朱文華 陶 涵 蔡 寶 顧鴻良 王 佳

(上海第二工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心，上海 201209)

近年來，隨著數(shù)字技術(shù)的更新迭代，傳統(tǒng)制造業(yè)受到了全球范圍內(nèi)的挑戰(zhàn)。工業(yè)4.0已被國際認(rèn)可為傳統(tǒng)制造業(yè)應(yīng)對數(shù)字技術(shù)的戰(zhàn)略反應(yīng)之一。信息物理融合作為工業(yè)4.0中數(shù)字孿生主要概念之一，廣泛應(yīng)用于工業(yè)和研究活動。數(shù)字孿生與信息物理融合最初出現(xiàn)在航天航空領(lǐng)域，用于航空航天飛行器的健康維護(hù)與保障[1]；2013年首次出現(xiàn)制造業(yè)信息物理融合的報道，揭示虛擬模型可代替物理實體，作為生產(chǎn)資源應(yīng)用于先進(jìn)生產(chǎn)制造中。2016年西門子工業(yè)論壇上，信息物理融合在制造業(yè)中正式被定義為制造業(yè)數(shù)字孿生，信息物理融合完整再現(xiàn)了整個制造業(yè)流水線[2]。

本文結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，將數(shù)字孿生、虛擬仿真應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人。研發(fā)孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動的虛擬工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，通過建立實體工業(yè)機(jī)器人和虛擬工業(yè)機(jī)器人之間的通信信道，為實體工業(yè)機(jī)器人操作提供可視化控制和支撐，提高操作安全指數(shù)和工業(yè)生產(chǎn)可視化操作，對于工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用與教學(xué)領(lǐng)域，具有重要意義。

1 工業(yè)機(jī)器人信息物理融合系統(tǒng)構(gòu)建

工業(yè)機(jī)器人信息物理融合系統(tǒng)框架中,通過整理實體工業(yè)機(jī)器人和虛擬工業(yè)機(jī)器人實時數(shù)據(jù)，實時數(shù)據(jù)與虛擬工業(yè)機(jī)器人儲存于電腦中，形成基于信息物理融合為核心的工業(yè)機(jī)器人智能交互系統(tǒng)[3]。如圖1所示，系統(tǒng)中采用OPC UA協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采用博途軟件進(jìn)行通訊編程，以實現(xiàn)傳輸來的數(shù)據(jù)驅(qū)動虛擬機(jī)器人。對實體機(jī)器人PLC采用博途提供的TCP/IP協(xié)議，保證數(shù)據(jù)的雙向傳輸和準(zhǔn)確返回。

1.1 實體工業(yè)機(jī)器人流程設(shè)計

本文中實體工業(yè)機(jī)器人采用的是ABB公司的IRB120工業(yè)機(jī)器人[4]。IRB120是ABB迄今最小的多用途機(jī)器人，有效載荷為3 kg，工作范圍達(dá)580 mm，主要由示教器、控制器和機(jī)器人本體等部件構(gòu)成。

示教器是實體工業(yè)機(jī)器人人機(jī)交互接口，機(jī)器人的示教和操作基本都是由示教器完成。

控制器用來控制機(jī)器人完成規(guī)定的動作，主要可實現(xiàn)倉儲、碼垛、打磨、裝配和視覺5大動作。

機(jī)器人本體是實體工業(yè)機(jī)器人機(jī)械主體，是用來完成控制器規(guī)定動作任務(wù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所以又稱為操作機(jī)，主要由機(jī)械臂、驅(qū)動裝置、傳動裝置和內(nèi)部傳感器等部分組成。

機(jī)器人具體的功能作業(yè)流程為：

(1)倉儲任務(wù)：機(jī)器人安裝夾具，光電傳感器檢測傳送帶傳送過來的輪子，機(jī)器人通過夾具夾取輪子并依次放入庫區(qū)。之后放回夾具，機(jī)器人回到初始位置。

(2)碼垛任務(wù)：機(jī)器人安裝吸盤，從庫區(qū)將梯形玻璃物料分揀至檢測區(qū)域，按照程序判斷分揀入左右兩個不同分揀區(qū)。完成任務(wù)后放回吸盤，回到初始位置。

(3)打磨任務(wù)：機(jī)器人安裝夾具運動至磨砂紙對螺母進(jìn)行打磨，打磨結(jié)束后放回夾具，磨砂紙停止轉(zhuǎn)動，機(jī)器人回到初始位置。

(4)裝配任務(wù)：機(jī)器人安裝夾具，通過夾具將底座、軸承、墊塊和螺母按順序放置裝配臺中，啟動電批夾具連續(xù)運動90°將螺母擰緊。動作完成后機(jī)器人放回夾具，回到初始位置。

(5)視覺任務(wù)：由機(jī)器人攝像頭判斷七色板模具所在位置，由機(jī)器人外圍設(shè)備吸盤固定七色板模具，再依次在右邊的拼盤上完成七色板拼圖。完成拼圖后機(jī)器人放回吸盤，回到初始位置。

1.2 虛擬工業(yè)機(jī)器人開發(fā)

1.2.1三維模型建立

為了能夠精準(zhǔn)地展現(xiàn)虛擬工業(yè)機(jī)器人模型，本文使用NX、SolidWorks和Maya等工程軟件進(jìn)行建模[7]，主要包括幾何建模和物理建模兩個部分：(1)幾何建模：應(yīng)用NX和SolidWorks等軟件將實體工業(yè)機(jī)器人按比例建立出其幾何形狀。為了保證模型的準(zhǔn)確性，模型參數(shù)均來自于實體機(jī)器人實際測量出的等比例數(shù)據(jù)。(2)物理建模：通過3DMaxs對幾何建模進(jìn)行貼圖渲染，使其更加立體化、真實化[8]。

1.2.2虛擬工業(yè)機(jī)器人動作設(shè)計

將已經(jīng)完成的工業(yè)機(jī)器人三維模型導(dǎo)入Process Simulate(下文簡稱PS)中。在導(dǎo)入之前，需要定義工業(yè)機(jī)器人類型，在新建文件夾中選擇機(jī)器人類型，便可導(dǎo)入在NX軟件中已經(jīng)做好的機(jī)器人模型，利用PS組件功能直接使用已經(jīng)定義好的零部件模型。選中已經(jīng)導(dǎo)入的工業(yè)機(jī)器人模型，通過選擇集合建模范圍命令可以查看所有轉(zhuǎn)入的零部件類型。

以裝配站動作設(shè)計為例，將需要拆分的機(jī)器人抓手工具拖入新建的資源類型中，創(chuàng)建坐標(biāo)，坐標(biāo)定位抓手中心，坐標(biāo)朝向需與機(jī)器人朝向一致完成資源拆分。

以創(chuàng)建零部件命令創(chuàng)造軸承、螺栓、裝配隔套和螺帽等零部件，把相對應(yīng)的零部件拖動至部件命令下完成零件拆分。

選中機(jī)器人右擊Mount Tool，Mount Tool選擇抓手，通過創(chuàng)建路徑操作選擇對應(yīng)的零部件完成對點軌跡操作，其中包括抓取軸承、螺栓、裝配隔套和螺帽等操作，根據(jù)實際物料尺寸調(diào)整姿態(tài)，在裝配槽通過電批完成零部件的擰緊裝配。最后加載到路徑編輯器中完成虛擬工業(yè)機(jī)器人裝配動作設(shè)計。

2 孿生數(shù)據(jù)采集和傳輸

孿生數(shù)據(jù)是指從物理實體實時傳輸?shù)乃惴〝?shù)據(jù)，幫助并指導(dǎo)虛擬體完成精準(zhǔn)的反饋操作和動作改進(jìn)。以實體工業(yè)機(jī)器人與PS平臺作為仿真基礎(chǔ)，建立實體機(jī)器人PLC與PS的通信連接，運用算法程序?qū)Σ杉瘉淼膶\生數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，分析及傳輸，從而使虛擬工業(yè)機(jī)器人實時完成實體機(jī)器人相應(yīng)動作，在PS仿真平臺進(jìn)行控制和操作。

2.1 PS與PLC通信連接

本文通信連接需要準(zhǔn)備一臺能夠運行博途V13的計算機(jī)。在博途V13加入常規(guī)IE網(wǎng)卡，設(shè)置組態(tài)網(wǎng)卡與計算機(jī)IP地址一致，完成軟硬件環(huán)境搭建。

完成IP地址分配后與同一網(wǎng)段的PLC建立通信通道。在博途OPC_ES中選擇S7連接，設(shè)置本地ID為OPC_ES_PLC，通過此接口與同一網(wǎng)段的PLC硬件建立通信通道。

選擇博途OPC_ES中OPC Server進(jìn)行編譯。OPC是針對現(xiàn)場控制系統(tǒng)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，專門作用于硬件與軟件的接口連接。OPC搭建完成后，PLC與博途通過OPC服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)。

OPC服務(wù)器搭建完成后，需要在博途上編寫邏輯塊，進(jìn)而制作機(jī)器人啟動運動的邏輯塊。由于機(jī)器人多個動作連續(xù)運行，自動運行等功能涉及到多個信號的關(guān)聯(lián)動作，因此需要制作邏輯塊來實現(xiàn)。

PLC離線程序未完成時，使用CEE程序模擬線體運動，檢驗機(jī)器人程序設(shè)置是否正確。CEE-Cyclic event evaluation，是PS的邏輯控制單元，可通過制作module來實現(xiàn)整線運行。

最后按照工藝設(shè)計，對PLC離線程序進(jìn)行完善，完成整線控制。PLC程序除了保持虛擬機(jī)器人實時跟蹤實體機(jī)器人外，還包括虛擬機(jī)器人對實體機(jī)器人的啟停控制，模式調(diào)試等雙向傳輸程序。當(dāng)實體機(jī)器人出現(xiàn)故障停止運行時，可以通過虛擬機(jī)器人界面切換手動模式，操縱實體機(jī)器人進(jìn)入急停狀態(tài)啟動報警信號并停止運行相關(guān)動作，待排除相關(guān)故障后再啟動運行。

當(dāng)機(jī)器人在手動模式、自動模式和空運行等模式下程序都正常運行時，調(diào)試結(jié)束，PS與PLC通信連接搭建完成。

因此，整個機(jī)器人數(shù)據(jù)采集過程可以簡單概括為三步：第一步實現(xiàn)IRB120工業(yè)機(jī)器人的數(shù)據(jù)采集，包括機(jī)器人的動作、初始位置和作業(yè)位置等數(shù)據(jù)；第二步將采集到的動態(tài)數(shù)據(jù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)分類整理，獲得孿生數(shù)據(jù)[9]；第三步將獲得的孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動電腦端的虛擬工業(yè)機(jī)器人，實現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人與虛擬工業(yè)機(jī)器人的實時同步運動(圖7)，同時獲得虛擬機(jī)器人部分?jǐn)?shù)據(jù)反饋。

2.2 PS程序設(shè)計

在虛擬調(diào)試過程中，虛擬機(jī)器人是按照預(yù)設(shè)的點對點的運動軌跡進(jìn)行運動。而我們所創(chuàng)建的信息物理融合系統(tǒng)是基于所有由程序執(zhí)行的運動軌跡，所以我們需要阻止虛擬機(jī)器人動作從操作序列本身執(zhí)行。我們在PS仿真平臺中選擇虛擬機(jī)器人，打開MAIN操作的的OLP命令字段，設(shè)置循環(huán)操作，等待時間和停止?fàn)顟B(tài)，確保虛擬機(jī)器人每個動作是由程序執(zhí)行運行。對整個工藝仿真來說，循環(huán)操作意味著一個工藝結(jié)束，可以直接進(jìn)行下一個動作。

# While ( NOT STOP ) Do

# if ( CONTINUE_1 ) Then

# CallPath R1 LOAD PART

# Elsif ( CONTINUE_2 ) Then

# CallPath R1 REMOVE PART

# SetSignal CycleDone= 1

# WaitTime 0.3

# SetSignal

# CycleDone= 0

# Endif

# Endwhile

表1 虛擬機(jī)器人默認(rèn)信號

采集數(shù)據(jù)具體過程，我們以裝配站為例，實體機(jī)器人開始裝配動作時，虛擬機(jī)器人系統(tǒng)程序初始化。

當(dāng)實體機(jī)器人安裝裝配握爪時，實體機(jī)器人將安裝信號通過PLC中OPC傳輸給PS平臺中，通過PS平臺中OLP編寫程序使虛擬工業(yè)機(jī)器人同時安裝裝配握爪。在實體機(jī)器人抓取軸承，螺帽等零部件時，實體機(jī)器人通過傳感器將零部件抓取的信號傳輸給PS平臺中，虛擬機(jī)器人通過采集到的點位數(shù)據(jù)判斷抓取零部件。

實體機(jī)器人通過博途中TCP/IP協(xié)議與虛擬機(jī)器人進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，接收虛擬機(jī)器人工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)行虛實融合。由于工業(yè)機(jī)器人與虛擬機(jī)器人關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)格式不同，因此需要將實體機(jī)器人與虛擬機(jī)器人各個關(guān)節(jié)進(jìn)行標(biāo)定，實現(xiàn)機(jī)器人六軸數(shù)據(jù)可視化監(jiān)測(圖8)。

當(dāng)零部件全部完成抓取后，啟動電批對零部件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)擰緊操作，啟動的同時電批傳感器將信號實時傳輸給虛擬機(jī)器人。若信號傳輸出現(xiàn)問題，則虛擬機(jī)器人停止接受數(shù)據(jù)傳輸，并啟動延時動作，采集數(shù)據(jù)流程圖如圖9所示。

2.3 孿生數(shù)據(jù)處理

在PS平臺中，數(shù)據(jù)傳輸需要將虛擬環(huán)境與PLC程序采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對接。通過機(jī)器人程序清單中的上傳程序，將采集來的信號數(shù)據(jù)導(dǎo)入虛擬工業(yè)機(jī)器人中，為接下來實時同步控制虛擬工業(yè)機(jī)器人提供數(shù)據(jù)支持，同時也可以通過PS平臺中的虛擬機(jī)器人界面在線監(jiān)控實體機(jī)器人。

以裝配站為例，經(jīng)測試，PS軟件中的虛擬工業(yè)機(jī)器人的裝配動作與實體機(jī)器人會有100 ms以內(nèi)的誤差，裝配零部件誤差如圖10所示。橫坐標(biāo)為機(jī)器人運動至各個零部件位置，縱坐標(biāo)為虛擬機(jī)器人與實體機(jī)器人運動至位置點的時間差，螺栓代表虛擬機(jī)器人和實體機(jī)器人運動至裝配站螺栓位置，軸承代表虛擬機(jī)器人和實體機(jī)器人運動至裝配站軸承位置，裝配隔套代表虛擬機(jī)器人和實體機(jī)器人運動至裝配站裝配隔套位置，螺帽代表虛擬機(jī)器人和實體機(jī)器人運動至裝配站螺帽位置。

3 結(jié)語

本文基于PS軟件開發(fā)了工業(yè)機(jī)器人信息物理融合系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于工業(yè)機(jī)器人在虛擬空間中的線上調(diào)試，不需要真實的機(jī)器人硬件。通過實現(xiàn)實體工業(yè)機(jī)器人與虛擬工業(yè)機(jī)器人的實時同步運動，改進(jìn)了工業(yè)機(jī)器人的操作方式。該系統(tǒng)可用于開發(fā)工業(yè)機(jī)器人新工藝，能夠縮短其工藝開發(fā)周期，具有較大的工程應(yīng)用價值[10]。后續(xù)研究將針對復(fù)雜的工業(yè)機(jī)器人任務(wù)功能，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行調(diào)試與開發(fā)。