工業(yè)機(jī)器人半實(shí)物虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

杜志強(qiáng)，李凱，宋中越，邵帥，李文欣，韋澤坤

（天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，天津，300000）

0 引言

《中國(guó)制造2025》戰(zhàn)略規(guī)劃借鑒了德國(guó)“工業(yè)4.0”，以“智能制造”為主攻方向，為我國(guó)發(fā)展成現(xiàn)代化工業(yè)強(qiáng)國(guó)描繪了清晰的路線[1]。工業(yè)自動(dòng)化是推動(dòng)工業(yè)4.0的重要前提之一，也是必要因素，而工業(yè)自動(dòng)化主要體現(xiàn)在機(jī)械制造和電氣工程領(lǐng)域，導(dǎo)致眾多機(jī)械和電氣相關(guān)廠商紛紛開(kāi)展了智能制造方面的研究。

目前全球眾多優(yōu)秀制造企業(yè)都開(kāi)展了數(shù)字化工廠建設(shè)的實(shí)踐。FANUC公司實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人和伺服電機(jī)生產(chǎn)過(guò)程的高度自動(dòng)化和智能化；施耐德電氣實(shí)現(xiàn)了電氣開(kāi)關(guān)制造和包裝過(guò)程的全自動(dòng)化。國(guó)內(nèi)也涌現(xiàn)出海爾、美的、東莞勁勝、尚品宅配等智能工廠建設(shè)的樣板，如海爾佛山滾筒洗衣機(jī)工廠、尚品宅配實(shí)現(xiàn)了從款式設(shè)計(jì)到構(gòu)造尺寸的全方位個(gè)性定制等。

但目前數(shù)字化工廠仍存在較多缺點(diǎn)[2]：（1）盲目購(gòu)買自動(dòng)化設(shè)備和自動(dòng)化產(chǎn)線。認(rèn)為推進(jìn)智能工廠就是自動(dòng)化和機(jī)器人化；（2）尚未實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和車間聯(lián)網(wǎng)，導(dǎo)致依然存在大量信息化孤島和自動(dòng)化孤島；（3）尚未具備快速建廠的技術(shù)條件，使得工廠建設(shè)過(guò)程周期漫長(zhǎng)。

究其原因，數(shù)字化制造工廠系統(tǒng)復(fù)雜，工廠的完善仍需要較長(zhǎng)時(shí)間。而目前數(shù)字化工廠所存在的共性缺陷中、不能快速建廠是其最致命的缺陷，這是數(shù)字化工廠高度智能化導(dǎo)致工廠建設(shè)漫長(zhǎng)與產(chǎn)品為搶占市場(chǎng)需要縮短上市周期之間的矛盾。縮短智能工廠開(kāi)發(fā)周期對(duì)提高產(chǎn)品市場(chǎng)占有率具有重要意義。

1 半實(shí)物虛擬仿真系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

目前，市場(chǎng)上已有的工業(yè)機(jī)器人由于應(yīng)用場(chǎng)景的不同，種類很多，其特點(diǎn)也是各有千秋。本文擬設(shè)計(jì)一種基于工業(yè)機(jī)器人的半實(shí)物虛擬仿真系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)市場(chǎng)同類產(chǎn)品的特點(diǎn)分析，在系統(tǒng)控制方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；在末端夾具方面創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種通用型多功能抓手[3]；在軟件仿真和測(cè)試環(huán)節(jié)，該研究采用了Visual C++、CAD和DH模型進(jìn)行開(kāi)發(fā)。其中DH模型作為工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真分析的支撐平臺(tái)，Visual C++和CAD主要用于設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械臂改進(jìn)和布局分析。

目前項(xiàng)目已經(jīng)具備了數(shù)字化工廠虛擬互聯(lián)調(diào)試的基礎(chǔ)技術(shù)，已經(jīng)可以通過(guò)仿真環(huán)境下物理的PLC[4]、HMI等自動(dòng)化設(shè)備的結(jié)合，完成對(duì)PLC程序和機(jī)器人程序的聯(lián)合調(diào)試，在施工前即可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和程序的提前驗(yàn)證，具有了虛擬互聯(lián)調(diào)試的基本框架系統(tǒng)。在系統(tǒng)仿真聯(lián)調(diào)方面，本文著重探討工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂的改進(jìn)和與實(shí)際工廠相同的虛擬孿生系統(tǒng)的呈現(xiàn)。

2 虛擬仿真系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（1）工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

研究所涉及的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)由機(jī)器人本體、電氣控制系統(tǒng)和能源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三個(gè)基本部分組成[5]。其中機(jī)器人本體在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，一般由機(jī)器人底座、腰座、大臂、小臂、手腕、末端執(zhí)行器和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成；能源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為整個(gè)機(jī)器人本體提供工作動(dòng)力；末端執(zhí)行器可根據(jù)實(shí)際的工作需要，增加各類夾持器（夾手、夾具）或焊槍等設(shè)備，以便適用于相應(yīng)實(shí)際作業(yè)環(huán)境。

工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

工業(yè)機(jī)器人仿真系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)，工業(yè)機(jī)器人仿真[6]是通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)際的機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行模擬[7]的技術(shù)。機(jī)器人仿真系統(tǒng)可以通過(guò)單機(jī)或者多臺(tái)機(jī)器人從而組成工作站或是生產(chǎn)線。這些工業(yè)機(jī)器人的仿真軟件，可以在制造單機(jī)和生產(chǎn)線產(chǎn)品之前模擬出實(shí)物，這不僅可以縮短生產(chǎn)的工期，還可以避免不必要的返工。

（2）抓手設(shè)計(jì)

市場(chǎng)上現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)器人通常分為專用型和通用型，但不論是那種類型，機(jī)器人在抓取工件時(shí)只能根據(jù)工件的形狀更換專用的抓手。這樣頻繁更換抓手除了降低了工作效率，還在一定程度上加快了機(jī)械臂的磨損和機(jī)器的老化，并且在運(yùn)輸和后期的維護(hù)等方面存在著諸多不便。

為了提高機(jī)械臂的靈活性，達(dá)到提高生產(chǎn)效率和穩(wěn)定性的目的，本文模仿人手結(jié)構(gòu)，并結(jié)合具有柔性抓取及力反饋的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一款能夠自主隨抓取物品調(diào)節(jié)、靈活度更好的抓手，使其能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)更多種類物體的搬運(yùn)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 抓手外形示意圖

機(jī)械臂結(jié)構(gòu)包括機(jī)械爪、手臂支架、第一伺服電機(jī)、第一絲杠、第一軸承機(jī)座、第一絲杠螺母、第一連接件和第二軸承機(jī)座；第一絲杠與第一伺服電機(jī)的輸出軸傳動(dòng)連接；第一絲杠穿設(shè)于第一軸承機(jī)座內(nèi)；第一絲杠螺母套設(shè)于第一絲杠上并與第一連接件周向固定連接，第一連接件連接抓手；抓手連接手臂支架；第二軸承機(jī)座內(nèi)設(shè)置有至少一個(gè)第二軸承，第一絲杠穿設(shè)于第二軸承內(nèi)。

3 仿真系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果

數(shù)字孿生的一個(gè)重要用途，就是針對(duì)系統(tǒng)的調(diào)試。智能化的系統(tǒng)往往特別復(fù)雜。單純的算法設(shè)計(jì)，其運(yùn)行結(jié)果如何，真的難以預(yù)知。針對(duì)系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程，數(shù)字孿生的價(jià)值是非常大的。半實(shí)物仿真調(diào)試系統(tǒng)基于數(shù)字孿生概念設(shè)計(jì)。

數(shù)字孿生在化工和冶金領(lǐng)域，往往采用二維的調(diào)試畫面，而在機(jī)械領(lǐng)域，在系統(tǒng)調(diào)試、分析故障等場(chǎng)合，則往往采用三維動(dòng)畫，這樣設(shè)計(jì)是采用三維動(dòng)畫不僅更容易被人理解，而且在調(diào)試過(guò)程中，會(huì)對(duì)人的分析、管理非常有幫助，其調(diào)試效果顯著。

基于以上分析，綜合目前存在的車間機(jī)械電氣綜合安裝調(diào)試環(huán)節(jié)穩(wěn)定性不好，周期長(zhǎng)等方面的缺陷，本文所涉及的模擬仿真調(diào)試系統(tǒng)采用：在三維動(dòng)態(tài)[8]設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上融合電氣設(shè)計(jì)，將電氣邏輯進(jìn)行設(shè)計(jì)后，按照實(shí)際工作需求以電氣信號(hào)作為虛擬工廠動(dòng)作的觸發(fā)[9]。這樣設(shè)計(jì)的目的，不僅解決了系統(tǒng)可達(dá)性和干涉問(wèn)題，經(jīng)過(guò)調(diào)試，還能生成經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的電氣控制信號(hào)，進(jìn)而進(jìn)一步縮短開(kāi)發(fā)周期。

本文所設(shè)計(jì)模擬過(guò)程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)模擬流程

實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)聯(lián)調(diào)及數(shù)據(jù)采集實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)及數(shù)據(jù)收集實(shí)物圖

系統(tǒng)聯(lián)調(diào)所測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 虛擬調(diào)試情況統(tǒng)計(jì)

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，不難發(fā)現(xiàn)，本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如下效果：

（1）實(shí)現(xiàn)了機(jī)械與電氣的融合設(shè)計(jì)，可呈現(xiàn)出與實(shí)際工廠相同的虛擬孿生系統(tǒng)；

（2）智能制造工廠一般選用工業(yè)機(jī)器人作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)于復(fù)雜生產(chǎn)工序的工廠，應(yīng)用本方法可大大縮短建設(shè)周期，可縮短為現(xiàn)有方法所需時(shí)間的15%；

（3）仿真調(diào)試系統(tǒng)兼容性強(qiáng)，適用于各生產(chǎn)加工企業(yè)，能滿足不同行業(yè)的定制需求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文重點(diǎn)對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析，該設(shè)計(jì)的目的是研發(fā)出一款工業(yè)機(jī)器人半實(shí)物虛擬仿真系統(tǒng)[10]。其研究的主要內(nèi)容及效果如下：

（1）實(shí)現(xiàn)了機(jī)械與電氣的融合設(shè)計(jì)，呈現(xiàn)出與實(shí)際工廠相同的虛擬孿生系統(tǒng)。

（2）基于OPC 協(xié)議的虛擬調(diào)試互聯(lián)。

根據(jù)PS 軟件提供的同PLC 連接方式的不同，虛擬調(diào)試系統(tǒng)也有不同的互聯(lián)方式。其中OPC 協(xié)議連接的方式是通過(guò)在PC 上建立OPCServer，作為信號(hào)傳遞的中轉(zhuǎn)站。

（3）低成本系列化工業(yè)機(jī)器人開(kāi)發(fā)。

開(kāi)發(fā)的機(jī)器人需要具有以下功能，能夠與OPC系統(tǒng)通訊，代替實(shí)際機(jī)器人進(jìn)行仿真。采用步進(jìn)電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)，機(jī)身采用模塊化組裝工藝，機(jī)器人本體的設(shè)計(jì)原則為即減低本體質(zhì)量又保留較強(qiáng)性能。運(yùn)動(dòng)控制采用多軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)控制算法，保證了機(jī)械臂具有高精度的控制。LT機(jī)器人功能強(qiáng)大，其功能涵蓋了現(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人全部的基本功能，同時(shí)為機(jī)器人配備了視覺(jué)功能，更進(jìn)一步提高了機(jī)器人的智能化。