黄燕燕，蔡 伟，熊继森

（云南机电职业技术学院，云南 昆明 650203）

0 引言

随着智能制造技术的快速发展，工业机器人的应用越来越广泛，大学开设工业机器人集成系统相关课程的需求越来越大，要求也越来越高。由于资金不足或场地受限，一般学校购置的工业机器人集成系统实训设备台数远远不能满足教学需求。目前解决设备不够的问题最常用的方法是使用虚拟仿真技术，ABB工业机器人的学习一般是在RobotStudio软件上创建虚拟仿真工作站，在虚拟环境下进行知识点的学习和训练，以及工作站的功能实现和调试运行[1-3]。虚拟仿真工作站可以有效解决硬件设备不足的问题，还可能降低设备损坏风险，加快教学速度，其缺点在于机器人周边设备的动作只能通过SMART组件来实现其逻辑，并非由PLC控制器等设备编程控制，也就无法进行PLC控制器及其他周边设备的编程训练。所以这种方法只适用于工业机器人的学习，而并不适用于包含多种专业技术的工业机器人集成系统的学习。本文在RobotSudio软件的虚拟仿真技术基础上，借助外部组件，打通西门子PLC控制器与RobotStudio软件的接口，实现PLC控制器与虚拟仿真工作站之间的数据通讯，基于此方法设计出可虚实联调的仿真工作站。

1 工业机器人集成系统设备简述

使用的工业机器人集成系统实训设备是华航唯实KH11平台[4]，虚拟仿真工作站选取其中更需要工业机器人和PLC配合联动的3个单元（工具单元、执行单元和仓储单元）进行设计及开发。所有的三维模型都是按照与实体工作站1∶1的尺寸，在UG12.0软件上制作完成后导入RobotStudio软件中，整体模型如图1所示，其中ABB IRB120机器人使用的是RobotStudio软件自带的模型。

图1 工业机器人集成系统虚拟仿真工作站模型

执行单元包含一个伺服轴及可以随伺服轴移动的IRB120机器人；工具单元主要包含安装在机器人末端的快换工具以及放置在工具架上的夹爪工具和吸盘工具；且每个仓位配有一两个颜色的指示灯进行是否有料的检测。

图2 工业机器人随伺服轴移动

2 虚拟仿真工作站设计

除了要将所有设计好的三维模型导入并正确放置，虚拟仿真工作站的设计还包括各机械装置的设计，各SMART组件的设计和逻辑工作站的设计等，使各虚拟设备按照要求模拟真实动作，从而建立可进行工业机器人配置、编程和调试、仿真运行和虚实联调的虚拟环境。

2.1 执行单元

由于执行单元的伺服轴在RobotStudio6.08软件自带模型库中找不到，需要使用插件External Axis Wizard创建一个外部轴来对其进行仿真。为了方便观察，伺服轴的仿真模型去掉了实际设备中用于安全防护的保护罩。伺服轴模型分为两部分，相对固定的台子和相对运动的滑台。

首先在“建模”菜单栏中使用“创建机械装置”命令创建类型为“外轴”的机械装置，将滑台设计成可基于台子进行往复的直线运动。创建虚拟机器人系统后，使用ABB机器人外部轴配置向导插件“External Axis Wizard”，对机器人外部轴进行参数配置。拖动机器人到执行单元模型上，再重新启动机器人系统，启动完成后机器人本体模型就被安装到伺服轴模型上了。

自定义伺服轴的运动控制方法与使用模型库自带行走轴的控制方法一样，既可以手动运行控制也可以编写程序自动运行控制。右击伺服轴，打开“机械装置手动关节”，拖动滑条，就能看到机器人在执行单元上移动了。

2.2 工具单元

工具单元包括安装在机器人末端的快换工具、用于抓取轮毂工件的夹爪工具和吸盘工具，以及用于放置两个工具的工具支架。

快换工具安装在工业机器人末端，用于快速安装和卸载夹爪工具和吸盘工具，如图3所示。为后续快换工具能够更方便地示教点位，在创建工具时，为快换工具添加了3个TCP：一个快换工具本身的Kuai-HuanGongJu坐标，一个用于拾取夹爪工具的JiaZhua坐标和一个用于拾取吸盘工具的XiPan坐标。创建完后将其安装在工业机器人上。注意快换工具要设置不可由传感器检测。

图3 快换工具及创建的工具坐标

创建工具完成后，根据快换工具的实际功能进行SMART组件的逻辑设计，工具的SMART设计比较简单，主要使用直线传感器组件LineSensor、安装组件Attacher、卸载组件Detacher和逻辑非门组件Logic-Gate[NOT][5]。为了防止设备断电时工具掉落的情况发生，设计快换工具的输入信号AnZhuang，为0时安装工具，为1时卸载工具，所以逻辑非门组件LogicGate[NOT]放在直线传感器组件LineSensor前面；因为夹爪工具是机械装置，无法直接安装，所以在夹爪工具的中间埋入了一块内部块，设置为可由传感器检测，并拖动至夹爪工具作为夹爪工具的子部件。然后在快换工具的Smart设计中加一个获取父对象组件Get-Parent，这样才能检测和安装上夹爪工具。同样，为了保持设计一致，吸盘工具中也埋入了一个内部块。图4所示是快换工具的SMART组件设计图。

图4 快换工具SMART组件设计

夹爪工具和吸盘工具如图5所示。吸盘工具除了输入信号之外，还有一个表示吸盘是否吸住的输出信号，所以吸盘工具的SMART组件设计中增加了置位复位锁存器组件LogicSRLatch进行输出信号部分的设计；而夹爪工具为了实现夹紧松开的动画效果，被创建成了类型为设备的机械装置，并在SMART设计时用到了两个姿态转换组件PoseMover，让夹爪随着输入信号的变化在夹紧姿态和松开姿态之间切换。

图5 夹爪工具和吸盘工具

2.3 仓储单元

仓储单元包括仓位支架、6个仓位和6个双色指示灯。6个仓位都被创建成类型为设备的机械装置，托盘可推出和缩回。6个指示灯可根据仓位中是否有料变换颜色。为了实现控制要求，将6个仓位创建成6个SMART组件进行设计，其设计图基本一致，图6所示是仓位1的SMART组件设计图，主要设计思路如下：

图6 仓储单元1号仓位的SMART组件设计

（1）每个仓位有一个输入信号（TuiChu），用于控制托盘伸出缩回；有两个输出信号：表示托盘是否推出到位的状态TuiDaoWei和表示仓位中是否放置有工件的状态YouLiao。

（2）为了实现仓位可根据输入信号（TuiChu）进行伸出缩回运动，并且在有轮毂工件的情况下能够带着轮毂一起运动，使用了直线传感器组件LineSensor、安装组件Attacher、卸载组件Detacher、姿态转换组件PoseMover以及多个逻辑门组件，设计思路与夹爪工具类似。

（3）为了实时检测仓位中是否有料，采用脉冲信号组件Timer对直线传感器LineSensor进行使能，每一秒检测一次；使用两个的计数器组件Counter相隔一个节拍的计数值进行比较（Comparer组件），得到仓位是否有料的稳定判断，并用highlighter组件对双色指示灯的颜色进行变换。

（4）为了实现推出仓位后能由机器人拿走轮毂的功能，设计当TuiChu信号为1时，先检测是否有料，如果有则安装轮毂，安装之后再推出；推出到位后，卸载轮毂，以备机器人拿走轮毂。

（5）为了实现机器人放下轮毂后仓位能够带着轮毂缩回的功能，设计当TuiChu信号为0时，先检测是否有料，有则先安装轮毂，安装之后再缩回。

3 虚实联调实现

为了解决虚拟仿真工作站只是用SMART组件实现模拟动作，而不能实现虚拟仿真工作站与PLC控制器联调的问题，在ABB公司的RobotApps网站上下载2个外部组件RSConnectDIOToSnap7和RSConnectGIOToSnap7，可打通RobotStudio软件对接西门子PLC控制器的接口，将虚拟仿真工作站中的虚拟设备与PLC控制器中的变量进行连接，实现PLC控制器与虚拟仿真工作站的数据通讯。

这里主要介绍仓储单元与PLC之间联调的部分。仓储单元的每个仓位都是一个SMART组件，I/O信号有控制料仓推出的输入信号（TuiChu），以及指示推出到位状态（TuiDaoWei）和是否有料（YouLiao）的输出信号。这三个信号在实训设备中都是连接到PLC由PLC进行监控的，所以虚拟仿真工作站中也设计这三个信号与PLC通讯。

在工作站逻辑中添加组件，从“导入模型库”中找到下载好的RSConnectDIOToSnap7.rslib文件，导入组件。属性中PLC_Addr是连接的西门子S7-1200 PLC控制器的IP地址192.168.0.20，机架号0，插槽号 1；需要连接的DI信号有6个，分别是6个仓位的推出信号，在PLC中的地址是M2.0-M2. 5；需要连接的DO信号有12个，分别是6个仓位的推出到位信号（PLC地址M10.0-M10.5）和有料信号（PLC地址M11.0-M11.5）。属性设置好后与6个仓位的SMART组件进行信号连接，如图7所示。网络连通后修改Connect信号值为1，即可实现PLC控制器与虚拟仿真工作站之间这18个数字信号的实时数据通讯。

图7 RSConnectDIOToSnap7组件的属性设置及信号连接

为了简单演示下控制效果，在西门子的博途软件上绘制组态界面，如图8所示，各按键和指示灯分别链接M2.0-M2.5，M10.0-M10.5，M11.0-M11.5地址。运行界面后可对6个仓位进行手动控制和状态显示。

图8 仓储单元组态界面及控制效果

与虚拟仿真工作站连接的可以是真实的PLC设备，如果是线上教学，学生不能使用实训室的PLC设备，也可以使用PLCSim软件创建一个PLC模拟设备。此时还需要一个叫做NetToPLCsim的软件，将PLC的IP地址192.168.0.20映射成电脑的IP地址192.168.0.100，如图9所示，同时需要修改RSCon-nectDIOToSnap7组件的PLC_Addr属性为电脑的IP地址192.168.0.100。

图9 NetToPLCsim软件设置

4 应用案例

本虚实联调仿真工作站可用于工业机器人集成系统的课程教学、工业机器人集成应用“1+X”证书的考前培训以及高职组全国职业院校技能大赛“机器人系统集成”赛项的选手培训中。

在工业机器人相关课程教学和“1+X”考证培训中，依照工业机器人集成系统的工作流程顺序，由浅入深、由各单元分别调试到系统联调，设计开发循序渐进的实训项目，进行项目化教学。系统联调任务根据工具单元、执行单元和仓储单元的典型工作任务设计，具体任务为：工业机器人先去工具单元取工具，再去仓储单元第6仓位取轮毂，再把轮毂从仓位6搬运到仓位5，最后把工具放回工具单元，仓位的伸出缩回由组态界面控制。

另外，在仿真工作站中再加一个临时过渡位，还可以进行立体仓库轮毂排序的程序编写和仿真结果测试，可用在技能大赛选手培训中。立体仓库轮毂排序的具体任务是：立体仓库中的6个仓位最多能放6个轮毂，分别编码为0001～0006。初始状态下6个轮毂的顺序是乱序的，轮毂排序则是通过排序算法将乱序的轮毂工件按顺序或逆序或工艺要求的其他排序方式进行排序[6]。

5 结语

结合虚拟仿真技术、PLC控制技术、组态技术设计的虚实联调仿真工作站，连接了RobotStudio软件与西门子博途软件的通讯接口，能够实现脱离设备在电脑上进行练习并得出仿真效果，可以应用于工业机器人集成系统相关课程的线上教学。同时在有限设备台数和有限教学时间的情况下，又能快速将已在虚拟环境下验证过的机器人程序和PLC程序下载到实际设备中进行调试运行，实现线上线下混合式教学，大大节省了每一位学生占用设备的时间，解决了教学资源紧缺的问题，同时也提升了学生的学习兴趣，收到时良好的学习效果。