基于RobotStudio的空调压缩机自动装配生产线虚拟仿真＊

刘海龙,吴海波,张 蕾

（湖南铁道职业技术学院，湖南 株洲 412001）

1 引言

在“中国制造2025”战略背景下，以工业机器人应用为核心的智能制造工厂近年得到快速发展，智能制造生产线由原来单一的设备应用转变为大规模的流水线生产集成应用，极大提高了生产效率和质量稳定性，智能制造也是未来产业升级的重要发展方向[1]。目前市场主流的家用空调压缩机有活塞式、滚动转子式和涡旋式三种[2]。本文中以3 匹及以下主流空调用滚动转子式压缩机自动装配工作站为例，对其实际装配生产工序进行虚拟仿真，实现对该压缩机的上下料、四角螺丝安装、安装吸气管和排气管等多道装配工序仿真[3]。在滚动转子压缩机自动化生产线的设计过程中，由于系统集成零部件多、投入较大、多设备的互联与协同作业调试时间长，因此在生产线设计前期，需借助虚拟仿真技术，在虚拟环境中对生产对象、过程、设备、工艺等进行配置与仿真模拟，极大提高生产线设备研发和调试时间、节约设计成本、降低设备的投资风险[4-5]。本文以空调压缩机自动装配生产线为研究对象，利用RobotStudio、SolidWorks 等软件工具设计以3台工业机器人协同配合的装配工作站，包括检测、上下料、轨迹编程、和装配工艺等。针对吴安成等人提出的空调压缩机排气管和吸气管异形轴装配工艺复杂的问题[6]，提出了新的多机器人柔性生产装配协同方案；王轶等人提出利用双视觉在压缩机固定孔三维空间的精确定位问题[7]，本文进行了算法改进和仿真验证；季赞华等人构建了双工业机器人的协同装配螺丝工序[8]，但主要针对双机器人的空间运动轨迹设计分析，对于缺少双机器人通讯上的配合协作方面的内容在本方案中进行了补充。

本文按企业实际生产要求应用SolidWorks 设计模型，利用RobotStudio创建空调外机压缩机自动化装配生产线。针对生产线的布局与结构、压缩机抓取工具、轴承座和倍速链、作业工业机器人进行研究和设计仿真，探讨利用RobotStudio 实现空调压缩机装配生产线最佳解决方案，仿真方案能够完全模拟现场生产环境和生产工艺要求，实现压缩机生产线的上下料、搬运、装配、检测、输送链传送、码垛等生产工序，通过两台工业机器人与外围设备、传感器网络、以太网通信网络组成紧密耦合的工作站，实现系统的自动化运行，并在此基础上优化系统最佳能效解决方案，提高经济效益。

2 自动装配生产线仿真设计

RobotStudio是世界五百强之一的ABB公司开发的计算机仿真软件，该软件是以ABB工业机器人为核心的机械、电气、传感器、通信等综合性的动态设计应用[9]。仿真系统中三维模型的设计通过CAD 软件进行精确设计和导入，RobotStudio 设计工作站布局、工业机器人控制器、示教器、运动轨迹、电气控制信号、传感器网络等配置，在机械物理尺寸和电气控制方面均保证与实物完全一致[10]。因此，在仿真软件中调试好的模型组件可直接应用于生产，程序也可直接导入到实物控制器中运行，完全模拟了真实的工作环境。

2.1 系统总体设计

根据空调压缩机的生产和装配过程、工艺要求，本系统选用ABB IRB2600 型的工业机器人3 台，按工作站的工序流程，分别负责压缩机的上下料、垫片与弹片装配和紧固螺丝装配。系统属于整个空调外机生产线的一个组成部分，系统由工业机器人、压缩机零件、传送链、机器人上料工具、机器人装配工具、传感器网络和辅助外围设备组成。ABB IRB2600型工业机器人最高载荷20kg，臂长1．65m，常应用于上下料、装配等工作站中，非常适合于本设计方案[11]。PLC可编程控制器在虚拟仿真软件中采用仿真逻辑模拟实现其功能。动态机械装置模块采用Smart组件设计。在通信网络上，机器人系统、外围设备、PLC设备采用I/O扩展模块实现数据的交互。系统整体结构如图1所示。

2.2 装配生产线仿真建模

系统的所有外围模型组件均在Solidworks CAD 软件中按设计比例绘制完成，导入到RobotStudio 中，与RobotStudio 匹配格式为STEP AP203/214 格式[12]。工作站外围设备模型组件设计完成后，转换为库文件或模型文件，导入到RobotStudio 中，仿真软件库中可以直接调用对应工业机器人的示教器、控制柜、机器人本体和机器人输送链模型。在RobotStudio 软件中采用“放置”功能配置模型组件的坐标、旋转角度、偏移量等数据，完成工作站的合理布局。为了确保工业机器人对工件作业时不出现奇点，可采用“关节运动”模式操纵机器人以作业姿态到达工件位置，验证系统布局的位置合理性。如图2、图3所示。

2.3 装配生产线工作流程

根据压缩机装配工序要求和工业机器人路径轨迹规划设计，在一个循环的工序中，输送链将空调外机待装配工件运送到指定位置时，有光电传感器检测并将I/O 信号发送给PLC 控制器，输送链运送停止并固定待装配工件，单工业机器人抓取压缩机零部件精确放置安装位，发送信号给PLC，触发输送链到固定工序位。同理待装配工件运送至固定工序位时，由双机器人协同进行螺丝、垫片配置和紧固。装配完成后运送至检测区进行合格性检查。本系统是整个空调外机生产线的重要组成部分，该装配工序需要实现机器人、输送链、PLC的相互通讯和精密配合完成，并且在整个设计过程中均需监控多工业机器人的运行状态和防碰撞设计。详细流程图如图4所示。

3 动态组件仿真设计

工作站模型组件布局完成后，为实现输送链、多工业机器人、多功能工具和传感器检测网络之间的通信和协同[13]。需要先创建并设计所有动态部件的Smart组件，设计好Smart动态组件属性后需要配置机器人和外围设备I/O信号连接及属性，由此确定多机器人、多设备的协同作业的控制逻辑关系。

3.1 Smart组件及控制逻辑

为了实现系统的控制逻辑和动态仿真，主要通过创建Smart组件来实现[14]。为模拟输送链的输送运动功能，首先使用“创建机械装置”功能设计输送链水平机械运动属性，根据实际生产及稳定性要求，速度配置为200mm/s，并生成输送链机械装置Conveyor。为实现压缩机上料机器人的定位上料功能，对机器人多功能夹具创建了SC_Gripper，在夹具中设置线传感器LineSensor 对工件进行三维定位检测，代替现实中机器视觉的功能，夹具的开合机械运动使用I/O端口DO_GripperOpen、DO_GripperClose 控制，夹具启动信号为DIGripper，完成作业输出DOVacuumOK，机械动作时间配置为0．5s。针对双机器人装配协同用紧固工具，创建了SC_Replacement1、SC_Replacement2 两个装配工具组件，并配置了Attacher、Detacher两个螺丝拾取和装配逻辑子组件。以SC_Gripper为例，其设计逻辑如图5所示。

3.2 I/O信号配置及连接

本方案是模拟仿真实际生产线中以西门子PLC S7-1200 为主控单元，为了将PLC、多工业机器人、传送带组件、夹具工装组件和传感器网络等设备实现无缝连接，系统将对所有需通信单元按实际现场设备配置对应的I/O信号。在系统的I/O 设计中，机器人控制设备采用机器人输出信号与执行机构的Smart 组件输入信号相连，机器人接收传感器信号采用机器人输入信号与传感器的Smart 组件输出信号相连[15]。由于I/O 信号涉及组件较多，本文以核心的双装配机器人系统I/O 信号的配置为例，装配机器人单台配置3个数字输入信号、5个数字输出信号和1个模拟输出信号；数字输入信号分别为合作机器人准备完成、工件准备就绪和螺丝装载完成；数字输出信号分别为与合作机器人配合本机完成、拾取安装螺丝、启动传感器检查、启动输送带和装配完成；模拟输出信号为控制装配工具。单台装配工业机器人I/O信号的参数如表1所示。

表1 AssemblyRobot1 I/O信号的变量参数

4 系统编程与调试

4.1 机器人离线编程

在完成装配生产线的模型布局、Smart 组件设计和I/O连接设计后，根据整个系统的工作逻辑设计工业机器人的运动轨迹和工序流程[15]。程序设计的关键点在于对工件、装配件等目标点的精确定位和放置，有误差则会发生碰撞的危险。其中机器人的规划路径采用TCP 跟踪，可以清晰的跟踪TCP路径并验证其合理性。为获得机器人工具与工件对象位置的精确偏移量，添加接近检测功能，安全距离控制在2mm 之内，当工具与工件之间的轨迹小于1mm时显示预警黄色，该方法可以有效控制机器人运动的轨迹精度。

工业机器人的程序在RobotStudio中的RAPID系统中设计，程序根据功能的区分设置不同的功能程序模块，由Main主函数进行逻辑控制和功能函数调用[16]。工作站启动后需要立即进行设备及I/O 端口的初始化操作，否则有可能导致硬件设备动作逻辑错乱的可能。由于系统拾取和搬运的动作逻辑较多，此处以机器人装配件上料模块举例，其主程序如下：

CONST．robtarget．Target_10：=[……]；!定义拾取目标点位置

CONST．robtarget．Target_20：=[……]；!定义放置目标点位置

PROC main( )

rInitAll；!初始化设备状态

VelSet 150，300；!速度控制

ClkStart clock；!计时开始

WHILE TRUE DO；!循环

MoveL pStart，v150，fine，tPickToolwobj：=Pickwobj；!上料定位

WaitDI Di_RobotRy，1；!机器人就位

WaitDI Di_WorkpieceRy，1；!输送链位置检测

PickupScrew；!调用上料函数

Set Do_PickupScrew；!上料完成通信

Set Do_OpenConveyor；!重启输送链

PlaceScrew；!调用放置函数

Movel Home；!机器人回到home点

ENDWHILE

ClkStop clock； ! 停止计时

Time1：=ClkRead(clock1)； ! 读取时钟

ClkStart Timer； ! 统计机器人运行时间

ENDPROC

……

4.2 系统仿真与调试

完成工业机器人轨迹编程和系统的工作逻辑后，配置系统的启动数字输入信号DIStart，配置系统运行仿真进入点指针p，配置系统循环运行模型，单击“仿真-播放”运行[17]。DIStart 启动系统，系统硬件初始化、I/O 端口初始化，输送链启动运行，线传感器检测工件安装底座运行至指定位置时，触发输送链减速停止；同时机器人接收线传感器到达信号，抓取压缩机进行上料，上料完成触发输送链运行至双机器人装配工序。同理，工件定位后，一台机器人进行安装垫片、弹片，另一台机器人装配螺丝并紧固，完成后触发输送链运行至下一道工序，本工作站作为整个空调外机生产线的一个组成部分，对上道工序和后道工序均保留有设备接口，具有良好的扩展性。

在RobotStudio仿真软件中，Smart组件的功能上模拟了PLC 控制逻辑的功能，动态组件模块的控制逻辑均通过Smart 组件设计。系统设计有丰富的对外接口，与其他部件进行关联和通信，整个工作站的逻辑在仿真配置中，配置多机器人、Smart 和机械组件的系统工作逻辑。通过仿真和调试，整个工作站能够循环、平稳、高效运行，大大提高现场调试效率和调试周期，达到了预期设计目标。

5 结束语

根据空调压缩机装配工艺流程，搭建了压缩机自动化上料和装配生产线模型，设计了Smart动态逻辑组件、传感器、I/O控制及通信网络等电气、机械部件，通过设计多工业机器人轨迹编程实现了系统的动态仿真。利用虚拟仿真技术很好地解决了工业机器人为核心的自动化生产线研发投资大、调试设备难、机器人路径规划难等难点问题，不仅可以为实际的空调压缩机自动装配生产线提供理论依据和实验平台，还能有效支撑对自动化生产线的后期升级，对布局的合理性、优化机器人运行轨迹、提高加工效率和节能降耗方面可提供便捷的验证平台，且具有重要的指导意义。