基于RobotStudio的复杂曲面抛光系统研究.pdf

第 61 卷 第 10 期Vol.61 No.102023 年 10 月October 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERINGdoi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.10.012基于 RobotStudio 的复杂曲面抛光系统研究 钱亚玮1，金晓怡1，刘双龙1，奚鹰2（1.201620 上海市 上海工程技术大学 机械与汽车工程学院；2.201804 上海市 同济大学 机械与能源工程学院）摘要 以手表外壳复杂曲面的抛光为研究对象，通过运用 RobotStudio 软件对各种建模软件的兼容性搭建了复杂曲面抛光系统的工业仿真平台。依照软件的工作站逻辑编写了关于仿真平台的 Smart 组件程序，并对 Rapid 语言编写的机器人程序进行了仿真运行，实现了由机器人识别表壳位置信息，并完成抓取、抛光、放回等一系列工业流程。最后，设定了碰撞监测组件，来实时监测机器人与外围设备之间的碰撞情况，以确保设备安全运行。目前，该抛光系统已投入生产。关键词 复杂曲面；机器人仿真；手表外壳；抛光系统；位置识别 中图分类号 TG580.692 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)10-0055-05引用格式：钱亚玮,金晓怡,刘双龙,等.基于 Robot Studio 的复杂曲面抛光系统研究 J.农业装备与车辆工程,2023,61(10):55-59.Research on complex surface polishing system based on RobotStudioQIAN Yawei1,JIN Xiaoyi1,LIU Shuanglong1,XI Ying2（1.School of Mechanical and Automotive Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China;2.School of Mechanical and Energy Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China)Abstract Taking the polishing of the complex surface of the watch shell as the research object,the industrial simulation platform of the complex surface polishing system was built by using the compatibility of RobotStudio software to various modeling software.Using the workstation logic of the software,the Smart component program for the simulation platform was written.The simulation of the robot program written by Rapid language was run,realizing the robot to recognize the position information of the watch,and grasp,polish,put back and other industrial processes.Finally,a collision monitoring component was set up to monitor the collision between the robot and peripheral devices in real time to ensure the safe operation of the equipment.The polishing system has been put into production.Key words complex surface;robot simulation;watch shell;polishing system;location awareness收稿日期：2022-09-070 引言“中国制造 2025”为我国智能制造指明了方向1-2。与发达国家相比，我国的自动化和工业机器人产业仍处在起步阶段，一些中小企业将“机器换人”作为现阶段企业发展的目标和方向，这可改善员工的工作条件3-5。夏仁兵6基于六自由度工业机器人研究并开发了复杂曲面零件的自动抛光系统，利用 WHUT-CLGenerator 系统离线生成抛光数据，将其导入 ROBCAD 系统验证轨迹的正确性及各多轴刀位点的可达性后，再导入 WHUT-RoPolish 系统完成抛光，该系统适用于大型零件，能够对任意复杂曲面零件实现自动抛光；谢海龙等7介绍了基于网格曲面参数化算法的抛光轨迹生成法等多种轨迹生成法，为曲面零件抛光的轨迹规划提供了较系统的解决方案；曹茗茗8以叶片型面抛光为例，设计了微细磨料水射流曲面抛光软件，该软件可以识别CAM软件导出的NC文件，用译码、轨迹规划、速度与处理等优化抛光轨迹。对复杂曲面抛光的研究多聚焦于轨迹规划，对零件的摆放位置也有一定要求，适用于个性化生产。我国有很多劳动密集型产业，需要用到的轨迹规划较为单一，例如手表行业9。手表行业中大部分工艺流程都由人工完成，特别是手表外壳的抛光工艺，其抛光过程较为复杂，需要操作人员手和眼高度配合才能完成，但长时间高精度、高效率工作非人力所及。本文基于 RobotStudio 仿真软件搭建了复杂曲面抛光系统的工艺仿真平台，固定砂轮，用机器人抓取表壳进行抛光，通过机械设备的稳定性提高手表外壳加工的产量和效率。56农业装备与车辆工程 2023 年1 抛光系统流程设计工业机器人常见的几个应用场景包括码垛、打磨、视觉、装配和仓储10-12，本文的场景包括视觉和打磨，对 IRB1200 工业机器人复杂曲面抛光系统的工艺流程进行设计，具体步骤如下：（1）机器人旋转到初始位置等待上料。由人工上料（每个物料盘可放 16 块表壳，表壳可随机摆放，如图 1 所示），右侧工业相机对物料盘拍照并上传至上位机；视觉处理程序判断每个表壳的位置和角度信息；上位机进行信息储存，通过 PLC的模拟量信号传输给机器人；机器人将每个表壳的信息存储到抓取队列中，之后机器人在右侧等待位置等待“Start”命令；（2）PLC 发送给机器人“Start”数字量信号，机器人依照抓取队列中的信息对表壳进行抛光。机器人首先运动到视觉队列中第 1 个表壳位置上方并偏转相应的角度，保证与表壳的中线对应，然后缓慢降低高度至爪手可以抓取表壳。PLC 控制爪手抓取表壳，并将表壳移动到右侧抛光等待位置，缓慢靠近右侧抛光轮，按规划好的路径对表壳进行抛光。抛光结束，机器人原位放回表壳，进行下一个表壳的抛光；（3）右侧物料盘的表壳全部抛光完毕后，机器人运动到初始位置。同理，对左侧物料盘中表壳重复步骤（1）、步骤（2）的操作。需要注意的是，此时右侧物料盘在流程上留有“空窗期”，所以工作人员要将右侧物料盘上的表壳进行更换，等待机器人下一次的抛光作业。左侧物料盘的表壳全部抛光完毕后，机器人运动到初始位置。以上为一个循环作业过程，抛光作业不断由右侧至左侧循环。2 抛光系统流程仿真2.1 三维模型建立RobotStudio 工作站中，本文选用的 IRB1200工业机器人模型可从模型库中直接导入。虽然RobotStudio 软件提供内部建模的操作，但由于本工作站中的外围设备结构相对复杂，故选用SolidWorks 专业软件建立三维实体模型。IGES、STEP、VrML、ACIS 及 CATIA 等模型格式均可导入 RobotStudio，程序员可依据精确数据编写精度更高的机器人程序，从而提高产品质量13。图 2 所示为整个仿真平台需要搭建的模型。复杂曲面抛光系统分为机器人本体、控制柜、上位机、左右物料区、抛光轮 5 部分，整体布局如图 3 所示。为最大限度地使用机器人的工作半径，将左右物料区关于机器人对称布置，上位机及控制柜布置在机器人后方，2 个抛光轮放置在机器人前方的抛光作业区，由同一个电机驱动。2.2 I/O 信号RobotStudio 中，Smart 组件能够代替 PLC 模拟真实的数据通讯14-16，实现上下料过程的仿真，用 到 的 Smart 组 件 主 要 有 Random、Comparer、Expression、VectorConverter、Source 和 Sink。上下图 1 物料盘上待加工表壳Fig.1 Watch case to be processed on material tray （c）（d）图 2 仿真平台整体模型搭建Fig.2 Construction of overall model of simulation platform （a）机器人本体模型 （b）控制柜和上位机模型（c）左右物料区模型 （d）抛光机模型 （a）（b）图 3 表壳抛光系统整体布局图Fig.3 Overall layout of case polishing system57第 61 卷第 10 期钱亚玮 等：基于 Robot Studio 的复杂曲面抛光系统研究 料 Smart 组件逻辑流程图如图 4 所示。由仿真程序向 Smart 组件发送一个 diload 的数字量上料信号，该信号同时激活 Random_Ori 和Random_Pos 随机数组件，前者产生 0360 的随机数，后者产生-13 的随机数。Random_Ori 产生的随机数传到 Expression 表达式组件进行角度转弧度换算，公式为“Random_Ori/180*pi”。经过换算的数据传输到 VectorConverter 向量组件的 Z 轴数据中，产生的包含 Z 轴随机角度的向量存储到用来生成表壳工件的 Source 源组件，等待生成信号的激活。生成信号则是 Random_Pos 产生的随机数，经过 Comparer 判断，Random_Pos 0 时输出 1，随机数 0 时输出 0。输出 1 可激活 Source 源组件以内部存储的位置及角度数据生成一个表壳工件，并将 loadOK 信号置为 1；反之，置为 0。下料主要用到的 Smart 组件为 Sink 删除组件。将上料过程中生成的表壳工件连接到 Sink 组件的待删除源物体，等待仿真程序发送的 diclear 信号激活 Sink 组件便可将此表壳工件完全删除，模拟工作人员的下料操作。上料完毕后，用 Smart 组件实现夹爪对表壳工件抓取和放下的仿真。夹爪 Smart 组件主要利用到 PlaneSensor、Attacher、LogicGateDetachNOT、Detacher、LogicSRLatch 和 LogicSRLatch_2。夹爪Smart 组件逻辑流程图如图 5 所示。夹爪逻辑思路：当夹爪转到待加工表壳位置时，来自仿真程序的数字量信号 digrip 置 1，激活装在夹爪上的 PlaneSensor 面传感器，检测到物料后，激活 Attached 组件，使检测到的物料安装在夹爪上。夹爪 Smart 组件设计图如图 6 所示。接下来，由机器人抓着表壳靠近抛光轮进行抛光，抛光轨迹在此不做详细分析。抛光完毕后，机器人将加工后的表壳放回原位置，仿真程序将digrip信号置0，PlaneSensor面传感器取消激活状态。同时，来自 digrip 的 0 信号经过 LogicGate NOT 逻辑非组件后输出 1，激活 Detacher 组件，加工后的表壳物料从夹爪上拆除。每个 Smart 组件都设有一个 I/O 信号端口，通过 I/O 信号端口，可以在工作站逻辑中对整个工作站的所有Smart组件进行汇总，包括信号的连接、逻辑的梳理等。整个过程相当于对仿真工作站的系统调试，目的是保证工作站能够按照预计的仿真流程运行，Smart 组件中部分 I/O 信号的连接如表 1 所示。图 4 上下料 Smart 组件逻辑流程图Fig.4 Logic flow chart of Smart component for unloading and loadingRandom_OridiclearRandom_PosdiloadExpressionSinkSourceVectorConverterclearOKloadOKComparerYes10No图 5 夹爪 Smart 组件逻辑流程图Fig.5 Logic flow chart of gripper Smart componentPlaneSensordigripLogicGateNOTLogicSRLatch_2AttacherDetacherLogicSRLatchdoDetacheddoAttached图 6 夹爪 Smart 组件设计图Fig.6 Gripper Smart component design drawing58农业装备与车辆工程 2023 年表 1 夹爪 Smart 组件 I/O 信号连接Tab.1 Gripper Smart component I/O signal connection源对象源信号目标对象目标信号dogripdigripPlaneSensorActivePlaneSensorSensorOutAttacherExecuteAttacherExecutedLogicSRLatchSetAttacherExecutedLogicSRLatch_2ResetLogicSRLatchOutputdoAttacheddiAttacheddogripdigripLogicGate NOTOutputLogicGate NOTOutputDetacherExecuteDetacherExecutedLogicSRLatchResetDetacherExecutedLogicSRLatch_2SetLogicSRLatch_2OutputdoDetacheddiDetached2.3 程序设计为了加工工艺过程的流畅，开始加工流程前的首要任务是系统初始化17-19。本文所编写的子程序按工作流程排序主要有左右侧识别程序、左右侧上料程序、左右侧下料程序、左右侧抛光程序、拾取程序、放置程序等，具体程序架构如图 7 所示。程序设计的关键是保证生产加工的可持续性和高效性20。在程序设计的过程中，为保证硬件稳定工作，需要对 I/O 端口和变量进行初始化。Main()函数作为整个程序执行的起点，控制工作站的整个工作流程，调用 Xialiao_R 和 Xialiao_L 程序对物料盘初始化，调用 Shangliao_R 程序使右侧物料盘上料，Recognition_R 对右表壳位置进行识别，当输入的数字量信号为 1 时，与之对应的表壳工位激活并加入抛光队列，等待抓取程序 GripCase、右侧抛光Polish_R、放回程序Putback，在识别的同时，调用 Xialiao_L、Shangliao_L 程序。完成右侧物料盘上表壳的抛光工作后，对左侧物料盘执行同样操作。将上述右侧、左侧 2 套操作并入一个 For 循环语句，使整个抛光流程循环进行。3 仿真结果分析通过搭建三维模型、设计 Smart 组件、连接 I/O 信号、离线编程，完成了复杂曲面抛光系统在RobotStudio 软件中的仿真工作站设计，工艺仿真模拟效果如图 8 所示。在机器人对表壳抓取抛光过程中，RobotStudio软件提供的实时碰撞监测组件可以有效防止实际加工过程中机器人与外围设备之间、机器人末端夹具与抛光机之间发生碰撞21。机器人上下料过程中的碰撞仿真效果如图 9 所示，碰撞监测分析中显示碰撞对象的名称以及碰撞点的坐标。4 结语本文基于 RobotStudio 仿真软件搭建了复杂曲面抛光系统的工艺仿真平台，根据实际表壳工件参数创建了工件模型、设计了夹爪工具，并且对工作站中的外围设备进行建模；然后依照 Smart 组件创建工作站逻辑，实现了表壳工件抓取和放置的动作效果，通过配置 I/O 信号实现了仿真控制器与机器人的通信。编写离线程序，完成机器人识别表壳位置信息并进行抓取、抛光、放回等作业，利用碰撞图 8 表壳抛光系统仿真模拟效果图Fig.8 Simulation effect diagram of watch case polishing system图 7 表壳抛光系统程序架构Fig.7 Case polishing system program architectureShangliao_R(右侧上料)Shangliao_L(左侧上料)Shangliao_L(右侧上料)Xialiao_L(左侧下料)Xialiao_R(右侧下料)Recognition_R(右侧识别)Recognition_R(右侧识别)Recognition_L(左侧识别)右侧加工程序:GripCase(抓取程序)Polish_R(右侧抛光)Putback(放回程序)左侧加工程序:GripCase(抓取程序)Polish_L(左侧抛光)Putback(放回程序)图 9 机器人抓取表壳与抛光轮外壳碰撞图Fig.9 Collision diagram of robot grabbing watch case and polishing wheel shell451.77 -360.05 848.6259第 61 卷第 10 期钱亚玮 等：基于 Robot Studio 的复杂曲面抛光系统研究 监测功能实时监测加工过程中设备间的碰撞情况，以确保设备安全运行。该抛光系统结合了视觉和抛光两大功能，大大提高了手表外壳的抛光效率，改善了工人的工作环境。目前，抛光系统已投入生产。参考文献1 穆馨.中国制造 2025 对工业机器人发展的促进 J.内燃机与配件,2017(11):112-114.2 YANG Fengwei,GU Sai.Industry 4.0,a revolution that requires technology and national strategiesJ.Complex&Intelligent Systems,2021,7(3):1311-1325.3 罗连发,储梦洁,刘俊俊.机器人的发展:中国与国际的比较J.宏观质量研究,2019,7(03):38-50.4 邹倜然.中小企业“机器换人”难在哪 J.决策探索(上),2019(07):38-39.5 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