基于ABB机器人的码垛工作站仿真研究

马再敏 韩渴望

摘  要：在RobotStudio仿真软件中对末端机械爪、托盘、物料、输送链等进行建模，完成虚拟工作场景空间布局并创建码垛工作站。进行外围设备的Smart组件设计和信号连接，并与机器人本体建立通讯和控制关联。在离线环境下，操作虚拟示教器示教基准点后采用偏移算法规划路径点，完成智能码垛Rapid程序编写和工作过程模拟仿真。研究结果表明：机器人工作站能成功实现物料码垛任务过程，仿真过程中生成的机器人程序经过坐标变换后可以同步到实物机器人中进行实际运行。

关键词：ABB机器人;码垛工作站;虚拟仿真;Smart组件;I/O信号连接

中图分类号：TP24       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）16-0145-04

Simulation Research on Palletizing Workstation Based on ABB Robot

MA Zaimin，HAN Kewang

（Changzhou Technician College of Jiangsu Province，Changzhou  213032，China）

Abstract：In RobotStudio simulation software，model the end manipulator claws，pallets，materials，conveyor chains，etc.，complete the virtual work scene spatial layout and create a palletizing workstation. Carry out Smart component design and signal connection of peripheral equipment，and establish communication and control association with the robot body. In the offline environment，after operating the virtual teach pendant to teach the reference point，the offset algorithm is used to plan the path points，and the intelligent palletizing Rapid program is written and the work process simulation is completed. The research results show that the robot workstation can successfully realize the material palletizing task process，and the robot program generated in the simulation process can be synchronized to the physical robot for actual operation after coordinate transformation.

Keywords：ABB robot;palletizing workstation;virtual simulation;Smart component;I/O signal connection

0  引  言

目前，工业机器人在焊接、喷涂、码垛、打磨等行业的应用已经十分普遍，取得的经济效益也非常明显。此外，工业机器人更是智能工厂的重要组成部分，能够方便地与生产线实现相互联动控制，在企业智能化升级改造中发挥着举足轻重的作用。码垛机器人工作站作为物流自动化生产线的关键设备，随着无人物流技术的快速发展，在智能化和自动化方面也被赋予了更高的要求[1]。常州某物流科技有限公司在生产线规划过程中，相应码垛机器人无法到位，严重影响了整体工程进度，因此委托我校一团队对该型机器人智能码垛工作站进行离线仿真研究，对生产线规划布局、智能控制程序和信号传递中存在的问题进行提前分析解决，以方便后期实際包装码垛过程的同步实现。

本研究以ABB机器人为对象，在RobotStudio中创建虚拟工作站，对生产线码垛机器人的工作过程进行了仿真模拟，为实际机器人配置、编程、调试提供了技术参考。整个系统搭建分为四个层次：首先通过三维建模构建码垛机器人工作场景，其次对模型设备进行Smart组件设计和I/O信号连接，接着创建机器人I/O信号板卡并与外围设备控制信号配置关联，最后规划路径点、编写机器人程序实现智能工作站工作过程仿真和分析。

1  虚拟工作场景建立

实际工业自动化过程项目中，除了机器人本体外还包括很多外围设备，如搬运码垛工程中的输送链、放置托盘、物料等，焊接工程中的送丝机、工作台、变位机等各设备之间协调运行才能构成整个自动化系统[2]。整个码垛机器人工作场景布局如图1所示。

选用的机器人型号为IRB2600，其承重能力为12 kg，有效工作范围1.65 m[3]。机器人末端配备自己建立的简易抓手模型，用来抓取物料。物料通过输送链不停地输送，当到达链的末端时由虚拟传感器检测“到位”信号。此信号反馈给机器人后，机器人会执Rapid程序，输出信号控制抓手进行夹紧/松开，并按照图2所示要求将物料整齐、按顺序地堆放在托盘上。

2  Smart组件设计和I/O信号连接

2.1  Smart组件设计

虚拟仿真中的Smart组件可以用来制作导入模型的动画效果，从而实现外围设备运动模拟[4]。

本研究以码垛自动化过程项目为例，通过添加Smart组件实现了工作站系统“抓手”动作和“物料”输送的动态效果，具体配置情况如表1、表2所示。

2.2  I/O信号连接

I/O信号连接用来实现各个单元Smart组件之间的信号交互[5]。“输送链”Smart组件的信号连接关系如图3所示。SimulationEvents组件在仿真开始时输出脉冲信号1，当Source组件Execute端置1时会创建一个“物料”拷贝，完成复制后Executed端输出1。Queue组件Enqueue端置1后，将产生的复制品执行队列分组和入队操作。同时，PlaneSensor面传感器组件一直处于激活状态，仿真开始“物料”未到达监测平面时，组件SensorOut端输出脉冲信号0，与监测平面相交时输出信号1。该信号一方面作为整个“输送链”组件DO信号（DSDW）输出，另一方面经LogicGate[NOT]取反后分别驱动LinearMover和Timer组件。DSDW=0时，LinearMover组件按设置速度向前移动“物料”，且Timer组件间隔时间定时器开始计时;经过定时时间后Timer输出1，Source组件重新复制1个“物料”跟着移动，此时“输送链”上呈现“物料”等距离输送的动态效果。DSDW=1时，Timer和LinearMover均停止，整个“输送链”处于停止状态。

“抓手”Smart组件的信号连接关系如图4所示，从图中可以看出外部DI信号ZS控制整个组件的动作。ZS=1时，PoseMover_1执行“抓手”夹紧动作，LineSensor组件被激活，此时只要“物料”在抓取范围内，传感器监测到对象后SensorOut端输出1，Attacher组件就将“物料”对象与“抓手”模型绑定，实现机械爪取料的动作效果。其中，Attacher、Detcher组件的Child端为“已安装对象”属性，与LineSensor组件SensedPart端连接后表示组件模拟对象均为当前激活传感器的“物料”对象。ZS=0时，经LogicGate[NOT]取反的信号1分别驱动PoseMover_2和Detcher组件。PoseMover_2执行“抓手”松开动作，Detcher解除“物料”与“抓手”的绑定，两者结合实现机械爪放料动作的模拟。

3  机器人I/O板卡创建和信号配置关联

完成外围设备Smart组件和I/O信号连接后，还需要配置机器人I/O以便和外围设备形成关联控制。为此在机器人系统中配置了1个DSQC651标准I/O板（8个数字量输入/输出，2个模拟量输出）来实现信号传输控制，总线地址设为10。为完成控制任务需要设置2个数字输入输出信号，分别为DI信号ROB_DSDW（关联“输送链”组件输出DSDW）和DO信号ROB_ZS（关联“抓手”组件输入ZS）。在虚拟示教器“菜单”—“控制面板”—“配置”—“DeviceNet Device”和“Signal”下，完成板卡创建和I/O设置。

完成机器人内部信号定义后，需要进行信号连接也就是工作站逻辑设定。“输送链”上物料到达抓取位置后触发“到位”信号（DSDW）被机器人中的ROB_DSDW接收，ROB_DSDW从0变为1。Rapid程序也从等待状态变为往下执行，驱动机器人运动至取料位置后将ROB_ZS置1。当ROB_ZS=1时，控制信號ZS也置1，“抓手”实行夹紧动作完成物料抓取。程序中将ROB_ZS置位信号延时2s，确保“抓手”能完全运动到位实现夹紧，延迟结束后，机器人继续执行程序完成物料堆放。

4  机器人系统编程与仿真

为简化操作步骤，编程时采用偏移算法，只需示教3个基本目标点就可以完成码垛任务程序。即输送链末端抓取物料位置P1，托盘放置基准位置P2、P3。示教时设置工具坐标系ToolGrip，编程工件坐标系选用默认的Wobj0。在软件“RAPID”菜单下的“Module1”选项的main函数中编机器人程序，代码如下：

MODULE Module1

CONST robtarget

……

PROC main（）

VAR num ceng：=1;            ！码垛层数值变量ceng，并初始化=1

VAR num x：=0;               ！码垛物块个数数值变量x，并初始化=0

VAR num j：=0;               ！一层竖排个数数值变量j，并初始化=0

VAR num K：=0;               ！一层横排个数数值变量k，并初始化=0

VAR num z：=0;               ！高度方向偏置量z，并初始化=0

FOR i FROM 1 TO 20 DO

MoveJ offs（Target_10，0，0，300），v500，fine，ToolGrip; ！快速移动到抓取位置上方

Wait DI ROB_DSDW，1;       ！等待物料到位信号DSDW， DSDW=1时，ROB_DSDW=1

MoveL offs（Target_10，0，0，0），v500，fine， ToolGrip; ！直线移动到抓取点

SetDO ROB_ZS，1;           ！令机器人DO信号ROB_ZS=1时，“抓手”DI信号ZS=1

WaitTime 1.1;             ！延时1.1s，等待“抓手”夹紧动作完成

MoveL offs（Target_10，0，0，300），v500，fine， ToolGrip;！直线移动到上方300mm处

IF ceng MOD 2=1 THEN      ！奇数层时

IF i MOD 5<4 and i MOD 5 <>0 THEN ！数量/5的余数<=3时，累成竖排

MoveJ offs（Target_30，100+x，-150，300+z），v500，fine， ToolGrip;

MoveL offs（Target_30，100+x，-150，100+z），v500， fine， ToolGrip;

SetDO ROB_ZS，0;         ！ 松开

WaitTime 1.1;           ！ 延时1.1s，等待松开动作完成，

MoveL offs（Target_30，100+x，-150，300+z），v500， fine， ToolGrip;

x：=x+250;            ！ 放好一个物块后，将下一个物块位置偏置距离计算

j：=j+1;

IF j=3 THEN           ！ 当一层竖排放置满3个后，令偏移距离重新初化

x=0，j=1

x：=0;

j：=0;

ENDIF

ELSE                      ！ 数量/5的余数=4时或0时，累成横排

MoveJ offs（Target_20，150+x，-450，300+z），v500， fine， ToolGrip;

MoveL offs（Target_20，150+x，-450，100+z），v500， fine， ToolGrip;

SetDO ROB_ZS，0;

WaitTime 1.1;

MoveL offs（Target_20，150+x，-450，300+z），v500， fine， ToolGrip;

x：=x+400;

k：=k+1;

IF k=2 THEN

x：=0;

k：=0;

ENDIF

ENDIF

IF i mod 5=0 THEN   ！偶数层时

……………………………

ENDPROC

ENDMODULE

考虑到物料厚度和机器人工作范围，仿真时每个托盘上放置20个物料。程序编写调试完成后，点击仿真运行执行程序，机器人按照5×4的结构进行码垛，最终码垛效果如图5所示。从仿真结果分析，图5托盘上的物料1层、3层时按图2中奇数层规定的方式码放，2层、4层时按偶数层规定的方式码放，整个虚拟工作站符合规定码垛任务需求，可以与实际生产线机器人进行工作站同步[6]。机器人码垛速度可以改变Rapid程序中的TCP速度进行调整，同时仿真环境下也能设置碰撞模块以监视和显示关键位置和对象是否会发生碰撞。

5  结  论

本文以码垛机器人工作站系统研究对象，运用虚拟仿真技术，在PC环境下完成机器人系统的配置、调试、编程和仿真，生成的机器人离线程序经过坐标变换后可以同步到生产线机器人中进行实际运行。整个工作站系统设计方案的成功搭建和模拟不仅为设计者提供了更加灵活的评估环境，同时有助于缩短智能化生产线的研发周期，提高可靠性，对指导实际生产具有重要意义。

参考文献：

[1] 陆叶.基于RobotStudio的机器人柔性制造生产线的仿真设计 [J].组合机床与自动化加工技术，2016（6）：157-160.

[2] 卞秀辉.虚拟仿真技术在高职工业机器人专业教学中的应用 [J].南方农机，2018，49（21）：27-28+33.

[3] 叶晖.工业机器人典型应用案例精析 [M].北京：机械工业出版社，2013.

[4] 王功亮，王好臣，李振雨，等.基于RobotStudio的码垛机器人智能工作站仿真研究 [J].机电工程，2017，34（11）：1359-1362.

[5] 黄明鑫，惠为东.基于RobotStudio的机器人码垛工作站仿真研究 [J].南方農机，2018，49（23）：43-44+51.

[6] CONNOLLY C，张利梅.ABB RobotStudio的技术与应用 [J].机器人技术与应用，2011（1）：29-32.

作者简介：马再敏（1987—），男，汉族，江苏泰州人，工程师，硕士研究生，研究方向：机电一体化。