基于RobotStudio的生产线搬运工作站的仿真设计*

祁晓玲

(山西铁道职业技术学院，山西 太原 030013)

0 引言

随着《中国制造2025》的提出，现代工业制造逐步升级，自动化生产已成为一种必然趋势。中国工业机器人市场蓬勃发展，大大降低了劳动力成本，提高了工作效率[1]。研究解决工业机器人在实际生产制造中可能遇到的一些问题，对自动化的发展进步有着重要意义。为满足市场对专业人才的需求，职业教育应调整教学内容和教学手段，但工业机器人设备昂贵，实际操作有一定安全风险，因此在教学过程中，通过在计算机环境中对实际生产线上各设备进行仿真模拟，可以提高学生的兴趣，降低设备成本和安全风险[2]。

工业机器人已被广泛应用在我国的制造业当中，其中更是以搬运机器人的使用最为广泛[3]，例如在工业制造、仓储物流、烟草、医药、食品、化工、邮局、机场等，都可以见到搬运机器人。在生产作业中通常要使用叉车、输送机、码垛机器人、打包机等一系列设备，这就对搬运码垛机器人的配合提出了很高的要求。在实际操作过程中，不但在时间间隔上有一定的分配，而且在完成码垛的时间上也有较高的要求。

本文以自动化生产过程中搬运输送带运送来的物料系统作为研究对象，研究机器人工作站布局、运动轨迹、仿真动作等，基于RobotStudio离线编程软件进行虚拟仿真，研究实现搬运机器人从传送带上准确抓取物料并将物料整齐地放置在旁边工作台上的整个过程。

1 RobotStudio软件简介

RobotStudio仿真软件是ABB公司研发的工业机器人离线编程软件，作为世界工业机器人的领导者，该软件代表了目前工业机器人离线编程的最高水平。RobotStudio离线编程的关键是虚拟机器人技术，同样的代码可运行在PC和机器人控制器上[4]。因此当代码完全离线开发时，它可以直接下载到控制器，从而模拟真实的工作环境，缩短了将产品推向市场的时间。

2 搬运机器人仿真系统实现思路

2.1 基于RobotStudio的搬运工业机器人仿真系统搭建

ABB IRB2600型机器人主要用于物料搬运、弧焊、组装、喷涂等场合，系统总体的工作流程是：由传送带按一定时间间隔随机送来物料，当物料碰撞到传感器后，发送信号给等待中的机器人，机器人拍照识别物料棱角的方向，准确地抓取物料，并将物料整齐有序地摆放到旁边的放置台上，当物料累加到一定的数量后，将物料运走，重复完成这个动作。

2.2 模型导入及布局

在创建仿真工作站之前，将搬运工作站需要的三维模型全部导入，包括IRB2600机器人、输送链、放置台、工件、相机吸盘。导入模型后的工作站整体布局如图1所示。

图1 导入模型后的工作站整体布局

2.3 传送带工作站设计

传送带适用于物料的传送运输，以减少物料周转的时间，提高工作效率。通过在传送带上安装传感器，控制和监测物料传送带的运行和状态等，如图2所示。

图2 传送带末端传感器

2.4 利用Smart组件创建传送带动态工具并配置I/O信号

在仿真软件中搭建好包括传送带、物料、工作台、相机吸盘等装置的工作站后，要实现工作站的运行动态仿真效果，需要在建模选项卡中新增Smart组件，给几何体赋予仿真的效果。搬运工作站工作流程如图3所示。

图3 搬运工作站工作流程

搬运工作站中，传送带的动态仿真效果对整个工作站的布局起到重要作用。Smart组件是在RobotStudio中实现动画效果的高效工具，具有运动、传感器、信号模拟、逻辑判断、事件触发等功能。传送带仿真的工作效果是：传送带起始端间隔一定时间自动复制产生物料，物料自动传送到传送带末端，碰到面传感器后停止传送，等待机器人抓取，当机器人抓走后，继续产生物料，如此重复这个过程。利用Smart组件创建动态工具的具体步骤如下：

(1) 建立Smart组件[5-7]，修改名称为传送带，便于后续查找，并关闭“可由传感器检测”，避免误触发传感器。添加面传感器PlaneSensor、时钟Timer、直线运动LinerMover、复制对象Source、队列对象Queue、逻辑非门LogicGate。

(2) 设置面传感器PlaneSensor，作用是检测模型到位，即物料碰到挡板停止运动。需要设置面的起点、面传感器的长度和宽度。

(3) 设置时钟Timer，要求每3 s发送一个脉冲信号，脉冲控制复制对象Source，即每3 s复制一个物料。

(4) 设置复制Source，传送带起始端复制物料部件。本工作站中Source相当于一个产品源，每次触发产生新的物料。复制完成后将物料送到队列Queue中。

(5) 设置直线运动LinerMover，将物料整个队列直线运动传送至传送带末端。此外，需设置运动的方向和速度。

(6) 面传感器PlaneSensor与逻辑非门LogicGate(NOT)相连，非门LogicGate(NOT)的输出与时钟Timer和直线运动LinerMover相连，而传感器的输出连接Queue，再与输出I/O信号DW连接。即面传感器碰到东西后，说明物料到位，通知机器人去抓该物体。

(7) 为使复制出的物料位置随机旋转，添加组件随机Random、向量转换器VectorConverter，时钟Timer激活随机Random，随机Random里出来的数连接到向量转换器VectorConverter的z值里面。z与x、y合并的向量传到复制Source的向量里，再将随机完成的信号去触发复制，这样就完成了随机放置物体的传送带的设计。

传送带Smart组件连接如图4所示。

图4 传送带Smart组件连接

2.5 制作夹具

本系统中的夹具也可叫做相机吸盘,吸盘工具的动画效果对这个工作站起着重要作用。在真实的工业场景中多采用数个真空吸盘组件进行抓取物料。本工作站中相机吸盘具有两个功能：一是具有真空吸盘吸起工件和到达目标位置放下工件的功能；二是机器(假)视觉功能。传送带输送来的工件的偏移角度和偏移值需要用相机吸盘组件来进行检测。

在相机吸盘中构建信号，安装传感器。在相机吸盘的组件中，通过将输入I/O信号、LineSensor、Attacher、Detacher、LogicGate(NOT)连接，创建吸盘吸附功能。添加PositionSensor，其功能是在仿真过程中对物料对象进行位置的监测，监测碰到传送带面传感器的物体与待抓取点之间的位置与角度的关系。抓取物料时监测物料的位置如图5所示。

相机拍照时会发出闪光，需要将聚光安装到相机吸盘上，相机可对输送来的物体进行拍照，具有假视觉功能。相机吸盘的聚光如图6所示。

图5 抓取物料时监测物料的位置 图6 相机吸盘的聚光

2.6 机器人离线编程

仿真软件中的示教器编程界面与实际机器人的示教器界面相同，部分程序如下：

PROC main()

MoveAbsJ [[0,0,0,0,30,0],[9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09]],v1000,fine,tool0;//机器人回到机械原点

WHILE 2>1 DO//保证机器人不断去抓取物料

FOR i FROM 0 TO 4 DO //需要搬运5次为一组

MoveJ Target_10,v1000,fine,Tooldata_1WObj:=wobj0;//机器人在等待位置10点

WaitDI DW0,1;//传送带等待到位信号

PulseDoHighPLength:=0.4，ZX0;//传送带到位时，发出闪光，控制脉冲时长为0.4 s

WaitTime 0.5;//等待传送带信号，到位之后有0.5 s的延时

MoveJ reltool(Target_10,-x*1000,y*1000,0Rz:=-zj/pi*180),v100,fine,Tooldata_1WObj:=wobj0; //机器人捕获物体旋转的方向，先旋转到正确的位置

MoveL reltool(Target_10,-x*1000,y*1000,221.03Rz:=-zj/pi*180),v100,fine,Tooldata_1WObj:=wobj0;//准确对正与目标点的位置角度，下来准确抓取物体

WaitTime 0.1;//等待0.1 s

SetDO ZZ0,1;//将物料抓起来

WaitTime 0.5;//等待0.5 s

MoveL reltool(Target_10,-x*1000,y*1000,-200Rz:=-zj/pi*180),v500,fine,Tooldata_1WObj:=wobj0;//提起到抓取点上方一个安全距离

MoveJ reltool(Target_20,0,0,-200),v1000,fine,Tooldata_1WObj:=wobj0;//机器人移动到20上方安全的位置

MoveL reltool(Target_20,0,0,-i*10),v100,fine,Tooldata_1WObj:=wobj0;//准确放置到放置台目标位置，i是放置的次数，第一次是0，放到20点位置；第二次是-10，依次往上叠加

WaitTime 0.1;//等待0.1 s

SetDO ZZ0,0;//放下物料

WaitTime 0.5;//等待0.5 s

MoveL reltool(Target_20,0,0,-200),v1000,fine,Tooldata_1WObj:=wobj0;//机器人抬起到安全位置

ENDFOR

......

2.7 仿真

本设计搭建了生产线上搬运工作站，完成了工作站的布局、三维模型的搭建、Smart组件的连接、离线编程等。准备完成之后，进行仿真测试，可看到搬运机器人等待来自传送带的随机摆放的物料，等触碰到面传感器后，机器人假视觉测试和目标物体的偏移角度和距离，准确下来吸取物料，并将物料整齐地摆放到旁边的放置台上。本系统模拟了实际生产线，与现场操作工业机器人相比较，大大提高了教学效率并节约了成本。

3 总结

本文基于RobotStudio仿真软件搭建了自动化生产线搬运工作站，根据 ABB-IRB2600工业机器人在实际工业制造中的应用，设计了生产线上自动抓取物料的仿真工作站，研究了如何抓取传送带上随机运输来的物料以及假视觉抓取的制作与应用。该仿真平台围绕机器人在实际生产应用中可能出现的问题，利用虚拟仿真技术解决了实际生产线的开发调试与机器人路径规划困难等问题，为工业机器人能够更好地完成生产线上的各项工作提供了实验数据和理论依据。