韓 浩 ，鄧三鵬 ＊，祁宇明 ，張香玲 ，趙丹丹

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)器人及智能裝備研究院，天津300222；2.湖北博諾機(jī)器人有限公司，湖北 黃石435099；3.天津博諾智創(chuàng)機(jī)器人技術(shù)有限公司，天津 300350）

0 引言

隨著虛擬仿真技術(shù)的不斷成熟，仿真軟件在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越發(fā)廣泛。方明[1]等人將仿真軟件應(yīng)用于半導(dǎo)體領(lǐng)域，基于Simul8復(fù)雜系統(tǒng)仿真軟件對(duì)半導(dǎo)體硅片制造生產(chǎn)線進(jìn)行建模和仿真，有效解決了工序加工時(shí)間和運(yùn)輸時(shí)間的統(tǒng)計(jì)計(jì)算問題。曾建潮[2]等人所介紹的生產(chǎn)線仿真軟件SSTL能夠在生產(chǎn)線系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行前評(píng)價(jià)它的性能，因而可作為設(shè)計(jì)一個(gè)有效且經(jīng)濟(jì)的先進(jìn)生產(chǎn)線系統(tǒng)以及有效運(yùn)行生產(chǎn)線系統(tǒng)的有力工具。熊雋[3]等人基于RobotStudio設(shè)計(jì)了一種基于工業(yè)機(jī)器人的綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提高了操作安全性的同時(shí)，加強(qiáng)了學(xué)習(xí)者的實(shí)踐能力，對(duì)工業(yè)機(jī)器人相關(guān)課程的教學(xué)起到了很好的輔助作用。蔡漢明[4]等人將機(jī)器人、VGV等應(yīng)用于傳統(tǒng)的注塑機(jī)的自動(dòng)化生產(chǎn)線改造中，效果明顯。本文通過(guò)設(shè)計(jì)了基于IRobotSIM軟件的注塑機(jī)生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)。

1 注塑生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)

注塑生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)主要有四個(gè)模塊構(gòu)成，包括機(jī)器人模塊、注塑機(jī)模塊、物料傳送帶模塊。注塑生產(chǎn)線如圖1所示。仿真系統(tǒng)的過(guò)程如下：料斗下料后注塑機(jī)開始工作，當(dāng)注塑成型后注塑機(jī)倉(cāng)門開啟同時(shí)給機(jī)器人一個(gè)信號(hào)，機(jī)器人完成抓取任務(wù)后將塑料件放到物料傳送帶上，傳送帶上的傳感器“感知”后，傳輸?shù)竭_(dá)收納盒，所有的塑料件零部件到A、B、C收納盒的終點(diǎn)位置后，組裝機(jī)器人進(jìn)行裝配，印刷機(jī)進(jìn)行打標(biāo)，最終完成一個(gè)成品。

圖1 生產(chǎn)線組成

2 仿真系統(tǒng)

注塑生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)搭建之前，需要進(jìn)行模型的調(diào)用與測(cè)繪，從而保證仿真系統(tǒng)與現(xiàn)實(shí)工作站的真實(shí)性。在SolidWorks軟件中通過(guò)草圖繪制、特征編輯等命令進(jìn)行三維模型的創(chuàng)建，并利用裝配功能對(duì)產(chǎn)線中三個(gè)模塊進(jìn)行裝配，模塊建模流程如圖2所示。

圖2 建模流程

2.1 機(jī)器人模塊

KUKA16-2工業(yè)機(jī)器人的實(shí)際尺寸經(jīng)過(guò)計(jì)算尺寸、繪制草圖、拉伸、抽殼、橋接、裝配等步驟從而創(chuàng)建三維模型。搭建在仿真環(huán)境中的機(jī)器人模塊，首先需要將六個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行分離，并在機(jī)器人邏輯樹中添加六個(gè)運(yùn)動(dòng)軸將六個(gè)關(guān)節(jié)相關(guān)聯(lián)；然后根據(jù)生產(chǎn)工藝和注塑機(jī)的模具腔添加合適的機(jī)器人外部工裝，將其添加至機(jī)器人邏輯樹結(jié)構(gòu)中；最后渲染美化機(jī)器人模塊。仿真環(huán)境中的機(jī)器人模塊如圖3所示。

圖3 KUKA16-2機(jī)器人

2.2 注塑機(jī)模塊

注塑機(jī)三維建模完成后導(dǎo)入仿真軟件中，首先將各部件分離，在注塑機(jī)模塊邏輯樹結(jié)構(gòu)中關(guān)聯(lián)各分離部件，添加運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)、物理屬性；然后設(shè)置機(jī)器人抓取位置，并配置相關(guān)距離傳感器。最后渲染注塑機(jī)模塊，貼圖人機(jī)交互界面。仿真環(huán)境中的注塑機(jī)模塊如圖4所示。

圖4 注塑機(jī)

2.3 傳輸模塊

傳送帶模塊主要是配合機(jī)器人進(jìn)行物料的傳輸，因此在機(jī)器人模塊和注塑機(jī)模塊位置確定之后，傳輸模塊的位置就相應(yīng)的得以確定。仿真環(huán)境的搭建主要是距離傳感器的設(shè)置，如圖5所示。

圖5 物料傳送帶的建模

2.4 腳本控制

注塑機(jī)模塊和傳輸模塊需要添加二個(gè)腳本實(shí)現(xiàn)注塑產(chǎn)線的仿真，線性腳本1（圖6）是將注塑機(jī)塑料件成型后倉(cāng)門開啟，腳本2（圖7）是倉(cāng)門開啟信號(hào)觸發(fā)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行抓取，抓取后放置傳送帶上，同時(shí)觸發(fā)傳送帶進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

圖7 線性腳本2

3 產(chǎn)線布局

首先確定工業(yè)機(jī)器人底座的位置，其次根據(jù)塑料件的需求選擇適合的注塑機(jī)。然后合理的布置物料傳送帶、支架、防護(hù)等輔助零部件的位置，如圖8所示。最后搭建注塑機(jī)生產(chǎn)線場(chǎng)景的樹狀結(jié)構(gòu)，如圖9所示。因此可以有效實(shí)現(xiàn)注塑生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和動(dòng)作，通過(guò)不斷對(duì)產(chǎn)線布局、生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行優(yōu)化，使得效率最大化，安裝調(diào)試成本最小化。

圖8 生產(chǎn)線布局

圖9 產(chǎn)線邏輯樹

4 仿真分析后的優(yōu)化

在確保機(jī)器人、注塑機(jī)、物料傳送帶能正常工作的同時(shí)，使得整個(gè)生產(chǎn)線緊湊。同時(shí)不斷的優(yōu)化，選擇最佳等待時(shí)間，使得生產(chǎn)節(jié)拍最更快。在虛擬環(huán)境中模擬真實(shí)生產(chǎn)線的運(yùn)動(dòng)和節(jié)拍，通過(guò)發(fā)現(xiàn)和修改設(shè)計(jì)缺陷，對(duì)生產(chǎn)線系統(tǒng)進(jìn)行迭代優(yōu)化。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)注塑生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)的組成、模型的建立、仿真系統(tǒng)運(yùn)行以及仿真分析后的優(yōu)化四個(gè)方面的論述，利用仿真軟件搭建出符合實(shí)際生產(chǎn)需求的注塑生產(chǎn)線，可演示生產(chǎn)線實(shí)際的運(yùn)行結(jié)果，也可改變系統(tǒng)參數(shù)，演示系統(tǒng)隨參數(shù)變化的變化結(jié)果或變化趨勢(shì)，對(duì)設(shè)計(jì)工程師優(yōu)化生產(chǎn)線意義深遠(yuǎn)，同時(shí)也有助于初學(xué)者對(duì)抽象理論的理解，提高教學(xué)效果，更能彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)手段的不足，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)及提高。