基于robosudio的机器人生产线仿真研究

基于robosudio的机器人生产线仿真研究

随着我国制造业的转型和工业机器人技术的成熟，工业机器人在所有行业的自动化线上的应用越来越广泛。机器人生产线的仿真可在生产线规划设计阶段评价、论证方案的可行性;可在仿真环境中，通过动态模拟生产线的运行过程，预测生产线的运行状态，验证设备布局的合理性，分析设备利用率、评估生产效率，并为生产线的优化提供依据应用虚拟仿真技术已成为机器人生产线组建的趋势本文以异形轴生产的多机床加工、多机器人作业的生产线为研究对象，基于RobotStudio平台建立带驱动的多机床多机器人生产线仿真模型，通过工具坐标标定、工件坐标系的标定、轨迹规划及程序编制等，动态仿真了生产线的生产过程。动态仿真可直观地看出机器人的运动轨迹、生产线的生产情况等，对实体生产线升级改造具有指导意义。1仿真生产线工作流程本文研究的机器人柔性制造虚拟仿真生产线是一条基于瑞典ABB公司的RobotStudio软件构建的机器人上下料、装配、装箱于一体的自动化生产线。机器人柔性制造生产线主要有IRB2600机器人1台，并装有移动导轨、数控机床(CNC)2台、IRB910装配机器人1台、周转箱装箱IRB140机器人1台、供料工作站以及管理工作站等，具体如图1所示。生产线功能为加工及装配异形轴，由机器人IRB2600完成两台机床上下料，转到检测站，将加工好的工件放到装配点。仿真生产线工作流程如下:(1)系统启动后，机器人IRB2600将棒料抓取至数控车床内进行槽、内孔、螺纹加工。(2)机器人IRB2600将机床内已完成槽、内孔、螺纹加工的半成品工件，送至检测站，进行检测和换夹。(3)机器人IRB2600将半成品抓取至数控机床内进行圆柱、圆弧加工。(4)机器人IRB2600将加工完成的产品，送到检测站吹气清洗，检测后放到装配台。(5)机器人IRB910完成装配，机器人IRB140将装配完成的产品放置到周转箱。2重要的生产线相关部件的设计和投标2.1双夹持手的设计机器人制造商一般不设计或出售手部，本文结合机器人需抓取的原材料及机床加工的异形轴均为轴形，分别如图2a、图2b所示，为使手部的抓取效率更高，利用SolidWorks设计的带V形手指的双夹持手部，如图3所示。左边夹持手部ToolF1用于夹取原料，右边夹持手部ToolF2用于夹取成品及半成品异形轴。手部驱动方式采用气压传动。2.2工具坐标系和姿态方位机器人手部作业时需要定义工具方位数据来确定工具的姿态，在机器人定义工具方位时可通过基准坐标系的旋转来表示，常用的方法有旋转矩阵法、四元数法和欧拉角法等本文设计的执行装置有两个夹持手部，一个夹持手部坐标系ToolF2，方向与回绕手腕基准坐标系Tool0的Z轴逆时针旋转180°完全相同，如图3所示，旋转坐标系X根据四元数定理可得式中:q另一个夹持手部坐标系ToolF1方向与手腕基准坐标系Tool0完全相同，同理可计算出ToolF1工具姿态方位数据orient=[1,0,0,0]。定义机器人手部TCP位于手腕机基础坐标系的(80,0,240)位置，夹持手部质量为1kg，中心位于手腕基准坐标系的(0,0,1)位置，则机器人工具坐标为2.3待装备工件的装配建立工件坐标系可便于机器人对不同工件进行相同作业时，无需重新编程或示教目标点。对本项目装配工作站的9个待装备工件以及放置装配好工件的周转箱。定义好工件坐标系后，都仅需示教一个目标点，其他可通过Offs功能指令来实现。坐标系的定义可应用示教点与离线捕捉来完成，本文通过离线编程的3点法来完成。其对应的工件坐标系数据分别为定义的坐标系如图4所示。2.4动态仿真模型建立在RobotStudio中数控机床的加工过程、机器人的运动、机器人手部的开合、工件的装配等装置的动态效果是由Smart组件功能实现的，生产线中各组件可由程序或其他装置的Smart组件控制执行。本仿真生产线中最为复杂的组件为数控机床，以机床组件SC＿machine的构建为例，由子对象组件PoseMover创建一个数控机床门的机械装置，建立机床门的开门关门的运动姿态;加工中心主轴选用rotator，其属性旋转对象Object为chuck，旋转速度Speed1200deg/s;子对象SimulationEvents用于仿真开始和停止时发出的脉冲信号。其他子组件属性及信号连接关系如图5所示。机床子对象组件的动态仿真模拟了机床的开关门、工件加工的工作过程。机床组件machine通过数字输入信号di＿open和数字输出信号do＿close与机器人信号连接。3程序的组成3.1机床运动规划仿真生产线模拟加工的产品工艺较为复杂，路径轨迹规划尤为必要。机器人机床上下料需示教的点数共有8个，具体为1个原料抓取点，2个机床放置点，1个检测放置点，1个装配放置点，2个过渡点以及1个不合格品放置点(本文未模拟)，具体位置如图6所示。机器人上下料流程在阶段1～16循环运动，机器人在阶段1及阶段2放置到机床进行加工时，机器人又到供料站抓取工件，这样规划便于提高效率。阶段5、10、13为机床内更换工件过程。对于机器人采用的运动规划，pHome点、过渡点到避障点之间机器人动作范围较大，对轨迹要求不严格，主要考虑干扰及碰撞等问题，所以采用关节插补运动。结合定义的工具坐标系，其机器人运动指令为:MoveJOffs(pCNC＿1,150,-300,0),v1000,z50,ToolF1\WObj:=wobj0。在本站未定义工件坐标系，统一采用大地坐标系wobj0。从避障点到供料抓取点、机床放置点、装配放置点以及检测放置点，机器人运动空间较小采用直线插补运动，机器人TCP轨迹为直线，同时配合机器人手部的开合，采用fine且降速。其机器人运动指令为:MoveLpCNC＿1,v600,fine,ToolF1\WObj:=wobj0。3.2其他程序设计机器人RAPID程序设计前，除定义工具坐标系和工件坐标系外，本生产线定义的程序数据还需通过示教设定、指令定义或测定等方式定义作业远点、各放置点、载荷数据等程序设计所需的程序数据。以机器人机床上下料工作站为例，结合生产流程，本站的应用程序与功能(部分)如表1所示。3.3夹具2去机床1偏移功能要求根据设计要求及轨迹规划，就可在RAPID中离线编制程序，以机器人夹具2去机床1抓取工件程序rC-NC1＿Pick＿3例行程序为例，部分关键指令说明如下:本例行程序中，过渡点pTransition＿1和取工件点pCNC＿1需示教，其余点利用偏移功能指令完成。4在线实时轨迹跟踪为验证机器人机床上下料轨迹规划的合理性以及程序编制的正确性，RobotStudio仿真软件中可通过“TCP跟踪”动态模拟机器人TCP的运行过程，仿真生产线的运行状态。在RobotStudio仿真软件中，设定跟踪颜色为白色、跟踪对象为IRB2600机器人TCP等属性后，并启用跟踪，本项目离线编程运行的轨迹如图7所示。运行轨迹表明编程可达到轨迹规划与编程预期效果。根据TCP仿真轨迹跟踪情况，可进一步优化TCP轨迹，也可观测机器人运行过程中与工作站其他设备是否发生碰撞。另外，优化机器人位置与姿态、改变机器人上下料的速度，调整机器人的运行轨迹，优化机床加工工序，以及控制装配速度等，可将自动生产线的生产节拍调整至最佳的状态，提高整体的工作效率。调试工作完成后，通过仿真可以看到，周转箱已经完成了9个工件的加工与装配，如图8所示。仿真情况说明，所设计仿真生产线能够连续运行模拟生产。模拟生产可以评估生产效率，并指导实体生产线的布局、研发与优化等。5机床上下料程序设计本文基于RobotStudio平台构建了虚拟仿