王小刚，李 飞

(1.山西水利职业技术学院 机电工程系，山西 太原 030027；2.北华航空工业学院 机电工程学院，河北 廊坊 065000)

0 引言

国际机器人联合会(IFR)最新发布的《2021年世界机器人报告》显示，2021年在全球工厂中运行的工业机器人达到了300万台，与上一年相比增长了10%。全世界虽然仍在新冠病毒疫情的笼罩下，但工业机器人行业并未受到严重的挑战,中国制造业的订单接收和生产在2020年第二季度开始激增,北美经济在2020年下半年开始复苏，随后欧洲经济也开始复苏[1]。数据显示工业机器人的应用越来越广泛和普及，急需一大批专业人才对工业机器人进行应用编程。为了较好地控制成本，取得可视、可信的运行数据和结果，开发人员一般需要借助虚拟仿真技术对工作实况进行模拟生产，尽可能地减少停机，避免现场编程过程中可能出现的碰撞、干涉、不合理等情况[2]。

为了完善工业机器人吸附式末端执行器物料搬运工作站的编程，实现物料搬运的动态视觉效果，本文基于ABB RobotStudio离线编程工具，对ABB IRB型工业机器人吸附式末端执行器物料搬运工作站进行了仿真应用的研究。通过Smart组件设计、I/O信号的创建与连接、工作站逻辑设定、路径规划、程序设计和仿真运行等手段完成了按指定作业轨迹、工艺节拍要求进行搬运的预期任务。借助虚拟仿真运行软件可以直观地考察运行效果，适时修改配置参数，有效地指导现场生产，极大地提高了设计过程和编程效率，在一定程度上满足了柔性制造的要求，具有较大的生产实践应用意义。

1 搬运工作站

搬运工作站的应用范围广泛，主要用于物料的搬运及码垛，由搬运机器人、末端执行器、机器人控制柜和堆放单元等组成。工件由人力或使用其他装置输送到预定位置，由机器人将其抓取并搬运到料架上，同时可按要求将工件堆放整齐。

在搬运工作站中经常会用到吸附式末端执行器和夹钳式末端执行器。吸附式末端执行器靠吸附力取料，适用于大平面、易碎(玻璃、磁盘)、微小的物体，因此使用面较广。根据吸附力的不同，吸附式末端执行器可分为气吸附和磁吸附两种。气吸附式末端执行器利用轻型塑胶或塑料制成的皮碗通过抽空与物体接触平面密封型腔的空气而产生的负压真空吸力来抓取和搬运物体。与夹钳式末端执行器相比，吸附式末端执行器结构简单、重量轻、吸附力分布均匀，对于薄片状物体的搬运更具有优越性，其广泛应用于非金属材料或不可剩磁材料的吸附，但要求物体表面较平整光滑、无孔、无凹槽[3]。

本文拟将每批4件的易碎玻璃器皿从工作台右侧的待搬运平台上依次搬运到左侧的塑料托架上，准备下一步的打包装箱。为了满足该任务要求，从搬运物料重量、工作台的大小以及经济性的角度出发，仿真工作站可选用以下设备：

(1) ABB IRB120桌面小型工业机器人,负载能力为3 kg,可达范围为0.58 m。

(2) 可实现玻璃器皿搬运的气吸附式末端执行器。

(3) 待搬运的玻璃器皿若干，这里使用三维模型软件创建并导入。

(4) 其他设备,如机器人控制柜、安全围栏等，虚拟仿真中可省略。

2 工作站仿真设计

根据生产现场的任务要求，按照真实环境，利用RobotStudio工业机器人离线编程软件对系统进行了工作站布局规划、搬运流程设计、Smart组件设计、I/O信号创建与连接、工作站逻辑设定等操作。

2.1 工作站布局规划

根据生产应用实际，工作站需要用一台机器人对工作台上的待搬运玻璃器皿由源位置移动到目标位置的塑料托架上。这里工业机器人搬运工作站主要由ABB IRB120型工业机器人、工作台、吸附式末端执行器、塑料托架(目标位置)、待搬运的玻璃器皿(源位置)组成，具体布局如图1所示。

图1 工业机器人搬运工作站布局规划

2.2 搬运流程设计

在工作任务开始之前，由上一道工序将4个待搬运的玻璃器皿放在了源位置的待搬运平台上。系统发出指令后，工业机器人开始移动，工业机器人吸附式末端执行器逐次吸取源位置上的待搬运玻璃器皿，并逐一把每个器皿搬运到目标位置的塑料托架上。待所有器皿搬运完毕，工业机器人回到初始位置，等待下一批器皿的搬运。工业机器人搬运工作站搬运流程如图2所示。

图2 工业机器人搬运工作站搬运流程

2.3 Smart组件设计

在工业机器人离线编程软件RobotStudio中要实现真空吸盘吸取物料的效果，使用Smart组件是较为灵活的一种方式。Smart组件与事件管理器相似，都可以实现动画效果，但是Smart组件比事件管理器功能更为强大，具有能够更加高度逼真地模拟现场设备的I/O接口与控制逻辑等功能[4]。

工业机器人吸附式末端执行器的抽真空和真空破坏的效果由动作“Attacher”：安装一个对象、“Detacher”：拆除一个已安装的对象、“LineSensor”：检测是否有任务对象与执行器运行轨迹之间的线段相交、“LogicGate”：进行数字信号的逻辑运算来实现。“LineSensor”线传感器用来检测机器人吸盘工具是否接触到搬运物料。工业机器人吸附式末端执行器各子组件属性连接关系如图3所示。

图3 工业机器人吸附式末端执行器各子组件属性连接关系

2.4 I/O信号创建与连接

工业机器人物料搬运虚拟仿真工作站在搬运时，末端执行器的虚拟吸附动作需要外部提供相应的动作信号，执行器在发生动作后可以反馈给机器人相应的动作结果。在后续进行离线编程时，机器人的动作信号可以与所创建的Smart I/O信号相连接，使得机器人具有控制Smart组件的能力。在此创建一个数字量输入信号DI1，用于控制吸附式末端执行器的抽真空和真空破坏动作，置1为打开真空进行物料拾取，清0为关闭真空进行物料释放。

2.5 工作站逻辑设定

工作站逻辑设定是用来关联Smart组件与机器人端的信号通信的，通过设置可完成整个工作站的仿真动画。工作站的逻辑设定一般是先将Smart组件的输入或输出信号与工业机器人端的输出或输入信号进行关联，Smart组件的输出信号作为工业机器人端的输入信号，工业机器人端的输出信号作为Smart组件的输入信号，这样就可以将Smart组件当做是一个可以与工业机器人进行I/O通信的可编程控制器了，便于后续的程序控制。在此设置工业机器人的数字量输出信号为DO1，用来控制真空吸盘动作，使其与Smart组件的数字量输入信号DI1进行关联。

3 工作站路径规划与程序设计

3.1 工作站路径规划

为了使工业机器人吸附式末端执行器物料搬运工作站能够按照之前给定的任务开展工作，需要对其进行RAPID程序设计。为提高编程效率，简化工作量，可以先在虚拟仿真环境RobotStudio中进行路径规划和程序编写。工业机器人搬运工作站路径规划如图4所示。

图4 工业机器人搬运工作站路径规划

3.2 工作站程序设计

完成工业机器人搬运工作站路径规划后，需要进行RAPID程序设计，其主要程序包括工作站初始化程序、工作站搬运程序和主程序。其主要程序代码如下：

PROC main()!工作站搬运主程序

rInitialize； !调用工作站初始化程序

rHandling； !调用工作站搬运程序

ENDPROC

PROC rHandling () !工作站搬运程序

MoveJ phome,v1000,z100,Tool1WObj:=Wobj1; !机器人返回到初始位置

MoveJ pw1,v1000,z100,Tool1WObj:=Wobj1; !机器人运行到取料进入点

MoveL pick1,v1000,fine,Tool1WObj:=Wobj1; !机器人运行到取料位置

Set do1_tool; !进行玻璃器皿的吸取

WaitTime 0.3; !延时等待，确保取料动作执行完毕

MoveJ pw1,v1000,z100,Tool1WObj:=Wobj1; !机器人运行到取料离开点

MoveJ p_waite,v1000,z100,Tool1WObj:=Wobj1; !机器人运行到搬运过渡点

MoveJ plw1,v1000,z100,Tool1WObj:=Wobj1; !机器人运行到放料进入点

MoveL place1,v1000,fine,Tool1WObj:=Wobj1; !机器人运行到放料点

Reset do1_tool; !进行玻璃器皿的放置

WaitTime 0.3; !延时等待，确保放料动作执行完毕

MoveJ plw1,v1000,z100,Tool1WObj:=Wobj1; !机器人运行到放料离开点

MoveJ phome,v1000,z100,Tool1WObj:=Wobj1; !机器人返回初始位置，等待下一轮取料

ENDPROC

PROC rInitialize() !工作站初始化程序

AccSet 50,100; !加速度控制指令

VelSet 50,800; !速度控制指令

rInitSignal; !重置工作站信号

ENDPROC

4 仿真测试及运行

规划好运行轨迹，编写好程序后，一般要验证当前工业机器人运行轨迹是否会与周边设备发生干涉，使用运动监控功能可以达到这一目的；此外，机器人仿真运行后，还要对轨迹进行分析，以确定机器人运行轨迹是否满足要求，可通过TCP跟踪功能将工业机器人的实际运行轨迹记录下来进行进一步分析[5]。待分析调优并经离线验证无误后，可以通过以太网接口将程序和相关数据下载到工业机器人控制器中，再结合现场实际情况稍加调试即可运用于企业生产实际中。

5 结语

本文利用ABB RobotStudio离线编程软件结合生产实际，搭建了工业机器人吸附式末端执行器物料搬运工作站,并完成了工业机器人工作站布局规划、搬运流程设计、Smart组件设计、I/O信号创建与连接、工作站逻辑设定、路径规划、程序设计和仿真测试及运行。该工作站可以根据生产要求重新规划路径、调整生产节拍以满足工艺要求。该工作站还可以根据现场实际要求增加数控机床等外围设备，完成机床上下料等操作，为生产线柔性设计提供了可行性依据,将大大缩短基于吸附式末端执行器物料搬运的工业机器人生产线的设计制造、调试周期,一定程度上降低了生产成本。