基于RobotStudio的双臂机器人装配工作站仿真设计*

许文燕

(广州南洋理工职业学院，广东 广州 510925)

0 引言

随着经济的不断发展,传统的制造技术已经不能满足现今人们生活的需要,机器人智能制造技术逐渐被研发出来，发达国家许多制造企业都在运用工业机器人进行作业。我国的工业机器人技术也在不断完善,这种技术颠覆了传统的制造模式,将“中国制造”向“中国智造”方向转变，如今我国许多制造企业都在使用机器人智能制造技术。

在工业生产中，装配是一件工程量极大的工作，需要大量的劳动力，由于人力装配出错率高、效率低而逐渐被工业机器人代替。装配机器人的研发结合了多种技术，包括通讯技术、自动控制、光学原理、微电子技术等，研发人员根据装配流程编写合适的程序应用于具体的装配工作。装配机器人的最大特点是安装精度高、灵活性大、耐用程度高。由于饮料灌装生产线中瓶盖与瓶子的装配工作复杂精细，因此生产中较多选用装配机器人来进行装配。本文运用ABB机器人虚拟仿真软件RobotStudio进行装配工作的搭建及布局，通过Smart组件实现双臂机器人饮料瓶与瓶盖的装配动作及逻辑，并结合编程调试实现机器人装配动作。

1 双臂机器人装配工作站搭建及合理布局

利用SolidWorks软件设计好装配平台、零件放置平台、成品放置平台、装配夹具等工作站三维模型，并导入到RobotStudio软件中按照工作站任务进行布局。布局时，机器人与周边部件的位置要合理，以周边部件在机器人工作范围的中间位置为佳，并确认机器人可以顺利到达取、放的最远端。完成布局的双臂机器人装配工作站仿真系统如图1所示。

图1 双臂机器人装配工作站仿真系统

双臂机器人装配工作站仿真系统由双臂装配工业机器人、瓶盖放置台、瓶子放置台、成品放置台和其他周边设备组成。生产线以双臂机器人为控制核心，双臂机器人末端分别安装夹具，用于瓶盖和瓶子的拾取、放置、装配，通过对机器人示教编程及工作站Smart组件的设计，实现双臂机器人装配瓶盖和瓶子的功能。本次仿真选用的装配机器人为ABB协作机器人IRB14000，其工作时无需安全栅栏等安全设施，能与人肩并肩工作，能够快速完成精细复杂的动作。

2 仿真系统设计

2.1 系统工作流程

仿真工作站生产流程如下：首先双臂机器人右臂抓取瓶子放置于装配台上，左臂抓取瓶盖放置于瓶子瓶口处，然后双臂配合完成瓶盖的装配，最后由右臂将装配好的瓶子放置到成品区。

2.2 工作站动态Smart组件的设计

在RobotStudio中创建机器人装配仿真工作站的过程中，传感器检测机构、机器人手爪等装置的动态效果发挥着至关重要的作用，通过Smart组件的设置实现动画效果。在机器人装配仿真工作站中，需要创建STool_L组件实现左臂夹具夹取的动态效果；创建STool_R组件实现右臂夹具夹取的动态效果；创建STool组件实现右臂和左臂夹、取的关联，以完成工件被工具抓取、装配动作。以装配STool Smart组件设计为例，首先添加子组件，包括动作子组件安装一个对象Attacher实现瓶子与瓶盖的装配动作、Attacher_L实现左臂抓取瓶盖动作、Attacher_R实现右臂抓取瓶子动作、Detacher_L实现左臂抓取瓶盖后的释放、Detacher_R实现右臂抓取瓶子后的释放、线传感器子组件LineSensor_L检测左臂抓取到瓶盖的信号、LineSensor_R检测右臂抓取到瓶子的信号及工作站逻辑信号子组件LogicGate_1[NOT]和LogicGate_2[NOT]实现LineSensor_L和LineSensor_R传感器信号取反。机器人装配Smart组件设计如图2所示。

图2 机器人装配Smart组件设计

2.3 装配Smart组件I/O信号设置

本工作站创建一组数字型输出信号di_L/di_R，分别用于双臂机器人左臂和右臂抓取完成信号的发出，设定值均为0，这两组信号用于和机器人左臂、右臂及机器人整体的连接。装配Smart组件I/O信号设置如表1所示。

表1 装配Smart组件I/O信号设置

2.4 装配Smart组件I/O信号连接

I/O信号连接用于本工作站创建的信号与各Smart组件的信号交互，首先由STool组件激活右臂Smart组件di_R信号，触发传感器LineSensor_R，传感器检测到的物料即为右臂手爪Attacher_R抓取的物料，然后由LogicGate_1[NOT]进行di_R信号取反，取反后输出的信号用于抓取后的放置，并配合左臂进行装配Attacher。装配动态效果I/O信号的逻辑连接如图3所示。

图3 装配动态效果I/O信号逻辑连接

真实的工作站以PLC作为中央控制系统，将PLC与机器人等设备I/O板进行连接，经Profinet到Devi-cenet模块的转换，采用现场总线接收工业机器人气缸夹爪等发送来的信号。机器人装配工作站中，设置Smart组件模拟PLC，模拟PLC与机器人通信，对工作站进行离线编程。

3 工作站编程及逻辑设计

在对本工作站进行编程之前，需要对机器人装配的运动路径进行规划，即确定机器人各个动作的示教目标点和连接点与点之间用到的运动指令。

3.1 基准目标点示教

在工作站中提前设置好需要的示教点，以便在后续的编程中调用。在双臂机器人装配工作站中，首先要设置一个机器人安全等待位置点(phome)，其次将基准点的示教分为三个部分：右臂瓶子的抓取位置高位点(pick_R_1h)、抓取位置点(pick_R)、放置位置高位点(place_R_1h)、放置位置点(place_R)；左臂瓶盖的抓取位置高位点(pick_L_1h)、抓取位置点(pick_L)、放置位置高位点(place_L_1h)、放置位置点(place_L)；装配好的瓶子的放置位置高位点(place_H)、放置点(place)。在示教右臂机器人示教点时，工具坐标选用Tool_R,工件坐标需要在右边瓶子放置处设定Work_R，该位置其他瓶子放置位置姿态与该基准可通过偏移指令得出，使用同样的方法可得出左臂机器人工件、工具坐标系。

3.2 机器人IO的设定

为了实现夹具的夹/放动作控制，需要设定虚拟的数字输出信号，这个信号只用于虚拟仿真，并没有与实际的总线或IO板进行关联。机器人IO配置信号如图4所示。

图4 机器人IO配置信号

3.3 仿真程序设计

双臂机器人装配工作站中，由于装配动作较多，在编程时采用模块化编程设计，包括左臂瓶盖抓取子程序、左臂瓶盖放置子程序、右臂瓶子抓取子程序、右臂瓶子放置子程序，在装配主程序中只需要调用各子程序即可完成整个瓶子的装配。通过模块化编程的方式便于后续在真实环境中调试、修改程序，减少工作量，优化程序设计。

3.4 工作站仿真逻辑设计

在双臂机器人装配工作站中创建了三个Smart组件以及一个机器人系统，为了实现三个系统的关联性和双臂机器人装配仿真的自动运行，需要设定仿真时的逻辑。根据工作站运行的效果，确定的装配工作站仿真逻辑设计如图5所示，用于激活Smart组件，实现整个系统的自动运行模式。

图5 装配工作站仿真逻辑设计

4 结束语

本文介绍了机器人装配的设计方案，根据加工实例的要求，构建了仿真工作站的布局，设计了机器人专用的取放料手，创建了动态Smart组件，模拟PLC与生产线、机器人、机床等设备的I/O信号进行通信，实现了ABB机器人自动装配和搬运的路径规划、离线编程和仿真调试。该机器人装配设计方案综合了机械、电气、气动、传感、通信、仿真等技术，大大缩短了装配的设计制造、调试周期，节约了成本，可对深入研究和应用机器人离线仿真技术提供一定参考。