庫(kù)卡機(jī)器人ROBOTART自動(dòng)搬運(yùn)程序設(shè)計(jì)

高繼恒 馬宇航

摘 要：設(shè)計(jì)是以Robotart為控制系統(tǒng)，編輯搬運(yùn)程序，庫(kù)卡機(jī)器人成為被控制器，實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)過(guò)程。文中通過(guò)Solidworks軟件輔助Robotart軟件建立控制界面以及控制軌跡，進(jìn)行編寫程序，隨后與庫(kù)卡機(jī)器人相互通訊，達(dá)到設(shè)計(jì)軌跡與機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)的一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)Robotart能夠完美設(shè)計(jì)庫(kù)卡機(jī)器人的前進(jìn)、后退、旋轉(zhuǎn)，達(dá)到機(jī)器人搬運(yùn)的效果。

關(guān)鍵詞：Robotart ;Solidworks ;庫(kù)卡機(jī)器人

設(shè)計(jì)以庫(kù)卡機(jī)器人為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出搬運(yùn)程序。在大型的的工廠里，物件的運(yùn)輸、配送也是一大問(wèn)題，人工搬運(yùn)會(huì)浪費(fèi)勞動(dòng)力且效率也相較低下，如果使用機(jī)器人搬運(yùn)速度與效率會(huì)有顯著地提升。在大型的工廠中建立一條自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)鏈，那么無(wú)疑會(huì)省下諸多人工的操作，降低產(chǎn)品的總體成本，獲得更大的收益，讓企業(yè)能夠更好更快的發(fā)展。在建立一條自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)鏈后，產(chǎn)品原料的通過(guò)機(jī)器人搬運(yùn)到運(yùn)輸帶，經(jīng)運(yùn)輸帶傳送至焊接或安裝機(jī)器人的旁邊進(jìn)行安裝、焊接。在傳送到組裝機(jī)器人身邊進(jìn)行組裝，然后傳送至搬運(yùn)機(jī)器及包裝機(jī)器人身邊進(jìn)行包裝搬運(yùn)，配送至成品集裝倉(cāng)庫(kù)中。這一套生產(chǎn)方式至少可以節(jié)約5名人工，企業(yè)的操作工程師通過(guò)機(jī)器人對(duì)機(jī)器人的算法，程序的調(diào)試和定位系統(tǒng)的調(diào)整完美的實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器人，電腦與機(jī)器人，機(jī)器人與機(jī)器人之間的通訊，而本次設(shè)計(jì)就是進(jìn)行人與機(jī)器人的對(duì)接，通過(guò)人工設(shè)計(jì)程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人操控，使得機(jī)器人能夠完成對(duì)物體的抓取、釋放，能夠達(dá)到預(yù)期的效果。

設(shè)計(jì)所用到的實(shí)驗(yàn)設(shè)備有ROBOTART，Solidworks 2014繪圖軟件。

SolidWorks 2014提供的AutoCAD模擬器，它不僅具有CAD的繪圖功能，更是能夠?qū)⒗L制的物體通過(guò)三維立體的方式展現(xiàn)出來(lái)，能夠更加方便的更改數(shù)據(jù)，更叫方便的觀察與體現(xiàn)實(shí)物模擬，使得實(shí)驗(yàn)效果更佳逼真，更能達(dá)到預(yù)期的效果[1]。此次設(shè)計(jì)由于物塊，工作臺(tái)，抓手工具與現(xiàn)實(shí)物體差異較大，所以通過(guò) Solidworks 2014繪圖軟件對(duì)物塊，工作臺(tái)，抓手工具進(jìn)行3D模擬繪制。

模型繪制：

（1）搬運(yùn)物模型繪制

①打開(kāi)SolidWorks 2014繪圖工具進(jìn)入首頁(yè)，打開(kāi)新建，點(diǎn)擊“單一設(shè)計(jì)零部件的三維立體展示”按鈕，然后點(diǎn)擊確認(rèn);

②在左邊瀏覽樹(shù)中選擇上基準(zhǔn)面，點(diǎn)擊工具欄中的“草圖”按鈕，選擇“邊角矩形”按鈕，然后畫一個(gè)長(zhǎng)方形;

③畫完長(zhǎng)方形后，點(diǎn)擊“智能尺寸”按鈕，根據(jù)測(cè)量的實(shí)體物塊，改為長(zhǎng)140mm，寬70mm，然后點(diǎn)擊“退出草圖”按鈕;

④點(diǎn)擊工具欄中的“特征”按鈕，選擇“拉伸凸臺(tái)/基體”按鈕，拉伸60mm，確定按住Ctrl鍵，鼠標(biāo)左鍵選擇物塊表面，在彈出的對(duì)話框中選擇染色按鈕，選擇藍(lán)色對(duì)物塊進(jìn)行染色，然后模型繪制后保存格式均為“.STP”。[9]這種格式能夠成功在RobotArt這個(gè)軟件中使用。

（2）工作臺(tái)模型的繪制

①打開(kāi)SolidWorks 2014繪圖工具進(jìn)入首頁(yè)，打開(kāi)新建，點(diǎn)擊“單一設(shè)計(jì)零部件的三維立體展示”，然后點(diǎn)擊確認(rèn);

②在左邊瀏覽樹(shù)中選擇上基準(zhǔn)面，點(diǎn)擊工具欄中的“草圖”按鈕，選擇“邊角矩形”按鈕，然后畫一個(gè)長(zhǎng)方形;

③畫完長(zhǎng)方形后，點(diǎn)擊“智能尺寸”按鈕，根據(jù)測(cè)量的實(shí)體物塊，改為長(zhǎng)485mm，寬20mm，然后點(diǎn)擊“退出草圖”按鈕，選擇“拉伸凸臺(tái)/基體”按鈕，拉伸為高940mm;

④旋轉(zhuǎn)長(zhǎng)方體，選擇上表面，點(diǎn)擊工具欄中的“草圖”按鈕，選擇“邊角矩形”按鈕，然后畫一個(gè)長(zhǎng)為300mm，寬為485mm的長(zhǎng)方形，選擇“拉伸凸臺(tái)/基體”按鈕，拉伸寬度為45mm;

⑤最后在工作臺(tái)底部添加一塊長(zhǎng)方體，保障工作臺(tái)的穩(wěn)定性;

⑥根據(jù)上述繪制長(zhǎng)寬高分別為480mm，392mm，610mm的工作臺(tái)2。

（3）抓手工具的繪制

量取好實(shí)際中的抓手?jǐn)?shù)據(jù)，然后在SolidWorks中進(jìn)行繪制，步驟如下：

①打開(kāi)新建，點(diǎn)擊“單一設(shè)計(jì)零部件的三維立體展示”，然后點(diǎn)擊確認(rèn);

②在左邊瀏覽樹(shù)中選擇上基準(zhǔn)面，點(diǎn)擊工具欄中的“草圖”按鈕，選擇“圓周”圖樣按鈕，然后畫一個(gè)圓形;

③畫完圓形后，點(diǎn)擊“智能尺寸”按鈕，根據(jù)測(cè)量的實(shí)體物塊，改變圓形的尺寸，然后點(diǎn)擊“退出草圖”，選擇“拉伸凸臺(tái)/基體”按鈕對(duì)圖形進(jìn)行一定規(guī)模的拉伸;

④旋轉(zhuǎn)上述旳圖形，選擇上表面，點(diǎn)擊工具欄中的“草圖”按鈕，選擇“邊角矩形”按鈕，然后畫一個(gè)長(zhǎng)方形，點(diǎn)擊“退出草圖”，選擇“拉伸凸臺(tái)/基體”按鈕進(jìn)行拉伸;

⑤重復(fù)操作第四步。

ROBOTART2018企業(yè)版

RobotArt是工業(yè)機(jī)器人離線編程仿真軟件，它是由中國(guó)的北京華航唯實(shí)機(jī)器人科技股份有限公司推出[2]。RobotArt 2018企業(yè)版這個(gè)軟件能夠根據(jù)幾何數(shù)模的拓?fù)湫畔⑸蓹C(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡，然后根據(jù)設(shè)計(jì)的機(jī)器人進(jìn)行環(huán)境搭建、軌跡設(shè)計(jì)、軌跡仿真、路徑優(yōu)化、后置代碼生成等一系列操作，同時(shí)在仿真中場(chǎng)景渲染、動(dòng)畫輸出于一體，可以快捷的生成效果與現(xiàn)實(shí)極為相符的的模擬動(dòng)畫。RobotArt這個(gè)軟件被廣泛應(yīng)用于打磨、去毛刺、焊接、激光切割、數(shù)控加工等領(lǐng)域[3]。

ROBOTART2018企業(yè)版的主要功能有：

①支持多種格式的三維立體模型，可導(dǎo)入擴(kuò)展名為是stp等格式的三維立體模型文件;

②支持多種品牌工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行于打磨、去毛刺、焊接、激光切割、數(shù)控加工等離線編程操作，如ABB、ADTECH、EFORT、EPSON、埃斯頓自動(dòng)化、Fanuc、GSK、KUKA、華數(shù)機(jī)器人、因高科技、Yaskawa、Staubli、KEBA系列、新時(shí)達(dá)、廣數(shù)等）;

③能夠自動(dòng)識(shí)別與搜索三維立體模型或者CAD模型的點(diǎn)、線、面的信息然后按照操作的路徑自動(dòng)生成軌跡;

④ 軌跡與三維立體模型或者CAD模型特征相互關(guān)聯(lián)，以便達(dá)到模型的運(yùn)動(dòng)或發(fā)生形變，軌跡也能夠隨之自動(dòng)發(fā)生變化;

⑤軌跡設(shè)計(jì)完成后，能夠通過(guò)軟件中某些按鈕使得軌跡優(yōu)化和幾何級(jí)別的碰撞檢測(cè);

⑥支持多種領(lǐng)域的操作，如打磨、噴漆、去毛刺、焊接、激光切割、數(shù)控加工等方向;

⑦支持整個(gè)工作站仿真動(dòng)畫效果的分享，能夠發(fā)布到網(wǎng)頁(yè)、手機(jī)端讓更加廣大的網(wǎng)友學(xué)習(xí)軟件的應(yīng)用及其能夠達(dá)到的效果;

RobotArt軟件正是因?yàn)橛羞@些優(yōu)點(diǎn)，所以此次設(shè)計(jì)選擇它達(dá)到控制機(jī)器人搬運(yùn)程序的設(shè)定。

（1）程序設(shè)計(jì)

打開(kāi)RobotArt，進(jìn)入首頁(yè)，在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)校準(zhǔn)之前需導(dǎo)入實(shí)際運(yùn)用中實(shí)驗(yàn)所用到的庫(kù)卡機(jī)器人，SolidWorks繪制的抓手工具和工作臺(tái)，模塊，導(dǎo)入一個(gè)庫(kù)卡KUKA—KR6—R700—SIXX型號(hào)的機(jī)器人，這是因?yàn)镽obotArt軟件的機(jī)器人模型庫(kù)沒(méi)有KUKA—KR6—R900—SIXX型號(hào)的機(jī)器人，由于實(shí)際運(yùn)用中實(shí)驗(yàn)所用到的庫(kù)卡機(jī)器人工作范圍不超過(guò)700mm，可以用RobotArt軟件的機(jī)器人模型庫(kù)中的R700代替R900。再導(dǎo)入上述定義過(guò)的SolidWorks繪制的抓手工具和工作臺(tái)，模塊。

①進(jìn)入首頁(yè)后，點(diǎn)擊“新建”，在“機(jī)器人編程”工具欄中選擇“導(dǎo)入機(jī)器人”按鈕，導(dǎo)入機(jī)器人KUKA—KR6—R900—SIXX型號(hào)的機(jī)器人，選擇“設(shè)備庫(kù)”，在彈出的窗口中選擇底座和地面，完成環(huán)境的基本構(gòu)造;

②選擇“自定義”工具欄選擇“輸入”，在彈出的窗口中選擇SolidWorks繪制的模型“.STEP”文件，再對(duì)模塊進(jìn)行定義，選擇“定義零件”，在彈出窗口中點(diǎn)擊“確認(rèn)”生成“，robp”形式文件，對(duì)物塊，工作臺(tái)，抓手進(jìn)行重復(fù)操作改變文件形式;

③選中畫面里的機(jī)器人，鼠標(biāo)右鍵單擊，在彈出的菜單中選中“設(shè)置機(jī)器人”，在彈出的窗口中把“J5”設(shè)為90度翻轉(zhuǎn)，第四軸改為翻轉(zhuǎn)，點(diǎn)擊確認(rèn)，隨后選中機(jī)器人，鼠標(biāo)右鍵單擊，在菜單中選擇“回到機(jī)械零點(diǎn)”;

④在“自定義”工具欄中，選擇“導(dǎo)入零件”，導(dǎo)入物塊，然后再選擇“定義零件”在彈出窗口中選擇確認(rèn)，然后點(diǎn)擊“管理附著點(diǎn)”，添加抓取點(diǎn)（+CP），點(diǎn)擊表格中的抓取點(diǎn)，點(diǎn)擊編輯，將坐標(biāo)放置在物塊上，這樣抓取點(diǎn)就生成了;

⑤導(dǎo)入抓手，鼠標(biāo)右鍵單擊，在彈出的菜單中選擇“設(shè)置TCP”，輸入完成后點(diǎn)擊“確認(rèn)”;

⑥導(dǎo)入工作臺(tái)1和工作臺(tái)2，分別選中，然后通過(guò)校準(zhǔn)功能進(jìn)行校準(zhǔn)工作臺(tái)與機(jī)器人之間的距離，點(diǎn)擊菜單欄校準(zhǔn)按鍵，分別指定三個(gè)點(diǎn)，輸入實(shí)際的三點(diǎn)位置測(cè)量值，點(diǎn)擊對(duì)齊;

⑦生成軌跡在環(huán)境與畫面搭建完成后，根據(jù)場(chǎng)景對(duì)機(jī)器人進(jìn)行軌跡設(shè)計(jì)，力求物塊能夠完成工作臺(tái)之間的轉(zhuǎn)換。在進(jìn)行軌跡設(shè)計(jì)中，對(duì)機(jī)器人旳機(jī)械零點(diǎn)插入POS點(diǎn)，然后把抓手移動(dòng)到物塊，在這個(gè)點(diǎn)插入POS點(diǎn)，鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊抓手，在彈出的對(duì)話框中點(diǎn)擊抓取，選中小物塊，再把抓手上升插入POS點(diǎn)，對(duì)抓手移動(dòng)（由于機(jī)器人機(jī)械臂問(wèn)題進(jìn)行兩次移動(dòng)，分別插入POS點(diǎn)），鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊抓手，在彈出的對(duì)話框中點(diǎn)擊釋放，選中小物塊。重復(fù)操作抓手移動(dòng)，插入POS點(diǎn)，軌跡的初步設(shè)計(jì)就此完成;

⑧軌跡設(shè)計(jì)完之后，點(diǎn)擊軌跡，在彈出的窗口中進(jìn)行軌跡優(yōu)化;

⑨點(diǎn)擊“抓取”和“釋放”POS點(diǎn)，添加仿真事件，根據(jù)機(jī)器人的抓手IO地址自定義事件;

⑩畫面仿真。在畫面與軌跡設(shè)計(jì)完成后，可以點(diǎn)擊“仿真”按鈕，進(jìn)行查看機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常，有沒(méi)有軸超限，不可到達(dá)點(diǎn)，進(jìn)行這次虛擬的模擬能夠查看設(shè)計(jì)是否出現(xiàn)問(wèn)題，防止實(shí)體機(jī)器人在運(yùn)轉(zhuǎn)程序時(shí)損壞機(jī)器人;

程序檢查。畫面仿真無(wú)誤后點(diǎn)擊進(jìn)程序，瀏覽程序旳設(shè)計(jì)是否達(dá)到預(yù)期效果。檢查無(wú)誤后進(jìn)行下一步操作。

（2）后置文件

在仿真成功后點(diǎn)擊編譯，在左側(cè)欄軌跡段處右鍵，分別后置每段軌跡，保存軌跡。然后在“機(jī)器人編程”工具欄中選擇點(diǎn)擊“后置”按鈕，瀏覽程序查看無(wú)誤后點(diǎn)擊輸出，生成ca.src和ca.dat兩個(gè)文件，把文件導(dǎo)入在U盤內(nèi)保存。

硬件設(shè)計(jì)

庫(kù)卡機(jī)器人是德國(guó)KUKA公司自1977年開(kāi)始系列化生產(chǎn)的適用于各種用途或者領(lǐng)域的機(jī)器人，并且德國(guó)庫(kù)卡機(jī)器人公司目前是國(guó)際上最大的機(jī)器人制造商之一。庫(kù)卡機(jī)器人主要由機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、示教器（手持操作和編程器）、系統(tǒng)軟件及配套電纜等組成[4]。

坐標(biāo)系原點(diǎn)測(cè)量的方法

庫(kù)卡機(jī)器人的坐標(biāo)系主要是 WORD—世界坐標(biāo)系、ROBROOT—機(jī)器人足部坐標(biāo)系、BASE—基坐標(biāo)系、FLANGE—法蘭坐標(biāo)系、TOOL—工具坐標(biāo)系[5]。庫(kù)卡機(jī)器人確定工具坐標(biāo)系的原點(diǎn)可以用XYZ4點(diǎn)法和XYZ參照法這兩個(gè)方法，確定工具坐標(biāo)系的姿態(tài)可以選擇ABC世界坐標(biāo)法和ABC2點(diǎn)法。

（1）XYZ4點(diǎn)法

將工具的TCP從四個(gè)不同的方向移向一個(gè)參照點(diǎn)（一般選擇尖端點(diǎn)或者具有明顯特征的點(diǎn)），機(jī)器人控制系統(tǒng)從不同的法蘭位置值中計(jì)算出TCP[6]。注：4個(gè)不同方向的法蘭位置不能夠在同一個(gè)平面內(nèi)。

（2）XYZ參照法

關(guān)于一件機(jī)器人的新工具與一件已測(cè)量過(guò)的工具進(jìn)行位置比較測(cè)量，機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行比較法蘭位置，同時(shí)對(duì)工具的TCP進(jìn)行測(cè)量計(jì)算[11]。這種方法適用于幾何相似的同類工具。

TCP測(cè)量

在實(shí)際環(huán)境中機(jī)器人搬運(yùn)工具抓手的TCP和RobotArt軟件中模擬環(huán)境中的TCP位置存在差異，所以必須對(duì)RobotArt軟件中模擬環(huán)境中的TCP位置進(jìn)行TCP校準(zhǔn)，否則會(huì)影響機(jī)器人抓取以及搬運(yùn)的精度。此次運(yùn)用工具測(cè)量選擇“XYZ 4點(diǎn)法”測(cè)量TCP位置[8]。

（1）單擊“投入運(yùn)行”選項(xiàng)，并選擇“測(cè)量”選項(xiàng);

（2）單擊“工具”選項(xiàng)，選擇“XYZ4點(diǎn)法”;

（3）輸入工具號(hào)基工具名（此次試驗(yàn)工具編號(hào)為“7”，工具名為“zhuashou”），點(diǎn)擊繼續(xù);

（4）將機(jī)器人的抓手分別以四種姿態(tài)移至參考點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量TCP，可以參考圖3.2-1展示的姿態(tài)，每次移動(dòng)完畢后點(diǎn)擊“測(cè)量”按鍵，在進(jìn)行下一次姿態(tài)移動(dòng)，重復(fù)操作;

（5）移動(dòng)完畢后輸入負(fù)載工具數(shù)據(jù)并點(diǎn)擊“繼續(xù)”，點(diǎn)擊“保存”按鍵;

（6）點(diǎn)擊“ABC 2點(diǎn)法”以測(cè)量坐標(biāo)系方向;

（7）將待測(cè)工具抓手的一段移動(dòng)到參照點(diǎn)，點(diǎn)擊“測(cè)量”按鈕，在彈出的菜單中選擇是，確認(rèn)此點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn);

（8）將機(jī)器人抓手TCP移向坐標(biāo)系-X軸上的一點(diǎn)，點(diǎn)擊“測(cè)量”按鈕，在彈出的菜單中選擇是，確認(rèn)此點(diǎn)為坐標(biāo)系-X軸上的一點(diǎn)[9];

（9）將機(jī)器人抓手TCP移向坐標(biāo)系+Y軸上的一點(diǎn)，點(diǎn)擊“測(cè)量”按鈕，在彈出的菜單中選擇是，確認(rèn)此點(diǎn)為坐標(biāo)系+Y軸上的一點(diǎn)，最后保存數(shù)據(jù)[10]。

工作臺(tái)模型測(cè)量

模型校準(zhǔn)以基座標(biāo)系為基礎(chǔ)，此時(shí)就需要采用三點(diǎn)法進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)之前需要手動(dòng)操作機(jī)器人抓手分別移至這三個(gè)點(diǎn)，測(cè)量出實(shí)際位置（笛卡爾式）[7]。點(diǎn)擊示教器上菜單鍵，再點(diǎn)擊顯示，再點(diǎn)擊實(shí)際位置測(cè)量出的三個(gè)點(diǎn)實(shí)際位置。

調(diào)試結(jié)果及分析

上機(jī)調(diào)試成功機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了搬運(yùn)程序，達(dá)到了程序設(shè)計(jì)的要求。機(jī)器人達(dá)到了搬運(yùn)效果，證明RobotArt軟件對(duì)于機(jī)器人的控制是能夠?qū)崿F(xiàn)的，這種效果運(yùn)用到實(shí)際工廠中能夠大部分的節(jié)約勞動(dòng)力，增加辦公效率，提高生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量，能夠讓廣大的消費(fèi)者滿意，完美的提高公司的效益，提高社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，讓生產(chǎn)生活更加快速的接受和發(fā)展工業(yè)，讓生產(chǎn)自動(dòng)化，生活自動(dòng)化更加快捷的發(fā)展。RobotArt軟件的控制實(shí)現(xiàn)能夠?qū)崿F(xiàn)一對(duì)多個(gè)機(jī)器人的控制、調(diào)試，能夠讓機(jī)器人隨著環(huán)境的變化而變化自身的運(yùn)行軌跡。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：高繼恒，男（1996.11-），漢族，安徽碭山人，南陽(yáng)理工學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院2014級(jí)本科在讀，研究方向：自動(dòng)化