基于RobotStudio的工业机器人工艺仿真平台设计

收稿日期：2019-09-30
基金项目：教育部产学合作协同育人项目：虚实结合的基础工程训练课程软件开发（C80GC180002）；上海第二工业 大学研究生基金（EGD18YJ0011）
作者简介：朱文华（1968 -），男，江苏无锡人，教授，博士，研究方向为智能制造技术。

基于RobotStudio 的工业机器人工艺仿真平台设计
Design of industrial robot process simulation
platform based on RobotStudio 朱文华，史秋雨，蔡 宝，顾鸿良，孙张驰
ZHU Wen-hua, SHI Qiu-yu, CAI Bao, GU Hong-liang, SUN Zhang-chi
（上海第二工业大学 工程训练中心，上海 201209）
摘 要：工业机器人在实际运行前需经过工艺仿真保证其运动的合理性。

以ABB的IRB120型工业机器
人为研究对象，提出了工业机器人码垛、打磨、视觉、装配和仓储的五个工艺流程，应用了RobotStudio机器人工艺仿真软件，设计了基于RobotStudio的工艺仿真平台，在实际平台中测试了工艺仿真结果的可行性，工业机器人的工艺开发和仿真过程具有较大工程应用和参考价值。

关键词：RobotStudio；工业机器人；工艺仿真中图分类号：TP242.2 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2020)12-0028-04
0 引言
随着“中国制造2025”的颁布，极大地推动了我国高端制造业和工业机器人产业的发展[1]。

工业机器人是实现自动化和智能制造的基础，在生产中发挥着重要作用。

刘海燕等[2]基于RobotStudio 仿真软件设计一款焊接工作站，给出了该工作站总体设计方案和工艺流程，但只是针对焊接这一种应用；田国柱等[3]介绍了一种利用RobotStudio 多机协调运作的虚拟生产方案，采用四台机器人与多台设备搭建的制链生产线，但是多机协调运作仅针对一条生产线并且几天机器人控制流程相似，具有重复性；陈廷艳等[4]以一个简易的虚拟码垛工作站为例，从理论的角度介绍了RobotStudio 在仿真上的优势，但仅停留在仿真软件本身的使用上，缺乏深入的生产应用。

简而言之，当前工业机器人工艺仿真平台仅限于对一种应用场合，很难在复杂工艺流程的自动化成套设备上推广应用。

本文以单台ABB 工业机器人为研究对象，将码垛、打磨、视觉、装配和仓储五种应用集于一体，基于RobotStudio 仿真软件开发了一款工业机器人工艺仿真平台，满足工业机器人多种应用需求。

通过RobotStudio 建立工业机器人系统，设计完成码垛、打磨、视觉、装配和仓储五个工艺过程，为实际工业机器人自动化设计、调试、改进提供理论依据，指导实际应用。

1 工业机器人工艺平台构建
1.1 工业机器人选择
IRB120六轴机器人是ABB 公司最小的一款工业机器人产品。

它具有以下优点：1）出色的便携性和集成性，拥有ABB 机器人产品的全部功能与技术；2）体积小、重量轻，几乎适用于所有场合，同时具有较高的路径精度和控制精度[5]。

机器人固定在六角桌中心，如图1所示为IRB120机器人工作区间，臂展的范围可达580mm ，能够覆盖一个六角桌上五个方位，满足五种应用的工作特性。

因此，该平台选用此型号工业机器人。

165o
165o
R 5
80
R 1
60
.4
R121轴１
最小回转半径
580
580
982
112
411图1 IRB120机器人工作区间
1.2 平台工艺流程设计
选取工业机器人应用的几个典型场景：码垛、打
磨、视觉、装配和仓储，多角度再现工业机器人的工艺流程。

沿六角桌逆时针方向，依次设计了IRB120工业机器人工艺仿真平台的工艺流程：
1）机器人旋转到码垛的初始位置，安装吸盘，机器人从库区吸住梯形物料（每次摆放8块梯形物料，物料可随机摆放），放置于正反面检测区域后，通过程序判断后机器人将物料分别放入左右两个分拣区。

8次判断之后，机器人原位放置吸盘，回到码垛的初始位置。

2）机器人运动到打磨的初始位置，安装夹具，机器人从库区夹取物料然后进行打磨，打磨动作结束，机器人原位放置夹具，回到码垛的初始位置。

3）机器人运动到视觉的初始位置，安装吸盘，由摄像头拍照判断各块七巧板在库区的位置，经程序判断后吸盘依次吸住七巧板，放置右边的拼盘上，完成七巧板的拼图工序，机器人原位放置吸盘，回到视觉的初始位置。

需要注意的是这里需要用到机器人视觉技术来获取七巧板的位置信息[6]。

4）机器人运动到装配的初始位置，安装夹具，然后底座、轴承、垫块、螺母依次抓取放置在装配台上，再通过电批将其拧紧，机器人原位放置夹具，回到锁丝装配的初始位置。

5）机器人运动到仓储的初始位置，光电开关检测到传送带传送的轮子时，机器人按照程序夹取轮子，再通过判断将轮子分别放入对应库区，机器人原位放置夹具，回到轮子仓储的初始位置。

6）考虑实际应用，六角桌的第六边预留一个触摸屏。

完成上述工业机器人的五个应用，机器人回到原点。

2 平台工艺流程仿真
2.1 三维模型建立
在本工作站中除工业机器人模型可从模型库中直接导入，其他外围模型都需要重新三维建模。

物料、零件和吸盘等简单部件可以选择仿真软件中的建模功能来实现；夹具和六角桌等相对复杂的外围设备则需要辅助NX专业软件绘制三维实体模型。

可利用NX绘制的模型
可以直接导入RobotStudio当中，如图2为整个仿真平台需要搭建的模型：码垛模块图2(a)、打磨模块图2(b)、视觉模块图2(c)、装配模块图2(d)、仓储模块图2(e)、触摸屏和六角桌图2(f)。

2.2 I/O信号
在真实情况下需要机器人和PLC之间建立通信，而在RobotStudio软件中，仿真可通过Smart组件代替PLC来模拟真实的数据通信。

对于应用中必须活动的机械装置，譬如各种不同尺寸的夹具包括夹爪的张合度，则需要创建机械装置实现夹爪的往复运动。

夹具、传送带、吸盘等各种功能的实现也都需要创建不同的Smart组件控制。

创建一个吸盘机械装置，吸盘需要添加Smart组件PlaneSensorGripper、Attacher、LogicGateDetach[NOT]、Detacher和LogicSRLatchAttached实现吸盘吸取物料和放置物料两个动作，当吸盘上的面传感器检测到物料，则置1，吸盘吸住物料，当吸盘上的面传感器置0时，则放置物料，如图3(a)为码垛吸盘的组件设计图。

图3(b)为夹具的组件设计图，夹具需要添加Smart组件LineSensor、PoseMover、Attacher、LogicGate[NOT]、Detacher
实现
(a) 码垛模块 (b)
打磨模块
(c) 视觉模块 (d)
装配模块
(e) 仓储模块 (f) 触摸屏和六角桌
图2 各模块的模型图
夹具加紧/松开两个动作，当线传感器检测到物料，加紧信号置1抓取物料，到达指定位置，松开信号置1，放置物料[7]。

该平台需要设计5个机械装置，包括2个吸盘和3
个夹具，其他组件设置连接方法相似。

(a) 吸盘1
组件设计图
(b) 夹具2组件设计图
图3 Smart组件设计
完成设置连接后需对装置组件进行仿真调试，并根据实际物料的尺寸调整姿态，实现工业机器人抓取的动作。

每个组件都设有I/O端口，最后各个组件与工作站逻辑中的机器人系统建立连接才能实现整个机器人系统的仿真。

本次I/O板选用的是DSQC652，提供16个数字输入信号和16个数字输出信号的处理，部分I/O信号如图表1所示。

2.3 程序设计
RobotStudio采用RAPID编程语，主程序如下所示，对应为图4工作站的流程图。

一个完整的机器人系统由本体、伺服电机、减速机、示教器、驱动器、控制器及其外围设备，比如摄像头、I/O模块等组成[8]。

机器人上电后，对整个系统初始化设计是必不可少的一步。

一个工艺执行结束，接着可以下发下一个任务，循环往复。

PROC main()#主函数#
rInitAll; #初始化#
WHILE TRUE DO
WaitUntilPN_GIJObNumber<>0;
nProNO:=PN_GIJObNumber;
TEST nProNO
CASE 1: MaDuo; #任务下发码垛站#
WaituntilPN_GIJObNumber=0;
CASE 2: DaMo; #任务下发打磨站#
waituntilPN_GIJObNumber=0;
CASE 4: ShiJue; #任务下发视觉站#
waituntilPN_GIJObNumber=0;
CASE 8: ZhuangPei; #任务下发装配站#
waituntilPN_GIJObNumber=0;
CASE 16: CangChu; #任务下发仓储站#
waituntilPN_GIJObNumber=0;
DEFAULT:
stop;
EXIT;
ENDTEST
endwhile
ENDPROC
图4 工作站的流程图
具体程序的设计与编写，以码垛站为例，当主函数下发任务给码垛站后，机器人系统程序初始化，然后机器人旋转运动到码垛站的初始位置。

当检测到库区
表1 主要I/O
信号
存在8块物料时，机器人安装吸盘1，接着机器人移动到库区，吸取梯形物料，然后放置在正反面检测区。

通过程序判断，当梯形物料放置遮住检测区左上角传感器时，物料放置在分拣区D；当梯形物料放置遮住右下角传感器时，物料放置在分拣区B。

主要运用的是Move J关节运动和Move L线性运动，考虑点位较多，减少后期调试工作量，采用Move Offs偏移指令。

比如在机器人在库区吸取物料，只需要确定最上面一块物料吸盘吸取时的坐标点FJZ_Q，物料厚度测量为5mm，依次向下偏移，此行程序为：MoveL Offs（FJZ_Q，0，0，-（nboardpicknum-1）*5），v50，fine，tool1\ WObj:=wobj0。

这样只要点位FJZ_Q正确，剩下来七块物料吸盘吸取的位置自然准确。

同时，如果后期调试时点位不对，也只需要校验点FJZ_Q的位置，避免了八个点重复校验。

整个平台所有程序的编写都需要考虑这要素。

如图5
为码垛站工作流程图。

图5 码垛站工作流程
3 仿真结果分析
如图6(a)工业机器人工艺仿真模拟效果图所示，通过搭建三维模型、设计Smart组件、创建I/O信号、离线编程、仿真验证，测试了该工艺仿真的可行性，为接下来真实工业机器人工艺平台的设计提供理论基础。

将模型加工成品，搭建IRB120工业机器人系统，RobotStudio里面的程序可用U盘拷入示教器内，选择西门子PLC1500作为中央控制系统，直接点对点连接机器人系统的I/O模块与PLC的I/O模块，采用Profibus 现场总线的方式实现PLC1500和机器人IRB120之间的通信。

如图6(b)工业机器人工艺实物图所示，经测试，RobotStudio仿真软件技术的码垛、打磨、视觉、装配和
仓储五个工艺符合实际应用。

(a)
工业机器人工艺仿真模拟效果图
(b) 工业机器人工艺实物图
图6 工业机器人工艺平台
针对真实的机器人自动化生产过程，需要对仿真平台做出以下改进：机器人实际工作中，还存在着一些不可控的突发情况，如工作暂停、发生碰撞、人员闯入等，可直接在原有程序上进行修改，保证机器人上电后的正常运行，避免对机器人系统造成不必要的损坏。

同时，安全防护栏的安装必不可少，它保证了工作人员的人身安全。

4 结语
本文设计了工业机器人码垛、打磨、视觉、装配和仓储五个基本工艺流程，并基于RobotStudio开发了工业
【下转第89页】
数为3.7998，可得失稳临界载荷为50.157MPa ，位移最大值为1.3048mm
，在材料延伸极限内，满足稳定性要求。

图6
耐压舱特征屈曲分析位移云图
图4
耐压舱等效应力云图
图5 耐压舱总变形量云图
5 结语
1）给出了基于遗传算法的耐压舱优化设计过程。

2）开展了某型水下机器人耐压舱优化设计，设计结果表明：遗传算法适合于耐压舱优化设计，优化设计后的耐压舱满足强度和稳定性要求，与传统设计方案相比可将耐压舱质量减轻约19%。

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机器人工艺仿真平台，实现并验证工业机器人实际应用的可行性和正确性，该方法可提高生产效率和成本，具有较大的工程应用和参考价值。

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【上接第31页】。