工业机器人自动分拣工作站设计*

王 阳，于 涛

(辽宁工业大学 机械工程与自动化学院，辽宁 锦州 121000)

0 引言

随着《中国制造2025》和“十四五”规划政策的出台，智能制造成为中国未来经济发展不可或缺的技术支撑。工业机器人在自动化生产线中的应用也会越来越广泛[1]。

就目前一部分自动化生产线而言，有一些上下料、产品分类等工作仍然需要大量人工辅助，无法满足高效生产需求，所以利用机器人进行分拣工作成为一种大趋势。孙立新等[2]利用SW和RobotStudio搭建了工业机器人分拣工作站并进行了离线编程与仿真。许国强[3]基于视觉识别技术，利用RobotStudio针对冲压件特征搭建了冲压件自动分拣工作站，规划了运动轨迹，进行了程序编写。

鉴于前人的研究较为复杂，本文将利用RobotStudio与SW建立一个精准、简单、安全、可靠的工业机器人自动分拣工作站。在仿真软件中建立等同于实体的工业机器人自动分拣工作站，可大大降低在实际创建时的错误率。

1 工作站系统设计

工作站控制系统基于机、电、气一体化。将PLC作为机器人工作的核心控制设备，搭配用于检测物料位置的传感器对工作站进行联合控制[4]。将工业相机作为机器人视觉设备，为机器人提供物料位置坐标，以保证机器人准确抓取。上位机与机器人之间直接连接，通过Socket通信。图1为机器人工作站控制系统结构框图。

图1 机器人工作站控制系统结构框图

2 工作站搭建

本设计真实的机器人自动分拣工作站采用ABB工业机器人IRB1200进行物料搬运。此机器人工作范围较广，工作半径可达901 mm，有效负载5 kg，手臂负载也可达0.3 kg[5]。该机器人机械结构紧凑，适用于物料搬运。利用SolidWorks软件建模并将其导入RobotStudio后配合系统建立此工作站布局图，如图2所示。

1-离线编程系统;2-物料台;3-机器人;4-工业相机a;5-工业相机b;6-气缸;7-安全门;8-传送带；9-控制柜

如图2所示，将机器人安装在物料台与传送带中间，在满足抓取范围要求的前提下，缩小了占地面积，提高了紧凑性。此外，工作站还包括气缸、安全门、工业相机、机器人控制柜等部分。

3 工作站设计

3.1 机械装置创建

工作站模型中的机械装置是机器人、工具等部分的图解，它的位姿变换是完成系统工作动画演示的重要组成部分。

在工作站搭建的模型基础上创建机械装置为后续设计提供动作基础。以气缸为例说明整个机械装置设计过程。气缸用于将传送带上运送的物料推至物料筐中，它由支架、缸体、挡板和杆体组成，其中挡板和杆体可以做伸缩运动。气缸的具体设计过程如下：首先，创建一个机械装置命名为气缸，将支架设置为L1，杆体设置为L2，并将L1属性设置为BaseLink；然后创建节点命名为m1，父链接为L1，子链接为L2，关节类型为往复型；手动移动杆体确定可完成动作的位置坐标，将坐标依次填入关节轴属性中，如图3所示；最后编译机械装置并保存，以备后续调用。

图3 气缸机械装置创建

3.2 动态Smart组件设计

Smart组件设计是机器人完成预设功能动态仿真与信号交互的重要环节[6-9]。本设计中通过对Smart组件的设计来实现仿真逻辑。

以机械抓手为例来说明整个Smart组件的设计过程。首先创建一个Smart组件；然后添加一个LineSensor子组件,用来检测物料到达抓手可抓取坐标点，即接收信号后机械手停止动作，要通过设置属性来定义传感器的起点、结束点和感应半径[10]；将其检测到的物料设置为Attacher子组件的安装对象；机械抓手的夹紧与松开动作由两个PoseMover子组件进行控制；再分别添加一个Detacher子组件和逻辑非门子组件LogicGate[NOT]，设置输出变化时间为0 s；最后创建机械抓手的I/O信号，用于与其他Smart组件进行信号交互。机器人抓手Smart组件设计如图4所示。

图4 机器人抓手Smart组件设计

3.3 系统工作流程

根据自动分拣任务要求，设计了本工作站仿真系统的作业流程，如图5所示。

图5 工作站仿真系统作业流程

机器人自动分拣工作站的系统工作流程如下：系统启动，相机对物料台的物料进行扫描并将信息发送给机器人；机器人抓取物料将其送至传送带；传送带上的相机对物料进行二次扫描确定物料类别并发送信号给气缸组，气缸根据指令将物料推送至储物区。系列动作循环。

3.4 机器人离线编程

3.4.1 创建信号板并配置系统信号

在工业机器人中，通过I/O数据信号板来实现机器人系统与外界输入或者输出信号的交换。

创建一个标准信号板DSQC652(16输入信号和16输出信号)。为了使机器人系统与外部之间信号准确传递，要进行系统信号配置。工业机器人系统部分I/O信号配置如表1所示。

表1 工业机器人系统部分I/O信号配置

3.4.2 编写离线程序

根据搭建好的模型与系统信号配置，结合Smart组件设计，新建程序模块进行RAPID程序编写[11]。

主程序如下：

PROC main ( )

initialize;！初始化

findobject;！相机扫描确定物料位置

pickobject1;！机器人抓取物料1

placeobjet;！机器人将物料1放置于传送带并分拣

pickobject2;！机器人抓取物料2

placeobjet;！机器人将物料2放置于传送带并分拣

pickobject3;！机器人抓取物料3

placeobjet;！机器人将物料3放置于传送带并分拣

ENDPROC

部分子程序如下：

PROC pickobject1 ( )

WaitTime 1;！等待1 s

Set do01;！气缸1传感器激活

Reset do02;！关闭气缸2响应

Reset do03;！关闭气缸3响应

MoveJ Offs(pick,0,0,100), v150, z20, tool0;！抓手移至物料正上方

MoveL pick, v20, fine, tool0;！抓手下移至待抓取位置

WaitTime 0.5;！等待0.5 s

Set do05;！机器人抓取物料

WaitTime 0.5;！等待0.5 s

MoveL Offs(pick,0,0,100), v150, z20, tool0;！机器人抓起物料

ENDPROC

3.5 工作站逻辑

在工作站系统中需要利用I/O信号将机器人与Smart组件之间进行逻辑连接，来实现整个工作站各工作部分之间的精准配合。工作站部分I/O信号连接如表2所示。

表2 工作站部分I/O信号连接

4 仿真

4.1 仿真测试

在前期工作完成之后，进行了多次工业机器人分拣工作站的动态仿真。在多次仿真过程中，机器人均按照原定设计路径对物料进行视觉识别并准确抓取；并在传送带上对物料再次进行视觉识别，根据类别给气缸发送触发信号，准确推送物料到特定储物筐中。工作站仿真过程如图6所示。

图6 工作站仿真过程

4.2 实验验证

在实验现场，将离线程序导入机器人控制柜，并初始化机器人坐标，准备完毕后开始实验。整个机器人自动分拣过程如图7、图8所示。

图7 机器人搬运物料过程

图8 物料在传送带上分类过程

经实验测得，机器人完成一个物料分拣的工作时间为30 s。连续8 h工作可循环分拣960个物料，相比人工分拣，分拣效率有所提升。

5 结语

本文结合实际生产情况，利用RobotStudio搭建机器人自动分拣工作站，实现对物料的智能识别分类。在工作站中，创建了IRB1200机器人系统，创建了机械装置，设计了Smart组件，配置了I/O信号，编写了机器人离线程序。经过多次仿真实验与现场实验，结果表明所设计的工业机器人自动分拣工作站视觉识别准确，抓取精度较高，分拣过程迅速，能够安全、可靠地完成分拣任务。在实际的分拣过程中，通过调节相应的参数可以很大程度缩短分拣时间，提高工作效率。本设计结构简单、功能全面、性能可靠，能够为类似分拣工作站的设计提供理论依据。