基于RobotStudio的多工业机器人制链生产线的仿真设计

田国柱,丁 洁

(宁夏天地奔牛链条有限公司，宁夏 石嘴山 753001)

0 引言

工业机器人自动化生产线成套设备已成为自动化装备的主流及未来的发展方向，在国内外许多领域都得到广泛的应用[1-2]。机器人虚拟仿真对生产线中各元素、生产过程等进行模拟，可有效降低生产成本、安全风险等。通过模拟仿真分析预判生产中的各种事件，及时修整工序流程，完成复杂的生产任务，使自动化生产线成为智能化生产线，本文涉及的矿用制链生产线因工序流程过于复杂，历经数年研制才能成功。

当前，多机器人生产线仿真研究中多以机器人间I/O端口进行少量通讯，机器人承担生产工序流程较少，未能真正体现多机协调运作，难以在复杂工序流程的自动化成套设备上推广应用。

通过RobotStudio建立多机器人和多台专用加工设备的自动化仿真制链生产线，模拟现场的生产环境及生产过程，直观查找出多机器人最佳组合方案及机器人与加工设备间的协调控制，探寻出智能化的生产工序流程，指导现场作业。

1 搭建仿真平台

1.1 多机器人仿真应用

机器人系统是自动生产线的核心组成部分，是加工零件在各加工设备间流转的执行机构，单台机器人仿真工作站，根据事先安排好的作用任务进行重复、机械的运动[3]，多台机器人工作站的仿真是在单台机器人仿真基础上进行实现，机器人可以有独立的控制系统，也可以为多机系统，即一个控制系统控制多台机器人[4-5]。制链生产线中采用四台机器人对生产线进行仿真，首先将所需的四台机器人分别导入到工作站中，按布局位置分别进行摆放，然后为机器人创建控制系统，因布局及设计安全多方面因素，机器人1、机器人2、机器人3共用一个控制系统，三台机器人基于一个控制中心，之间协调运作由控制系统计算、通信实现，使各个相应的工作信号的相互通讯达到同步；机器人4单独使用一个控制系统。因此在仿真系统中只有两个机器人系统，机器人系统1包含机器人4程序及I/O系统配置，机器人系统2包含机器人1、机器人2、机器人3三台机器人的程序及I/O系统配置。

1.2 机械设备的仿真应用

机械设备用于完成某一功能，是自动化生产线中重要的组成部分，各机械设备的动态效果对整个工作站起着关键的作用[6]，对产品加工时序及展示效果有着直接的影响，机械设备通常有着复杂的组合动作及机构来完成特定的工作任务。运用SolidWorks软件建立生产线的三维实体模型，设备的固定部件可直接导入到工作站中，活动部件使用RobotStudio创建机械装置功能实现各装置的往复或旋转运动，并设置适当的姿态位置，对于运动中需要搬运产品的机械装置(如机器人夹爪、转运机械手)增加工具数据以便实现抓取动作，机械装置设置好后再安装于固定部件上。一套设备可以有多个机械装置，使用Smart组件功能分别实现各设备成为独立的运行系统。本任务中包含上料架、加热机、转运机械手、编链机、闪光对焊机、去刺机、料箱转盘多套设备组件，分别对各设备组件逐一进行仿真调试，并预留有一定数量的I/O端口，用于后期和其他系统或组件进行通信。

2 仿真系统设计

2.1 生产线的基本流程

制链生产线流程：上料架前端生成棒料，棒料运动到上料架末端时停止，机器人4抓取棒料送入加热机进行加热，加热后的棒料经加热机落料机构送出，转运机械手夹持棒料送入编链机编结成链环，机器人1从编链机取出链环放置在闪光焊机内进行焊接，机器人2将焊接后的链环送入去刺机去除焊接处的毛刺，机器人3将去除毛刺后的链环取出送入编链机与新送入的棒料编结的链环进行串接如图1所示。

图1 制链生产线流程图

2.2 机器人编程

机器人系统1中只有机器人4一台机器人，在上料架和加热机之间搬运棒料，控制程序相对简单。机器人系统2中有三台机器人，机器人1在编链机和闪光焊机之间搬运链环，机器人2在闪光焊机和去刺机之间搬运链环，机器人3在去刺机和编链机之间搬运链环，机器人1、机器人2、机器人3在工位间移动时还需保持同步，链环编结组成后链条落入料箱转盘，料箱转盘亦需随同机器人保持同步转动。三台机器人共用一个控制器时，三台机器人程序指针为同步移动，如何实现协同运转是通过机器人程序来实现的。

三台机器人程序控制流程相似，以机器人1程序为例，首先定义三台机器人为同步工作站可变量及同步点位，通过模拟或实机相配合方法对工件坐标系、工具坐标、抓取放置点位进行设定，然后设置初始化子程序：用以实现数据、信号、原点复位、中断设置等功能，最后利用循环指令进入工作程序，工作程序中调用四条子程序：机器人1在编链机处抓取链环子程序，机器人1向闪光焊机移动子程序，机器人1在闪光焊机处放置链环子程序，机器人1向编链机移动子程序，其中机器人1移动子程序中需利用WaitSyncTask命令判断机器人2、机器人3达到同步点位，实现同步移动，并适当增加延时指令以避免CPU超负荷[7]。

2.3 系统间信号连接

真实的生产线以PLC作为中央控制系统，将PLC与机器人等设备I/O板进行连接，采用Profibus现场总线，接收并处理机床、上下料装置和工业机器人等发送来的信号，仿真生产线中，Smart组件此时可以看成PLC用来模拟数据通信[8-9]。各设备通过Smart组件功能实现每个单独组件的控制，各组件设有I/O端口，再通过机器人控制系统与设备组件之间、设备组件与设备组件间的I/O端口信号进行连接以实现整个模拟工作站仿真运行。

制链生产线工作站部分逻辑图如图2所示。机器人系统2输入信号diR1intoBendMachine与编链机组件输出信号do_ok连接，编链机组件运行发出do_ok信号给机器人1允许其进入编链机，机器人1进入编链机，到达位置后发出doR1inBendMachine信号，连接编链机组件信号di_2，编链机组件等待机器人1离开后继续动作；机器人系统2输出信号doGrip_R1与机器人1夹爪组件输入信号di_close连接，机器人1夹爪组件di_close接收到信号后控制机器人1夹爪拾取、放置链环；机器人系统2输出信号doR1atLeavePos与料箱转盘组件输入信号di_start连接，料箱转盘组件di_start接收到信号后控制料箱转盘转动120°，与机器人1保持同步动作。其他机器人及设备组件设置连接方法相同。

图2 制链生产线工作站部分逻辑图

3 仿真效果分析

3.1 图像效果展示

为了模拟复杂的实际生产状态，需要对仿真工作站进行适当的调整：在制链生产线周围架设安全保护围栏，模拟人员闯入护栏后的流程控制；加工产品链条为多个链环组成，在自然环境下因重力会呈现下垂状态，在仿真工作站中可通过安装于机器人夹爪上的传感器对链环位置进行调整以实现链条下垂状态，模拟链环增加时机器人载荷的变化；闪光焊机焊接链环时有熔融的金属液滴四处飞溅[10]，可通过Smart组件随机数Random改变液滴基准方向复制出大量液体进行线性移动，实现火花飞溅，模拟飞溅防护流程；异常状态的流程处理的模拟，比如机器人夹爪夹空、链环焊口朝向，断环重接等问题；制链生产线起始加工状态为一个链环，逐渐串接增加链环数量，形成三条链条同时处于加工状态，生产线各设备从顺序生产变为同时加工，生产的链条长度到达规定数量后不再编入新的链环，递序退出，仿真模拟效果如图3所示。

图3 制链生产线仿真模拟效果图

3.2 生产线仿真分析

通过改变机器人程序控制机器人进入加工设备子程序及移动子程序的条件，针对各项事件分别编写处理子程序，调整Smart组件逻辑关系及I/O端口连接，逐一进行模拟测试，从动画仿真中发现逻辑错误并进行纠正，将可能预料到问题或生产中出现的实际问题一一解决，收集数据形成“产生式系统”，探寻智能化的工序生产流程。最后对机器人仿真中的生产线进行轨迹规划、生产节拍调整、碰撞检测等。

对模拟仿真后的工序流程进行实机测试表明一个控制系统控制多台机器人时，遇暂停、碰撞、人员闯入等突发事件时可实现同一时间停止，重新启动后自动进入同步状态，带有智能化流程控制的PLC程序及机器人程序可以实现工序流程的自适应，能够实现复杂生产线的安全生产。

4 结束语

本制链生产线仿真平台是在真实平台的基础上，模拟整条生产线进行仿真。在仿真中，通过多机器人控制系统、各设备Smart设计、I/O通讯，模拟实际生产中复杂环境下的生产过程，离线编写机器人程序，规划设备步序，实现生产线所涉及的产品、工具、设备、人员互联互通，数据的整合与交换，制造全流程的状态预知和优化，为实际生产线设计、调试、改造提供理论依据和实验平台，提高生产线匹配率和成功率，减少调试成本，指导现场生产。