基于RobotStudio...机器人搬运码垛虚拟仿真平台_邓华军.pdf

开发设计开发设计 2023 年 第 44 卷 第 1 期 自动化与信息工程 27*基金项目：江西省教育厅科学技术研究项目（GJJ208408，GJJ208401）本文引用格式：邓华军,段月红,卢培文.基于 RobotStudio 的机器人搬运码垛虚拟仿真平台J.自动化与信息工程,2023,44(1):27-32.DENG Huajun,DUAN Yuehong,LU Peiwen.Virtual simulation platform for robot handling and palletizing based on RobotStudioJ.Automation&Information Engineering,2023,44(1):27-32.基于 RobotStudio 的机器人搬运码垛虚拟仿真平台*邓华军 段月红 卢培文（赣州职业技术学院，江西 赣州 341000）摘要：以机器人搬运码垛平台为研究对象，通过 SolidWorks 软件建立该平台的三维模型；利用 RobotStudio软件设计动态物料输送链、动态快换工具和动态真空吸盘 3 个 Smart 组件，分别用于模拟机器人搬运码垛平台的物料运动、吸取/释放物料和装载/卸载吸盘，并虚拟仿真机器人搬运码垛的工作过程。仿真结果表明：该虚拟仿真平台可以准确地模拟机器人搬运码垛平台的动态效果，顺利地完成预定的工作程序，达到与真实平台相同的搬运码垛效果。关键词：RobotStudio；机器人搬运码垛平台；Smart 组件；虚拟仿真平台；SolidWorks 中图分类号：TP249 文献标志码：A 文章编号：1674-2605(2023)01-0005-06 DOI：10.3969/j.issn.1674-2605.2023.01.005 Virtual Simulation Platform for Robot Handling and Palletizing Based on RobotStudio DENG Huajun DUAN Yuehong LU Peiwen(Ganzhou Polytechnic,Ganzhou 341000,China)Abstract:Taking the robot handling and palletizing platform as the research object,the three dimensional model of the platform is established by SolidWorks software;Use RobotStudio software to design three Smart components:dynamic material conveying chain,dynamic quick-change tool and dynamic vacuum suction cups,which are respectively used to simulate the material movement,material absorption/release and loading/unloading suction cups of the robot handling palletizing platform,and to simulate the working process of the robot handling palletizing.The simulation results show that the virtual simulation platform can accurately simulate the dynamic effect of the robot handling and palletizing platform,and successfully complete the predetermined work procedure,achieving the same handling and palletizing effect as the real platform.Keywords:RobotStudio;robot handling and palletizing platform;Smart component;virtual simulation;SolidWorks 0 引言 搬运码垛是机器人的一个典型应用场景，约40%的机器人被用于柔性搬运、码垛、传送等场合1。传统的示教编程方法存在精度不高、效率较低等问题。借助虚拟仿真技术建立机器人虚拟仿真平台，不仅可以快捷、方便地调试程序，还可以多角度地观察机器人的运行情况。另外，随着职业教育的发展，以工业机器人为代表的自动化实训平台被广泛应用于实验 实训教学。但由于工业机器人相关实训设备价格昂贵、数量较少，制约了技能型人才的培养。虚拟仿真平台不仅可以优化教育资源，还可以将技能大赛的成果高效地转化为实际教学，提高人才培养的质量2-3。本文利用三维建模软件 SolidWorks 建立机器人搬运码垛虚拟仿真平台设备的三维模型，并为模型设置材质和外观，使模型最大程度地反映真实设备；利用高效离线编程软件RobotStudio4的Smart组件设计 28 动态物料输送链、动态快换工具和动态真空吸盘，使机器人搬运码垛虚拟仿真平台具有真实平台的效果，模拟机器人搬运码垛平台的工作过程。1 虚拟仿真平台搭建 1.1 平台三维模型建立 本文以全国职业院校技能大赛机器人技术应用项目竞赛设备为基础5，分离出机器人搬运码垛平台。利用三维建模软件 SolidWorks 建立机器人搬运码垛虚拟仿真平台中的工作台、快换工具、真空吸盘、吸盘支架、物料取料架、物料放料架等设备的三维模型。这些设备的三维模型可直接导入RobotStudio，搭建虚拟仿真平台，提高设计效率。通过设备间的通讯连接，实现机器人搬运码垛的工作过程。机器人搬运码垛平台采用ABB IRB120型工业机器人6-7。建立机器人搬运码垛虚拟仿真平台时，首先，从RobotStudio功能选项卡中的ABB模型库直接导入该型号工业机器人；然后，其他设备利用SolidWorks 建立与真实设备一致的模型，并导入RobotStudio 中；最后，通过修改设备模型的位置，完成虚拟仿真平台的布局，如图1 所示。图 1 机器人搬运码垛虚拟仿真平台 1.2 工具坐标系的创建 为方便目标点位的示教，将工具中心点（tool center point，TCP）转移到工具末端，并在工具末端自动生成工具坐标系。首先，创建1 个快换工具Tool1，将框架原点设置在快换末端的中心处，方便捕捉真空吸盘的装载/卸载位置；然后，创建1 个真空吸盘工具Tool2，将框架原点设置在真空吸盘末端的中心处，方便物料拾取/释放位置的示教。1.3 工件坐标系的创建 物料取料架导轨是一个与水平面成 35的斜面，三维模型如图2 所示。为方便用户手动控制机器人规划路径、编写程序，以物料取料架为基准创建 1 个工件坐标系。采用三点法标定工件坐标系Wobj1，如图3 所示。该坐标系的原点在物料取料架底端顶点处，X 轴与物料取料架底面的边重合，Y 轴与物料取料架斜面上的边重合，Z 轴与物料取料架斜面垂直。图2 物料取料架三维模型图 图3 工件坐标系（框架_3）2 Smart 组件的设计 2.1 动态物料输送链 S_InFeeder 机器人搬运码垛平台在实际工作时，人工将物料放置在取料架顶端；在重力作用下，物料沿斜面导轨滑落至取料架底端；机器人控制真空吸盘将物料吸走，依次循环。在机器人搬运码垛虚拟仿真平台中物料无重力，无法自由滑落到取料架底端。为达到与真实平台相同的动态效果，利用RobotStudio 软件中的Smart组件设计一个动态物料输送链S_InFeeder。动态物料邓华军 段月红 卢培文：基于 RobotStudio 的机器人搬运码垛虚拟仿真平台 2023 年 第 44 卷 第 1 期 自动化与信息工程 29 输送链S_InFeeder 的动态效果主要包括：在取料架顶端自动生成物料；物料沿着斜面导轨斜向下运动；物料到达取料架底端后停止运动；物料被真空吸盘吸走后，在取料架顶端再次生成物料，依次循环8-9。动态物料输送链S_InFeeder 的创建过程：先新建1 个 Smart 组件并命名为 S_InFeeder；再依次创建Source、Queue、LinearMover、PlaneSensor 和LogicGate 5 个子对象组件。首先，添加子对象组件Source，其属性选择为“物料”。每触发一次Source 的Execute 信号，就会自动生成1 个物料复制品。然后，添加子对象组件Queue，其属性保持默认，将物料复制品加入队列中。其次，添加子对象组件 LinearMover。为保证物料沿斜面导轨作线性运动，设计线性运动参考坐标系Reference，即框架_3，其坐标方向与工件坐标系Wobj1 一致，如图 3 所示。LinearMover 组件的运动方向为框架_3 的Y 轴负方向。再次，添加子对象组件PlaneSensor。在取料架底端挡板处设置1个面传感器，用于检测物料是否到位。最后，添加子对象组件LogicGate。通过创建1 个非门逻辑运算，实现面传感器信号由1 变为0 时，触发Source 的Execute 信号10。对象组件设计完成后，创建 S_InFeeder 组件的属性和连结，如表1 所示。表 1 S_InFeeder 组件的属性和连结 源对象 源属性 目标对象 目标属性或信号 Source Copy Queue Back 通过表1 所示的属性和连结，实现当触发入列动作时，物料的复制品自动加入队列Queue，并作线性运动；当触发出列动作时，物料的复制品自动退出队列Queue，并停止线性运动。创建1 个数字输入信号DIStart，用于触发Source的 Execute 信号，即启动 S_InFeeder 输送链。创建 1个数字输出信号DOArrive，作为物料到位反馈信号。建立S_InFeeder组件的I/O信号和连接，如表2所示。表 2 S_InFeeder 组件的 I/O 信号和连接 源对象 源信号 目标对象 目标信号或属性 S_InFeeder DIStart Source Execute Source Executed Queue Enqueue PlaneSensor SensorOut Queue Dequeue PlaneSensor SensorOut S_InFeeder DOArrive PlaneSensor SensorOut LogicGateNOT InputA LogicGateNOT Output Source Execute S_InFeeder 组件的工作过程为：输入信号DIStart触发Source 的Execute 信号，使其产生1 个物料复制品；物料复制品触发Queue 的入列动作，并沿斜面导轨作线性运动；物料复制品与面传感器接触后，触发Queue 的出列动作，并将物料到位反馈信号置 1；通过非门连接触发Source 的Execute 信号，当物料复制品出列后，自动触发 Source 再产生 1 个物料复制品。2.2 动态快换工具 S_Hand 动态快换工具的动态效果主要包括：机器人控制快换工具从吸盘支架上装载真空吸盘；机器人控制快换工具在吸盘支架上卸载真空吸盘；自动置位/复位真空反馈信号11。动态快换工具 S_Hand 的创建过程：首先，新建1 个Smart 组件并命名为S_Hand；然后，将快换工具Tool1 添加到 S_Hand 组件，设定为角色 Role，使S_Hand 组件具有工具属性；最后，将S_Hand 组件安装到机器人上，依次创建 LineSensor、Attacher、Detacher、LogicgateNot和 Logicgat