工業(yè)機(jī)器人工作站離線仿真概述

0.1、機(jī)器人工作站離線仿真的意義

工業(yè)機(jī)器人離線仿真技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)軟件，在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)機(jī)器人工

作單元功能的輔助設(shè)計(jì)技術(shù)。一般而言，它包括機(jī)器人工作站的設(shè)備選型、硬件

系統(tǒng)搭建、軟件編程控制，以及系統(tǒng)的仿真調(diào)試與運(yùn)行等步驟，最終能夠達(dá)到初

步驗(yàn)證設(shè)計(jì)模型的運(yùn)行效果是否滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的目的。然后，再通過對機(jī)器人工

作站的離線示教編程和調(diào)試，最終達(dá)到接近實(shí)際的生產(chǎn)需要。在實(shí)際的操作中，

還可以把設(shè)計(jì)好的程序移植到實(shí)際的機(jī)器人控制器中，以實(shí)現(xiàn)仿真設(shè)計(jì)與工程施

工的銜接，避免了不必要的返工。這是一種工程實(shí)踐中常用的設(shè)計(jì)與實(shí)施思路。

木書所用的ROBIGUIDE軟件是一種創(chuàng)建FANUC系列工業(yè)機(jī)器人工作站系統(tǒng)的應(yīng)

用工具。利用該軟件，工程師可以按照流程要求構(gòu)建生產(chǎn)線和工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用系

統(tǒng)，在軟件環(huán)境中進(jìn)行設(shè)計(jì)。

0.2、機(jī)器人工作站概述

工業(yè)機(jī)器人是一種智能化機(jī)電設(shè)備，它是被用在生產(chǎn)線上，與其它設(shè)備i起

發(fā)揮其智能功能的。人們通常把這種包含工業(yè)機(jī)器人在內(nèi)的相對獨(dú)立的功能單元

作為一種系統(tǒng)，稱作機(jī)器人工作站系統(tǒng)，簡稱機(jī)器人工作站（Workcell）。

概括地說，機(jī)器人工作站是指一臺或者多臺機(jī)器人，根據(jù)不同生產(chǎn)流程和生

產(chǎn)工藝的要求，與周邊設(shè)備相配合而完成生產(chǎn)線上某一特定作業(yè)工序、且相對獨(dú)

立的生產(chǎn)系統(tǒng)，它是機(jī)器人在生產(chǎn)線應(yīng)用中的一種重要組織單元。下面，就對機(jī)

器人工作站，以及工作站的組成結(jié)構(gòu)、在生產(chǎn)線中的工作狀況做一個(gè)簡要的介紹。

圖0.1是一個(gè)裝箱機(jī)器人工作站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該機(jī)器人工作站的工作流程可

以概括為：

上一個(gè)工位的產(chǎn)品供料一機(jī)器人追蹤抓取產(chǎn)品一機(jī)器人追蹤把產(chǎn)品裝箱一

向下一工位傳送

相應(yīng)地，為了能夠完成這個(gè)工作流程，該機(jī)器人工作站除了機(jī)器人本體系統(tǒng)

之外，還配備了兩套機(jī)器視覺、兩套傳輸帶、安全保護(hù)設(shè)施，以及它們的控制系

統(tǒng)，這些設(shè)備集成在一起，共同作用完成了作業(yè)流程，組成了自動化生產(chǎn)線上的

一個(gè)機(jī)器人工作站單元。

圖0.1：裝箱機(jī)器人工作站

因此，一般而言，機(jī)器人工作站的組成包含了機(jī)器人本體系統(tǒng)和完成作業(yè)流

程所需的周功配套設(shè)冬。機(jī)器人工作站的外圍設(shè)備是根據(jù)具體的工作需要而確定

的，下面就試舉例介紹一些常見的周邊設(shè)備：

(1)、供料、送料設(shè)備：

供料、送料設(shè)備一般是指傳輸帶、儲料箱、貨盤、供料機(jī)等為機(jī)器人工作站

供應(yīng)、傳送物料的設(shè)備。傳輸帶是最常見的供料沒備之一，圖0.2和圖0.3分別

是滾輪傳送、皮帶傳送的供料設(shè)備。其中，滾輪傳送一般在包裝箱等搬送的時(shí)候

使用，用于傳送重量比較大、速度比較快的的物體；皮帶傳送一般在傳遞貨盤、

小盒子等的時(shí)候使用，常常用在搬送不能振動的物品和容易倒下物品的場合。

圖0.2：滾輪傳送

圖0.2：皮帶傳送

(2)、搬送、安裝部分：

首先，對于機(jī)器人而言，搬送、安裝部分一般是指其抓手：機(jī)器人工作站的

不同作業(yè)對象，需要與工作任務(wù)相適應(yīng)的機(jī)器人抓手。因此，抓手的選擇在很大

程度上體現(xiàn)了工業(yè)機(jī)器人的功能，反映了機(jī)器人工作站的主要工作任務(wù)，圖0.3

展示了不同的機(jī)器人抓手。

圖0.3：不同的機(jī)器人抓手舉例

在某些場合，為了提高工業(yè)機(jī)器人的利用效率，根據(jù)需要，也可選用復(fù)合手

抓，圖0.4是一種復(fù)合于抓的結(jié)構(gòu)。

機(jī)器人安裝面

手爪1

圖0.4：機(jī)器人復(fù)合抓手舉例

這類手抓主要用于組裝環(huán)節(jié)，多手爪的構(gòu)造可以同時(shí)拿多個(gè)不同的工件，具

有不用換抓手，可以迅速地工作的特點(diǎn)。

其次，機(jī)涔人移動導(dǎo)軌：許多工業(yè)機(jī)器人安裝了導(dǎo)軌行走系統(tǒng)裝置。采用這

類線性滑軌可增加其機(jī)器人的作業(yè)空間，或使機(jī)器人在作業(yè)區(qū)內(nèi)能夠移動工件,

如：給多臺設(shè)備或輔助工裝、從貨盤系列中進(jìn)行貨品組合作業(yè)以及在大型部件上

作業(yè)等等。

圖0.5是一種機(jī)器人導(dǎo)軌裝置：

圖0.5：機(jī)器人導(dǎo)軌

許多線性滑軌的控制裝置是作為數(shù)學(xué)耦合軸集成到機(jī)器人控制系統(tǒng)的，這樣

就無需其他控制裝置了。

（3）、機(jī)器視覺系統(tǒng)：

機(jī)器視覺系統(tǒng)就是用機(jī)器代替人眼來做測量和判斷。通過機(jī)器視覺產(chǎn)品將被

攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，對這些信號進(jìn)行各種運(yùn)

算來抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。機(jī)器視覺系

統(tǒng)的特點(diǎn)是提高生產(chǎn)的柔性和自動化程度。在一些不適合于人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作

環(huán)境常用機(jī)器視覺來替代人工視覺；可以在生產(chǎn)線上對產(chǎn)品進(jìn)行測量、引導(dǎo)、檢

測、和識別，并能保質(zhì)保量的完成生產(chǎn)任務(wù)。

Micro

圖0.6：機(jī)器視覺系統(tǒng)

圖0.6是康耐斯的機(jī)器視覺產(chǎn)品。使用CCD鏡頭，辨別工件的形狀和位置和

角度。

（4）、專用機(jī)器：

主要是一些專用的加工、檢測等設(shè)備，例如：加工機(jī)（NC/激光/放電加工

機(jī)/車床等）、檢查裝置等。

（5）、控制與操作部分：

目前，可編程邏輯控制器（PLC）、觸摸屏等作為一種常用的工業(yè)控制和人機(jī)

界面設(shè)備，二者一起常被用作構(gòu)建機(jī)器人工作站的操作、控制系統(tǒng)。圖0.7是一

些機(jī)器人工作站系統(tǒng)控制箱的組成結(jié)構(gòu)。

安全PLCPLCGOT

圖0.7：機(jī)器工作站控制操作系統(tǒng)

（6）、倉儲系統(tǒng)：

比較常用的倉儲系統(tǒng)是自動化立體倉庫。利用立體倉庫設(shè)備可實(shí)現(xiàn)倉庫高層

合理化、存取自動化、操作簡便化，圖0.8展示了一種常用的立體倉庫。

圖0.8：自動化立體倉庫系統(tǒng)

自動化立體倉庫是當(dāng)前技術(shù)水平較高的形式。它的主體由貨架、巷道式堆垛

起重機(jī)、入（出）庫工作臺和自動運(yùn)進(jìn)（出）及操作控制系統(tǒng)組成。貨架是鋼結(jié)

構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物或結(jié)構(gòu)體，貨架內(nèi)是標(biāo)準(zhǔn)尺寸的貨位空間。巷道堆

垛起重機(jī)穿行于貨架之間的巷道中，完成存、取貨的工作。管理上采用計(jì)算機(jī)及

條形碼技術(shù)。

（7）、安全相關(guān)：

主要有安全光柵、停止開關(guān)、信號燈等多種安全護(hù)衛(wèi)設(shè)施。

0.3、離線仿真技術(shù)介紹

一般而言，機(jī)器人工作站的創(chuàng)建過程主要包括了三個(gè)重要環(huán)節(jié)：一、生產(chǎn)過

程與工藝考察；二、需求分析、機(jī)器人工作站設(shè)計(jì)與仿真運(yùn)行；三、設(shè)計(jì)方案的

現(xiàn)場施工和系統(tǒng)調(diào)試等環(huán)節(jié)。

其中，機(jī)器人工作站設(shè)計(jì)與仿真運(yùn)行包括了機(jī)器人選型、工作站設(shè)計(jì)與搭建

模擬系統(tǒng)、離線編程和仿真環(huán)境的碰撞檢測等主要步驟，該環(huán)節(jié)在整個(gè)工程中起

到承上啟下的作用。目前，由于許多機(jī)器人工作站仿真軟件的功能較全、真實(shí)性

強(qiáng)，所以可以據(jù)此生成接近真實(shí)的仿真效果，在設(shè)計(jì)過程中，這些軟件能夠快速

地驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。這與僅僅依靠機(jī)器人設(shè)備實(shí)體的研發(fā)相比，節(jié)約了資

金，大大縮短了研發(fā)工期。因此，機(jī)器人離線編程與仿真技術(shù)能為機(jī)器人相關(guān)應(yīng)

用研發(fā)部門節(jié)約研發(fā)成本，具有既經(jīng)濟(jì)又安全的優(yōu)點(diǎn)。它是機(jī)器人工作站系統(tǒng)設(shè)

計(jì)中的一門重要技術(shù)。

Roboguide是發(fā)那科（FANUC）機(jī)器人公司提供的一種用于創(chuàng)建FANUC系列

機(jī)器人仿真工作單元（Workcell,這里也稱之為機(jī)器人工作站）的配套仿真軟件

平臺。在該軟件所建立的仿真環(huán)境里，集成工程師可以根據(jù)實(shí)際機(jī)器人工作站的

工藝流程，對工程項(xiàng)目進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)。其過程包含了設(shè)備的選擇與布局、電氣接

口資源的分配、工業(yè)機(jī)器人的軌跡示教、機(jī)器人工作站系統(tǒng)軟件的編制、調(diào)試與

修改等主要環(huán)節(jié)，并通過在三維環(huán)境內(nèi)的仿真運(yùn)行，達(dá)到對項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案的可行

性驗(yàn)證效果，并能獲得準(zhǔn)確的運(yùn)行周期時(shí)間。

0.4、機(jī)器人工作站仿真系統(tǒng)舉例

Roboguide是發(fā)那科（FANUC）工業(yè)機(jī)器人的一款核心應(yīng)用軟件，它包含了

許多不同應(yīng)用類型的模塊用于創(chuàng)建不同的機(jī)器人工作站，例如：Roboguide軟件

中內(nèi)含了搬運(yùn)（Handing）、弧焊（Arc）、噴涂（Dispense）、點(diǎn)焊（Spot）、激光

焊接和切割（LR）等工作站模塊。其中，搬運(yùn)（Handing）是其中的基礎(chǔ)應(yīng)用模

塊，通過學(xué)習(xí)該模塊，可以掌握創(chuàng)建FANUC機(jī)器人工作站的最基本操作。

下面是Roboguide軟件的不同應(yīng)用模塊的工作站系統(tǒng)舉例:

圖09碼垛機(jī)器人工作站（a）

圖0.9：碼垛機(jī)器人工作站（b）

圖0.10：切角打磨機(jī)器人工作站