基于RobotStudio 的第七轴料盒装箱工作站设计

唐黄正，朱志伟

（长沙民政职业技术学院，湖南长沙，410004）

搬运与码垛是工业机器人常见的应用场合，当前工业机器人在生产线中主要通过在线示教的方式实现路径编程，但存在示教过程较复杂，机器人运动精度不高等弊端。利用RobotStudio 离线编程能够快速进行点位及路径示教，不消耗实际资源，能够降低设计成本，提高生产效率[1]。肖全等[2]利用SolidWorks 和RobotStudio 进行机器人搬运工作站的设计与路径仿真；祁晓玲[3]利用RobotStudio 设计了工业机器人流水线搬运的仿真工作站；蔡玉强等[4]针对牛奶箱搬运过程存在运动轨迹奇点与动作节拍时间长的问题，设计了基于RobotStudio 的牛奶箱搬运生产线仿真；王洋洋等[5]针对塑料瓶在传送带上位姿不固定无法准确抓取的情况，基于RobotStudio 设计了一种塑料瓶分拣机器人夹持式机构。

通过上述文献可看出，已经有不少研究者利用RobotStudio 离线编程仿真解决工业机器人搬运的问题，但是并没有带第七轴的装箱方案设计，并且能够通过数据分析找出装箱方案的最优解。机器人行走轴又称机器人第七轴，机器人轨道等，用于扩大机器人作业半径，扩展机器人使用范围功能，主要应用于焊接、铸造、机械加工、智能仓储、汽车、航天等行业领域。不管是焊接，喷涂，物流搬运等工艺上均有广泛应用。

1 第七轴料盒装箱工作站布局

在进行方案设计时，需要搭建一个工业机器人带七轴的料盒装箱工作站。首先在SolidWorks 当中完成料盒“Cassette”的建模，尺寸为“360mm×570mm×150mm”；接着完成箱子“Box”的建模，因为箱子需要装4个料盒，双层码垛装箱，所以箱子的尺寸为“750mm×600mm×320mm”，需要预留一些空隙。双层码垛装箱示意图如图1 所示。

图1 装箱示意图

接着将工业机器人“IRB2600”导入，此型号机器人可以用于物料搬运、组装等生产场合；将第七轴“IRBT2005”导入，此导轨可以配合机器人进行移动。将创建的模型导入，将外围设施布置好，即将工作站创建完成。

为了能够使工业机器人在装箱过程中处于工作区域当中，防止出现轴配置错误或者奇点，可以精确计算机器人的工作范围，以机器人所在的地面中心点为坐标原点建立坐标系，O 点(x0,y0,z0)为机器人在第七轴原点的底座中心坐标，P 点(x p,y p,zp)为机器人在第七轴末端的底座中心坐标，A 点(x a,y a,za)为料盒取料位置中心点坐标，B 点(xb,yb,zb)为箱子最下层放置位中心点坐标，此点为工业机器人所需到达的最远位置，需满足以下条件：

其中：R为机器人能够到达的最大范围，r为吸盘工具下表面到法兰盘中心的最短距离。通过测量，得到O 点坐标为（324.5，292，460），P 点坐标为（2174.5，292，460），A 点坐标为（675.9，-606.5，650），B 点坐标为（3388.3，462，660），R的数值为1650mm，r的数值为160mm，将数据代入到公式(1)中，可以计算出A 点和B 点都在工业机器人的工作范围内。

搭建的工作站如图2 所示。此工作站包括工业机器人及第七轴、拾取与放置区底座、物料及箱子，还有一些工业机器人外围设备。

图2 工作站布局

2 流程设计

工作站整个流程为出料区产生料盒，工业机器人前往出料区拾取料盒，通过第七轴移动到末端，然后将料盒放置到箱子当中，出料区重复生成料盒，工业机器人重复进行料盒的取放，并且将料盒进行2×2 的码垛堆叠，最后完成全部装箱工作，机器人及第七轴都回原点，整体工作流程图如图3 所示。

图3 工作流程图

■2.1 料盒拾放Smart 组件设计

机器人对料盒要进行拾取放置动作，并且料盒也要不断生成，需要使用Smart 组件才能实现功能。其中，料盒取放需要用到“Attacher、Detacher、LineSensor、LogicGate[NOT]、LogicSRLatch”这几个子组件。其中，“Attacher”子组件功能是安装一个对象，这里用来拾取料盒；“Detacher”子组件功能是拆除一个已安装对象，这里用来放置物料；“LineSensor”是线传感器子组件，可以用来检测是否接触到物体，这里用来检测是否感应到料盒，如果感应到料盒，则会输出信号，代表可以进行拾取，否则不进行拾取；“LogicGate[NOT]”是逻辑门取反，拾取料盒是高电平脉冲信号控制，而放置料盒是低电平脉冲信号控制，所以需要将高电平信号进行取反；“LogicSRLatch”子组件用于信号置位复位，料盒的拾取与放置即信号的一个置位与复位过程，所以需要一个置位与复位的组件进行信号的保持。料盒不断生成则需要用到“Source”子组件，它的功能是能够创建一个图形组件的拷贝，而工作站出料区需要不断产生料盒，需要使用“Source”子组件不断复制料盒，直到箱子装满。

Smart 组件需要创建两个数字输入信号，其中Pick_di信号用于启动拾取或者放置动作，而Copy_di 用于控制料盒的产生；还需要创建一个数字输出信号PickOK_do，用于反馈拾放动作是否已完成。

接着将所有Smart 组件的信号都连接在一起，需要建立以下I/O 连接。

（1）料盒拾取输入信号Pick_di 触发线传感器“LineSensor”的激活。

（2）当线传感器“LineSensor”检测到料盒后，代表已到达料盒上方指定位置，其输出信号“SensorOut”触发“Attacher”的执行，即拾取料盒。

（3）“Attacher”的拾取动作完成后触发置位/复位组件“LogicSRLatch”执行“置位”动作，即保持拾取状态，这样料盒就不会掉落。

（4）“Detacher”的释放动作完成后触发置位/复位组件执行“复位”动作，即保持放置状态，这样不会发生误拾取。

（5）置位/复位组件的动作触发反馈信号PickOK_do动作，实现的最终效果为当拾取动作完成后将PickOK_do置为1，当释放动作完成后将PickOK_do 置为0。

（6）料盒拾取输入信号Pick_di 信号取反。

（7）取反的输出结果触发“Detacher”工具释放动作的执行。这两个信号连接，利用非门的中间连接，实现的是当关闭真空后触发释放动作执行。

（8）料盒复制输入信号Copy_di，如果置1，则能触发“Source”子组件的激活，从而产生料盒，如果置0，则不产生料盒。

Smart 组件设计逻辑如表1 所示。

表1 Smart组件逻辑表

■2.2 工作站逻辑设计

Smart 组件创建好后，需要与机器人系统进行信号连接，这样才能实现Smart 组件与机器人系统之间的信号交互。机器人系统需要创建一个数字输入信号PickOK_di，用于接收Smart 组件反馈的料盒取放信号；还需要创建两个数字输出信号，其中Pick_do 信号用于控制Smart 组件的料盒取放信号，而Copy_do 用于控制Smart 组件料盒的重复产生。工作站逻辑设计如图4 所示。

图4 工作站逻辑图

■2.3 程序编写

当所有I/O 信号创建并连接好后，可进行程序编写和运动路径规划。示教的点位主要有原点、料盒拾取点，料盒放置进入点及料盒放置点。

料盒拾取位置是不变的，但是在放置时要进行2×2 的堆叠装箱，为了简化程序，可以将料盒放置进入点及料盒放置点使用MoveL Offs 偏移指令进行偏移，此指令能以选定目标点为基准，沿着选定工件坐标系的X、Y、Z 轴方向偏移一定的距离，这样不需要示教多个点，从而加快示教速度，同时也可以提高定位的精准度。同时配合使用FOR 循环嵌套，首先执行内层循环堆叠第一层的两个料盒，然后将偏移参数进行修改，接着执行外层循环堆叠第二层两个料盒，这样能够简单、快捷地实现装箱，示教点位少，运行速度快，运动路径如图5 所示。

图5 运动路径

3 仿真分析

工作站整个流程为工业机器人前往出料区拾取料盒，通过第七轴移动到末端将料盒放置装箱，TCP 速度将决定整个装箱时间，本文共设置了三种不同的速度进行测试，分别是500mm/s、1000mm/s 和2000mm/s。四个料盒装箱动作是基本相同的，只需要测试第一个料盒的工作流程。其中，图6～图8 为TCP 速度分别为500mm/s、1000mm/s 和2000mm/s 时，一个周期内机器人总电机功率、电机总能量以及TCP 速度的轨迹曲线。

图6 500mm/s 各参数轨迹曲线

图7 1000mm/s 各参数轨迹曲线

图8 2000mm/s 各参数轨迹曲线

通过对三种TCP 速度参数轨迹曲线进行分析，结果如表2 所示。

表2 数据分析

从上述数据可以看出，TCP 速度越快，则一个周期的时间越短，总电机功率的值越大，电机总能量也越大。如果实际生产当中对时间要求不高，则可以适当地调低机器人的运行速度，能够降低功率和功耗，在同一个运行周期，TCP速度500mm/s 时，能够比TCP 速度2000mm/s 节省约一半的能量；如果对时间要求较高，则应该调高机器人的运行速度，在同一个运行周期，TCP 速度2000mm/s 时，能够比TCP 速度500mm/s 减少一半的运行时间；而综合来讲，TCP 速度1000mm/s 是最适合的，一个周期只比TCP 速度2000mm/s 多用3s 时间，但是最大功率减少了约54.4%，且电机总能量减少了约35.7%，性价比最高，兼顾生产效率和能耗。

4 总结

本文为解决带第七轴的料盒装箱工作站路径规划问题，通过搭建工作站，模拟工业机器人通过第七轴移动，拾放料盒并进行堆叠装箱的生产场景，最后通过设置不同的TCP速度，验证最优运行方案，能够有效地提高生产效率并降低能耗。