基于robosudio的機器人生產(chǎn)線仿真研究

基于robosudio的機器人生產(chǎn)線仿真研究

隨著我國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型和工業(yè)機器人技術(shù)的成熟，工業(yè)機器人在所有行業(yè)的自動化線上的應(yīng)用越來越廣泛。機器人生產(chǎn)線的仿真可在生產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計階段評價、論證方案的可行性;可在仿真環(huán)境中，通過動態(tài)模擬生產(chǎn)線的運行過程，預(yù)測生產(chǎn)線的運行狀態(tài)，驗證設(shè)備布局的合理性，分析設(shè)備利用率、評估生產(chǎn)效率，并為生產(chǎn)線的優(yōu)化提供依據(jù)應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)已成為機器人生產(chǎn)線組建的趨勢本文以異形軸生產(chǎn)的多機床加工、多機器人作業(yè)的生產(chǎn)線為研究對象，基于RobotStudio平臺建立帶驅(qū)動的多機床多機器人生產(chǎn)線仿真模型，通過工具坐標標定、工件坐標系的標定、軌跡規(guī)劃及程序編制等，動態(tài)仿真了生產(chǎn)線的生產(chǎn)過程。動態(tài)仿真可直觀地看出機器人的運動軌跡、生產(chǎn)線的生產(chǎn)情況等，對實體生產(chǎn)線升級改造具有指導(dǎo)意義。1仿真生產(chǎn)線工作流程本文研究的機器人柔性制造虛擬仿真生產(chǎn)線是一條基于瑞典ABB公司的RobotStudio軟件構(gòu)建的機器人上下料、裝配、裝箱于一體的自動化生產(chǎn)線。機器人柔性制造生產(chǎn)線主要有IRB2600機器人1臺，并裝有移動導(dǎo)軌、數(shù)控機床(CNC)2臺、IRB910裝配機器人1臺、周轉(zhuǎn)箱裝箱IRB140機器人1臺、供料工作站以及管理工作站等，具體如圖1所示。生產(chǎn)線功能為加工及裝配異形軸，由機器人IRB2600完成兩臺機床上下料，轉(zhuǎn)到檢測站，將加工好的工件放到裝配點。仿真生產(chǎn)線工作流程如下:(1)系統(tǒng)啟動后，機器人IRB2600將棒料抓取至數(shù)控車床內(nèi)進行槽、內(nèi)孔、螺紋加工。(2)機器人IRB2600將機床內(nèi)已完成槽、內(nèi)孔、螺紋加工的半成品工件，送至檢測站，進行檢測和換夾。(3)機器人IRB2600將半成品抓取至數(shù)控機床內(nèi)進行圓柱、圓弧加工。(4)機器人IRB2600將加工完成的產(chǎn)品，送到檢測站吹氣清洗，檢測后放到裝配臺。(5)機器人IRB910完成裝配，機器人IRB140將裝配完成的產(chǎn)品放置到周轉(zhuǎn)箱。2重要的生產(chǎn)線相關(guān)部件的設(shè)計和投標2.1雙夾持手的設(shè)計機器人制造商一般不設(shè)計或出售手部，本文結(jié)合機器人需抓取的原材料及機床加工的異形軸均為軸形，分別如圖2a、圖2b所示，為使手部的抓取效率更高，利用SolidWorks設(shè)計的帶V形手指的雙夾持手部，如圖3所示。左邊夾持手部ToolF1用于夾取原料，右邊夾持手部ToolF2用于夾取成品及半成品異形軸。手部驅(qū)動方式采用氣壓傳動。2.2工具坐標系和姿態(tài)方位機器人手部作業(yè)時需要定義工具方位數(shù)據(jù)來確定工具的姿態(tài)，在機器人定義工具方位時可通過基準坐標系的旋轉(zhuǎn)來表示，常用的方法有旋轉(zhuǎn)矩陣法、四元數(shù)法和歐拉角法等本文設(shè)計的執(zhí)行裝置有兩個夾持手部，一個夾持手部坐標系ToolF2，方向與回繞手腕基準坐標系Tool0的Z軸逆時針旋轉(zhuǎn)180°完全相同，如圖3所示，旋轉(zhuǎn)坐標系X根據(jù)四元數(shù)定理可得式中:q另一個夾持手部坐標系ToolF1方向與手腕基準坐標系Tool0完全相同，同理可計算出ToolF1工具姿態(tài)方位數(shù)據(jù)orient=[1,0,0,0]。定義機器人手部TCP位于手腕機基礎(chǔ)坐標系的(80,0,240)位置，夾持手部質(zhì)量為1kg，中心位于手腕基準坐標系的(0,0,1)位置，則機器人工具坐標為2.3待裝備工件的裝配建立工件坐標系可便于機器人對不同工件進行相同作業(yè)時，無需重新編程或示教目標點。對本項目裝配工作站的9個待裝備工件以及放置裝配好工件的周轉(zhuǎn)箱。定義好工件坐標系后，都僅需示教一個目標點，其他可通過Offs功能指令來實現(xiàn)。坐標系的定義可應(yīng)用示教點與離線捕捉來完成，本文通過離線編程的3點法來完成。其對應(yīng)的工件坐標系數(shù)據(jù)分別為定義的坐標系如圖4所示。2.4動態(tài)仿真模型建立在RobotStudio中數(shù)控機床的加工過程、機器人的運動、機器人手部的開合、工件的裝配等裝置的動態(tài)效果是由Smart組件功能實現(xiàn)的，生產(chǎn)線中各組件可由程序或其他裝置的Smart組件控制執(zhí)行。本仿真生產(chǎn)線中最為復(fù)雜的組件為數(shù)控機床，以機床組件SC＿machine的構(gòu)建為例，由子對象組件PoseMover創(chuàng)建一個數(shù)控機床門的機械裝置，建立機床門的開門關(guān)門的運動姿態(tài);加工中心主軸選用rotator，其屬性旋轉(zhuǎn)對象Object為chuck，旋轉(zhuǎn)速度Speed1200deg/s;子對象SimulationEvents用于仿真開始和停止時發(fā)出的脈沖信號。其他子組件屬性及信號連接關(guān)系如圖5所示。機床子對象組件的動態(tài)仿真模擬了機床的開關(guān)門、工件加工的工作過程。機床組件machine通過數(shù)字輸入信號di＿open和數(shù)字輸出信號do＿close與機器人信號連接。3程序的組成3.1機床運動規(guī)劃仿真生產(chǎn)線模擬加工的產(chǎn)品工藝較為復(fù)雜，路徑軌跡規(guī)劃尤為必要。機器人機床上下料需示教的點數(shù)共有8個，具體為1個原料抓取點，2個機床放置點，1個檢測放置點，1個裝配放置點，2個過渡點以及1個不合格品放置點(本文未模擬)，具體位置如圖6所示。機器人上下料流程在階段1～16循環(huán)運動，機器人在階段1及階段2放置到機床進行加工時，機器人又到供料站抓取工件，這樣規(guī)劃便于提高效率。階段5、10、13為機床內(nèi)更換工件過程。對于機器人采用的運動規(guī)劃，pHome點、過渡點到避障點之間機器人動作范圍較大，對軌跡要求不嚴格，主要考慮干擾及碰撞等問題，所以采用關(guān)節(jié)插補運動。結(jié)合定義的工具坐標系，其機器人運動指令為:MoveJOffs(pCNC＿1,150,-300,0),v1000,z50,ToolF1\WObj:=wobj0。在本站未定義工件坐標系，統(tǒng)一采用大地坐標系wobj0。從避障點到供料抓取點、機床放置點、裝配放置點以及檢測放置點，機器人運動空間較小采用直線插補運動，機器人TCP軌跡為直線，同時配合機器人手部的開合，采用fine且降速。其機器人運動指令為:MoveLpCNC＿1,v600,fine,ToolF1\WObj:=wobj0。3.2其他程序設(shè)計機器人RAPID程序設(shè)計前，除定義工具坐標系和工件坐標系外，本生產(chǎn)線定義的程序數(shù)據(jù)還需通過示教設(shè)定、指令定義或測定等方式定義作業(yè)遠點、各放置點、載荷數(shù)據(jù)等程序設(shè)計所需的程序數(shù)據(jù)。以機器人機床上下料工作站為例，結(jié)合生產(chǎn)流程，本站的應(yīng)用程序與功能(部分)如表1所示。3.3夾具2去機床1偏移功能要求根據(jù)設(shè)計要求及軌跡規(guī)劃，就可在RAPID中離線編制程序，以機器人夾具2去機床1抓取工件程序rC-NC1＿Pick＿3例行程序為例，部分關(guān)鍵指令說明如下:本例行程序中，過渡點pTransition＿1和取工件點pCNC＿1需示教，其余點利用偏移功能指令完成。4在線實時軌跡跟蹤為驗證機器人機床上下料軌跡規(guī)劃的合理性以及程序編制的正確性，RobotStudio仿真軟件中可通過“TCP跟蹤”動態(tài)模擬機器人TCP的運行過程，仿真生產(chǎn)線的運行狀態(tài)。在RobotStudio仿真軟件中，設(shè)定跟蹤顏色為白色、跟蹤對象為IRB2600機器人TCP等屬性后，并啟用跟蹤，本項目離線編程運行的軌跡如圖7所示。運行軌跡表明編程可達到軌跡規(guī)劃與編程預(yù)期效果。根據(jù)TCP仿真軌跡跟蹤情況，可進一步優(yōu)化TCP軌跡，也可觀測機器人運行過程中與工作站其他設(shè)備是否發(fā)生碰撞。另外，優(yōu)化機器人位置與姿態(tài)、改變機器人上下料的速度，調(diào)整機器人的運行軌跡，優(yōu)化機床加工工序，以及控制裝配速度等，可將自動生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍調(diào)整至最佳的狀態(tài)，提高整體的工作效率。調(diào)試工作完成后，通過仿真可以看到，周轉(zhuǎn)箱已經(jīng)完成了9個工件的加工與裝配，如圖8所示。仿真情況說明，所設(shè)計仿真生產(chǎn)線能夠連續(xù)運行模擬生產(chǎn)。模擬生產(chǎn)可以評估生產(chǎn)效率，并指導(dǎo)實體生產(chǎn)線的布局、研發(fā)與優(yōu)化等。5機床上下料程序設(shè)計本文基于RobotStudio平臺構(gòu)建了虛擬仿