和后期維護。

圖8 降速后的TCP 速度曲線Fig.8 TCP speed curve after deceleration

在軟件中完成離線編程并經過仿真驗證后，將程序下載到機器人實體。 進行示教點的微調后程序即可正常運行，完成電機裝配工作。 經過測試，完成1 次在線編程和調試需要40 分鐘左右，而完成1次離線編程和調試僅需20 分鐘左右，且離線編程不會占用機器人的運行時間。 通過對比可見，離線編程能夠將編程時間縮短1 倍，極大的提高了生產效率。

5 結語

以工業(yè)機器人電機裝配工作站為研究對象，基于RobotStudio 和UG 搭建了機器人離線編程與虛擬仿真系統(tǒng)。 根據工作站各模塊的實際尺寸參數，使用UG 繪制了工作臺、工具架、手爪工具、吸盤工具、立體倉庫、變位機、旋轉物料臺、傳送帶等三維模型；在RobotStudio 中導入三維模型，并進行正確布局；創(chuàng)建Smart 組件進行動畫仿真，模擬工作站的復雜動作；配置機器人的I/O 信號，和Smart 組件進行通信來模擬和PLC 的通信過程； 編寫離線程序，完成任務的虛擬仿真，并下載程序到實體機器人，完成電機的裝配工作；通過對TCP 的運行速度進行監(jiān)控比較，可得出將機器人速度設定為1000 mm/s，接近點速度設定為200 mm/s 時機器人運行較為平穩(wěn)；通過離線編程和在線編程調試的耗時對比，可得出離線編程將編程時間縮短近一倍，從而極大提高了編程效率。

本系統(tǒng)能夠完成機器人的離線編程和虛擬仿真，有效改善了在線示教過程的繁瑣，提高了編程效率。 離線編程不需要占用機器人的運行時間，經過仿真驗證后再下載到機器人實體上來完成相應的任務，提高了生產效率和安全性，降低了設備維護成本和時間，為裝配工作站提供了設計依據和實驗平臺。