馬 可 史朝順 許 蒙

（河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 常州 213022）

1 引言

我國制造業(yè)市場巨大，在世界上有著舉足輕重的影響，但是一直以來都沒有擺脫低端的標(biāo)簽，沒有實現(xiàn)“中國智造”的轉(zhuǎn)變［1～2］。

在智能制造工程領(lǐng)域，《中國制造2025》指出，要在重點(diǎn)領(lǐng)域試點(diǎn)建設(shè)智能工廠/數(shù)字化車間，實現(xiàn)關(guān)鍵工序智能化、關(guān)鍵崗位機(jī)器人替代、生產(chǎn)過程智能優(yōu)化控制。裝配是產(chǎn)品制造過程中的重要環(huán)節(jié)，約占產(chǎn)品生產(chǎn)總成本的40%［3］，而傳統(tǒng)的裝配工藝缺乏仿真驗證手段［4］，導(dǎo)致實際生產(chǎn)中會出現(xiàn)各種問題，如機(jī)器人動作不可達(dá)，裝配過程中存在靜態(tài)或者動態(tài)干涉［5］，機(jī)器人移動路徑過于復(fù)雜等。

國外對生產(chǎn)仿真系統(tǒng)軟件的研發(fā)非常成熟，并且得到了廣泛應(yīng)用［6］。2008 年Bzymek Z.M.等利用Quest 軟件建立仿真模型，并輸入某航空公司的數(shù)據(jù)，找到了瓶頸工位并對生產(chǎn)線進(jìn)行了優(yōu)化，從而達(dá)到了最佳產(chǎn)能［7］；2012 年Anthony Waller 闡述了Witness 仿真軟件的組成，以及軟件可以快速搭建仿真模型的關(guān)鍵技術(shù)［8］；2015 年Steffen Bangsow 在其著作中系統(tǒng)地對Plant Simulation 軟件進(jìn)行了介紹，通過兩百多個實例演示了如何使用仿真軟件及SimTalk語言對復(fù)雜的模型和任務(wù)進(jìn)行處理［9］。

本文通過利用西門子數(shù)字化組合軟件平臺，以某項目為例，在三維環(huán)境下實現(xiàn)數(shù)字化、一體化的工作流程，通過虛擬仿真技術(shù)，實現(xiàn)裝配工藝的設(shè)計、規(guī)劃、仿真優(yōu)化與模擬調(diào)試，從而縮短規(guī)劃時間，優(yōu)化資源配置，提高整個裝配過程的生產(chǎn)效率，其輸出的仿真視頻可以為工藝人員提供直觀的指導(dǎo)，并對機(jī)器人進(jìn)行快速有效的編程。

2 產(chǎn)品裝配工藝分析

本項目中需要完成裝配的產(chǎn)品有三款，包括智能音箱、冰箱及洗衣機(jī)模型，如圖1 所示。智能音箱的結(jié)構(gòu)組成為：組件、下殼、螺釘（×3）和蓋底。冰箱模型由箱體、門體（×2）、抽屜（×2）和鉸鏈（×2）組成。洗衣機(jī)模型由箱體、上蓋、前殼和兩個滾筒組成。在充分了解三種產(chǎn)品的機(jī)械結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品裝配要求的基礎(chǔ)之上，對三種產(chǎn)品的裝配工藝流程進(jìn)行了規(guī)劃與制定。智能音箱、冰箱、洗衣機(jī)模型的裝配工藝流程分別如圖2所示。

圖1 待裝配產(chǎn)品模型

圖2 待裝配產(chǎn)品裝配工藝流程

3 基于PD/PS 的裝配過程建模與仿真

3.1 PD/PS仿真流程規(guī)劃

PD/PS（Process Designer & Process Simulate）是一個多層數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，將產(chǎn)品信息與產(chǎn)品制造特征、制造資源和制造工藝關(guān)聯(lián)在一起，這種關(guān)聯(lián)貫穿于整個產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程中［10～11］。Process Designer 為整個產(chǎn)品制造過程提供給了完整的框架，可以更好地匹配和簡化產(chǎn)品制造的規(guī)劃過程，可以進(jìn)行生產(chǎn)過程的規(guī)劃、分析、確認(rèn)和優(yōu)化。Process Simulate 支持流程驗證和詳細(xì)的流程創(chuàng)作，它提供了從工廠級到生產(chǎn)線和工作單元的設(shè)計、分析、模擬和優(yōu)化制造過程的功能。制造商可以在早期利用Process Simulate 對制造方法和手段進(jìn)行虛擬驗證，該解決方案對產(chǎn)品和資源的三維數(shù)據(jù)的利用能力極大地簡化了復(fù)雜制造過程的驗證、優(yōu)化和試運(yùn)行等工程任務(wù)。

圖3 是PD/PS 裝配過程的流程圖，主要分為三個部分：模型的建立，裝配過程仿真與驗證，結(jié)果輸出。

圖3 PD/PS仿真流程圖

3.2 建立仿真項目

1）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

PD/PS 軟件本身是具有建模的功能的，但是由于其并非一款專門建模的軟件，所以直接在PD/PS內(nèi)部建模的難度較大。本項目中所有模型都是用Solidworks 建立的，而適用PD/PS 軟件的模型格式是cojt 文件，所以就需要將Solidworks 建立的模型轉(zhuǎn)換成cojt 格式的文件，首先通過CrossManager 軟件將模型轉(zhuǎn)換成jt 格式的文件。通過CrossManger軟件將模型轉(zhuǎn)換為jt 格式后，再通過JT 轉(zhuǎn)COJT 格式插件將jt 文件轉(zhuǎn)換為cojt 格式的文件，最終得到所需要的文件。

2）導(dǎo)入模型文件

模型文件的導(dǎo)入是在Process Designer 里面完成的，首先新建4 個文件夾，分別命名為Resource（資源庫：用來存放設(shè)備資源），Product（產(chǎn)品庫：存放產(chǎn)品文件），Process（工藝庫：存放相關(guān)工位資源及操作流程），Work（工作文件夾：起臨時存儲作用）。文件夾創(chuàng)建好之后需要創(chuàng)建工程庫，將模型文件導(dǎo)入，模型文件導(dǎo)入需要對文件的類型進(jìn)行指派，如圖4所示，其中機(jī)器人需要設(shè)置為“Robot”，產(chǎn)品需要設(shè)置為“PartPrototype”，夾爪設(shè)置為“Gripper”，擰螺釘模塊需要設(shè)為“Device”，工作臺設(shè)置為“Work_Table”，其他模型均選擇為“Fixture”。導(dǎo)入完成之后，在導(dǎo)航樹窗口加載資源數(shù)據(jù)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)并添加根節(jié)點(diǎn)，建立雙胞胎結(jié)構(gòu)，按照工藝任務(wù)將零件分配到相應(yīng)的工位。

圖4 模型類型指派

3.3 建立動態(tài)裝配仿真

1）定義機(jī)器人組件運(yùn)動學(xué)

為了實現(xiàn)機(jī)器人在仿真中可以自由動作，實現(xiàn)裝配動作，需要對機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動機(jī)構(gòu)的定義。在建模模式下選中機(jī)器人，利用運(yùn)動學(xué)編輯器對機(jī)器人的運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行定義。設(shè)置好每段桿件之后，將link0 依次連接至link6，相鄰的兩段桿件構(gòu)成父子連桿，根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動參數(shù)（相對運(yùn)動關(guān)系、旋轉(zhuǎn)角度）對桿件之間的運(yùn)動關(guān)系進(jìn)行設(shè)置。

機(jī)器人的移動以及末端執(zhí)行器的安裝需要進(jìn)行定位，所以還需要對機(jī)器人設(shè)置兩個坐標(biāo)系：基坐標(biāo)系和工具坐標(biāo)系?；鴺?biāo)系：在仿真環(huán)境和現(xiàn)實中，機(jī)器人工作站中的每一個機(jī)器人都擁有一個位于機(jī)器人底座的基坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系可以方便地進(jìn)行機(jī)器人移動和定位。工具坐標(biāo)系：工具坐標(biāo)系的建立是為了方便機(jī)器人末端執(zhí)行器的安裝，工具坐標(biāo)系設(shè)置在機(jī)器人末端法蘭盤的中心。圖5 為定義完成的機(jī)器人。

圖5 機(jī)器人參數(shù)定義

2）可達(dá)性分析

通過對機(jī)器人抓取、放置動作以及移動路徑的設(shè)置完成之后，需要對機(jī)器人可達(dá)性進(jìn)行分析，通過PS 軟件中的“智能放置”可以自動分析機(jī)器人的動作是否可達(dá)，通過對搜索范圍的設(shè)置，選擇機(jī)器人以及機(jī)器人需要執(zhí)行的動作，設(shè)定機(jī)器人執(zhí)行動作的大致區(qū)域，軟件自動分析結(jié)果如圖6 所示，圖中紅色區(qū)域代表機(jī)器人不可達(dá)，藍(lán)色區(qū)域代表機(jī)器人完全可達(dá)，其在軟件視圖區(qū)域所對應(yīng)的情況如圖7 所示，從圖中可以看出，機(jī)器人目前所處位置是完全可達(dá)的，證明了機(jī)器人放置位置的合理性與可行性。

圖6 機(jī)器人智能放置

圖7 視圖區(qū)機(jī)器人智能放置圖示

3）干涉分析

干涉分為靜態(tài)干涉和動態(tài)干涉，靜態(tài)干涉是指沒有外加驅(qū)動力靜止?fàn)顟B(tài)下，機(jī)器人與工件、設(shè)備發(fā)生的干涉［12］，對于靜態(tài)干涉，是設(shè)計方案中存在的缺陷，需要對設(shè)計方案進(jìn)行修改。與靜態(tài)干涉相對的動態(tài)干涉是指機(jī)器人抓取、放置工件的相互運(yùn)動的過程中，與工件或者設(shè)備產(chǎn)生的干涉。對于這類干涉可以建立機(jī)器人的掃掠體，掃掠體就是機(jī)器人在整個空間運(yùn)動動作的集合體，對于機(jī)器人掃掠體的建立如圖8 所示，綠色部分即為機(jī)器人的掃掠體，它覆蓋了兩臺機(jī)器人所有運(yùn)動的軌跡和范圍。

圖8 建立掃掠體

建立掃掠體的目的是為了檢查機(jī)器人的干涉，通過在之前建立的掃掠體的基礎(chǔ)之上建立干涉體，如圖9 所示，紅色部分即為干涉體，它表示的是兩臺機(jī)器人之間可能會產(chǎn)生觸碰而存在的干涉區(qū)域，對于這類干涉可以通過調(diào)整機(jī)器人動作位置和順序進(jìn)行優(yōu)化，從而消除動態(tài)干涉的影響。

圖9 建立干涉體

4 仿真結(jié)果分析

將編輯好時序的運(yùn)動動作加載到“序列編輯器”中，序列編輯器包含兩個可調(diào)整大小的區(qū)域，左側(cè)為樹狀區(qū)域，右側(cè)為甘特圖區(qū)域，如圖10 所示。將需要運(yùn)行的操作加載到序列編輯器中，按照連接序列對序列編輯器中的對象進(jìn)行排序，連接的順序決定了操作的運(yùn)行順序。當(dāng)模擬一個操作時，可以在圖形查看器中看到運(yùn)行的操作，并且有一條垂直的紅線沿著甘特圖中的操作移動，在甘特圖區(qū)域顯示的操作和子操作，可以看到它們的關(guān)系以及運(yùn)行所需要的時間。

圖10 序列編輯器

洗衣機(jī)模型和智能音箱由同一機(jī)器人進(jìn)行組裝，所以將音箱的裝配鏈接在洗衣機(jī)之后，冰箱由另一臺機(jī)器人單獨(dú)裝配，冰箱和洗衣機(jī)的裝配同時進(jìn)行，開始仿真，仿真過程將會以動態(tài)的形式呈現(xiàn)，圖11 為兩臺機(jī)器人分別在對洗衣機(jī)和冰箱模型進(jìn)行組裝，從動態(tài)仿真中可以清晰直觀地看出機(jī)器人的每一個裝配動作，以及機(jī)器人的運(yùn)動軌跡和方向。

圖11 動態(tài)仿真過程

5 仿真結(jié)果輸出

5.1 仿真動畫技術(shù)

為了方便機(jī)器人虛擬仿真動畫的查看，Process Simulate軟件自身支持導(dǎo)出虛擬仿真的視頻文件。Process Simulate軟件中集成了“Export to Web”功能，使用“Export to Web”功能可以將創(chuàng)建好的3D模型數(shù)據(jù)和虛擬仿真操作轉(zhuǎn)換并導(dǎo)出為HTML 格式文件。這樣仿真人員就可以使用Web 瀏覽器與他人隨時隨地共享、查看這些內(nèi)容。在Web瀏覽器中，用戶可以從不同角度對仿真模型進(jìn)行視圖旋轉(zhuǎn)、平移、縮放以及仿真運(yùn)行等操作，而無需額外安裝仿真軟件。圖12 為在Web 瀏覽器中對文件進(jìn)行查看。

圖12 仿真視頻輸出

5.2 離線編程技術(shù)

目前機(jī)器人的編程方式主要有兩種：手動在線示教編程和離線編程［13］。手動在線示教編程是通過人工的方式，一邊操作機(jī)器人的運(yùn)動，一邊對加工路徑及運(yùn)動軌跡進(jìn)行記錄，并設(shè)置各個示教點(diǎn)的運(yùn)行參數(shù)。手動在線示教編程過程繁瑣、效率低，示教過程容易發(fā)生事故，存在安全隱患，且依賴工程師的經(jīng)驗，對于復(fù)雜路徑的示教難以取得讓人滿意的效果［14］。離線編程是在計算機(jī)里重建整個工作場景的三維虛擬環(huán)境，自動對加工軌跡進(jìn)行規(guī)劃，在離線的環(huán)境設(shè)置運(yùn)動軌跡的參數(shù)，生成加工程序的一種編程方法。離線編程克服了手動在線示教編程的許多缺點(diǎn)，兼容性高，充分利用了計算機(jī)的功能，減少了編寫機(jī)器人程序所需的時間，簡潔，高效，方便，安全［15］。

Process Simulate 支持與可編程的Simulation-Unit PNIO（ProfiNet I/O）設(shè)備的直接連接，可以與多種機(jī)器人實現(xiàn)無縫對接，最多可以模擬256 個，可以方便地進(jìn)行機(jī)器人離線編程。在對機(jī)器人離線編程前，需要對機(jī)器人進(jìn)行校準(zhǔn)，使其虛擬與現(xiàn)實工作相一致。通過模塊可以選擇與所使用的機(jī)器人相符合的控制器，在生成的程序中設(shè)置的參數(shù)包括機(jī)器人的運(yùn)行速度和加速度、機(jī)器人的運(yùn)動軌跡、工具坐標(biāo)、基坐標(biāo)等。

要得到離線程序，首先需要對機(jī)器人屬性進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，需要對機(jī)器人型號以及相應(yīng)的控制器進(jìn)行選擇，然后設(shè)置下載離線程序的內(nèi)容，設(shè)置機(jī)器人編號及工具，選擇離線程序模板，選擇路徑的所有點(diǎn)，最后通過運(yùn)行自動示教，示教完成后下載程序，它將機(jī)器人程序轉(zhuǎn)換為可下載到機(jī)器人的文件，該命令根據(jù)分配給機(jī)器人程序的機(jī)器人控制器指定的語法來轉(zhuǎn)換機(jī)器人程序，其中部分程序如圖13所示。

圖13 離線程序

6 結(jié)語

本文以某公司機(jī)器人自動化裝配項目為例，通過應(yīng)用西門子數(shù)字化組合軟件平臺中的PD/PS 軟件，實現(xiàn)了機(jī)器人自動化裝配過程的仿真與驗證，使得工藝設(shè)計、工藝流程和機(jī)器人軌跡規(guī)劃等工作變得更加準(zhǔn)確、高效，通過可達(dá)性分析和干涉分析，找出設(shè)計中不合理之處，實現(xiàn)了機(jī)器人裝配節(jié)拍的驗證和優(yōu)化，避免了實際生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的問題，提前驗證了生產(chǎn)的可行性，實現(xiàn)了對機(jī)器人快速有效地離線編程，大大縮短了項目生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)成本，對提高企業(yè)數(shù)字化生產(chǎn)水平具有重要意義。