工业机器人写字工作站的研究*
2021-10-11武永强车恒恒
武永强，于 涛，车恒恒
(1.辽宁工业大学 机械工程与自动化学院，辽宁 锦州 121000;2.塔里木大学 机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300)
0 引言
工业机器人凭借其优越的性能以及成熟的离线编程环境，在我国工业领域应用十分广泛。用机器人代替人进行作业时，必须预先对机器人发出指示,规定机器人应该完成的动作和作业的具体内容，这个过程就称为对机器人的编程[1]。
对于工业机器人编程，一般可以分为两种情况：一种是在示教器上直接编程，这种编程方法方便、快捷，适用于简单的程序编辑；另一种是在相应的软件中离线编程，然后再载入机器人控制柜中，这种编程方法复杂、可靠，适用于复杂的编程。
本文为了完善工业机器人写字工作站的编程、实现复杂字体的书写、提高机器人编程效率，对离线编程技术进行了研究，使用RobotStudio离线编程软件完成了工业机器人写字工作站的建立及虚拟仿真，并通过实验完成了特定字体的书写，验证了该离线编程方法的有效性。
1 工业机器人写字工作站的建立
工业机器人写字工作站的建立在工业机器人离线编程中起着至关重要的作用，直接影响到工业机器人在现场作业中的可靠性[2-5]。
工业机器人写字工作站主要由ABB IRB120机器人、机器人基座、机器人控制柜、控制柜底座、末端工具Pen、桌面、写字工作台、字体模型和地板Floor等组成。采用RobotStudio建立的工业机器人写字工作站如图1所示。
图1 工业机器人写字工作站
2 Smart组件的使用
在离线编程软件RobotStudio中，工业机器人的末端工具Pen不能在写字工作台上留下书写痕迹，所以不能够直接看到写字的路径，RobotStudio中的Smart组件专门解决此问题[6-8]。
在工业机器人写字工作站中设置了显示路径的Smart组件和显示笔画的Smart组件，以“武”字的第一笔为例，路径及笔画显示效果如图2所示。
图2 “武”字的第一笔路径及笔画显示效果
在工业机器人落笔时显示路径，可以直观地看到工业机器人末端工具Pen的笔尖沿着所示路径运行。在该路径运行完成起笔时显示笔画，表明该笔画写完。显示路径和笔画的Smart组件设计分别如图3和图4所示。
图3 显示路径的Smart组件设计
图4 显示笔画的Smart组件设计
3 工业机器人I/O信号板的创建及I/O口的配置
3.1 工业机器人I/O信号板的创建
工业机器人I/O信号板对工业机器人十分重要，工业机器人利用系统I/O信号板的I/O信号与工作站的其余设备进行I/O通讯，I/O通讯可以很好地衔接机器人与工作站其他设备[9]。
工业机器人写字工作站中设备较少，故配置一个标准信号板DSQC651(8输入、8输出)，并命名为board10，地址总线为10。在示教器中依次单击“菜单”—“控制面板”—“配置”—“DeviceNet Device”，可添加或者查看I/O信号板[10，11]。
3.2 工业机器人系统I/O信号配置
为了能够更加方便地操作工业机器人写字，这里适当地配置工业机器人系统I/O信号使外部信号能够直接给工业机器人下命令。工业机器人系统的I/O信号配置一般采用DeviceNet Device控制总线，在已经创建好的board10标准信号板上配置I/O信号。工业机器人系统部分I/O信号配置如表1所示。表1中的输入信号需要连接到相应的系统输入才能启动机器人的相关操作。
表1 工业机器人系统部分I/O信号配置
3.3 工作站I/O信号配置
工作站的I/O信号就是模拟机器人输入或者输出所连接的外部信号，利用外部信号能够有效地控制机器人和工作站中的其余设备。工作站部分I/O信号配置如表2所示。
表2 工作站部分I/O信号配置
4 机器人程序编辑及工作站逻辑设计
4.1 机器人程序编辑
本文利用RobotStudio离线编程软件中的自动路径工具生成相应的路径，最后再生成相应的程序。具体程序编辑步骤如下：
(1)在建立好工业机器人写字工作站以后，定义工具坐标Pen_TCP以及工件坐标系workobject_1。工具使用的是机器人库中的“Pen”，机器人系统中有其相应的工具数据，直接使用即可；工件坐标系workobject_1基于写字工作台上表面的一个直角建立，这样有利于在实际现场作业中示教工件坐标系。
(2)利用离线编程软件RobotStudio中的自动路径工具，从三维字体模型表面自动生成路径；重复利用该工具依次生成字体模型的所有笔画，将会得到Path_10～Path_110这样的11条路径。
(3)选中每条路径，利用路径中的“自动配置”、“沿着路径运动”来验证生成的路径是否正确；接着给每条路径设定好程序的入口以及程序出口，设置速度和转角半径的可变量以便后期的优化处理。
(4)将在工作站中的工具数据、工件数据以及路径同步到PC即可有相应路径的例行程序生成；再增加初始化的例行程序rInitialize以及整个程序出入口的例行程序rPHome，保证机器人在运行中断后能再次启动从头再来；最后编辑主程序，将各例行程序依照逻辑顺序添加进来。
(5)利用示教器中的程序自检功能检测程序的正确性，然后仿真运行。
机器人主程序如下：
PROC main()！声明主程序
jixielingdian;！机器人回到机械零点
rInitialize;！机器人初始化 rPHome;!机器人到程序入口
Path_10;！机器人开始写字
Path_20;
Path_30;
Path_40;
Path_50;
Path_60;
Path_70;
Path_80;
Path_90;
Path_100;
Path_110;
rPHome;!机器人从程序入口出来
jixielingdian;！机器人回到机械零点
Stop;！机器人停止
ENDPROC
4.2 工作站逻辑设计
工业机器人写字工作站中只有机器人和各种Smart组件，工作站的逻辑设计相对简单。工作站的I/O连接机器人系统以及工作站中的Smart组件，用工作站逻辑中的设计窗口设计工作站逻辑。工作站部分I/O信号连接如表3所示。
表3 工作站部分I/O信号连接
5 仿真测试与实验验证
5.1 仿真测试
本文通过建立工业机器人写字工作站、创建Smart组件、配置I/O信号、编辑机器人程序及工作站逻辑完成了工业机器人写字工作站的程序编辑，在离线编程软件RobotStudio的仿真模块中进行仿真，工业机器人的写字过程如图5所示。
图5 仿真测试中工业机器人的写字过程
仿真结果表明:工业机器人写字工作站运行流畅、安全可靠，能够达到设计目的；工业机器人写字过程流畅、写字效果真实可见。
5.2 实验验证
将机器人程序与数据导入机器人控制柜；修改工件坐标系使其符合工作台的高度要求；检查无误后开始实验。机器人的写字过程如图6所示。
图6 实验中机器人的写字过程
通过改变写字的速度，观察写字过程，在不同速度下写出的字体如图7所示。
图7 不同速度下写出的字体
通过实验过程可以看出，机器人写字动作流畅、连贯性强、可靠性高；通过示教器模拟输入信号可以使机器人启动和停止，验证了I/O信号的可靠性；机器人在不同的运行速度下写出的字迹几乎相同。可见这种写字工作站的编程方法稳定性高、重复精度好。
6 结束语
本文利用RobotStudio离线编程软件搭建了工业机器人写字工作站，并完成了工业机器人写字路径的创建、写字程序的编辑以及写字工作站的仿真测试与实验验证。结果表明:与现场手动示教直接编写机器人写字工作站程序相比，本文所提出的基于离线编程软件RobotStudio的写字工作站程序编辑方法有效提高了编程效率和写字路径的准确性。
