基于Roboguide平臺的FANUC機(jī)器人虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

姚貴昌，段方高，陸宗學(xué)，崔世義

（連云港杰瑞模具技術(shù)有限公司，江蘇 連云港 222006）

0 引言

工業(yè)機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化高科技產(chǎn)品，自從1950 年代美國制造第一臺機(jī)器人以來，機(jī)器人技術(shù)及其產(chǎn)品發(fā)展很快，它對于提高生產(chǎn)自動化水平、勞動生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益，保證產(chǎn)品質(zhì)量，改善勞動條件等方面的作用日益顯著。隨著勞動力的緊缺，工業(yè)機(jī)器人代替人力勞動是必然的發(fā)展趨勢，工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用，正在日益改變著人類的生產(chǎn)方式和生活方式［1］。從20 世紀(jì)下半葉起，世界機(jī)器人工業(yè)一直保持著穩(wěn)步增長的良好勢頭。據(jù)聯(lián)合國頒布的調(diào)查資料顯示，2000 年世界機(jī)器人工業(yè)增長率達(dá)到15%左右，一年增加了近10 萬臺，使世界機(jī)器人總擁有量達(dá)到75 萬臺以上，世界機(jī)器人市場呈現(xiàn)出日益興旺的大好態(tài)勢［1］。

如今，工業(yè)機(jī)器人已得到了眾多領(lǐng)域的應(yīng)用。工業(yè)機(jī)器人的種類繁多，有點(diǎn)焊、弧焊機(jī)器人、碼垛機(jī)器人、噴涂機(jī)器人、裝配機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人等。工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域有高溫應(yīng)用、測量檢測、包裝、弧焊、點(diǎn)焊、噴涂、搬運(yùn)、分揀處理、碼垛、填裝、機(jī)器上下料、沖壓、壓力鑄造、熱處理、裝配、修緣、拋光、打磨、水切割、等離子切割、激光焊接與切割、壓力裝配機(jī)鉚接、粘接與封接等［2］。

目前，F(xiàn)ANUC 工業(yè)機(jī)器人在我國許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，占有中國近三分之一的市場。FANUC 工業(yè)機(jī)器人種類眾多，能夠完成絕大部分領(lǐng)域的應(yīng)用任務(wù)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality Technology）涉及計算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域，它用計算機(jī)生成逼真的三維視、聽、嗅覺等，使人作為參與者通過適當(dāng)裝置，自然地對虛擬世界進(jìn)行體驗(yàn)和交互作用［3］。虛擬現(xiàn)實(shí)是一種可視化界面技術(shù)，可以有效地建立虛擬環(huán)境，這主要集中在兩個方面，一是虛擬環(huán)境能夠精確表示物體的狀態(tài)模型；二是環(huán)境的可視化及渲染。

本文將基于Roboguide為應(yīng)用平臺的基礎(chǔ)上，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對FANUC 機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，通過實(shí)例來展示虛擬現(xiàn)實(shí)條件下仿真建模的過程。為現(xiàn)場調(diào)試人員提供了實(shí)驗(yàn)平臺，并為方案設(shè)計提供了可行性的依據(jù)。

1 FANUC ROBOT Roboguide 概述

Roboguide 軟件是日本FANUC 公司在自己生產(chǎn)機(jī)器人的基礎(chǔ)上研究開發(fā)的機(jī)器人離線編程系統(tǒng)軟件。它是圍繞一個離線的三維世界進(jìn)行模擬，在這個三維世界中模擬現(xiàn)實(shí)中的機(jī)器人和周邊設(shè)備的布局，通過其中的TP示教，進(jìn)一步來模擬它的運(yùn)動軌跡。通過這樣的模擬可以驗(yàn)證方案的可行性，同時獲得準(zhǔn)確的周期時間。Roboguide是一款核心應(yīng)用軟件，還包括搬運(yùn)、弧焊、噴涂等其他模塊。該軟件具有FANUC 公司的各種型號機(jī)器人的離線仿真及與機(jī)器人的通訊等基本功能［4］。

該軟件是一種自控軟件，它通過使用虛擬機(jī)器人控制技術(shù)來仿真模擬實(shí)際機(jī)器人作業(yè)的機(jī)器人模擬軟件，運(yùn)行于Windows 環(huán)境。此軟件包括四大模塊：建模模塊、布局模塊、編程模塊和仿真模塊。

2 Roboguide 建模

Roboguide 是一個為機(jī)器人系統(tǒng)的安裝和維護(hù)設(shè)計的離線工具，也是一個被應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域的在線工具。

2.1 工作環(huán)境的建立

Roboguide 可以通過簡單的建模功能，建立設(shè)計需要的工作環(huán)境，它大大減少了為設(shè)備和機(jī)械等工作環(huán)境建模的人力，用最少的時間建立機(jī)器人系統(tǒng)合適的環(huán)境模型，不需要特別熟悉離線系統(tǒng)，就能很快完成模型的建立。

圖1 Roboguide 軟件啟動

啟動Roboguide 后單擊工具欄上的“新建”按鈕，出現(xiàn)圖2 所示界面。根據(jù)需要分別順序填入以下內(nèi)容：①Process Selection，②Workcell Name，③Robot Creation Method，④Robot Software Version，⑤Robot Application/Tool，⑥Group Robot Model，⑦Additional Motion Groups，⑧Robot Options，⑨Summary，內(nèi)容如圖2 所示。

圖2 工作環(huán)境的建立

2.2 三維模型的載入

Roboguide 可以加載各類實(shí)體對象，這些對象可以分成兩部分，一部分是Roboguide 自帶的模型，另一部分是可以通過其它三維軟件導(dǎo)出的igs 或iges 格式的模型文件。

2.2.1 Roboguide 自帶的模型

自帶模型庫是Roboguide 軟件安裝自備模型庫，此模型庫為工程設(shè)計者提供了方便，大大縮減了常用模型的設(shè)計時間，提高了設(shè)計效率。尤其是方案設(shè)計階段，提供了大量的設(shè)備模型，簡化了設(shè)計的過程，通過簡單的選擇和布局，可得到較好的設(shè)計效果，提高了方案設(shè)計的效率；在市場經(jīng)濟(jì)的今天，也增強(qiáng)了企業(yè)的競爭，可把握更多的市場機(jī)會。

自帶模型庫運(yùn)用具體操作步驟：單擊菜單欄上的Cell→Add Fixture→CAD Library 出現(xiàn)如圖3 對話框，這里主要加載Roboguide 自帶的庫模型文件，包括輸送帶、數(shù)控加工中心、各類焊槍、注塑機(jī)等。輸送帶模型庫如圖4 所示；數(shù)控加工中心模型庫如圖5 所示。

圖3 Roboguide 自帶的模型庫

圖4 輸送帶模型庫

圖5 數(shù)控加工中心模型庫

2.2.2 三維軟件導(dǎo)出的模型

Roboguide 軟件支持兼容三維軟件導(dǎo)出igs 格式模型文件。因Roboguide 軟件建模功能只能完成簡易模型的建立，不能夠滿足復(fù)雜模型建模的需要，所以通過專業(yè)的3D 建模設(shè)計軟件來設(shè)計模型，節(jié)約了大量的工作量。此兼容功能為工程設(shè)計者提供了模型對接的便利。

三維軟件導(dǎo)出igs 格式模型文件導(dǎo)入方法的具體操作步驟：單擊菜單欄上的Cell→Add Fixture→Single CAD File，出現(xiàn)如圖6 所示文件瀏覽對話框，這里主要加載由其它三維軟件如SolidWorks、Pro/E、CATIA、UG 等所導(dǎo)出的igs 格式的三維模型。SolidWorks 軟件導(dǎo)出igs 格式文件模型對話框如圖7 所示。

2.2.3 Roboguide 的Modeler 功能

Roboguide 軟件帶有Modeler 模塊，能夠建立簡單的3D 模型。Roboguide 軟件建模功能僅為工程設(shè)計者提供了簡單的模型建模工具。

具體操作步驟：單擊菜單欄上的Tools→Modeler→單擊新建，出現(xiàn)如圖8 所示對話框。

圖6 igs 格式模型文件瀏覽對話框

圖7 SolidWorks 軟件導(dǎo)出igs 格式文件模型對話框

圖8 Roboguide 的Modeler 模塊

2.3 模型的布局

Roboguide 環(huán)境系統(tǒng)的一個重要作用是離線調(diào)試程序，而離線調(diào)試最直觀有效的方法是在不接觸實(shí)際機(jī)器人及其工作環(huán)境的情況下，利用Roboguide 圖形仿真技術(shù)模擬機(jī)器人的作業(yè)過程，提供一個與機(jī)器人進(jìn)行交互作用的虛擬環(huán)境。這就需要我們把整個機(jī)器人系統(tǒng)(包括機(jī)器人本體、數(shù)控加工中心、工件、配套設(shè)備等)的模型按照實(shí)際的裝配和安裝情況在仿真環(huán)境下進(jìn)行布局。其中數(shù)控加工中心與機(jī)器人本體之間的位置關(guān)系對設(shè)備安全尤為重要。仿真環(huán)境布局如圖9 所示。

圖9 仿真環(huán)境布局

2.4 Roboguide 離線編程

離線編程是Roboguide 環(huán)境系統(tǒng)的一個重要作用，離線編程需要以機(jī)器人本體、數(shù)控加工中心、工件、配套設(shè)備等模型按照實(shí)際的裝配和安裝情況在仿真環(huán)境下準(zhǔn)確布局為前提。只有準(zhǔn)確布局，才能建立虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，才能成為離線編程的依據(jù)，才能很好地解決壁障問題，這也是多數(shù)工程設(shè)計者選擇Roboguide 的理由。

2.4.1 編輯程序

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的前提，運(yùn)用虛擬TP 像示教真實(shí)機(jī)器人一樣示教，編輯程序界面如圖10 所示。

圖10 編輯程序界面

編程舉例：

2.4.2 仿真路徑

仿真能夠得出周期時間、機(jī)器人路徑，并得到安全確認(rèn)，仿真確認(rèn)后可向?qū)嶋H機(jī)器人中導(dǎo)入程序，進(jìn)行真實(shí)的試機(jī)，如圖11 所示。

圖11 仿真路線界面

3 實(shí)例應(yīng)用

以鑄造領(lǐng)域應(yīng)用為例，澆鑄是將材料在高溫下熔化，成液體狀態(tài)具有一定的流動性能，然后注入型腔內(nèi)，一般的型腔有砂型、金屬型等，在設(shè)定的型腔內(nèi)流動，之后冷卻成型，一般用于澆鑄的材料選用鑄鐵。由于澆鑄環(huán)境的因素和勞動力成本的增加，機(jī)器人在鑄造領(lǐng)域里得到了廣泛的應(yīng)用。圖12 是澆鑄機(jī)器人在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下模型與現(xiàn)實(shí)的對比。

圖13 是壓鑄鋁件的應(yīng)用，大大降低了勞動強(qiáng)度，解決了環(huán)境對工作者的危害，提高了安全性。澆鑄機(jī)器人的應(yīng)用對鑄造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的作用。

圖12 澆鑄機(jī)器人

圖13 澆鑄鋁件的應(yīng)用

4 結(jié)論

本文簡述了基于Roboguide 平臺的FANUC 機(jī)器人虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，通過對Roboguide 平臺的應(yīng)用，降低了調(diào)試的成本，提高了調(diào)試編程的效率，提高了設(shè)計者的設(shè)計效率，為方案設(shè)計提供了可行性的依據(jù)，可以提高企業(yè)的市場競爭力，能更好地把握市場機(jī)會。

［1］杜志俊.工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用及發(fā)展趨勢［J］.機(jī)械工程師，2002（5）：8-10.

［2］國際機(jī)械人聯(lián)合會.世界機(jī)器人最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)［J］.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2000（6）：12-14.

［3］楊化書，曲新峰.工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展［J］.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2004，16（4）：42-43.

［4］李香.基于ROBOGUIDE 的弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的研究［D］.天津：天津工業(yè)大學(xué)，2007.

［5］吳振彪.工業(yè)機(jī)器人［M］.武漢：華中理工大學(xué)出版社，1999.

［6］朱景忠.鋁合金澆鑄機(jī)器人的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012

［7］馬紅斌.ROBOGUIDE 使用手冊：弧焊部分基礎(chǔ)篇［M］.上海：上海發(fā)那科機(jī)器人有限公司，2010.