履帶板加熱爐自動上下料系統(tǒng)設(shè)計與仿真分析

（遼寧科技大學 電子與信息工程學院，鞍山 114051）

0 引言

履帶板是履帶式設(shè)備的關(guān)鍵部件，其熱加工處理是生產(chǎn)制造的關(guān)鍵工序，目前國內(nèi)的履帶板熱加工生產(chǎn)線系統(tǒng)還停留在手工操作階段[1]。由于人工上下料存在效率低、安全性差等問題，現(xiàn)引進工業(yè)機器人，實現(xiàn)履帶片的自動上下料過程。熱加工處理生產(chǎn)線具有產(chǎn)量大、環(huán)節(jié)多和工藝復(fù)雜等特點，因此在投入生產(chǎn)前對機器人上下料系統(tǒng)進行設(shè)計與仿真分析，可以提高精確度,節(jié)約工作時間。

DELMIA為企業(yè)用戶所開發(fā)的產(chǎn)品提供了一套完整的數(shù)字化制造解決方案[2]。在實際的生產(chǎn)線改進之前，利用DELMIA軟件在虛擬空間建立整條生產(chǎn)線的模型，對機器人進行離線編程和路徑規(guī)劃，對生產(chǎn)流程進行模擬仿真，分析出最佳方案，可以在不接觸工作環(huán)境的情況下，在三維軟件中提供一個和機器人進行交互作用的虛擬環(huán)境[3,4]。

工業(yè)機器人在鋼鐵、汽車、電子、船廠及航空航天等行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[5]，但在其他工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用很少。本文利用DELMIA實現(xiàn)工業(yè)機器人自動上下料過程，研究結(jié)果表明，該設(shè)計方案能夠應(yīng)用在實際的熱加工處理生產(chǎn)中，從而代替人工操作，可以有效地提高生產(chǎn)率，降低勞動強度，減少危險。

1 創(chuàng)建工作環(huán)境

DELMIA自帶三維建模工具CATIA機械設(shè)計，也可以利用一些常用的三維建模工具包括UG、SoildWorks、Pro/E等[6]，本文利用自帶工具CATIA將制作好的零部件導(dǎo)入到DELMIA中。本文利用DELMIA自帶的機械設(shè)計模塊創(chuàng)建零部件，并且搭建工作環(huán)境，保證虛擬環(huán)境與現(xiàn)實工作環(huán)境的一致性。將加熱爐、履帶片、履帶片擺放架和履帶片貨物臺作為資源導(dǎo)入DELMIA虛擬環(huán)境中[7]。從資源目錄中導(dǎo)入工業(yè)機器人，在DELMIA的機器人庫中提供了大量的機器人。例如，瑞士ABB機器人、日本FANUC機器人、日本安川機器人、德國KUKA機器人等等[8]。本文應(yīng)用德國KUKA公司的六自由度KR210L150K_S2000型機器人。運用以上產(chǎn)品構(gòu)建履帶板生產(chǎn)線虛擬環(huán)境，如圖1所示。

圖1 履帶板熱加工生產(chǎn)線布局

2 機器人工作過程仿真

實際的履帶板熱加工處理過程中，主要通過人工搬運履帶片實現(xiàn)上下料。本文通過使用工業(yè)機器人代替人工來完成履帶片自動上下料過程。在整個過程中，主要實現(xiàn)機器人對履帶片的抓取與放回。在投入生產(chǎn)之前，使用虛擬軟件對機器人的工作路徑進行設(shè)計與規(guī)劃，以保證機器人各個工位的動作能夠順利進行。

本文使用DELMIA的Device Task Definition模塊對機器人進行離線編程并對工作路徑進行仿真。

2.1 末端執(zhí)行器的建立

履帶片的表面是光滑平面，且材料是鋼鐵制造，其工具（工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器）可以使用電磁鐵，因此電磁鐵對履帶片的抓取與放回成為仿真的難點。電磁鐵需要有兩個坐標，分別為Base Frame坐標和TCP Frame坐標。如圖2所示。

圖2 電磁鐵的Base Frame坐標和TCP Frame坐標

Base Frame的作用是將工具安裝在工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器上。TCP Frame為工業(yè)機器人的工具坐標，當對機器人示教時，其工作路徑就是通過TCP Frame工具坐標經(jīng)過各個Tag點所形成的。如圖3所示。機器人的TCP Frame坐標默認為末端的執(zhí)行器，通過Set Tool指令將電磁鐵的TCP Frame和機器人的執(zhí)行器相連接，實現(xiàn)工具的精確安裝。

圖3 機器人Tag點分布

2.2 示教機器人

將機器人的Tag點通過Teach a device命令連接在一起形成運動軌跡，如圖4所示。

圖4 機器人示教

在示教過程中為了實現(xiàn)電磁鐵對履帶片的抓取與釋放動作，運用ADD a Process Operation指令對軌跡添加Pick和Drop功能，如圖5所示。

圖5 抓取與釋放動作的實現(xiàn)

2.3 機器人路徑規(guī)劃

根據(jù)機器人工作的特點，一般把機器人末端的位置和姿態(tài)作為研究對象。DELMIA的IGRIP模塊對機器人的運動學和逆運動學進行奇異性分析，可通過目標點給出合適的逆解，來實現(xiàn)機器人的位姿狀態(tài)[9,10]。

在Sequence工具欄下使用Set TurnNumbers命令，讓機器人按照最小旋轉(zhuǎn)角的方式進行運動，從而實現(xiàn)機器人路徑的優(yōu)化，如圖6所示。

圖6 機器人路徑規(guī)劃

2.4 碰撞與干涉檢測

在機器人仿真過程中，由于工位上設(shè)備分布密集，工位加工空間相對狹小，因此在機器人的整個運作當中極有可能出現(xiàn)機器人與加熱爐、擺放架和貨物臺等之間的碰撞。在實際的工業(yè)中，都不只是一臺機器人，可能會有多個機器人一起協(xié)作完成任務(wù)。

DELMIA的Robotics機器人仿真操作模塊提供了專業(yè)的碰撞和干涉分析工具[11]。該模塊借助數(shù)學來實現(xiàn)碰撞分析。在Simulation analysis tools工具欄的Clash下對所有的產(chǎn)品和部件進行碰撞和干涉的檢測，并且對碰撞的部件之間進行分析。例如，兩個部件之間可以算出接觸距離，運動機構(gòu)可以算出碰撞的距離等等。在Simulation analysis tools工具欄中還有一個碰撞檢測開關(guān)，可以檢測機器人與其他設(shè)備之間有無碰撞。在運動仿真時，當發(fā)生碰撞時，仿真會自動停止，并生成紅色警示區(qū)域，給出狀態(tài)報告。狀態(tài)報告可供工程師研究，這樣可以重新對產(chǎn)品進行裝配，減少了一些重要設(shè)施和設(shè)備的碰撞。

3 自動上下料系統(tǒng)過程仿真

DELMIA的制造數(shù)字化工藝DPM模塊能夠提供整體的工藝流程。DPM Assembly Process Simulation模塊中主要生成履帶片的動作，并利用該模塊下的PERT圖將機器人的動作與履帶板的動作結(jié)合，實現(xiàn)機器人的自動上下料系統(tǒng)的仿真過程。

履帶片的動作主要是通過加熱爐的熱處理過程中，并利用PERT圖將機器人離線編程生成的動作與履帶片的動作結(jié)合，如圖7所示。采用PERT圖可以對整個工藝流程進行調(diào)整，有助于工藝設(shè)計和模擬工藝工程師準確地分析和優(yōu)化[12]。

圖7 PERT工藝流程圖

在該模塊下可以運用Gantt圖可以計算出整個流程的運作時間，如圖8所示。由圖可知該設(shè)計方案的Process時間為232s，和人工操作比，效率很高。

圖8 工藝流程甘特圖

4 結(jié)論

機器人自動上下料系統(tǒng)設(shè)計與運動軌跡仿真是熱加工處理的重要環(huán)節(jié)，對履帶板生產(chǎn)線起著重要的作用。本文利用機器人自動上下料系統(tǒng)設(shè)計與仿真分析，成功代替了人工操作。利用DELMIA的robotics模塊，對工業(yè)機器人進行離線編程，有效地將機器人運用到其他制造業(yè)中。利用DELMIA的DPM模塊將機器人與履帶板的動作有效地結(jié)合一起，通過調(diào)整和優(yōu)化，提高了生產(chǎn)效率，減少了工作時間，為企業(yè)提供了一套完整的數(shù)字化制造解決方案。