工业机器人在电气控制柜布线与振动压路机工作阶段识别中的应用

# 工业机器人在电气控制柜布线与振动压路机工作阶段识别中的应用 ## 1. 电气控制柜布线机器人技术 ### 1.1 传统布线问题与机器人布线优势 在现代工厂中，电气控制柜的生产和制造面临诸多挑战。传统的手动布线方式不仅劳动强度大、耗时久，还存在安全隐患，且布线过程占总装配时间的 50%。同时，国内电气柜行业使用的钉板布线图手绘精度低，需反复修改验证，不适用于小批量、多品种产品。 相比之下，机器人布线技术具有显著优势。机器人能有效降低工业产品的制造成本，提高生产的标准化和准确性，还能执行重复性和危险任务，降低工人的人体工程学风险。离线编程利用成熟的计算机图形和图像算法，可完成复杂机器人路径的编程，减少生产机器人的停机时间，提高编程灵活性和生产率与安全性。 ### 1.2 机器人布线技术发展现状 早在 20 世纪 80 年代，德国的斯图加特弗劳恩霍夫 IPA 就开始研究自动化解决方案。如今，许多机器人制造商如 KUKA、ABB 等都开发了协作机器人。不过，现有的一些机器人布线方案存在不足，如德国的 Averex 机器人成本高、体积大；意大利的 SYNDY 布线机器人末端执行器大，难以完成高密度电气柜布线任务。国内也有不少相关研究，如长春理工大学的余正林教授团队提出综合布线系统，沈阳新松机器人开发了汽车线束自动装配机器人等。 ### 1.3 机器人布线模拟方案 为构建自动线束装配系统，本文提出一种模拟机器人电缆布线运动的方法。结合机器人技术和离线编程软件，避免了机器人示教的繁琐过程，根据 3D 软件的电缆布线信息生成机器人控制代码，为工业机器人的应用提供更多可能。 ## 2. 机器人仿真平台的建立 ### 2.1 机器人自动布线框架 本文采用 ABB RobotStudio 软件进行二次开发，以确保软件与机器人硬件的兼容性。ABB 机器人使用 RAPID 编程语言，其程序由程序数据和作业程序组成。具体操作步骤如下： 1. 程序开始时进行声明，然后编写程序路径。 2. 程序编写完成后，将模块上传到机器人。若程序有异常，RobotStudio 会提供错误反馈，需修改程序。 3. 确认上传的机器人程序无语法错误后，使用 RobotStudio 的仿真功能模拟机器人的运动路径。 4. 根据仿真结果调整或重新生成机器人程序。 5. 最后，使用上位机监控机器人的 6 轴角度和扭矩，确保生产效率和安全性。 ### 2.2 机柜布线线束轨迹 利用 3D 布线软件生成布线图并自动导出路径点，同时考虑在凹槽或钉板布线时改变路径方向 90°。导出的路径文件包含路径坐标和机器人姿态参数，姿态参数决定机器人末端姿态是否改变，具体规则为：参数设为“0”时，机器人末端姿态不变；设为“1”时，顺时针旋转 90°；设为“ -1”时，逆时针旋转 90°。 在布线场景中，为避免路径转整圈导致机器人末端姿态累积旋转超过六轴运动范围，需在生成轨迹时确定路径是否转整圈，并在路径信息上创建识别符号记录末端姿态改变次数，最后导出包含路径信息的 Txt 文件。 ### 2.3 机器人交互控制仿真 通过 Microsoft Visual Studio 平台的 PC SDK 对 ABB 机器人进行二次开发，实现将 RobotStudio 中的机器人程序通过上位机传输到机器人。上位机从 (.txt) 文件读取路径信息并生成机器人运行程序。由于 ABB 机器人的工具姿态以四元数形式定义，程序需先将欧拉角转换为四元数来声明目标位置数据，转换公式如下： \[ q = \begin{bmatrix} q_1 \\ q_2 \\ q_3 \\ q_4 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \cos(\frac{\phi}{2})\cos(\frac{\theta}{2})\cos(\frac{\psi}{2}) + \sin(\frac{\phi}{2})\sin(\frac{\theta}{2})\sin(\frac{\psi}{2}) \\ \sin(\frac{\phi}{2})\cos(\frac{\theta}{2})\cos(\frac{\psi}{2}) - \cos(\frac{\phi}{2})\sin(\frac{\theta}{2})\sin(\frac{\psi}{2}) \\ \cos(\frac{\phi}{2})\sin(\frac{\theta}{2})\cos(\frac{\psi