基于RobotStudio的机器人分类码垛工作站设计

程丙南，郭 俊，梅志松，李艳军，王 陈

(芜湖安普机器人产业技术研究院有限公司，安徽 芜湖 241007)

在工业生产中，存在着大量重复性动作，例如组装、搬运、打包等。随着人力成本的日渐增加，工业机器人越来越多地被应用于这些场合，尤其是码垛作业[1]。

码垛大多为工业生产的后道工序，产品种类多，体积、重量较大，导致人工作业效率低、危险性高。将工业机器人用于码垛工序，使其按照预先设定的码垛方式，逐个逐层将各种产品从生产线上取走，分类摆放在规定托盘或其他载体上，无需人工操作，极大地提高了效率和安全，降低了生产成本[2]。

对于码垛机器人，若使用示教再现的现场编程方式，则存在精度低、效率低、后期改动维护复杂等问题。所以，为提高编程效率，使编程者远离危险的工作环境，改善编程环境，机器人虚拟离线编程逐渐被广泛应用[3]。但在很多情况下，离线编程未能很好地考虑实际情况，例如速度、垛型等问题。其基本思想是利用离线仿真技术，构造虚拟机器人及其工作环境；在虚拟模型中引入机器人和场景，同时操作者能够操纵机器人在场景中移动，可以选择不同的观察角度，从不同的侧面观察机器人的运动情况；可以在计算机屏幕上引导虚拟机器人末端执行器运动，进行虚拟在线示教，产生机器人作业轨迹，由此生成机器人语言程序，将编辑好的程序保存在PC机上，并传送给机器人控制器。

本文以四自由度关节型机器人IRB660为研究对象，运用SolidWorks软件建立码垛工作站的三维实体模型，导入RobotStudio，再利用Smart组件设置动态效果[4]，并进行仿真，为机器人编程和调试提供安全灵活的环境，提高编程效率，指导现场生产，在一定程度上提高了现场操作人员的安全性，减轻了现场调试的工作量。

1 分类码垛工作站设计思路

整体思路如图1流程图所示。工作站中的物体模型利用SolidWorks绘制，机器人模型由RobotStudio创建，二者共同组建工作站硬件部分；产品在传送带上运行及信号传递的仿真效果，则由Smart组件负责；机器人程序与Smart组件共同构成工作站的软件部分。

图1 设计流程图

1.1 工作站结构

工作站总览如图2所示。主体机器人型号为IRB660；码垛盘和机器人底座、夹具均用SolidWorks绘制；输送链、控制柜、示教器、安全围栏均来自RobotStudio自带部件库。其中，夹具需要添加工具属性，创建工具坐标系，使其能被RobotStudio识别为工具，并通过拖动安装至机器人法兰盘上，控制柜、示教器、安全围栏仅作为图形，不参与仿真。

图2 工作站总图

1.2 动态设计

目前，大多同类设计采用的是，产生一个物体，机器人将其搬走，再产生下一个物体，这与实际严重不符。所以，本工作站设计物体连续产生，且种类随机。那么，则存在当输送链前端产生物体模型时，控制产生此物体模型的信号并不能立即发送至机器人，而是在物体到达输送链末端时，才向机器人发送对应信号。所以，产生物体模型和向机器人传送信号的动作不是同步进行，即连续产生了多个物体模型后，第一个物体模型才到达输送链末端。因此，当Smart组件发出信号，产生物体模型时，要锁存此信号，并在需要时发送至机器人。为解决此问题，本文采用动态设计。工作站动态设计为Smart组件的编制，主要有两部分：一是随机产生两种不同物体模型，二是向机器人发送物体对应信号[5]。

2 分类码垛工作站设计流程

2.1 建立模型

用SolidWorks绘制机器人底座、夹具、托盘模型，保存为STEP格式，然后导入RobotStudio，由于本文着重介绍工作站设计，对SolidWorks建模不做赘述。需要注意的是，将机器人夹具模型导入后，由于后续坐标系建立及Smart组件编辑需要，必须对其进行设置，将其设定为系统可以识别的工具，可以直接安装到机器人六轴法兰盘上。

2.2 工作站搭建

第一步，修改机器人底座的本地原点，将底座原点修改至顶部合适位置，这样即可通过拖动直接将机器人安装至底座上；第二步，打开机器人工作空间显示，将两个托盘排放至合适位置；第三步，从RobotStudio自带的模型库中，导入输送链模型，为了仿真更接近实际效果，使输送链上可以同时存在多个物体，导入了两个模型，并进行拼接，再结合机器人工作区域，摆放至合适位置，如图3所示。至此，已完成工作站设计必要硬件部分的搭建[6]。

图3 工作站必要硬件部分图

2.3 Smart组件编辑

2.3.1准备工作

仿真中，Smart组件整体逻辑为：仿真开始后，产生一个物体模型，颜色随机，红色或蓝色(代表两类不同产品)；该物体模型从输送链前端往机器人方向运动，当一个物体模型移动一段距离后，产生下一个物体模型，这样依此类推，达到传送带运送产品的仿真效果，且每次产生的物体模型是随机的，即不确定红色还是蓝色，这样模拟实际生产效果。最后，当物体模型移动到输送链末端时，所有物体模型暂停运动，并向机器人发送对应信号，机器人控制工具移动至设定位置，抓取物体模型，将其摆放至设定位置，其中，工具抓取、松开物体模型的动作，也是由Smart组件完成。

2.3.2随机产生两种不同物体模型

利用Smart组件中的“生成随机数”组件，结合判断大小的组件，即可实现随机产生两种信号的组件结构，如图4所示。之后，在将这两个信号接入Source组件，产生模型复制体，模拟产品连续进入输送链的效果。

图4 产生两种不同物体模型Smart组件逻辑原理图

2.3.3物体运动及信号传递

前文提到，利用Source组件产生模型复制体。但是，由于复制体不止一个，需要将Source组件产生的复制体添加至Queue组件中，再利用LinearMover组件，使这些复制体沿直线运动，模拟产品在输送链上运动的效果。

利用PlaneSensor组件(面传感器)来传递信号，如图5所示。当工作站开始运行时，只有第一次产生模型复制体的信号由仿真组件给出，之后，利用1号面传感器的下降沿信号，触发产生模型复制体；当复制体运动到输送链末端，触发8号面传感器时，再把此复制体对应的信号传给机器人；所以，产生一个模型复制体的信号，需要利用2次，因此要用多个面传感器，结合LogicSRLatch组件和LogicGate组件，将信号保持并传递下去，图6表示了复制体经过1号、2号面传感器时的信号保持及传递，第3至7号面传感器同理。

图5 面传感器布局图

图6 面传感器信号传递图

2.3.4机器人抓取、松开动作

抓取、松开动作所需的组件为Attacher和Detacher组件。将LineSensor组件(线传感器)安装到夹具中心，当复制体移动到输送链末端，机器人接收到产品信号后，则激活线传感器，同时，末端复制体触发线传感器，激活Attacher组件，实现夹具抓住物体的效果；当机器人将物体移动至设定位置时，机器人取消激活线传感器，利用此信号激活Detacher组件，实现夹具松开物体的效果[5]。

2.4 机器人I/O信号设定

机器人的标准I/O板提供的信号有数字输入DI、数字输出DO、模拟输入AI、模拟输出AO。I/O板是下挂在DeviceNet现场总线下的设备，此处采用DSQC651板，设定地址为10，连接总线为DeviceNet。码垛工作站I/O信号如表1所示[8]。

表1 机器人I/O信号

2.5 RAPID编程

码垛程序编写思路：示教基准点、计算摆放偏移量。码垛程序编写主要示教点：起始点、抓取基准点、摆放基准点(两个)、过渡点。不同于大多码垛工作站，将产品紧密摆放，本项目为了接近实际效果，模型之间留出空隙；将模型的一个面设置为白色，代表实际生产中粘贴产品信息的位置。所以，码垛时这一面始终对着外面，利用过渡点进行姿态调整，奇数层和偶数层的垛型如图7a、b所示[9]。

图7 垛型及基准点图

以图7c圈中基准点为原点建立工件坐标系，所有产品的摆放位置，即相对于基准点的空间坐标，将由此点偏移计算得出。图中标注了XY轴正方向，Z轴正方向为竖直向上。许多码垛项目采用物体顶点进行偏移计算，存在无法兼容多种不同尺寸产品的问题，所以，这里使用物体的中心点，结合其长宽高数据，可以使偏移计算公式，适用任意尺寸，计算得出各点坐标如表2所示。

表2 各码垛点坐标

需要注意的是，由于每层的第二个物体相对于第一个物体，均需要旋转180°，而机器人编程时，旋转180°无法确定方向，不能直接使用轴运动指令旋转，所以需要拆分成两次旋转，每次旋转90°。

最后，设计复位程序，利用CRobT指令读取当前位置，再改变其Z轴坐标值，即可实现竖直向上移动，最后移动到Home点，完成复位。比起许多设计中采用的过渡点复位法，这种复位方法，在实际中可以有效避免机器人碰撞周围物体，更加安全、高效。

2.6 工作站整体逻辑设定

机器人系统与Smart组件的I/O逻辑连接，即为工作站逻辑设定，如图8所示。

图8 工作站逻辑图

3 仿真模拟

完成上述设定，进行仿真模拟，期间效果如图9所示。当某一托盘满垛(8层、每层5个)，仿真会自动停止并复位。效率上可达到10 s码垛一个产品，足以满足实际生产中的需求。

图9 仿真模拟图

4 总结

本文根据工业实际生产情况，用SolidWorks绘制所需模型，在RobotStudio中选择合适的四自由度工业机器人，搭建一个自动化码垛工作站。为了更加贴近实际，利用Smart组件，对被码垛物体的种类进行设定；再通过编程、工作站逻辑设定，实现全自动码垛仿真。

与大多码垛工作站设计相比，本工作站设计更加贴近实际效果，在仿真中实现了产品连续、种类随机、垛型合理；在程序设计上，示教点极少，程序精炼，效率高。

该设计为实际生产中码垛机器人编程提供了可靠的思路、方法，但存在实际生产中，坐标系建立及码垛位置偏移方向达不到理论精度的问题，因此程序无法直接套用至实际项目中。所以，优化程序、路径等内容将作为后续的研究目标。

简而言之，仿真设计是为了方便现场调试，减少工程师任务量，降低调试危险度，提高编程效率；同时，使工业机器人在码垛作业上的应用更加便捷、广泛、安全、可靠。