基于RobotStudio的码垛机器人工作站仿真设计*
2022-10-20区娟兰陈晓康张权芳张天豪王少位
区娟兰 ， 陈晓康 ， 张权芳 ， 张天豪 ， 王少位
（泰州学院船舶与机电工程学院，江苏 泰州 225300）
通信作者：陈晓康（1987—），男，江苏连云港人，硕士，助教，研究方向为机器人运动控制。随着我国经济的飞速发展，码垛机器人在工业生产中的应用越来越广泛，国内有很多在生产或加工时有码垛需求的传统企业，开始由人工作业的搬运和码垛逐步向自动化码垛机器人作业转型[1-3]。然而，对于码垛产品体积较大或重量较重的情况，依靠人工码垛不仅作业强度大、效率低，而且具有较高的风险。因此，为适应我国社会化大生产的需求，提高工业生产中码垛的效率，降低生产成本和人工劳动强度，设计一套自动化码垛系统尤为重要[4-5]。
1 自动化码垛系统
1.1 研究方案
自动化码垛系统既可以利用实际机器人进行操作，同时结合一些相关设备在线编程来完成，又可以利用仿真软件离线编程进行设计。在线编程可以更好地观察轨迹运行过程中机器人的姿态变化，但是与离线编程相比，它需要占用机器人更多的工作时间和运行内存[6]。因此，课题组选用SolidWorks软件搭建机器人三维模型来进行运动分析，并利用RobotStudio软件作为基础平台来进行自动化码垛系统的仿真设计。
1.2 机器人本体建模
课题组在利用RobotStudio仿真软件进行自动化码垛系统仿真设计之前，采用SolidWorks三维建模软件搭建了一款与ABB IRB460码垛机器人相似的本体模型来进行运动学分析。机器人模型如图1所示，可以更好地掌握自动化码垛过程中机器人的运动状态，为本设计的实现奠定了理论基础，机器人的轴运动参数如表1所示。
图1 码垛机器人的本体模型
表1 码垛机器人的轴运动参数
1.3 码垛工作站搭建
课题组设计的自动化码垛系统采用RobotStudio软件进行虚拟工作站仿真设计，机器人在码垛物料时是左右开工的双边单码垛设计，搭建的码垛工作站如图2所示。
图2 码垛工作站设计
当安装在输送链上的面传感器检测到有物料在输送链上输送时，码垛机器人会按照设定的程序对物料进行抓取，先把物料放置在右侧，再抓取物料往左边放置，循环这个流程直到左右两边物料放置的层数都达到预定的码垛层数。自动化码垛工作站的作业流程图如图3所示。
图3 自动化码垛的作业流程图
1.4 码垛工件放置
根据大部分工厂使用的物料，可知码垛产品的具体参数，物料通常以大型箱体为主。课题组选用通用型长、宽、高分别为600 mm、400 mm、250 mm的物料箱作为研究对象。不同的码垛需求对物料的放置有不同的要求，课题组设计的码垛方式是每一层放置5箱，按照横3竖2放置，工件的码垛放置形式如图4所示。
图4 码垛放置形式图
采用上述两种码垛方式，对于通用型的物料箱，通过自动化码垛系统将工作站中左右两侧托盘物料各放置3层，物料放置的效果如图5所示。
图5 物料放置效果图
2 自动化码垛仿真设计
2.1 I/O信号
I/O信号是用来与工作站创建的各个Smart组件进行信号交互的。它是工作站中自己创建的一种数字量信号，可通过将数字输入信号与系统的控制信号关联起来，达到控制系统的目的。I/O信号连接是指设定的I/O信号与Smart组件信号的连接关系以及各个Smart组件信号之间的连接关系。课题组设计的工作站利用I/O信号来实现在自动化码垛各部件之间建立通信连接，最终成功实现码垛作业。
2.2 Smart组件
Smart组件的设计用于使机器人抓取和放置物料及传送带传送物料的I/O信号产生交互和动态仿真，是整个自动化码垛结构设计工作站仿真的核心部分。课题组设计的工作站用到了许多的Smart组件，包括传送带组件SC-InFeeder，动作类子组件如Source、Attacher及Detacher，对象的队列组件Queue，本体子组件LinearMover，传感器组件Planesensor等。其中，真空吸盘组件SC-Gripper是比较重要的，它的工作逻辑如下：当传感器LineSensor检测到物料接触到传感器时，吸盘就会完成抓取物料的动作，物料到达托盘指定的位置后就会把物料放置好，真空吸盘组件逻辑设计关系如图6所示。
图6 SC-Gripper组件逻辑设计关系
2.3 程序设计
码垛机器人抓取和放置物料是码垛过程中相当重要的一部分。码垛机器人抓取和放置过程的部分代码如下：
3 仿真调试
课题组主要对自动化码垛系统进行了设计研究，并通过仿真软件对码垛系统进行了验证。从码垛工作站的搭建、码垛工件放置形式的设置，到I/O信号的设置以及信息流Smart组件的设计；然后根据产品码垛工艺的需求编制合理的程序；最后进行虚拟仿真，在仿真系统的环境中，验证I/O信号的检测是否准确、信息流的交换是否畅通，同时验证码垛工艺是否正确。最终仿真结果验证了自动化码垛系统的设计、配置和工艺的正确性，整个仿真工作站的成功可大幅度地提高码垛作业的效率，缩短码垛系统的开发周期，对于我国工业发展具有重要的现实意义[7-10]。
