基于 RobotStudio的机器人夹具动态更换系统仿真设计

摘要：以电机成品装配过程中机器人自动快换夹具为研究对象，基于 SolidWorks三维建模，以及 RobotStudio Smart组件，提出了一种机器人夹具动态更换仿真系统设计方案。首先对机器人末端夹具及外围设备进行三维实体建模，通过 RobotStudio接口导入.stp 或.sat格式文件，创建工具及机械装置，完成整个工作站的空间布局;然后依据实际系统工作流程，创建仿真运行 I/O信号，进行了动态 Smart组件的设计、工作站的逻辑连接，机器人离线编程，最终实现了机器人侧夹具动态更换仿真，完成了电机成品虚拟装配，可为从事机器人系统仿真工程技术人员提供一定参考。

关键词：RobotStudio;Smart组件;夹具动态更换;仿真设计;离线编程

中图分类号：TP242             文献标志码：A

文章编号：1009-9492（2021）12-0122-05

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Simulation Design of Robot Fixture Dynamic Replacement System Based on RobotStudio Software

Li Zhimei

（Shazhou Professional Institute of Technology， Zhangjiagang， Jiangsu 215600， China）

Abstract： Taking the robot automatic quick change fixture in the assembly process of motor product as the research object， a design scheme of fixture dynamic change simulation system was proposed based on SolidWorks 3D modeling and RobotStudio Smart component. Firstly， the end fixture and peripheral equipment were modeled by 3D entity， and the. stp or. sat format files were imported through the RobotStudio interface， and the tools and mechanical devices were created， and the spatial layout of the entire workstation was completed. Then， according to the working process of the actual system， the simulation I/O signal was created， and the design of the dynamic Smart component， the logical connection of the workstation， and the off-line programming of the robot were carried out. Finally， the dynamic replacement simulation of the robot fixture was realized， and the virtual assembly of the motor product was completed， which could provide some reference for the engineers and technicians engaged in the simulation of the robot system.

Key words： RobotStudio; Smart component; fixture dynamic replacement; simulation design; off-line programming

0 引言

智能制造领域内，工业机器人与外围设备协同作业仿真，在不消耗任何实际生产资源的情况下，能以可视化的动态模拟呈现实际生产过程与生产场景，应用在方案前期设计、规划和实施等准备工作中，可提前解决实际生产制造中应用可能遇到的问题，对降低开发成本，缩短生产研发周期，具有十分重要作用[1-2]。

实际生产现场中，机器人末端经常需要通过快换来更换夹具，以进行不同零件搬运装配等工作。在真实的环境中，因有气路、传感器、重力等因素，往往实现起来不成问题，但在仿真方案中，若想呈现联动动态效果，除了机器人 RAPID 语言编程之外，还需另外进行动态 Smart组件的设计、工作站的逻辑连接等[3-4]。本文基于 ABB RobotStudio软件，针对电机成品装配过程中，如何实现动态更换夹具问题，提出一种新的 Smart组件设计方案，以期为相关工程技术人员提供一定技术参考。

1 机器人工作站创建

瑞典 ABB 公司 RobotStudio软件在机器人离线编程方面功能强大，但在三维建模方面功能性有待于优化[5]。可利用SolidWorks/Pro-E 等专业建模软件，对机器人末端夹具及工作站外围设备等进行三维建模，然后转换为.stp 或.sat 格式文件，再导入 RobotStudio 軟件中，创建工具及机械装置，然后构建机器人电机成品装配工作站[6-7]。

1.1 工具及机械装置的创建

工具创建：为了使机器人编程时能选择不同工具坐标系，RobotStudio中导入机器人侧（主侧）快换，在设置本地原点后，可创建其为“工具”。根据3个夹具模型的尺寸，添加3个工具坐标系框架在机器人侧快换装置上，如图1所示。以框架1为例，当其对应1号弧口夹具（带工具侧快换）锁紧至机器人侧快换时，框架1的位置等于该夹具抓取目标对象作用点至 tool0沿 X＼Y＼Z 方向距离。

机械装置创建：以2号浅直口夹具为例，为了使夹具夹爪能实现动态开、合，整装配体导入 RobotStudio后要分整体模型为左瓣爪、右瓣爪、气缸基座3部分，如图2所示。然后“建模”菜单下“创建机械装置”，机械装置类型选为“工具”，依次添加3个链接，注意设置气缸基座 BaseLink 不动件，“接点”设置好夹爪的开合距离，“工具数据”注意 TCP方向等选项。完成后，进行“编译机械装置”，再添加两个姿态“放松姿态”与“夹紧姿态”。1号弧口夹具与3号横直口夹具类似处理[3]。

1.2 机器人装配工作站构建

创建好工具及机械装置后，在 RobotStudio中导入机器人侧快换并拖曳安装至机器人末端法兰盘，然后分别再导入夹具支撑架、立体仓库、搬运模块以及电机组件等，最后导入3个夹具（带工具侧快换）并放置在夹具支撑架上，完成整个工作站的空间布局，如图3所示。

2 夹具动态更换仿真系统设计

2.1 系统工作流程

电机成品装配工作流程如图4所示。任务要求：机器人取1号夹具→抓转子、并装配入定子→放1号夹具、换2号夹具→抓端盖、并装配入定子→放2号夹具、换3号夹具→搬运电机成品入库→放3号工具、返回工作原点。

实际工作站中，机器人自动工具快换装置为日本 EINS OX-03A/0X-03AI ，使用气体锁紧主侧和工具侧，主侧快换配管连接如图5所示，气路换向采用单电控电磁阀。

2.2 动态Smart组件设计

夹具动态更换动画效果须通过 RobotStudio Smart 组件来实现[8-9]。除了机器人末端更换夹具之外，所更换夹具夹爪还须实现开/合以搬运目标对象并装配，故创建两级 Smart组件。一级调用二级。机器人系统通过 I/O与一级 Smart 组件连接。动态 Smart 仿真系统中创建 I/O 信号如表1所示。

（1） 一级 Smart组件设计

一级 SCGripper设计如图6所示，功能定义为拾取各号夹具;二级 SCGripper01～ SCGripper03，功能定义为各号夹具夹爪开合并实现目标对象搬运装配。其中， SC? Gripper01对应1号弧口夹具，SCGripper02对应2号浅直口夹具， SCGripper03对应3号横直口夹具，均由 InSC2信号控制。

工作原理：线性传感器 LineSensor 安装在机器人侧快换上（图7）;当输入信号 Insc 为1时， LineSensor当前检测到哪个夹具，通过三级获取父对象 GetParent 来获取该夹具完整实体，以此作为 Attacher作用对象;当输入信号 Insc 为0时，通过逻辑信号子组件 LogicGate[NOT]来驱动 Detacher释放 Attacher所作用的对象。

（2） 二级 Smart组件设计

线性传感器 LineSensor 安装在夹具两夹爪中间（图8）。二级组件 SCGripper01与 SCGripper02类似。以搬运电机转子 SCGripper01为例，Smart设计如图9所示。

工作原理：当 LineSensor 被输入信号 inGripper01激活，并检测到拾取对象时，通过 PoseMover_2与 Attacher 实现动画夹紧及拾取动作;反之，则通过逻辑取反 Log?icGate[NOT]、PoseMover_1以及 Detacher子组件，实现夹爪动画夹紧及放松动作，放松释放所拾取对象后，通过 LinerarMover2实现自由落体装配入定子，然后通过 At? tacher_2设定与电机定子随动绑定（定义电机定子为父对象）。

SCGripper03主要实现动态搬运电机成品入库， Smart 组件设计如图10所示。线性传感器 LineSensor 被输入信号 InGripper 激活时，当检测到部分拾取对象，通过 GetParent 获取完整电机成品实体，作为 Attacher 与 Detacher作用对象。其他与上述同理，此处不作赘述。

3 系统编程与仿真调试

3.1  工作站逻辑连接

在机器人系统中，添加 I/O板卡 d652，配置 I/O信号 DO15、DO16，机器人系统 System12与一级 Smart组件 I/ O 连接如表2所示。其中，DO15为主盘锁紧/松开信号， DO16为夹具夹爪夹紧/放松信号。

3.2 机器人系统程序编制

当建好工作站三维模型，完成 Smart 动态组件设计，并配置好 I/O信号、以及工作站逻辑连接后，可進行机器人系统离线编程。

（1） 主程序及子程序

主程序与子程序编写如表3所示，其中，main（）为机器人电机装配搬运入库主程序，ToolPick（）为夹具拾取子程序;ToolPut（）为夹具释放子程序。

ToolPos{1}～ ToolPos{3}为 robtarget 型一维数组常量，分别用来存储三个夹具的各自拾取点位;ToolTemp 为 robtarget型可变量，用来存储预备更换夹具拾取点。

（2）电机转子装配路径规划

电机端盖装配 AssembleCover、转子装配 Assem? bleRotor，以及搬运入库子程序 PutInStorage 运动路径类似。此处以机器人装配电机转子为例，其运动路线进行设计如图11所示。示教编程时注意：①夹爪夹紧与放松用 Set/Reset DO16驱动;②工具坐标系须选择1号弧口夹具所对应的 Tool01，因工具创建时已定义在夹具夹取中心点上（图12），所以选择后机器人控制点从便会从末端法兰盘中心转移到该点上，这样随着腕部移动，工具坐标方向也会随之变化。

3.3 夹具动态更换系统仿真调试

在进行夹具动态系统调试前，在 RobotStudio 菜单“仿真”→“重置”→“保存当前状态”为系统初始状态，以便中间出现异常，可返回“已保存状态”进行重置。此外，若机器人程序是在工作站中编写，则须同步到 RAPID ，然后“仿真”菜单下，设置入口程序即可，相关可相关文献[10-15]。

4 结束语

随着智能制造技术发展，虚拟动态仿真技术将会得到大量应用。本文基于 SolidWorks/Pro-E 等三维建模，采用 ABB RobotStudio軟件，针对对产品装配过程中夹具动态更换，提出一种新的 Smart组件设计方法。该方法主要针对快换气路中采用单电控电磁换向阀，若双电控电磁换向阀控制，读者须自己继续尝试。

参考文献：

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[13]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，2014.

[14]叶晖.工业机器人工程应用虚拟仿真教程[M].北京：机械工业出版社，2014.

[15]胡毕富， 陈南江， 林燕文.工业机器人离线编程与仿真技术（RobotStudio）[M].北京：高等教育出版社，2019.

作者简介：李志梅（1979-），女，吉林蛟河人，硕士，副教授，研究领域为机电控制与自动化，已发表论文20余篇。

（编辑：刁少华）