基于ABB工业机器人自动化搬运工作站的设计

基于ABB工业机器人自动化搬运工作站的设计摘要目前，机器人产业已经在一些发达国家和发展中国家进行大规模的应用，机器人的技术应用已经延展到人们的日常工作、军事、生产等各方面领域。自动化搬运机器人给我们带来很大的便捷，能更加精准的进行高、低空的搬运，无论是大型的重物件，还是精小的物件，都能准确的到位搬运。自动化搬运在高端工业领域占据了很大的市场，几大机器人家族都已经进行垄断式的发展。在仓库或者是一些工厂等存放货物的地方中运用，节省了大批量的劳动力，降低了值班员工们的劳动强度，减少了人为操作产生的误差或是工作过程中对物品造成的损坏，安全性能得到进一步的提高，同时为提高工厂的生产效率做出了一定的贡献，加快了企业的工业发展效率。机器人是一种能有效代替劳动力的一种高端的机器人，是当今人们工作、生活中的小助手。本文主要研究的是基于ABB工业机器人自动化搬运工作站的设计，由于现在各个行业立体式货架存放各类物品使用的越来越广泛，就促进了以码垛工作站为中心作业的工业机器人进行发展。码垛工作站作业体现的是搬运工作站中的一类，把一个毛坯件从一个固定的位置搬运到另外一个锁定的位置上进行放置，然后可以取出放置在另一个位置上，都能实现精准放置。本次任务是对毛坯件进入立体库进行搬运作业，将物体从待搬运位置，搬运至立体库中，然后取出放置桌面。关键词：工业机器人；自动化搬运；精准放置；搬运作业

目录TOC\o"1-3"\h\u1绪论 31.1研究意义 31.2研究内容 41.3国内外研究现状 41.3.1国内研究现状 41.3.2国外研究现状 41.4研究方法 52总体方案设计 52.1总体方案设计 52.2硬件分析 62.2.1传感器选择分析 62.2.2示教器 72.3控制系统分析 82.4本章小结 83模型构建与仿真工作站 83.1毛坯件模型的设计 83.2工作站组件选定 93.3仿真工作站及仿真流程 93.3.1搬运布局设计 103.4板卡与I/O信号的建立 123.5本章小结 134程序编程及仿真运行结果 134.1程序编写 134.2仿真系统调试与测试结果 144.3仿真测试结果分析 144.4本章小结 145结论 14参考文献 15致谢 15

1绪论1.1研究意义随着我国工业上4.0的提出，中国作为世界制造业的大国，正从“中国制造”大国慢慢转往“中国智造”大国的转型，在我国制造行业进行创新驱动发展战略中工业机器人是必不可缺的一部分。基于ABB的自动化搬运工业机器人，是目前各个行业应用覆盖率最广的工业机器人，我国工业机器人的各类设备将从一个成熟的领域走向更成熟应用的领域；目前主要分布在物流和一些工业领域。其中，分布在物流领域的则是代替底层工人劳动力；另外是机器人进行高、低空的精准搬运，这样就更便捷，因而新工业制造企业更愿意使用自动化设备来生产产品；机器人能够自住的根据下达的命令执行工作，是靠自身接收到的程序控制来实现各类指令功能的一种工业机器人。本次搬运工作站的优点是能够提高生产效率，在一些恶劣的工作环境中能确保人身安全，减少出现人员伤亡情况，在自动化搬运的投入使用，能够为企业节省人力，提高产品的生产质量。1.2研究内容本设计由一台ABB公司的IRB2600工业机器人和导轨是IRBT2005为中心搭建一个工作站来完成毛坯件的搬运。通过ABB机器人的工作站软件RobotStudio来进行系统性工件自动化入库、出库的设计和研究。先让毛坯件在传送带上传动，到达传送带末端传感器时停止，ABB机器人可以对毛坯件进行精准的抓取并放置到预设位置上。通过示教器进行自动化自动入库、出库和手动选择入库、出库的选择。入库时可以根据需要放置的位置进行选择，准确的进行放置，取出时也可以精准的取出所需要取出的毛坯件，然后放置桌面时也可以选择确定的位置进行放置。1.3国内外研究现状1.3.1国内研究现状近十年以来，在“十五”、“十一五”攻关计划和863计划等科技计划的支持下，我国开始大力钻研，发展制造工业机器人产业，通过设计、生产、应用等多个方面的不断摸索，在原有的技术上取得了更为突出的进步。总体分析，我国已经掌握了工业机器人的设计、制造、应用过程中的多项关键技术，能够生产出部分机器人关键元器件，开发出弧焊、点焊、码垛、装配、搬运、注塑、冲压、喷漆等工业机器人。大部分企业和科研所已经能对各类机器人进行批量制造；工业机器人控制、驱动系统的硬件设计技术；机器人软件的设计和编程技术、运动学和轨迹规划技术；某些关键技术已达到或接近了国际先进水平，中国工业机器人在世界工业机器人领域已占有一席之地。1.3.2国外研究现状在国外，工业机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备被工业界广泛应用。国外专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。据联合国欧洲经济委员会(UNECE)和国际机器人联会(IFR)的统计世界机器人市场前景看好，从20世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。在发达国家中，工业机器人自动化生产线成套设备已成为自动化装备的主流。国外汽车行业、电子电器行、工程机械等行业已经大量使用工业机器人白动化生产线，以保证产品质量，提高生产效率，同时避免了大量的工伤事故。目前，日本、意大利、德国、欧盟、美国等国家产业工人人均拥有工业机器人数量位于世界前列，全球诸多国家近半个世纪的工业机器人的使用实践表明，工业机器人的普及是实现自动化生产，提高社会生产效率，推动企业和社会生产力发展的有效手段。1.4研究方法(1)通过查阅资料，进行ABB工业机器人在自动化搬运的相关案例进行学习，进行方案的设计，明确设计研究的方向。(2)在网站进行相关资料、文献进行搜集，然后阅读相关期刊，文献，作为这次设计的参考。(3)通过搜集工业机器人与机械设计相关的书籍进行系统性的分析，做好为接下来论文写作做好知识的储备。(4)对Robotstudio仿真软件和三维制图Solidworks软件的进行深入的学习并且能够熟练的使用：Robotstudio机器人仿真软件是对本次设计的工作站进行整体的布局，各部件进行搭建，进行软件上模拟真实现状进行仿真；Solidworks完成毛坯件的设计，做好大小规格的一些参数确定，对不同方案进行比对；然后对传送带传送到的信号和机器人接收到的信号进行调试。 (5)通过寻找资料以及指导老师的建议，对ABB工业机器人进行型号、传感器、传送带等进行规范的选择 (6)对以上进行全面的归纳总结与整理，选取最优方案。具体研究内容如下：1、基于ABB工业机器人自动化搬运工作站的硬件设计(总体设计方案)：完成系统的硬件电路图设计；2、基于ABB工业机器人自动化搬运工作站的软件设计：完成主程序及各模块程序流程图；3、系统的调试与测试结果；4、电路设计合理性；5、传感检测和控制技术；6、基于ABB工业机器人自动化搬运工作站的设计的质量和可靠性。1.5本章小结随着自动化的迅速发展，人们对生活和工作质量的要求也在不断地提高，制造、生产领域对工业机器人性能有了更高的要求，为了满足企业、工厂等一些高空作业现场高效生产，工业机器人性能有待进一步提升。在本章中，对本次设计的研究方案和机器人性能、给人类带来的便利进行了相应的介绍。2总体方案设计2.1总体方案设计自动化入仓库是现在工业化运送过程起着一个重要的作用，有了自动化入库将大大提高我们各企业的效率，对企业的生产环节起到非常重要的作用。本次工作站的设计是模拟实际搬运进行布局和程序编写。ABB机器人对毛坯件搬运到指定区域，如果在立体库中已有物品，会跳过该库，放入下一个库中，搬运完后自动回到待命区。根据机器人系统程序运行使得搬运机器人进行以下工作。在传送带把毛坯件传送到传送带末端时，末端的传感器会给机器人发出一个信号，当机器人收到信号指令时会从初始状态转变成搬运状态，机器人会开始进行物件的搬运，然后按照程序设定的路线进行搬运放置立体库相应的库位。搬运过程中，可以按照摆放顺序依次摆放，也可以手动选择库位进行摆放，如果在立体库中已有物品，会跳过该库，放入下一个库中，然后搬运机器人自动回到起始点；如果全自动取出货物，那么机器人会挨个把库位里的东西给取出放置出料区，可也以选择库位进行取货把货物取出，代替人工作业。2.2硬件分析该系统设计的机器人选用瑞士ABB的IRB2600机器人，导轨型号是IRBT2005，其操作末端的最大承重为10KG，若是物料重量大于10KG会影响机器人的运动；机箱台面上设有供给毛坯件皮带输送机、立仓库、放料皮带输送机、栏栅四个部分组成。根据搬运机器人所设计的程序和运行轨迹，选用机械手夹来对毛坯件进行精准抓取动作。首先把毛坯件放在传送皮带上，随后通过传送将毛坯件传送到皮带末端，等到毛坯件运送到皮带轮末端传感器时，机器人将会从待命区向前运动进行搬运。当机器人进行夹取时，红外测距传感器将会对物体进行探测，确定毛坯件在机器人夹爪抓取范围内。该机器人拥有出色的可靠性，机身小巧，结构坚固，机器本体零部件少、维护间隔周期较长，有效工作范围大而且便于集成，与其相类似的机器人相比工作过程应用领域，工业机器人IRB2600的作业周期缩短了25%。机器人的运动轨迹和运动范围严格设置在安全范围内，使得作业工人能更加容易掌握，更加方便作业的进行，操作者的视觉广阔会大大降低事故发生率。2.2.1传感器选择分析该传动带系统将采用LED白光提供感应照射光源。其目的是为了实现毛坯件通过传送带传动，到达传送带末端的距离进行感应，重点就是能够识别毛坯件运动时的距离的值。设计采用了ZYT-0100-1激光测距传感器，ZYT-0100激光测距传感器数据传输方式采用RS232/RS422，该传感器具有毫米级测量精度，连续检测移动中的物体。工作原理是传送带开始工作传输时，激光传感器开始工作，先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。传输时间激光传感器必须极其精确地测定传输时间，因为光速太快(利用一种简单的统计学原理，即平均法则实现了1mm的分辨率，并且能保证响应速度)。在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离；LED白光测速仪成像在仪表内部集成电路芯片CCD上，CCD芯片性能稳定，该传感器寿命长，且基本不受外界部分环境因素影响。因此，LED白光测速仪测量精度有保证，性能稳定可靠。2.2.2示教器机器人的机旁示教器，是可以对机器人进行示教在线编程和进行离线编程的，使用示教器进行在线编程是最广泛的运用方式。作业人员会根据设定的工艺流程和实际生产需要改变的部分进行结合调整，对各项参数进行调整把控，然后按照任务要求进行编程仿真。在整个示教过程中，示教器的作用一个是对机器人进行调试，再一个是放置机器人发生紧急情况时，对机器人进行紧急制动的作用。其示教器控制是为了出现紧急状况的时候能够进行应急处理。图2-1虚拟示教器图2-2实物示教器2.3控制系统分析根据本次工作站的搬运工作原理，首先需要使用示教器对机器人的运动轨迹进行规划、设定，机器人在搬运的过程中不能卡顿，搬运过程要流畅。在根据示教器进行运行轨迹设定运行后，再对搬运入库、出库、抓拿等一系列动作进行设定，设定结束后进行整体的仿真运行，最终修改程序对其功能进行实现。整个系统需要运用到系统初始化、用示教器手动运行、自动运行、信号显示系统和系统复位几个部分。(1)系统初始化：当一切物品通电，进行安全保护后，在示教器进行初始化，机器人各项的运动部件都会恢复到初始状态，机器人回到原来的初始位置，工作站随时都可以进行工作。(2)手动运行：通过示教器的单个功能块进行工作，通过手动运行模式，可以选择立体库位进行放置毛坯件，可以选择确定的库位进行抓取出来放置。(3)自动运行：按照设定好的程序，机器人自动运行抓取毛坯件进行放置、取出周而复始的循环，直到立体库库位填放满之后停止。取货也是取完货物出来放置之后就会停止作业，机器人回到待命区。按照设定的程序进行运作。(4)信号显示系统和复位系统：通过示教器上信号的显示，可以了解到整个工作站的作业情况，可以观察各个功能块是否有问题。工作过程中一旦有环节出现故障，示教器将出现报警灯故障问题，通过示教器的提示，可以快速找到故障点进行更改数据和复位。2.4本章小结由于现在自动化发展的非常迅速，自动化也解放了很多劳动力，减少了高空作业时所导致人员受伤的现象。此次设计就是自动化搬运，规划好路径和程序，工作人员只需要进行控制面板对机器的操控，进行巡检，就可以安全的完成作业。3模型构建与仿真工作站3.1毛坯件模型的设计为了贴合设计上的毛坯件，根据自动化搬运工作站搬运的毛坯件，使用第三方建模软件SolidWorks进行建模，搭建毛坯件，并将其保存为*.step格式的文件，导入RobotStudio中，此次的毛坯件模型如下图3-1所示：图3-1毛坯件模型通过SolidWorks软件进行构建出的毛坯件模型尺寸：直径75mm、高110mm。3.2工作站组件选定此次工作站的第一步就是对工作站进行搭建，需要用到的物件分别有栅栏、物件输入传送带、物件输出传送带、立体库，这样的工作站组件能够安全的进行搬运作业仿真，机器人在该平台上能够更好地进行I/O信号的仿真，该平台是工业机器人I/O信号对仿真对象进行精准控制的连接桥梁。栅栏组件在本次设计中扮演着非常重要的角色，因为该机器人工作期间，如果出现意外，栅栏能够及时的保护到工作人员。3.3仿真工作站及仿真流程自动化搬运工作站的搭建主要是以小型仓库为基础，使用IRB2600型工业机器人对构造好的毛坯件进出库自动化的搬运任务进行调试，此次工作站的搭建，应该从多个方面、因素进行考虑，工作站需具备高效性、安全性、设备容易维护、机器人作业空间可达性、使用便利等方面综合进行合理布置，此次仿真工作站应用Robotstudio软件进行搭建，工作站的整体布局如下图3-2所示：图3-2仿真工作站基于ABB工业机器人自动化工作站的整体布局结构分布合理，工作站的四周有围栏保护，防止突发事故给工作人员或者给其他设备带来的不可逆的损害，本工作站所要运用到的设备器械为：机箱内设有继电器、机器人主机、机器人滑行导轨、示教器，左侧为物料输送机、皮带传送机、中间为转换平台和机器人、简易立体仓库。3.3.1搬运布局设计该系统布局安排主要按照“进料区”、“出料区”、“出料区”三个区域布局，具体布局如下。(1)进料区进料区有皮带轮工作台，整个进料的工序都在该区域工作台完成。物料从初始端进入，到达皮带轮末端时，传感器监测到物料到位，会给机器人发送信号。由于物料位置要在机器人工作范围内，故该工作台区域设置在机器人的右边位置，以便于搬运工作的完成。具体位置如图3-4。图3-3进料区(2)放置区放置区有专门的立体库，整个物料放置都在该立体库完成存放。由于整个放置物料需要在机器人工作范围内，故该立体库区域设置在机器人的左边位置，以便于放置工作的完成。具体位置如图3-5。图3-5放置区(3)出料区出料区有皮带轮工作台，整个出料的工序都在该区域工作台完成。物料从机器人放置的初始端位置进入，到达皮带轮末端时，物料自动转运走。由于物料放置位置要在机器人工作范围内，故该工作台区域设置在机器人的前边位置，以便于搬运工作的完成。具体位置如图3-6。图3-6出料区3.4板卡与I/O信号的建立I/O信号是进行对机器人或者是对工作站里的一些设备进行信号指令的控制，为工作平台仿真通信提供了连接的桥梁。I/O信号的创建是通过在SmartComponent.xml文件中声明实现的。另外，需要将运行的各类设备与机器人的I/O信号进行匹配连接，从而通过I/O信号对机器人和设备的良好配合运行。图3-7信号配置图根据已经设定的IO信号配置表来对外部接线进行合理的设计制定连接方案。由IO分配表和查阅的接线图中可知，此次ABB机器人采用的是DSQC652通信板卡，DSQC652是16位数字量输入\16位数字量输出分布式I/O模块，所以本设计采用DSQC652板卡一个足以完成此次设计，DSQC652板卡功能说明如下图3-8所示。图3-8DSQC652板卡图因为robotstudio仿真软件没有外部接线，所以部分工作通过示教器完成。此次的ABB机器人使用的是DSQC652板卡，物料输送的设备和机器人之间连接IO信号中转站都是由继电器来完成，使用的电源都是其自身内部，有部分设备的内部使用电源为24V，但不可直接相连接，虽然理论上没问题，但实际上在安全、稳定及在工业中运用是不合理的。3.5本章小结本章结中主要介绍的ABB机器人是6轴机器人，但是根据不同的工作条件和工作环境可以选择其他的机器人。在选择ABB机器人的时候，应对影响因素进行考虑，如负载能力、机器人的运行速度、机器人的可达工作空间等一系列因素。综上最终选用型号为IRB2600的ABB工业机器人、导轨型号是IRBT2005、物料输入传送带机、物料输出传送带机、壁式立体仓库、栅栏，最后搭建成最终的仿真工作站，各个设备IO信号都已经设定完整。4程序编程及仿真运行结果4.1程序编写该程序编写其目的是为了能以实际生产为目的，所以在编写程序调试的过程中，要注意机器人能够顺利的进行搬运，防止在搬运过程中卡滞的现象，程序编写完成后要连接信号，确保搬运工作的顺利进行。4.2仿真系统调试与测试结果通过示教器对程序进行编写，并对程序运行轨迹进行设定，最后进行整个程序的示教仿真。首先让ABB机器人按程序块从自动入库、自动出库、手动入库、手动出库逐一进行仿真，在仿真的过程中如果出现机器人到达不了库位，或是机器人姿态无法转动到设定的入库角度，就要对其进行位姿的改变和程序的变动。接下来是手动入库、出库，手动出入库是在示教器输入相应的库号，然后进行毛坯件的存放和取货，并对其监测是否有到达不了的位置点，出现不能到达的位置点要对其进行相应的调整。最后通过各个模块仿真和连贯仿真测试出机器人能正常运行后，检测出机器人没有到达不了的点位，证明仿真成功结束。4.3仿真测试结果分析从整体的仿真结果分析，此次仿真是顺利的，仿真结果在预期范围内。从仿真的结果来分析，在程序编程，编译的过程，机器人运动的轨迹设定一定要考虑它是否能达到运动点位，货架的参数也是影响仿真差值的因素。该自动化工作平台运动轨迹合理，搬运工作站的布局合理，在搬运过程中，各个程序信号，传送带和机器人的配合时间合适、紧凑。4.4本章小结本次程序编写及仿真，也是跟进国家自动化系统设计的一种，不仅减少了工作量，还节约出了很大一部分的劳动力，为企业节省出一部分资金，此次工作站能准确的、高效率的完成作业，还可以进行成片的管理。自动