劉海燕 蘇 宇 林春蘭 范徽倚

(①桂林理工大學(xué)機(jī)械與控制工程學(xué)院，廣西桂林541004；②廣西科技大學(xué)職業(yè)技術(shù)教育學(xué)院，廣西柳州545006；③廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司百色平果供電局，廣西百色531400)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代工業(yè)制造業(yè)逐漸趨向于自動化生產(chǎn)，大大降低勞動力成本，有效縮短生產(chǎn)的周期，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，提高產(chǎn)量和效率。因此，解決工業(yè)機(jī)器人在實(shí)際的生產(chǎn)制造中應(yīng)用可能遇到的許多相關(guān)問題，對促進(jìn)自動化制造的發(fā)展優(yōu)勢有著很大的影響，對工業(yè)機(jī)器人的理論和應(yīng)用上的研究也有著非常重要的意義。在應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人的前期設(shè)計(jì)、規(guī)劃和實(shí)施方案等準(zhǔn)備工作上，往往借助于機(jī)器人專業(yè)仿真軟件，通過在計(jì)算機(jī)環(huán)境中對生產(chǎn)線上各設(shè)備進(jìn)行仿真模擬，在不消耗任何實(shí)際生產(chǎn)資源的情況下對實(shí)際生產(chǎn)過程進(jìn)行動態(tài)模擬，從而更合理地配置規(guī)劃生產(chǎn)資源，評價智能生產(chǎn)線的可行性及潛在問題，對于降低開發(fā)成本，縮短整個智能生產(chǎn)線的研發(fā)周期，具有十分重要的作用。碼垛作為自動化技術(shù)領(lǐng)域中的一門新興技術(shù)，工作要求是將箱體、袋狀等對象按照一定的次序和模式碼放在托板上，以方便完成物料的搬運(yùn)、裝卸、存儲和運(yùn)輸?shù)纫幌盗形锪骰顒?，常常用于食品飲料、煤炭和化工等大批量生產(chǎn)的場合。在碼垛機(jī)器人的應(yīng)用中，通過結(jié)合其他外圍設(shè)備的通信連接，共同構(gòu)成自動生產(chǎn)線。

從實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)過程中的某下料系統(tǒng)需求出發(fā)，討論機(jī)器人工作布局、運(yùn)動軌跡、路徑規(guī)劃、運(yùn)動仿真等內(nèi)容。本文基于RobotStudio離線編程軟件虛擬仿真自動下料系統(tǒng):由壓鑄機(jī)生產(chǎn)原材料，再由搬運(yùn)機(jī)器人完成取料放置到輸送鏈傳送，并完成質(zhì)量檢測等作業(yè)，最后由碼垛機(jī)器人完成物料的堆垛工作。這一系列的自動化搬運(yùn)和碼垛等工作，只需兩臺機(jī)器人來完成，通過機(jī)器人與外圍工作站之間的信號連接，實(shí)現(xiàn)自動化運(yùn)行。

1 下料過程仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ABB RobotStudio是瑞典ABB公司開發(fā)的一套計(jì)算機(jī)仿真軟件，它具有CAD模型導(dǎo)入和機(jī)器人離線示教編程、動態(tài)仿真、碰撞檢測等功能。由于RobotStudio軟件是以ABB機(jī)器人的虛擬控制器為基礎(chǔ)開發(fā)，所以軟件中的機(jī)器人本體參數(shù)、仿真示教器和控制器都是與實(shí)際機(jī)器人的一樣，I/O信號仿真、指令程序等與實(shí)際的機(jī)器人在生產(chǎn)線運(yùn)行過程中的控制信號及程序也是一致的。因此，RobotStudio軟件上編寫和調(diào)試好的程序可以導(dǎo)入到真實(shí)控制器中運(yùn)行，從而模擬真實(shí)的工作環(huán)境。

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)ABB工業(yè)機(jī)器人IRB4600在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)制造中搬運(yùn)和碼垛的工作過程，壓鑄機(jī)利用壓力的作用把熔融液壓射到模具腔室中，鑄造所需要的毛坯產(chǎn)品，待冷卻成型，開模得到固體的鑄件。產(chǎn)品壓鑄完成后壓鑄機(jī)門打開，并發(fā)送信號給取料機(jī)器人抓取鑄造件放置到輸送鏈上。在輸送鏈的中部裝設(shè)有質(zhì)量檢測裝置，通過該裝置對壓鑄生產(chǎn)出來的鑄造件產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量檢測，將檢測數(shù)據(jù)傳送給碼垛機(jī)器人。碼垛機(jī)器人根據(jù)檢測數(shù)據(jù)判斷該產(chǎn)品是否為良品。如果產(chǎn)品為良好，碼垛機(jī)器人抓取后整齊有序地碼垛到小車的棧板上。物料達(dá)到規(guī)定的數(shù)量后，小車能夠自動將產(chǎn)品運(yùn)走并返回等待區(qū)。如果產(chǎn)品為非良品，碼垛機(jī)器人將其抓取放置到非良品區(qū)，等待工作人員的處理。機(jī)器人自動下料系統(tǒng)的空間布局如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

RobotStudio軟件仿真建模和機(jī)器人程序編寫基本流程如圖2所示。

1.3 RobotStudio建模

1.3.1 壓鑄機(jī)工作站

壓鑄機(jī)的模型工作站主要由開關(guān)門機(jī)構(gòu)、合開模液壓缸、頂出液壓缸和壓鑄模型具等組成，如圖3所示。壓鑄機(jī)的開關(guān)門機(jī)構(gòu)和合開模機(jī)構(gòu)的4個動作姿態(tài)分別為:開關(guān)門和合開模。當(dāng)生產(chǎn)線準(zhǔn)備就緒后，壓鑄機(jī)先后完成關(guān)閉安全門、合模壓鑄產(chǎn)品、待模型冷卻后開模和打開安全門。

1.3.2 輸送鏈工作站

輸送鏈多用于物料的傳送運(yùn)輸，以減少物料周轉(zhuǎn)的時間，提高工作效率。通過在傳送帶上安裝傳感器，控制和監(jiān)控物料傳送帶的運(yùn)行和狀態(tài)等，如圖4所示。

1.3.3 質(zhì)量檢測工作站

質(zhì)量檢測工作站是采用超聲波的檢驗(yàn)方式，利用無損探傷的方法迅速發(fā)現(xiàn)壓鑄件內(nèi)部是否存在缺陷，并把檢測數(shù)據(jù)即時傳送給碼垛機(jī)器人，執(zhí)行相對應(yīng)的操作。質(zhì)量檢測工作站如圖5所示，主要由:裝置底座、支架和探測發(fā)射器等組成，如圖5所示。在質(zhì)量檢測裝置的建模中，把質(zhì)量檢測裝置正在運(yùn)行的狀態(tài)，通過三維錐形體來表現(xiàn)探測信號的掃描范圍，如圖5b所示。

1.3.4 輸出線工作站

輸出線工作站主要由物流小車、棧板和棧板底座組成，生產(chǎn)線啟動運(yùn)行之后，物流小車能夠自動拖運(yùn)空的棧板駛?cè)搿?/p>

1.3.5 末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)

末端執(zhí)行器是安裝在工業(yè)機(jī)器人末端的操作工具，用來吸取搬運(yùn)物料。為滿足操作方便、動作迅速和結(jié)構(gòu)簡單等要求，本文采用的末端執(zhí)行器為真空吸盤。真空吸盤的建模部件包括連接盤、支架和6個吸嘴等，導(dǎo)入其三維圖形到機(jī)器人中，作為末端執(zhí)行器，如圖6所示。

2 Smart組件設(shè)計(jì)

在RobotStudio仿真軟件中搭建壓鑄機(jī)、輸送線、運(yùn)料的小車等裝置的工作站之后，如果要實(shí)現(xiàn)工作站的運(yùn)行動態(tài)效果，則需要在“建?！边x項(xiàng)卡中新增Smart組件，該組件主要是用于創(chuàng)建I/O信號連接和屬性控制的動態(tài)組件。下面以Smart組件_壓鑄機(jī)為例說明Smart組件的添加及IO信號的添加及控制邏輯關(guān)系的建立。

2.1 Smart組件_壓鑄機(jī)的添加及控制邏輯

為實(shí)現(xiàn)壓鑄機(jī)的動態(tài)效果，主要通過添加Smart組件及創(chuàng)建機(jī)械裝置來實(shí)現(xiàn)；為模擬壓鑄機(jī)的開關(guān)門和壓鑄加工的動作效果，首先利用Robotstudio軟件的“創(chuàng)建機(jī)械裝置”功能，新創(chuàng)建和設(shè)置壓鑄機(jī)的機(jī)械運(yùn)動裝置DOOR和Punch。然后新增一個Smart組件并打開該組件的編輯器，在組成選項(xiàng)卡中依次添加4個運(yùn)動機(jī)械裝置關(guān)節(jié)到一個已定義的姿態(tài)的子組件PoseMover，每個動作運(yùn)行的時間設(shè)置為2s。添加SimulationEvents(仿真和停止時發(fā)出脈沖信號)子組件，仿真開始時SimulationStarted發(fā)出的脈沖信號，控制PoseMover_1(關(guān)門狀態(tài))子組件的運(yùn)行完成壓鑄機(jī)的關(guān)門工作，PoseMover_1動作完成Executed輸出為1控制PoseMover_3(合模狀態(tài))子組件的運(yùn)行完成壓鑄機(jī)的合模工作。

PoseMover_3動作完成 Executed輸出為1控制Source子組件來創(chuàng)建物料組件的拷貝，產(chǎn)出的拷貝經(jīng)由Queue(隊(duì)列)子組件進(jìn)行組操作，在LinearMover(線性運(yùn)動)子組件的控制下運(yùn)行至壓鑄模型內(nèi)，拷貝的物料與PlaneSensor(面?zhèn)鞲衅?子組件接觸，面?zhèn)鞲衅靼l(fā)出完成信號控制PoseMover_4(開模狀態(tài))子組件的運(yùn)行完成壓鑄機(jī)的開模工作，PoseMover_4動作完成Executed輸出為1控制PoseMover_2(開門狀態(tài))子組件的運(yùn)行，完成壓鑄機(jī)的開門工作并發(fā)出壓鑄加工完成的信號。但由于ABB機(jī)器人在高頻信號轉(zhuǎn)變到低頻信號時不能觸發(fā)動作，所以通過添加 LogicGate[NOT］(邏輯取反)子組件，進(jìn)行對信號的取反操作，觸發(fā)LogicSRLatch_1(置位/復(fù)位)組件進(jìn)行置位和復(fù)位動作，使壓鑄加工完成輸出的高頻信號在轉(zhuǎn)換成低頻信號時能夠觸發(fā)動作，控制I/O信號的輸出，把壓鑄完成的信號傳送給搬運(yùn)機(jī)器人。

2.2 Smart組件的I/O信號設(shè)置及連接

動態(tài)壓鑄機(jī)的Smart組件中，創(chuàng)建數(shù)字型輸入信號doReset和一組輸出信號 yInput和yOutput，分別用于復(fù)位完成、啟動壓鑄機(jī)加工和壓鑄加工完成的I/O信號。設(shè)定其初始值值均為0，Smart組件中各子組件之間的邏輯控制，主要是通過I/O信號的連接來實(shí)現(xiàn)，部分I/O信號邏輯連接如表1所示。

表1 Smart組件_壓鑄機(jī)的部分I/O信號邏輯關(guān)系

3 機(jī)器人工作站系統(tǒng)編程及仿真

本文通過兩臺ABB工業(yè)機(jī)器人相互協(xié)調(diào)工作的方式，分別創(chuàng)建了碼垛機(jī)器人系統(tǒng)和搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)。下面以碼垛機(jī)器人系統(tǒng)創(chuàng)建、IO信號配置及地址分配、系統(tǒng)編程為例說明碼垛機(jī)器人工作站系統(tǒng)的創(chuàng)建。

3.1 碼垛機(jī)器人系統(tǒng)IO信號變量參數(shù)及地址分配

碼垛機(jī)器人系統(tǒng)一共設(shè)置3個數(shù)字輸入信號和5個數(shù)字輸出信號:輸入信號分別用于物料準(zhǔn)備就緒、物料吸取完成和物料裝載完成的信號連接；輸出信號分別用于控制物流小車的啟動、設(shè)置屬性連結(jié)、棧板載入、工作站連結(jié)和吸取物料。I/O信號的參數(shù)如表2所示。

3.2 機(jī)器人離線編程

ABB工業(yè)機(jī)器人的程序主要由模塊組成，包括系統(tǒng)模塊和用戶建立的模塊。編寫程序時，可以根據(jù)不同的控制要求建立多個模塊，通過新建模塊來構(gòu)建機(jī)器人的程序。工業(yè)的生產(chǎn)制造中，工業(yè)機(jī)器人被應(yīng)用于物品的搬運(yùn)較多，其中包括:水平位置的搬運(yùn)，即將物料從同一個高度的位置搬運(yùn)到另一個位置，高度一樣，位置不同；另一個是立體位置的搬運(yùn)，即將物料搬運(yùn)到低于或高于現(xiàn)在物料所在的位置。在本設(shè)計(jì)中，主要用機(jī)器人將物料從壓鑄機(jī)里面取出搬運(yùn)到輸送鏈上，進(jìn)行傳送，完成物料的周轉(zhuǎn)，工作流程如圖7所示。碼垛作業(yè)一共搬運(yùn)15個物料作為一個工作周期，若搬運(yùn)的物料數(shù)量達(dá)到15個，將啟動輸出線將裝載滿的物料運(yùn)走，再進(jìn)入下一個工作周期。本設(shè)計(jì)完成的是一個3×5層的碼垛任務(wù)，將待碼垛的物料搬運(yùn)到棧板上，工作流程如圖8所示。

表2 I/O信號的變量參數(shù)

搬運(yùn)模塊部分主程序如下:

PROC main()

rInitAll；!調(diào)用初始化程序，用于復(fù)位數(shù)據(jù)

WHILE TRUE DO!機(jī)器人進(jìn)行循環(huán)重復(fù)的動作

QuLiao；!調(diào)用吸取物料程序

ENDWHILE

ENDPROC

初始化程序

PROC rInitAll()

MoveJ p1，vmax，z50，tool0；!以最大速度移動至P1準(zhǔn)備點(diǎn)的位置

WaitDI diReset，1；!等待壓鑄機(jī)復(fù)位完成的信號為1

Reset yOutput；!復(fù)位壓鑄機(jī)信號為0

Reset sOutput；!復(fù)位上料工具動作信號為0

Reset rOutput；!復(fù)位輸送鏈啟動信號為0

WaitTime 0.5；!延時時間0.5s

Set yOutput；!啟動壓鑄機(jī)，信號置為1

WaitDI yInput，1；!等待壓鑄機(jī)完成信號為1

ENDPROC

…………

3.3 工作站邏輯連接

本設(shè)計(jì)分別創(chuàng)建了搬運(yùn)機(jī)器人、碼垛機(jī)器人、壓鑄機(jī)工作站、傳送帶工作站和輸出線工作站之后，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況，為實(shí)現(xiàn)整套生產(chǎn)線全自動化生產(chǎn)，需要將各個工作站和兩臺工業(yè)機(jī)器人之間建立通信連接。

為實(shí)現(xiàn)物料在多個工作站之間完成不同的工序和周轉(zhuǎn)，需要通過工作站邏輯的屬性連結(jié)，建立相關(guān)聯(lián)的屬性設(shè)置，將搬運(yùn)機(jī)器人每次取料獲取的源對象連結(jié)到傳送帶目標(biāo)對象的源對象。待質(zhì)量檢測完成并傳送到碼垛取料點(diǎn)，碼垛機(jī)器人取走的物料作為輸出線運(yùn)輸離開的目標(biāo)對象源對象。生產(chǎn)線從壓鑄機(jī)壓鑄造產(chǎn)品，完成本鑄后通知搬運(yùn)機(jī)器人取走放到傳送帶周轉(zhuǎn)，放到傳送帶完成后需要機(jī)器人發(fā)送啟動的信號給傳送帶。質(zhì)量檢測裝置對物料進(jìn)行檢測的啟動時間和完成，以及碼垛機(jī)器人碼走直至物流小車運(yùn)輸離開。這一系列信號的邏輯連接，都需要通過工作站的邏輯設(shè)置來實(shí)現(xiàn)。工作站邏輯的源信號和目標(biāo)信號設(shè)置以及相互之間的邏輯關(guān)系如表3所示。

表3 工作站部分I/O信號之間的邏輯關(guān)系

3.4 仿真

本設(shè)計(jì)通過搭建整個自動化生產(chǎn)線的出料系統(tǒng)，內(nèi)容包括工作站的空間設(shè)計(jì)、三維模型搭建、設(shè)計(jì)并創(chuàng)建機(jī)械裝置、Smart組件的設(shè)計(jì)連接、工作站之間的邏輯控制、機(jī)器人系統(tǒng)創(chuàng)建和離線示教編程、I/O信號連接等。完成后單擊“仿真控制”選項(xiàng)卡的“播放”運(yùn)行，壓鑄機(jī)啟動加工物料，加工完成后發(fā)出信號，搬運(yùn)機(jī)器人吸取物料放置輸送鏈。完成對物料的質(zhì)量檢測的工作，并將檢測的數(shù)據(jù)即時發(fā)送給碼垛機(jī)器人，最后由碼垛機(jī)器人根據(jù)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，按照3×5的結(jié)構(gòu)進(jìn)行碼垛。碼垛完成一個棧板為一個運(yùn)行周期，如圖9所示。

實(shí)際的生產(chǎn)線中常常以PLC作為中央控制器，采用Profibus現(xiàn)場總線，利用PLC與機(jī)器人等外圍設(shè)備的I/O板進(jìn)行連接，接收和處理壓鑄機(jī)、輸送鏈、輸出線和工業(yè)機(jī)器人等發(fā)送來的信號，執(zhí)行相應(yīng)的操作。在RobotStudio仿真軟件中，Smart組件的功能和應(yīng)用類似于PLC。只要將工作站的I/O信號和工業(yè)機(jī)器人的I/O信號相關(guān)聯(lián)，模擬PLC的功能，與每個工作站和機(jī)器人進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，即可模擬生產(chǎn)現(xiàn)場，離線編寫機(jī)器人的程序和調(diào)試，實(shí)現(xiàn)整條生產(chǎn)線的規(guī)劃和調(diào)整。相比于現(xiàn)場，大大提高了工作效率和節(jié)約生產(chǎn)的成本。

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)針生產(chǎn)線出料系統(tǒng)對于自動化搬運(yùn)、碼垛等的需求，應(yīng)用 RobotStudio仿真軟件，根據(jù) ABBIRB4600工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)制造中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)自動化出料系統(tǒng)的建模仿真，并建立相應(yīng)的控制系統(tǒng)和I/O信號。針對機(jī)器人在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用可能遇到的各種問題，利用虛擬仿真技術(shù)來解決現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)線的開發(fā)調(diào)試和機(jī)器人路徑規(guī)劃困難等問題，為ABB-IRB4600工業(yè)機(jī)器人能夠更好地完成生產(chǎn)線上的各項(xiàng)工作做好準(zhǔn)備。本設(shè)計(jì)在上述各方面都達(dá)到了預(yù)期效果，但是工業(yè)機(jī)器人涉及到的專業(yè)比較多，領(lǐng)域也比較廣，在現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)線中，需要考慮的因素遠(yuǎn)遠(yuǎn)要多的多，對機(jī)器人的參數(shù)設(shè)置和應(yīng)用的要求會更高更嚴(yán)格。