李向阳， 王俊

（1.南京康尼电气技术有限公司，南京210038；2.南京农业大学，南京210095）

0 引 言

目前工业机器人作为现代工业的三大支柱之一，已在汽车制造、电子电气、橡胶塑料、冶金、铸造、食品、化工、玻璃、家电、烟草等行业领域被广泛用于焊接、喷涂、搬运、涂胶、码垛、装配等[1]。Roboguide是日本FANUC工业机器人专用仿真软件，能够实现机器人系统布局设计和机器人动作模拟仿真功能，也可以对机器人动作的干涉和工作范围进行分析，同时还能够生成机器人离线程序等。本文利用Roboguide9.1仿真平台，构建了多功能机器人工作站，并对工作站功能进行仿真分析，仿真结果验证了工作站布局和各功能模块设计的合理性。

多功能机器人工作站的功能要求是通过在快换工具库内更换不同功能的子抓手工具（多功能工作站设计有单吸盘工具、示教工具、气爪工具3种），配合不同的功能模块实现在同一个功能平台上的工件传输与搬运、轨迹规划、码垛、装配等功能。

1 多功能机器人工作站仿真模型的设计开发及处理

本文仿真构建的多功能机器人工作站主要由基础功能平台、FANUC六自由度LR Mate 200iD-4S工业机器人、快换工具库、工件传输与搬运模块、轨迹规划模块、码垛与装配模块等功能模块组成。工作站以LR Mate 200iD-4S工业机器人的工作范围R=550 mm为参考，确定各功能模块在机器人周围的初始布局。

通过三维设计软件，如SolidWorks、UG等依据工作站将要实现的功能，参考机器人的工作范围进行各功能模块的尺寸大小和功能设计，设计完成后对每个功能组件进行预处理以方便导入Roboguide仿真平台。预处理时，首先将每个功能组件处理为组件固定部分、工件及运动零件或组件（如气缸伸缩运动时的推杆及连接推块）3部分，再以其底面几何中心为原点设定为右手直角坐标系，最后分别单独存储为仿真平台能够识别的IGES、STL等格式。

2 构建多功能机器人工作站仿真平台

Roboguide仿真平台包括建模、布局、编程、仿真四大模块，通过使用虚拟机器人控制技术来仿真模拟实际机器人作业[2]。下面将在前述已预处理的三维模型基础上，进行工作站仿真平台的搭建。

2.1 新建New Work Cell并导入与实际配套的机器人

双击已安装好的“ROBOGUIDE”图标，按步骤依次选择“New Cell”、“HandlingPRO”（搬运功能），在Name后输入框内输入“多功能机器人工作站”，选择“Create a new robot with the default HandlingPRO config.”，再选择最高版本V9.1，再选择与实际机器人对应的“LR HandlingTool(H551)”，再选择与实际机器人对应的型号“Robot H754 LR Mate 200iD/4S”，再添加附加设备项目，如不添加额外的机器人或变位机，直接下一步添加各种应用类型内的软件功能“Software Options”，可以添加附加轴控制、码垛、伺服枪设置、视觉等功能，本示例选择默认，在“Languages”选择“English Dictionary”后按下一步，最后按“Finish”完成生成仿真环境。

2.2 添加功能组件构建多功能机器人仿真平台

依据三维软件中各功能组件的布局，在仿真环境内的不同目录内添加已预处理好的三维模型，由于Roboguide仿真平台是采用运动零件或部件的显示与隐藏控制来实现工件的运动或抓取的，因此要在所有需要的位置添加工件并设置相关参数。构建多功能机器人仿真平台的布局参考及仿真平台如图1所示。

图1 多功能机器人工作站仿真平台和初始布局

1）Parts目录，添加工件，与其它功能模块关联使用。用鼠标右击Parts，选择Add Part→Single CAD File，在三维模型放置目录选择快换工具库所对应的单吸盘工具、示教工具、气爪工具，工件传输与搬运模块对应的工件，轨迹规划模块对应的校准尖锥，码垛与装配模块的工件及包装用盒盖等进行添加，并在设置选项卡的Mass设定参考质量，在Scale设定比例（本文全部设定为1）。

2）Fixtures目录，添加程序执行时固定不动的设备组件。用鼠标右击Fixtures，选择Add Fixture→Single CAD File，在三维模型放置目录选择基础工作台架和轨迹规划模块进行添加，并在设置选项卡的Location内设置位置和角度。

3）Machines目录，添加程序执行时需要运动的设备组件。同Fixtures目录的添加设备，用鼠标右击Machines添加快换工具库、工件传输与搬运模块、码垛与装配模块，其中添加快换工具库和码垛与装配模块后需要在模块设置选项Parts内添加相应的工件，并在Parts选项内的Part Offset选项设定每个工件的相对位置。在工件传输与搬运模块则需要用Link方式设计自动落料、气缸顶出、皮带传输3个运动零件，设置Link方式时，先在LinkCAD选项内，CAD File选择对应文件路径的工件，LocationAxis Origin设置工件在功能模块内的相对位置，Scale设置尺寸；在General选项，设置工件的移动方向；在Motion选项内，Motion Control Type 设置控制方式为Device I/O Controlled，Axis Type设置运动方式为Linear（直线），设置适当的运动速度，Inputs选项的Output Dev（控制方式）设置为Robot Controller1，IO Tag设置为机器人控器的对应I/O标签，Value选择ON或OFF，Location在Value为ON时设置为工件移动的终点位置（长度值），在Value为OFF时设置为工件回退位置（为0），同理，在Outputs选项设置相应标签并设置相应的Value和Location值；在Simulation选项内，对会被抓取或放置的工件选中Allow part to picked和Allow part to be placed，同时设置时间为0sec。

4）Obstacles目录，添加障碍物，可将围栏、控制器等与机器人动作无关的设备添加在此目录内。在本仿真平台内，同Fixtures目录的添加设备，添加机器人控制器、示教器、示教工具尖锥等并设置相对位置。

5）机器人末端工具的添加。多功能机器人工作站的末端工具分为母侧和子抓手，添加和设置手爪的过程中需要用到的选项卡为General、UTOOL、Parts和Simulation。添加时依据编程设定UT：1（搬运吸盘）、UT：2（码垛吸盘）、UT：3（码垛气抓）、UT：4（轨迹工具），如图2所示。

图2 多功能机器人工作站的末端工具设置

6)机器人Dressout目录添加。机器人本体上Dressout目录添加的主要有底座、管线支架和管线等。在仿真平台Dressout目录中添加机器人底座。

3 多功能机器人工作站离线编程与仿真验证

Roboguide仿真平台编写机器人程序时，可利用其提供的Move To功能快速移动到目标点，同时在实际操作机器人时是通过PLC或机器人控制信号来控制电磁阀实现气缸动作的，仿真则需要通过Simulation Program模拟程序来实现动作。编程模拟程序的操作方法为：先右键点击目录中的Programs，再选择Add Simulation Program，然后弹出命名窗口，确定程序名字后点击确定，最后弹出Simulation Program Editor编辑程序窗口。在编辑窗口的Rrecord菜单下是插入运动指令功能，Forward是执行当前指令功能，Inst菜单下的Pickup和Drop是抓取和放下工件功能，其它是插入其它指令功能。对轨迹规划模块编写的仿真程序如图3所示，通过执行程序发现，机器人在动作过程中出现多次MOTN-023报警（姿态有奇异点报警），经多次验证后发现是因为所设计机器人末端示教工具子抓手角度设计不合理所致，把现有弯曲角度45°改为30°，再次验证后问题得到解决。对其它功能模块进行同理验证，修改或调整不合理设计。

图3 轨迹规划模块仿真程序

4 结 语

通过对多功能机器人工作站仿真平台进行仿真分析，在工作站实施加工制造前，对不合理之处进行修改调整。设备制造完成后，直接导入局部处理的仿真程序，其执行结果与仿真结果基本一致，为设备安装、调试及尽快投放市场节省了时间和成本[3]。其仿真程序经局部处理后可在机器人本体上直接执行，有助于工业机器人的教学和培训，减少了因失误或操作不当而造成的设备硬件损坏。