基于RobotStudio的空調壓縮機自動裝配生產線虛擬仿真＊

劉海龍,吳海波,張 蕾

（湖南鐵道職業技術學院，湖南 株洲 412001）

1 引言

在“中國制造2025”戰略背景下，以工業機器人應用為核心的智能制造工廠近年得到快速發展，智能制造生產線由原來單一的設備應用轉變為大規模的流水線生產集成應用，極大提高了生產效率和質量穩定性，智能制造也是未來產業升級的重要發展方向[1]。目前市場主流的家用空調壓縮機有活塞式、滾動轉子式和渦旋式三種[2]。本文中以3 匹及以下主流空調用滾動轉子式壓縮機自動裝配工作站為例，對其實際裝配生產工序進行虛擬仿真，實現對該壓縮機的上下料、四角螺絲安裝、安裝吸氣管和排氣管等多道裝配工序仿真[3]。在滾動轉子壓縮機自動化生產線的設計過程中，由于系統集成零部件多、投入較大、多設備的互聯與協同作業調試時間長，因此在生產線設計前期，需借助虛擬仿真技術，在虛擬環境中對生產對象、過程、設備、工藝等進行配置與仿真模擬，極大提高生產線設備研發和調試時間、節約設計成本、降低設備的投資風險[4-5]。本文以空調壓縮機自動裝配生產線為研究對象，利用RobotStudio、SolidWorks 等軟件工具設計以3臺工業機器人協同配合的裝配工作站，包括檢測、上下料、軌跡編程、和裝配工藝等。針對吳安成等人提出的空調壓縮機排氣管和吸氣管異形軸裝配工藝復雜的問題[6]，提出了新的多機器人柔性生產裝配協同方案；王軼等人提出利用雙視覺在壓縮機固定孔三維空間的精確定位問題[7]，本文進行了算法改進和仿真驗證；季贊華等人構建了雙工業機器人的協同裝配螺絲工序[8]，但主要針對雙機器人的空間運動軌跡設計分析，對于缺少雙機器人通訊上的配合協作方面的內容在本方案中進行了補充。

本文按企業實際生產要求應用SolidWorks 設計模型，利用RobotStudio創建空調外機壓縮機自動化裝配生產線。針對生產線的布局與結構、壓縮機抓取工具、軸承座和倍速鏈、作業工業機器人進行研究和設計仿真，探討利用RobotStudio 實現空調壓縮機裝配生產線最佳解決方案，仿真方案能夠完全模擬現場生產環境和生產工藝要求，實現壓縮機生產線的上下料、搬運、裝配、檢測、輸送鏈傳送、碼垛等生產工序，通過兩臺工業機器人與外圍設備、傳感器網絡、以太網通信網絡組成緊密耦合的工作站，實現系統的自動化運行，并在此基礎上優化系統最佳能效解決方案，提高經濟效益。

2 自動裝配生產線仿真設計

RobotStudio是世界五百強之一的ABB公司開發的計算機仿真軟件，該軟件是以ABB工業機器人為核心的機械、電氣、傳感器、通信等綜合性的動態設計應用[9]。仿真系統中三維模型的設計通過CAD 軟件進行精確設計和導入，RobotStudio 設計工作站布局、工業機器人控制器、示教器、運動軌跡、電氣控制信號、傳感器網絡等配置，在機械物理尺寸和電氣控制方面均保證與實物完全一致[10]。因此，在仿真軟件中調試好的模型組件可直接應用于生產，程序也可直接導入到實物控制器中運行，完全模擬了真實的工作環境。

2.1 系統總體設計

根據空調壓縮機的生產和裝配過程、工藝要求，本系統選用ABB IRB2600 型的工業機器人3 臺，按工作站的工序流程，分別負責壓縮機的上下料、墊片與彈片裝配和緊固螺絲裝配。系統屬于整個空調外機生產線的一個組成部分，系統由工業機器人、壓縮機零件、傳送鏈、機器人上料工具、機器人裝配工具、傳感器網絡和輔助外圍設備組成。ABB IRB2600型工業機器人最高載荷20kg，臂長1．65m，常應用于上下料、裝配等工作站中，非常適合于本設計方案[11]。PLC可編程控制器在虛擬仿真軟件中采用仿真邏輯模擬實現其功能。動態機械裝置模塊采用Smart組件設計。在通信網絡上，機器人系統、外圍設備、PLC設備采用I/O擴展模塊實現數據的交互。系統整體結構如圖1所示。

2.2 裝配生產線仿真建模

系統的所有外圍模型組件均在Solidworks CAD 軟件中按設計比例繪制完成，導入到RobotStudio 中，與RobotStudio 匹配格式為STEP AP203/214 格式[12]。工作站外圍設備模型組件設計完成后，轉換為庫文件或模型文件，導入到RobotStudio 中，仿真軟件庫中可以直接調用對應工業機器人的示教器、控制柜、機器人本體和機器人輸送鏈模型。在RobotStudio 軟件中采用“放置”功能配置模型組件的坐標、旋轉角度、偏移量等數據，完成工作站的合理布局。為了確保工業機器人對工件作業時不出現奇點，可采用“關節運動”模式操縱機器人以作業姿態到達工件位置，驗證系統布局的位置合理性。如圖2、圖3所示。

2.3 裝配生產線工作流程

根據壓縮機裝配工序要求和工業機器人路徑軌跡規劃設計，在一個循環的工序中，輸送鏈將空調外機待裝配工件運送到指定位置時，有光電傳感器檢測并將I/O 信號發送給PLC 控制器，輸送鏈運送停止并固定待裝配工件，單工業機器人抓取壓縮機零部件精確放置安裝位，發送信號給PLC，觸發輸送鏈到固定工序位。同理待裝配工件運送至固定工序位時，由雙機器人協同進行螺絲、墊片配置和緊固。裝配完成后運送至檢測區進行合格性檢查。本系統是整個空調外機生產線的重要組成部分，該裝配工序需要實現機器人、輸送鏈、PLC的相互通訊和精密配合完成，并且在整個設計過程中均需監控多工業機器人的運行狀態和防碰撞設計。詳細流程圖如圖4所示。

3 動態組件仿真設計

工作站模型組件布局完成后，為實現輸送鏈、多工業機器人、多功能工具和傳感器檢測網絡之間的通信和協同[13]。需要先創建并設計所有動態部件的Smart組件，設計好Smart動態組件屬性后需要配置機器人和外圍設備I/O信號連接及屬性，由此確定多機器人、多設備的協同作業的控制邏輯關系。

3.1 Smart組件及控制邏輯

為了實現系統的控制邏輯和動態仿真，主要通過創建Smart組件來實現[14]。為模擬輸送鏈的輸送運動功能，首先使用“創建機械裝置”功能設計輸送鏈水平機械運動屬性，根據實際生產及穩定性要求，速度配置為200mm/s，并生成輸送鏈機械裝置Conveyor。為實現壓縮機上料機器人的定位上料功能，對機器人多功能夾具創建了SC_Gripper，在夾具中設置線傳感器LineSensor 對工件進行三維定位檢測，代替現實中機器視覺的功能，夾具的開合機械運動使用I/O端口DO_GripperOpen、DO_GripperClose 控制，夾具啟動信號為DIGripper，完成作業輸出DOVacuumOK，機械動作時間配置為0．5s。針對雙機器人裝配協同用緊固工具，創建了SC_Replacement1、SC_Replacement2 兩個裝配工具組件，并配置了Attacher、Detacher兩個螺絲拾取和裝配邏輯子組件。以SC_Gripper為例，其設計邏輯如圖5所示。

3.2 I/O信號配置及連接

本方案是模擬仿真實際生產線中以西門子PLC S7-1200 為主控單元，為了將PLC、多工業機器人、傳送帶組件、夾具工裝組件和傳感器網絡等設備實現無縫連接，系統將對所有需通信單元按實際現場設備配置對應的I/O信號。在系統的I/O 設計中，機器人控制設備采用機器人輸出信號與執行機構的Smart 組件輸入信號相連，機器人接收傳感器信號采用機器人輸入信號與傳感器的Smart 組件輸出信號相連[15]。由于I/O 信號涉及組件較多，本文以核心的雙裝配機器人系統I/O 信號的配置為例，裝配機器人單臺配置3個數字輸入信號、5個數字輸出信號和1個模擬輸出信號；數字輸入信號分別為合作機器人準備完成、工件準備就緒和螺絲裝載完成；數字輸出信號分別為與合作機器人配合本機完成、拾取安裝螺絲、啟動傳感器檢查、啟動輸送帶和裝配完成；模擬輸出信號為控制裝配工具。單臺裝配工業機器人I/O信號的參數如表1所示。

表1 AssemblyRobot1 I/O信號的變量參數

4 系統編程與調試

4.1 機器人離線編程

在完成裝配生產線的模型布局、Smart 組件設計和I/O連接設計后，根據整個系統的工作邏輯設計工業機器人的運動軌跡和工序流程[15]。程序設計的關鍵點在于對工件、裝配件等目標點的精確定位和放置，有誤差則會發生碰撞的危險。其中機器人的規劃路徑采用TCP 跟蹤，可以清晰的跟蹤TCP路徑并驗證其合理性。為獲得機器人工具與工件對象位置的精確偏移量，添加接近檢測功能，安全距離控制在2mm 之內，當工具與工件之間的軌跡小于1mm時顯示預警黃色，該方法可以有效控制機器人運動的軌跡精度。

工業機器人的程序在RobotStudio中的RAPID系統中設計，程序根據功能的區分設置不同的功能程序模塊，由Main主函數進行邏輯控制和功能函數調用[16]。工作站啟動后需要立即進行設備及I/O 端口的初始化操作，否則有可能導致硬件設備動作邏輯錯亂的可能。由于系統拾取和搬運的動作邏輯較多，此處以機器人裝配件上料模塊舉例，其主程序如下：

CONST．robtarget．Target_10：=[……]；!定義拾取目標點位置

CONST．robtarget．Target_20：=[……]；!定義放置目標點位置

PROC main( )

rInitAll；!初始化設備狀態

VelSet 150，300；!速度控制

ClkStart clock；!計時開始

WHILE TRUE DO；!循環

MoveL pStart，v150，fine，tPickToolwobj：=Pickwobj；!上料定位

WaitDI Di_RobotRy，1；!機器人就位

WaitDI Di_WorkpieceRy，1；!輸送鏈位置檢測

PickupScrew；!調用上料函數

Set Do_PickupScrew；!上料完成通信

Set Do_OpenConveyor；!重啟輸送鏈

PlaceScrew；!調用放置函數

Movel Home；!機器人回到home點

ENDWHILE

ClkStop clock； ! 停止計時

Time1：=ClkRead(clock1)； ! 讀取時鐘

ClkStart Timer； ! 統計機器人運行時間

ENDPROC

……

4.2 系統仿真與調試

完成工業機器人軌跡編程和系統的工作邏輯后，配置系統的啟動數字輸入信號DIStart，配置系統運行仿真進入點指針p，配置系統循環運行模型，單擊“仿真-播放”運行[17]。DIStart 啟動系統，系統硬件初始化、I/O 端口初始化，輸送鏈啟動運行，線傳感器檢測工件安裝底座運行至指定位置時，觸發輸送鏈減速停止；同時機器人接收線傳感器到達信號，抓取壓縮機進行上料，上料完成觸發輸送鏈運行至雙機器人裝配工序。同理，工件定位后，一臺機器人進行安裝墊片、彈片，另一臺機器人裝配螺絲并緊固，完成后觸發輸送鏈運行至下一道工序，本工作站作為整個空調外機生產線的一個組成部分，對上道工序和后道工序均保留有設備接口，具有良好的擴展性。

在RobotStudio仿真軟件中，Smart組件的功能上模擬了PLC 控制邏輯的功能，動態組件模塊的控制邏輯均通過Smart 組件設計。系統設計有豐富的對外接口，與其他部件進行關聯和通信，整個工作站的邏輯在仿真配置中，配置多機器人、Smart 和機械組件的系統工作邏輯。通過仿真和調試，整個工作站能夠循環、平穩、高效運行，大大提高現場調試效率和調試周期，達到了預期設計目標。

5 結束語

根據空調壓縮機裝配工藝流程，搭建了壓縮機自動化上料和裝配生產線模型，設計了Smart動態邏輯組件、傳感器、I/O控制及通信網絡等電氣、機械部件，通過設計多工業機器人軌跡編程實現了系統的動態仿真。利用虛擬仿真技術很好地解決了工業機器人為核心的自動化生產線研發投資大、調試設備難、機器人路徑規劃難等難點問題，不僅可以為實際的空調壓縮機自動裝配生產線提供理論依據和實驗平臺，還能有效支撐對自動化生產線的后期升級，對布局的合理性、優化機器人運行軌跡、提高加工效率和節能降耗方面可提供便捷的驗證平臺，且具有重要的指導意義。