郝建豹，黄世光，李进阳，陆 荣

(广东交通职业技术学院 工业机器人学院，广东 广州 510800)

0 引 言

工业机器人价格昂贵，目前自动化生产线应用机器人数量比较多，因此多机器人生产线建设普遍存在资金投入大，生产工艺复杂，现场调试工作量大、以及工艺及制造流程等问题，利用虚拟仿真技术可在虚拟环境中对机器人轨迹规划、对生产过程、生产周期进行模拟与优化[1-2]。目前虚拟仿真技术已成为机器人生产线组建的趋势[3-6]。

笔者以模拟生产不锈钢盆的机器人自动生产线为研究对象，利用三维建模软件SolidWorks构建生产线模型，并在RobotStudio虚拟环境中动态模拟生产线的运行过程，可预测生产线的运行状态，验证设备布局的合理性，评估生产效率，并为实体生产线的具体实施、运行、优化提供依据。

1 生产线仿真系统构建

不锈钢盆虚拟仿真系统的设计主要利用SolidWorks软件设计好机器人末端执行器、冲压机、抛光机、激光打标机、卷边机等三维模型，并导入到RobotStudio软件的工作站中，按照加工工序布置模型位置，并在模型库中导入IRB 1410、IRB 52、IRB 910SC、IRB 1520ID、IRB 260机器人，添加I/O信号再对导入的模型组件利用Smart组件实现动作，再通过编写机器人程序示教点坐标最终实现仿真流程。构建的生产线仿真系统图如图1所示。在仿真中实现不锈钢盆自动生产线的冲压机和打磨机、激光打标机、卷边机、加热冷却机的上下料、运转和仓储。

2 生产线运行模式

原材料进入传送带，经传送带运行到指定位置，传感器检测到原材料给出信号，冲压机上下料机器人接收到信号，冲压机完成冲压工艺，打磨机上下料机器人搬运冲压完成产品至外部打磨机，完成后再友内部打磨机打磨，卷边机上下料机器人搬运打磨完成品至激光打印机，激光打印完成，机器人搬运至卷边机进行卷边，最后经过淬火机、冷却机，工序全部完成，生成成品不锈钢盆。使用码垛机器人进行码垛，搬运至AGV小车，AGV小车检测到装有6个成品，AGV小车运行，卸货后AGV小车返回。其连续生产运行模式具体如表1所列。

图1 不锈钢盆虚拟仿真生产线整体布局1.AGV小车 2.码垛机器人 3.冷却机 4.原材料供应仓 5.冲压上下料机器人 6.冲压机 7.加热机 8.自动抛光机 9.外部抛光打磨上下料机器人 10.内部抛光机器人 11.自动卷边机 12.激光打标卷边上下料机器人 13.激光打标机

表1 生产线连续运行模式

3 机器人手部及典型工作站设计

3.1 手部设计

此次仿真原材料为不锈钢材料，其尺寸为直径为32.64 cm，厚度0.20 cm的不锈钢板，模拟不锈钢盆具体尺寸如图2所示。工业机器人手部的设计主要考虑的是工件的外形特点以及工件的吸取方式。因为原材料工件为不锈钢板，这种材料表面比较光滑平整而且是薄板，所以适合使用气吸附式末端执行器来进行吸取。

考虑到生产线不同的工序需要以不同的姿势吸取工件的不同的部位，因此生产线中设计并使用了了两种不同的吸盘，一种是用来吸取原材料和不锈钢盆底部，另一种是用来吸取不锈钢盆的侧表面，如图3所示。

图2 模拟生产不锈钢盆图

图3 机器人手部坐标系

3.2 冲压工作站

冲压工作站主要由上下料机器人、冲压装置、模具等组成，具体如图4所示。

图4 冲压机

当机器人将原材料送进冲压机时，机器人回到安全原点，冲压机的冲压头对原材料进行冲压加工，能达到一次成型的效果，冲压完成后，机器人取料到传送带上，即完成一次冲压加工的步骤。

3.3 打磨抛光工作站

打磨抛光工作站的设计对于整条生产线是至关重要的，它决定着工件表面打磨的加工质量。本站分为外部抛光装置及内部抛光打磨装置，主要由磨具、磨床以及气动夹具组合而成的，具体如图5所示。通过机器人把半成品的不锈钢盆夹取到工位上，将工件置于工位夹具上，由工位夹具牢牢固定工件，调整好抛光轮与工件的相对位置，调整完毕后通过人机界面输入启动各抛光轮的工作参数，启动圆盘、工位旋转按钮，依次把工件放置在工件的夹具上，工件随圆盘旋转的同时，自身在工位上自转，顺序通过各组抛光轮进行抛光，当工件回到取放工件位置即完成一个工作循环，取下成品件再放上新的加工工件，依次循环往复工作即可。

图5 外部/内部抛光工作站

4 系统组件设计与编程

4.1 动态组件设计

为实现整条生产线的动态效果，主要通过添加Smart组件及创建机械装置来实现。以自动抛光机为例，为模拟自动抛光机移动加工的动态效果，首先利用RobotStudio软件的“Smart组件”功能新创建一个Smart组件和利用“创建机械装置”功能设置自动抛光机的机械运动姿态。添加如图6所示的Smart组件子对象组件。

图6 自动抛光机Smart组件子对象组件

安装组件Attacher和拆除组件Detacher可实现工件在抛光机的安装与拆除，使工件随机械的运动而运动，其中PoseMover子对象组件可以使冲压机械运动到不同的姿态，并且可以使用信号来控制这些姿态，从而实现自动抛光机的动态效果。

自动抛光机Smart组件与外部是通过I/O信号来进行通讯的，在仿真下的工作站逻辑功能选项卡中把机器人的输入/输出信号分别与Smart中的输出/输入连接，从而实现机器人对自动抛光机的控制；而自动抛光机Smart组件其中的子对象组件之间是通过I/O连接来进行通讯的。

4.2 机器人程序编制

文中设计的不锈钢盆自动生产线通过机器人相互协调工作的方式完成，以激光打标卷边工作站机器人系统为例，在定义工具坐标系、工件坐标系、I/O信号、 Smart组件等完成后，就可以在PAPID中定义main主程序、rLaser激光打标程序，Crimp自动卷边程序、rInitAll初始化程序等，以及示教目标点等，可以使搭建好的仿真生产线按照设计完成打标及卷边，本站I/O信号如表2所列。

表2 激光打标卷边工作站I/O信号分配表

本站机器人系统部分例行程序及逻辑关系如下:

PROC main()

rInitAll; !执行初始化机器人程序

WHILE TRUE DO

IF di7 = 1 THEN

rLaser; !执行激光打标程序

rCrimp; !执行自动卷边程序

ENDIF

ENDWHILE

ENDPROC

PROC rInitAll()

AccSet 50,80; !加速度设置

VelSet 50, 1000;!速度设置

Reset do40; !放下吸盘

Reset do41; !加热冷却停止

Reset do42; !激光打标停止

Reset do43; !卷边机停止

MoveJ phome4, v1000, fine, tool0;

ENDPROC

5 生产线仿真

在此设计中，主要用机器人将物料从冲压机里面取出搬运到输送链上，进行传送加工，完成物料的周转。机器人在输送链末端等待，产品到位后将其拾取，放置在AGV小车的托盘上面。码垛作业一共搬运6个产品作为一个工作周期，若搬运的产品数量达到6个，将启动AGV小车将装载满的物料运走，卸完货返回，机器人回到等待位继续等待，仿真结束，再进入下一个工作周期。

整条生产线由于不同工序加工时间不同或者单机器人负责双工序的情况，可能导致流水线某个工序出现堆积材料的情况，通过不停调试，找到机器人的最佳运行速度，保证每个工序的实时效率。机器人示教每个点的位置后，进行多次仿真，经优化，码垛机器人在368.2 s内码垛了6个成品，如图7所示。

图7 码垛仿真效果图

从原材料到成品，平均每个成品生产耗时61 s左右，相比于传统人工生产就已经具有更高的效率，还能保证每个产品的加工质量，由此可见，该生产线是可行的。

6 结 语

根据不锈钢盆生产工艺流程，在SolidWords和RobotStudio基础上搭建了不锈钢盆自动生产线模型，并创建了Smart动态逻辑组件，设计机器人程序。通过模拟仿真，达到了预期效果，但是多工业机器人在现实的生产线中，需要考虑的因素更多，如机器人与外围设备的干涉等问题，对机器人的参数设置和其应用的要求会更高更严格。