基于RobotStudio的机器人轮毂铸件去毛刺工作站设计与仿真

葛 捷 诸葛镐 童诚昊 金 帅

（浙江今跃机械科技开发有限公司，金华 321000）

当前的摩托车轮毂去毛刺采用人工打磨的方式，用毛刺刮刀和气动打磨工具去除铸造毛坯上的合模线毛刺。但是，人工去毛刺过程中，因工人之间的力量、注意力以及打磨角度等存在差异，去毛刺效果稳定性不佳，严重影响了轮毂成品的表面质量和使用寿命[1]。现有的去除毛刺方法主要有气动工具式去除法和刮刀式去除法，都无法满足现场生产线的质量要求。本课题提出了一种自动化轮毂铸件去毛刺的新方法，并通过实验证明了该方法具有良好的效果。运用RobotStudio软件实现机器人自动化去毛刺工作站的设计与仿真，为机器人自动化去毛刺技术的开发提供了技术支持。

1 工作站总体方案设计

1.1 工作站布局设计

机器人自动化去毛刺工作站采用两台地装式ABB IRB2600型工业机器人负责去毛刺工作，另搭配一台IRB6700型工业机器人负责工件上下料工作。此种布局方式具有节省工作空间、可充分发挥机器人工作范围、缩短铸件毛坯去毛刺节拍以及有效节约加工成本等优点，主要由工业机器人、可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、送料辊道、装夹定位机构、视觉识别系统和光电传感器等部件组成[2]。以PLC为控制核心，通过PLC连接外围设备建立设备间通信及管理，实现了工作站完整的工作流程。

1.2 工作站工作流程设计

首先，由进料辊道向工作站内输送毛坯，输送线速度为800 mm·s-1。其次，当毛坯触发到光电传感器时，辊道前段机械限位启动，辊道驱动电机延时1 s后停止工作，待辊道完全停止，辊道线上抬升机构启动将毛坯抬起，抬起高度为80 mm，之后IRB6700机器人抓取毛坯上料，由两台IRB2600机器人依据上料顺序分别依次开始进行去毛刺作业。再次，去毛刺完成后，IRB6700机器人再次启动，将去毛刺完成的毛坯运送至出料辊道线上，同时自身回到初始位置。最后，当毛坯成品到达待出料辊道线时，辊道启动，同时下一件毛坯开始运送，至此整个去毛刺流程完成[3]。

2 工作站仿真系统设计

2.1 系统工作流程及生产线布局

根据摩托车轮毂的制造工艺要求和去毛刺工序工作节拍要求。由两台去毛刺机器人和一台上下料机器人组成一个去毛刺自动化单元。IRB2600机器人分别完成两件轮毂毛坯的去毛刺工作。IRB6700机器人可为两个去毛刺工位完成工件上下料。两个去毛刺工位平行摆放，每个工位中机器人与装夹定位机构和相机安装在同一平台上。IRB6700机器人安装在辊道线与去毛刺工位之间，两台辊道线分别进行毛坯和成品的供料运料。在满足不影响机器人运动的前提下，将辊道线尽可能放在接近去毛刺工位的位置，便于缩短机器人进行工件上下料的工作节拍[4]。

依据工作站的布局设计思路，在RobotStudio中建立工作站数模。RobotStudio自带机器人库和模型库等模型，可根据要求选用相应型号的机器人并直接加载到工作站中。运用设计软件SolidWorks绘制完成辊道线和装夹定位机构等设备的三维数模，并转换为STL或SAT等格式，导入RobotStudio。机器人自动化去毛刺工作站的空间布局如图1所示。

图1 机器人去毛刺工作站空间布局图

2.2 轮毂装夹定位机构的设计

考虑去毛刺工作站的去毛刺效果和效率，装夹定位机构需要具备精确的角度旋转定位精度。因此，在机构的底部必须装有由伺服电机驱动的精密传动机构，以此带动工件调整定位角度。鉴于RV减速器具有传动精度高、速比大以及体积小的优点，采用RV减速器作为定位机构的传动核心零件。此外，机构还包含三爪夹紧机构、电磁阀、传感器及其他机械部件。利用SolidWorks设计的定位机构如图2所示。在RV减速器的输出端，安装的气动三爪夹紧机构采用同步气缸，可实现工件的三点同步定位，有效提升了工件装夹的同心度[5]。

图2 轮毂去毛刺装夹定位机构图

2.3 机器人生产线仿真运行I/O信号

去毛刺工作站由一个PLC控制各执行机构的运作。PLC与包括机器人在内的设备，通过I/O板进行信号传递。采用总线式通信模式，接收并处理来自送料辊道、装夹定位机构、视觉识别系统以及工业机器人等机构发送的I/O信号。在RobotStudio软件模拟仿真工作站运行时，Smart组件起到类似PLC的作用。当将Smart组件的I/O信号与工业机器人的I/O信号相关联时，等同于模拟PLC与机器人、装夹定位机构以及视觉识别系统之间的通信。工作站完整的一个工作循环可以借由RobotStudio的离线编程功能，在软件中的虚拟工作站上展现出来。

3 工作站的仿真分析

3.1 仿真模型的建立

根据工作站的设计布局及工艺流程，结合两个去毛刺工位同时进行去毛刺工作。因此，在规划工作站运行程序架构时，将程序的架构设置成在一个主程序之下，编写两个独立的去毛刺子程序，即工位A和工位B中的两台IRB2600机器人独立完成各自的工作任务。使用RobotStudio软件仿真时，依据工作站设计要求，先行设置工件数据（Tooldate）、工具数据（Wobdate）以及有效载荷（Loaddate）等关键数据，后按系统布局和工作节拍等信息规划机器人运动轨迹。运用RobotStudio软件对Rapid程序进行验证并运行后，可以得到去毛刺机器人的仿真运动轨迹。工作站完整实现了轮毂去毛刺的工作流程，待轮毂毛坯被定位装置定位后，去毛刺机器人先以20 mm·s-1的速度将刀具的刀尖移动至去毛刺起点，后机器人以200 mm·s-1的速度完成毛刺去除，最后去毛刺机器人又以200 mm·s-1的速度返回初始位置，同时定位装置松开，由上下料机器人移动至出料辊道线上，使进料辊道线再次启动，并输送下一件毛坯[6]。

4 结语

随着工业生产中智能制造的逐步深入，机器人柔性制造技术从最初的加工和涂装等应用，拓展至技术难度更高的去毛刺和装配应用。本文介绍机器人去毛刺工作站的系统设计方案，依据去毛刺工序要求，构建工作站的虚拟布局，同时开发了机器人专用的上下料夹具，创建了动态Smart组件，并用RobotStudio软件模拟了PLC与辊道线、机器人以及装夹定位机构等设备的I/O信号通信，实现了工业机器人自动上下料、搬运的路径规划以及离线编程的仿真调试，为工作站的开发提供了可行性验证数据，将显著缩短去毛刺机器人工作站的设计制造和调试周期，有效节约系统研发成本。