基于多机器人自动分拣系统的虚实结合实验平台_田莉.pdf

ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 42 卷 第 1 期Vol 42 No12023 年 1 月Jan 2023DOI:10 19927/j cnki syyt 2023 01 025基于多机器人自动分拣系统的虚实结合实验平台田莉，朱早龙，郝雯娟(南京航空航天大学 金城学院 机电工程与自动化学院，南京 211156)摘要:以多机器人自动分拣系统为典型案例，在实物平台基础上设计了虚拟仿真平台。基于 SolidWorks 三维建模软件为分拣机器人设计专用夹具，在 GT Works 软件中设计 PLC 程序，使用 GT Designer 软件设计触摸屏人 机 交 互 界 面，在OBOGUIDE 仿真软件中构建平台的布局，通过该软件中的虚拟示教器实现机器人的离线编程和仿真。虚拟仿真平台打破了时空限制，既可作为 PLC、人机界面组态以及工业机器人技术等课程的综合仿真平台，也可作为工业机器人实训课程的实践平台。关键词:工业机器人;虚拟仿真;实验平台;自动分拣系统中图分类号:G 642;TP 242 2文献标志码:A文章编号:1006 7167(2023)01 0126 06Virtuality eality Combination Experimental Platform ofAutomatic Sorting System by Multi robotTIAN Li，ZHU Zaolong，HAO Wenjuan(School of Mechanical and Electrical Engineering and Automation，Jincheng College，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211156，China)Abstract:A virtual simulation experimental platform is designed based on the physical experimental platform by takingthe automatic sorting system by multi-robot as a typical case A special fixture for the sorting robot is designed based onSolidWorks 3D modeling software PLC program is designed by GT Works software，the human machine interface on touchscreen panel is finished based on GT Designer software，the layout of the experimental platform is constructed inOBOGUIDE simulation software，and the offline programming and simulation of the robot is realized through the virtualteach pendant in the software The virtual simulation experimental platform breaks the time and space constraints，and itcan not only be used as a comprehensive experimental platform of PLC technology，human machine interfaceconfiguration technology and industrial robot technology，but also as a practical platform of industrial robot trainingcoursesKey words:industrial robot;virtual simulation;experimental platform;automatic sorting system收稿日期:2022-07-19基金项目:北方国际大学联盟教育教学研究课题(20210615001);2021 年南航金城学院教育教学改革项目(2021-Y-02)作者简介:田莉(1980 )，女，河北保定人，硕士，讲师，主要研究机器人导航及控制。Tel:15301596060;E-mail:tianli_ncepu126 com0引言工业机器人是推动制造业转型升级、实施制造强国战略的重要技术手段，企业需要使用工业机器人来提升加工手段，提高产品质量，增加企业竞争力1-2。基础研究、技术教育、人才培养是国家机器人战略实施成功的基本条件，截至 2020 年，全国开设“机器人工程”或“工业机器人技术”专业的院校共 256 所3。这第 1 期田莉，等:基于多机器人自动分拣系统的虚实结合实验平台些专业的建设迫切需要大量高质量的机器人实验和实训设备。由于单个机器人工作站的购置费用较高，实验实训基地建设普遍存在资金短缺、实训设施不足、实训课程无法落到实处的问题。国内普通高校一般只购买数量有限的几套工业机器人用于示范讲解，同时由于工业机器人课程自身的复杂性，教师在课堂上要花费大量时间用于理论和操作的讲解，这就间接压缩了学生实操的时间，使学生难以全面深入掌握机器人专业知识和操作技能，导致实训效果不佳，制约了机器人高技能人才的工程化培养4-8。解决以上问题的有效方法之一是在实物平台的基础上构建虚拟仿真平台9-10，打破时空限制开展第二课堂或线上教学。张广祥11 构建虚拟工厂系统，在虚拟环境下进行离线编程并仿真生产过程，但研究的机器人工作站仅有一个，与目前多机器人的实际生产线尚有较大区别。唐静12 构建了某生产线的搬运机器人工作站，但没有对工业机器人的末端执行器进行研究。李向阳等13 构建了多功能工作站的仿真模型，但没有对工业机器人的运动轨迹进行仿真分析，无法检查是否有碰撞以及动作是否都正确。本文在分析现有教学仿真基础上，构建以零部件分拣作为典型应用案例的虚实结合的教学平台。(1)实物平台的构成。生产线以 PLC 为控制核心，工业相机作为视觉模块，3 台工业机器人作为执行机构，AGV 移动小车作为运输模块，由 PLC 通过CCLINK 总线建立设备间通信，并完成各个设备间的协作以及任务的协调，实现机器人在传送带和 AGV 小车之间的上、下料以及分拣和转运。(2)虚拟仿真平台的构成。基于 OBOGUIDE 软件搭建工业机器人部分的仿真平台，并通过该软件中的虚拟示教器完成工业机器人的离线编程，通过SolidWorks 软件设计末端执行器、AGV 移动小车等三维模型，导入该仿真平台。基于 GT Works 软件完成PLC 的编程。基于 GT Designer 软件完成触摸屏界面的设计，实现对设备的远程操作。1系统实验平台教学实验平台分为实物平台和仿真平台 2 个部分，教学过程围绕以下内容开展。(1)实验讲解演示。由教师结合实物平台从机器人的基本结构、机械构造、通信技术、控制编程 4 个方面由浅至深集中介绍课程内容，对机器人实物平台的操控方法和关键步骤进行示范演练;对实验教学项目进行全景认知，熟悉实验项目相关知识点和操作步骤。(2)虚拟仿真实验。由学生进入仿真平台，用工业机器人离线编程仿真软件编写离线仿真程序，开展虚拟仿真，有针对性地熟悉机器人的控制方法与运动特点。(3)实物平台实操。在虚拟仿真学习基础上，学生去实验室进行针对性训练。在实训环境下由学生分组分时对机器人实验台上电进行实际操作，下载调试控制程序至实物平台，测试运行结果直至正确完成实验任务。教师结合学生在实际操作中存在的问题进行反馈，有针对性地对知识点进行讲解。(4)学习效果评估。学生在操作过程中，根据学生的操作表现、完成进度以及报告，教师给予针对性的评价，反馈学习效果，并给予指导意见。需要说明的是，如果遇到特殊情况开展线上教学，第 1 部分可用教学示范视频代替，第 2 部分不受时间地点影响，第 3 部分可省略或者集中开展线下教学时进行，体现了本教学平台不受时空限制的灵活性。实验室以工业机器人为核心构建，控制器安装在控制柜内，示教器悬挂在柜体的右侧，机器人的前方安装了机器人工作模式切换开关盒，机器人下方还有一个小型装配工作台用于开展其他装配类实验。实验平台外形如图 1 所示。图 1实验平台所采用的机器人本体为 6 轴串联组成，分别由 6个伺服电动机驱动，末端可定位到特定空间的各个位置，机器人第 6 轴的末端是一个法兰盘，根据实验内容需要安装不同的末端执行机构，用于拾取不同形状的工件。在掌握系统开发流程的基础上，将适合仿真完成的部分抽离出来，编写离线仿真程序，开展虚拟仿真，最后虚实结合，提高学生综合实践创新能力。本文设计的仿真平台由不同的软件构成，如图 2 所示。由图2 可见，仿真平台可在不同的编译环境中进行 PLC、触摸屏及工业机器人的编程与仿真，这些软件之间可以相互配合，最终实现对整个实验平台的联合仿真。围绕实物平台和仿真平台的特点，实验任务具体分配见表 1。721第 42 卷图 2仿真平台系统结构表 1实物平台与仿真平台的实验任务分配实验平台实验内容设置实物平台实验 1工业相机的标定实验 2AGV 移动小车的路径规划实验 3CCLINK 总线的搭建实验 4工业机器人的编程和调试实验 5PLC 及触摸屏的程序编写实验 6自动分拣系统的综合运行虚拟仿真平台实验 7系统的三维建模实验 8工业机器人的离线编程实验 9工业机器人的轨迹规划实验 10PLC 程序编写与仿真实验 11人机界面的设计与仿真实验 12自动分拣系统的综合运行其中，虚拟仿真平台是根据实物平台的结构和尺寸在 OBOGUIDE 软件中建模完成，OBOGUIDE 仿真软件除了具有机器人虚拟仿真与离线编程功能之外，还具备传送带等外围机械设备的虚拟仿真能力。通过模型导入及位置设定完成仿真平台的整体布局，如图 3 所示。仿真平台具有与实物平台一致的上料、识别、分拣、运输 4 大模块功能，能够满足虚实结合的教学要求。实验平台可实现对零部件的分拣，工作流程如下:(1)系统电源启动后，工件经传送带运输至各个分拣工位，由工业相机完成工件的识别。(2)若识别到目标工件，传送带短时停止转动，由工业机器人将目标工件分拣至 AGV 移动小车上。(3)当 AGV 移动小车载满时，传送带停止转动，由小车将工件运输至目标位置，直到 AGV 移动小车返回至初始位置，传送带恢复运行。图 3仿真平台2实验平台的关键部件2.1末端执行器机器人制造商一般不出售末端执行器，仅提供一个简单的抓持器，由用户自行设计所需的末端执行器14-15。实验中通过 SolidWorks 软件对末端执行器进行设计，加工后将末端执行器安装在机器人的法兰盘上，它可完成对工件的夹紧及释放操作，将待分拣工件搬运至指定位置。平台机械臂的末端执行器采用吸盘式或手指式，吸盘式末端执行器用来吸取球状工件，手指式末端执行器用来夹取块状工件。在 SolidWorks 软件中设计完成的末端执行器模型如图 4 所示。(a)吸盘式(b)手指式图 4末端执行器的两种模型2.2CCLINK 总线设计及站点地址分配CCLINK 网络以 PLC 作为主站，有 3 个远程 I/O站，分别为 16 点输入模块 AJ65SBTBI-16D、32 点输入模块 AJ65SBTBI-32D 和 32 点输出模块 AJ65SBTBI-32T，由带有 CCLINK 板的 3 个工业机器人和 1 个变频器作为远程设备站。PLC 主站的功能是监视触摸屏发送的信号以及外部输入、输出信号，利用 CCLINK 通信协议与工业机器人通信，以便采集机器人工作