基于IRobotSIM的注塑生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)研究

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)機器人及智能裝備研究院，天津300222；2.湖北博諾機器人有限公司，湖北 黃石435099；3.天津博諾智創(chuàng)機器人技術(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間和運輸時間的統(tǒng)計計算問題。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)實際運行前評價它的性能，因而可作為設(shè)計一個有效且經(jīng)濟的先進(jìn)生產(chǎn)線系統(tǒng)以及有效運行生產(chǎn)線系統(tǒng)的有力工具。熊雋[3]等人基于RobotStudio設(shè)計了一種基于工業(yè)機器人的綜合虛擬仿真實驗平臺，提高了操作安全性的同時，加強了學(xué)習(xí)者的實踐能力，對工業(yè)機器人相關(guān)課程的教學(xué)起到了很好的輔助作用。蔡漢明[4]等人將機器人、VGV等應(yīng)用于傳統(tǒng)的注塑機的自動化生產(chǎn)線改造中，效果明顯。本文通過設(shè)計了基于IRobotSIM軟件的注塑機生產(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)主要有四個模塊構(gòu)成，包括機器人模塊、注塑機模塊、物料傳送帶模塊。注塑生產(chǎn)線如圖1所示。仿真系統(tǒng)的過程如下：料斗下料后注塑機開始工作，當(dāng)注塑成型后注塑機倉門開啟同時給機器人一個信號，機器人完成抓取任務(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收納盒的終點位置后，組裝機器人進(jìn)行裝配，印刷機進(jìn)行打標(biāo)，最終完成一個成品。

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)用與測繪，從而保證仿真系統(tǒng)與現(xiàn)實工作站的真實性。在SolidWorks軟件中通過草圖繪制、特征編輯等命令進(jìn)行三維模型的創(chuàng)建，并利用裝配功能對產(chǎn)線中三個模塊進(jìn)行裝配，模塊建模流程如圖2所示。

圖2 建模流程

2.1 機器人模塊

KUKA16-2工業(yè)機器人的實際尺寸經(jīng)過計算尺寸、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)境中的機器人模塊，首先需要將六個關(guān)節(jié)進(jìn)行分離，并在機器人邏輯樹中添加六個運動軸將六個關(guān)節(jié)相關(guān)聯(lián)；然后根據(jù)生產(chǎn)工藝和注塑機的模具腔添加合適的機器人外部工裝，將其添加至機器人邏輯樹結(jié)構(gòu)中；最后渲染美化機器人模塊。仿真環(huán)境中的機器人模塊如圖3所示。

圖3 KUKA16-2機器人

2.2 注塑機模塊

注塑機三維建模完成后導(dǎo)入仿真軟件中，首先將各部件分離，在注塑機模塊邏輯樹結(jié)構(gòu)中關(guān)聯(lián)各分離部件，添加運動關(guān)節(jié)、物理屬性；然后設(shè)置機器人抓取位置，并配置相關(guān)距離傳感器。最后渲染注塑機模塊，貼圖人機交互界面。仿真環(huán)境中的注塑機模塊如圖4所示。

圖4 注塑機

2.3 傳輸模塊

傳送帶模塊主要是配合機器人進(jìn)行物料的傳輸，因此在機器人模塊和注塑機模塊位置確定之后，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

注塑機模塊和傳輸模塊需要添加二個腳本實現(xiàn)注塑產(chǎn)線的仿真，線性腳本1（圖6）是將注塑機塑料件成型后倉門開啟，腳本2（圖7）是倉門開啟信號觸發(fā)工業(yè)機器人進(jìn)行抓取，抓取后放置傳送帶上，同時觸發(fā)傳送帶進(jìn)行運動。

圖7 線性腳本2

3 產(chǎn)線布局

首先確定工業(yè)機器人底座的位置，其次根據(jù)塑料件的需求選擇適合的注塑機。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。最后搭建注塑機生產(chǎn)線場景的樹狀結(jié)構(gòu)，如圖9所示。因此可以有效實現(xiàn)注塑生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)的設(shè)計和動作，通過不斷對產(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

在確保機器人、注塑機、物料傳送帶能正常工作的同時，使得整個生產(chǎn)線緊湊。同時不斷的優(yōu)化，選擇最佳等待時間，使得生產(chǎn)節(jié)拍最更快。在虛擬環(huán)境中模擬真實生產(chǎn)線的運動和節(jié)拍，通過發(fā)現(xiàn)和修改設(shè)計缺陷，對生產(chǎn)線系統(tǒng)進(jìn)行迭代優(yōu)化。

5 結(jié)論

通過對注塑生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)的組成、模型的建立、仿真系統(tǒng)運行以及仿真分析后的優(yōu)化四個方面的論述，利用仿真軟件搭建出符合實際生產(chǎn)需求的注塑生產(chǎn)線，可演示生產(chǎn)線實際的運行結(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，對設(shè)計工程師優(yōu)化生產(chǎn)線意義深遠(yuǎn)，同時也有助于初學(xué)者對抽象理論的理解，提高教學(xué)效果，更能彌補實驗手段的不足，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)及提高。