基于RobotStudio仿真软件的双线码垛教学工作站设计 蔡晓芷虚拟仿真技术可以模拟真实世界，改善学习环境，帮助人们更好地获取知识，它的价值和意义是重塑教学环境，让学生进行沉浸式和交互式的学习，提高真实感，可以进行虚拟工作站的开发和共享，被广泛用于工科类教学。工业机器人是一门新兴的多学科交叉的专业，因此，如何更好地提升专业人才培养质量，是很多职业院校一直在积极探索的问题。自动化装置尤其是机械臂在操作和调试过程中具有一定的危险性，同时建设一个机器人实训场室需要投入大量的资金，如果采用虚拟仿真技术搭建并设计一个与实训设备高度一致的实训环境，其一可以解决实训设备昂贵、实训危险和不可逆的痛点，另一方面可以让学生在任何时间进行学习和操作，使其快速掌握知识和技能，大大提升教学质量和技能水平。本文通过对工业机器人工作站及零件进行三位实体建模以及整体布局，运用RobotStudio虚拟仿真软件中的smart组件和虚拟示教器等技术，创建工业机器人、夹爪、吸盘、涂胶工具的组件及属性，结合IO控制和工作站逻辑设计，实现机器人工作站的离线编程仿真，激发学生自主能动性，提高学生专业技能。一、工业机器人专业培养要求1.岗位能力要求通过开展职业能力分析会，对应该具备的职业能力进行分析，目前本区域不断改进传统制造业，越来越多的工业机器人应用在工业生产线上，需要一批具备工业机器人安装、编程、维护、调试及售后服务等技术的专业技能型人才。2.教学要求根据本专业人才培养方案，学生的目标是养成良好的服务意识、团队合作精神、专业沟通能力以及自主学习能力，成长为在生产、建设、服务、管理第一线工作的高素质劳动者和技术技能人才。工业机器人典型应用案例精析是工业机器人技术应用专业的核心课程，本课程的先导课程为工业机器人实操与应用技巧、工业机器人虚拟仿真技术，学生已掌握工业机器人的基本操作和简单编程，能熟练运用RobotStudio仿真软件。通过本课程的学习，进一步培养学生工业机器人的应用能力，掌握典型应用案例的安装、编程、调试方法。二、工业机器人工作站搭建ABB公司开发了虚拟仿真软件RobotStudio，用户通过此软件可以完成设备搭建、信号模拟、流程仿真等操作，完成仿真工作站的搭建，对实际工作流程进行模拟仿真，可用于实操前的轨迹检查，防止因程序、点位或信号问题造成设备碰撞和损坏，进一步优化工作流程，提高工作效率。1.设计流程首先，打开RobotStudio软件，按照如下步骤完成工作站的设备搭建：“基本”菜单栏“ABB模型库”选择IRB120型号机器人导入；“基本”菜单栏“机器人系统”“从布局”，创建系统（包含709-1 DeviceNet Master/Slave）；“建模”菜单栏CAD操作功能按照机器人工具及其周边设备实际尺寸完成建模并完成相对位置摆放；本次工作站模型包括皮带、码垛台、安装台、涂胶台、快换工具（涂胶笔、吸盘、夹爪）和机器人本体，如图1所示，此工作站可以根据任务要求完成涂胶、搬运、安装任务。2.快换工具为了使工作过程中工具的动作更加真实，需要设计快换工具，其中夹爪工具在工作过程中有夹爪张开和夹紧两个动态动作，如图2所示。因此需要使用建模工具中的“创建机械装置”功能，具体流程如下：创建机械装置，名称为“jiazhua”，装置类型为“设备”；“链接”中添加三个主要部分，并将“L1”设置为BaseLink；在“接點”中创建两个关节J1与J2，用于夹爪的夹取动作，方向选择与夹爪移动的方向水平；创建完成后，通过手动关节，可以手动测试夹爪张开和夹紧两个状态的位置。工具在使用的过程中，关键是工具数据的创建，即建立工具坐标。因此需要分别在夹爪、吸盘、涂胶笔的末端建立一个坐标系，便于用户在使用过程中调整工具姿态，精准控制工具末端示教点位。当更换工具的时候，只需要更换工具坐标系，不需要重新示教机器人轨迹，从而方便地实现轨迹的纠正，如图3所示。三、I/O信号及Smart组件的配置1.I/O信号配置本次设计的工作站包含快换工具安装、皮带上料等设备，因此需要在RobotStudio软件中设计各个Smart组件，包含动态夹爪、动态输送链。同时需要配置的I/O如表1所示，分别控制工具的安装及卸载、夹爪的张开和闭合、吸盘的吸取、两皮带的送料及其末端检测信号。2.快换工具Smart配置快换工具可以实现不同工具的安装和拆卸，其组件组成如图4所示，具体包括：线传感器LineSensor：检测工件是否到达指定位置；安装对象Attacher：安装工具，使其随着机器人运动；拆除对象Detacher：拆装工具，使其脱离机器人；获取父对象GetParent：由于夹爪为三个部件组成，因此需要添加此组件，否则无法成功安装夹爪的夹手部分；逻辑门LogicGate：设置为NOT取反，当控制安装信号为0时，拆除组件可以获得1信号，完成拆除工作。3.皮带输送链Smart配置皮带输送链控制设计图如图5所示，它可以实现的功能是能够通过工作站进行控制，并且可以自动上料，当工件运行到皮带末端被末端传感器检测到时，皮带停止运行。当工件被取走后，皮带继续上料。其中需要利用的组件包括：面传感器PlaneSensor：用于检测工件是否到达指定位置；队列Queue：将复制后的工件进入组内便于后续操作；拷贝组件Source：拷贝工件；线性移动LinearMover：使工件队列在皮带上移动；逻辑门LogicGate：设置为NOT取反，当皮带末端信号为0时，拷贝组件可以获得1信号，完成工件拷贝工作。4.夹爪工具Smart配置当夹爪工具得到夹紧信号时，在完成夹紧动作的同时需要拾取工件，使工件随着机器人工具运动，控制设计图如图7所示，具体组件包括：线传感器LineSensor：用于检测夹爪中间是否存在工件；安装Attacher：拾取工件，使其跟着夹爪运动；卸载Detacher：拆装工件，使其脱离夹爪；逻辑门LogicGate：设置为NOT取反，当控制安装信号为0时，拆除组件可以获得1信号，完成拆除工作；姿态运动PoseMover：将运动装置关联到一个已定义的姿态，姿态1为夹爪闭合状态，HomePose为夹爪张开状态；状态锁定LogicSRLatch：将信号状态进行锁定。5.吸盘工具Smart配置当吸盘工具得到吸取信号时，需要拾取工件，使工件随着机器人工具运动，控制设计图如图6所示，具体组件包括：线传感器LineSensor：用于检测吸盘下面是否存在工件；安装Attacher：拾取工件，使其跟着吸盘运动；卸载Detacher：拆装工件，使其脱离吸盘；逻辑门LogicGate：设置为NOT取反，当吸取信号为0时，拆除组件可以获得1信号，完成工件拆除工作。四、系统编程与仿真1.系统离线编程通过设备搭建、系统创建、Smart组件设计、逻辑关联等操作后，虚拟仿真工作站系统搭建完成。用户可以通过虚拟示教器进行离线编程，其编程、调试操作过程与真机操作基本一致。本次工作站可以实现多个工业机器人典型应用案例教学项目，满足机器人编程与操作课程的使用。图8给出了其中一个任务的工作流程图：工业机器人根据数值寄存器数值判断，选择不同的工具完成对应的任务。可根据教学内容调整，满足机器人编程与操作课程的使用。2.仿真过程完成程序设计、点位示教等操作后，可以進行仿真运行。工作站中皮带上的物料动起、夹爪实现夹紧和松开、物料在皮带末端自动停止等功能是通过Attacher、Detacher、LinearMover、Planesensor、PoseMover等组件实现的。如图9所示，通过仿真控制可以实现工作站流程的开启和停止；采用监控中的IO仿真器可以对工作站中的信号进行监控；使用录制短片功能中的“录制应用程序”，可以录制工作站运行过程和用户操作过程，这项功能便于教学过程中项目作业的提交和检查。总之，基于RobotStudio建立的虚拟仿真系统使学生在虚拟环境下实现机器控制、参数调整、程序调试等操作，方便学生在程序设计时验证生产规划方案的可行性，在仿真环境中进一步完成生产流程的规划，并通过动态模拟运行过程预测机器人的运行状态，验证程序的合理性、评估生产效率，并为真机操作的具体实施、运行、优化等提供依据。能够让学生不受时间、地点的限制进行教学实验，有利于构建以培养实践创新能力为导向的高效课堂，更能培养高素质劳动者和技术技能人才，同时具有较高的安全性，可以减少实验室建设成本，提高学生自主学习能力，可以在专业课教学中进行推广和使用。责任编辑 陈春阳 -全文完-