智能制造數(shù)控加工生產(chǎn)線虛擬仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目*

□ 蔣 莉 □ 劉世爽 □ 馬明明 □ 李清江 □ 馮文穎

遵義職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電與信息工程系 貴州遵義 563006

1 設(shè)計(jì)背景

隨著“工業(yè)4.0”概念在德國(guó)提出,以“智能工廠、智慧制造”為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命來(lái)臨,全球制造業(yè)面臨重大調(diào)整。我國(guó)于2015年5月發(fā)布“中國(guó)制造2025”。工業(yè)機(jī)器人作為“中國(guó)制造2025”的第二個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域,扮演著重要角色[1-2]。解決工業(yè)機(jī)器人在實(shí)際生產(chǎn)制造中應(yīng)用可能遇到的相關(guān)問(wèn)題,對(duì)促進(jìn)智能制造領(lǐng)域的發(fā)展有很大影響,對(duì)工業(yè)機(jī)器人的理論和應(yīng)用研究也有非常重要的意義[3-4]。

筆者以生產(chǎn)保險(xiǎn)柜鎖芯工件的傳統(tǒng)數(shù)控加工工序?yàn)楸尘?設(shè)計(jì)出基于ROBOGUIDE軟件的智能制造數(shù)控加工生產(chǎn)線虛擬仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目,使學(xué)生通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐,將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為解決智能制造數(shù)控加工生產(chǎn)線實(shí)際問(wèn)題的能力[5-10]。

2 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目描述

以加工生產(chǎn)保險(xiǎn)柜鎖芯工件為例,仿照真實(shí)的工作現(xiàn)場(chǎng)在軟件中建立一個(gè)虛擬工作站。在虛擬工作站中使用四臺(tái)帶夾爪的工業(yè)機(jī)器人,從倍速鏈上的托盤(pán)中抓取工件,實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人在數(shù)控平車(chē)、數(shù)控斜車(chē)、加工中心上下料環(huán)節(jié)取代人工完成工件自動(dòng)裝卸的功能,最后將工件放置到物料庫(kù)中。保險(xiǎn)柜鎖芯工件如圖1所示,智能制造數(shù)控加工生產(chǎn)線工作站如圖2所示。

3 主要實(shí)訓(xùn)設(shè)備

主要實(shí)訓(xùn)設(shè)備包括:① 安裝有ROBOGUIDE軟件的計(jì)算機(jī)一臺(tái);② 搬運(yùn)工業(yè)機(jī)器人四臺(tái);③ 帶兩個(gè)夾爪,實(shí)現(xiàn)毛坯和加工完成后工件抓取的工具;④ 倍速鏈,用作輸送裝置;⑤ 數(shù)控平車(chē)一臺(tái),數(shù)控斜車(chē)一臺(tái),加工中心一臺(tái);⑥ 安全柵欄、電機(jī)柜、物料庫(kù)等外圍設(shè)備。

▲圖1 保險(xiǎn)柜鎖芯工件

▲圖2 智能制造數(shù)控加工生產(chǎn)線工作站

4 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目工作流程

智能制造數(shù)控加工生產(chǎn)線工作流程如圖3所示。

5 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

5.1 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目目標(biāo)

智能制造數(shù)控加工生產(chǎn)線虛擬仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的目標(biāo)如下:

(1) 了解機(jī)器人智能制造數(shù)控生產(chǎn)線工作站的設(shè)計(jì)流程;

(2) 掌握機(jī)械裝置的創(chuàng)建方法;

(3) 掌握多機(jī)器人通信協(xié)調(diào)和多機(jī)編程;

(4) 運(yùn)用機(jī)器人仿真技術(shù),完成一個(gè)綜合項(xiàng)目,熟練掌握創(chuàng)建機(jī)器人工作站的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

5.2 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目實(shí)施

步驟(1):工程文件創(chuàng)建與設(shè)置。使用Handling PRO模塊創(chuàng)建一個(gè)工作站,名稱(chēng)更改為智能制造數(shù)控加工生產(chǎn)線離線編程仿真。工程文件創(chuàng)建與設(shè)置界面如圖4所示。

▲圖3 智能制造數(shù)控加工生產(chǎn)線工作流程

▲圖4 工程文件創(chuàng)建與設(shè)置界面

步驟(2):數(shù)控機(jī)床添加與設(shè)置。在Cell Browser窗口中,選擇Machines→Add Machines→CAD File→文件夾→數(shù)控平車(chē),單擊打開(kāi)按鈕,在彈出的屬性設(shè)置窗口中將名稱(chēng)更改為數(shù)控平車(chē),調(diào)整至合適的位置。使用相同的方法分別添加數(shù)控斜車(chē)和加工中心。數(shù)控機(jī)床添加與設(shè)置結(jié)果如圖5所示。

步驟(3):工具添加與工具中心點(diǎn)設(shè)置。在Cell Browser窗口中,選中UT:1,右鍵單擊Eoat1 Properties,在彈出的工具屬性設(shè)置窗口中選擇General設(shè)置選項(xiàng)卡,單擊CAD File右側(cè)的第一個(gè)按鈕,添加夾爪工具,調(diào)整至合適的位置。選擇UTOOL,勾選Edit UTOOL,直接輸入X軸方向-55 mm,Y軸方向145 mm,Z軸方向155 mm,繞X軸旋轉(zhuǎn)-45°,繞Y軸旋轉(zhuǎn)0°,繞Z軸旋轉(zhuǎn)0°,單擊Use Current Triad Location,并單擊應(yīng)用按鈕。工具添加與工具中心點(diǎn)設(shè)置結(jié)果如圖6所示。

步驟(4):機(jī)器人添加與設(shè)置。在Cell Browser窗口中,選擇C:1-Robot Controller1→Add Robot→Add Robot Clone。添加完成后,調(diào)整至合適位置,單擊應(yīng)用按鈕。使用相同的方法依次添加Robot Controller2、Robot Controller3、Robot Controller4。機(jī)器人添加與設(shè)置結(jié)果如圖7所示。若需要添加其它型號(hào)的機(jī)器人,則選擇Single Robot-Serialize Wizard。

▲圖5 數(shù)控機(jī)床添加與設(shè)置結(jié)果

▲圖6 工具添加與工具中心點(diǎn)設(shè)置結(jié)果

步驟(5):機(jī)器人控制柜添加與設(shè)置。在Cell Browser窗口中,選擇Fixtures→Add Fixture→CAD Library→Obstacles→Controllers→RJ-3ib-cabnet,單擊OK按鈕,調(diào)整至合適位置,單擊應(yīng)用按鈕,完成機(jī)器人控制柜1的添加。使用相同的方法添加其它幾臺(tái)機(jī)器人控制柜。機(jī)器人控制柜添加與設(shè)置結(jié)果如圖8所示。

▲圖7 機(jī)器人添加與設(shè)置結(jié)果

▲圖8 機(jī)器人控制柜添加與設(shè)置結(jié)果

步驟(6):物料庫(kù)、倍速鏈、托盤(pán)創(chuàng)建與設(shè)置。物料庫(kù)用于擺放已加工的鎖芯。在Cell Browser窗口中,選擇Fixtures→Add Fixture→CAD Library→Fixtures→Shelf→Shelf09,單擊OK按鈕,調(diào)整至合適位置,單擊應(yīng)用按鈕,完成物料庫(kù)的添加。在Cell Browser窗口中,選擇Machines→Add Machines→CAD Library→Conveyer→Conveyer-1900,單擊OK按鈕,調(diào)整至合適位置,單擊應(yīng)用按鈕,完成倍速鏈的添加。在Cell Browser窗口中,選擇Machines→倍速鏈→Add Link→CAD File→文件夾→數(shù)控模塊→托盤(pán),單擊打開(kāi)按鈕。在托盤(pán)屬性設(shè)置窗口中選擇Link CAD,設(shè)置大小參數(shù),并調(diào)整至倍速鏈起始端,單擊應(yīng)用按鈕。在托盤(pán)屬性設(shè)置窗口中選擇General設(shè)置選項(xiàng)卡,將名稱(chēng)更改為托盤(pán),勾選Edit Axis Origin,將Z軸正方向指向倍速鏈末端,表示托盤(pán)運(yùn)動(dòng)方向,取消勾選Couple Link CAD,避免調(diào)整虛擬電機(jī)位置時(shí)托盤(pán)隨之產(chǎn)生移動(dòng)。設(shè)置完成后,單擊應(yīng)用按鈕。物料庫(kù)、倍速鏈、托盤(pán)的創(chuàng)建與設(shè)置結(jié)果如圖9所示。

▲圖9 物料庫(kù)、倍速鏈、托盤(pán)創(chuàng)建與設(shè)置結(jié)果

步驟(7):輸入、輸出信號(hào)設(shè)置。在Cell Browser窗口中,選擇Machines→倍速鏈→托盤(pán),雙擊托盤(pán),打開(kāi)托盤(pán)屬性設(shè)置窗口,在彈出的托盤(pán)屬性設(shè)置窗口中選擇Motion設(shè)置選項(xiàng)卡,設(shè)置相關(guān)參數(shù)后單擊應(yīng)用按鈕。使用相同的方法設(shè)置各模塊所需添加的輸入、輸出動(dòng)態(tài)信號(hào)。輸入、輸出動(dòng)態(tài)信號(hào)設(shè)置界面如圖10所示。

▲圖10 輸入、輸出動(dòng)態(tài)信號(hào)設(shè)置界面

步驟(8):工件創(chuàng)建與設(shè)置。在Cell Browser窗口中,選擇Part→Add Part→Cylinder,創(chuàng)建一個(gè)圓柱體工件。在彈出的工件屬性設(shè)置窗口中,輸入工件的大小參數(shù),直徑為50 mm,長(zhǎng)度為100 mm,單擊應(yīng)用按鈕。在Cell Browser窗口中,選擇Machines→倍速鏈→托盤(pán),雙擊托盤(pán),在彈出的托盤(pán)屬性設(shè)置窗口中選擇工件設(shè)置選項(xiàng)卡,將工件關(guān)聯(lián)至托盤(pán),并調(diào)整至合適的位置,單擊應(yīng)用按鈕。使用相同的方法依次將工件關(guān)聯(lián)至數(shù)控平車(chē)、數(shù)控斜車(chē)、加工中心和物料庫(kù)。定義第一臺(tái)機(jī)器人工具上工件的方向,在Cell Browser窗口中,選擇C:1-Robot Controller1→GP:1-ARC Mate 100iD→Tooling→UT:1(Eoat1),雙擊UT:1(Eoat1),打開(kāi)屬性設(shè)置窗口,選擇工件設(shè)置選項(xiàng)卡,在彈出的窗口中勾選工件1,單擊應(yīng)用按鈕,勾選Edit Part Offset,編輯工具上工件的位置和方向,單擊應(yīng)用按鈕。使用相同的方法將工件關(guān)聯(lián)至其它三臺(tái)機(jī)器人上。工件關(guān)聯(lián)設(shè)置結(jié)果如圖11所示。

步驟(9):外圍設(shè)備添加與設(shè)置。在Cell Browser窗口中,選擇Fixtures→Add Fixture→Single CAD File→文件夾→數(shù)控模塊→電機(jī)柜→電機(jī)柜.IGS文件,單擊OK按鈕,創(chuàng)建一個(gè)電機(jī)柜,設(shè)置大小參數(shù),并調(diào)整至合適位置,單擊應(yīng)用按鈕。電機(jī)柜添加與設(shè)置結(jié)果如圖12所示。

步驟(10):創(chuàng)建仿真程序。依次創(chuàng)建四臺(tái)機(jī)器人在數(shù)控機(jī)床上下料環(huán)節(jié)中取代人工完成工件自動(dòng)裝卸的仿真程序。

機(jī)器人1程序如下：

1:DO[1]=OFF //復(fù)位輸出信號(hào)[1],托盤(pán)回到起始點(diǎn)

2:DO[5]=OFF //復(fù)位輸出信號(hào)[5],數(shù)控平車(chē)右門(mén)關(guān)

3:DO[6]=OFF //復(fù)位輸出信號(hào)[6],數(shù)控平車(chē)左門(mén)關(guān)

4:DO[1]=ON //置位輸出信號(hào)[1],托盤(pán)到達(dá)機(jī)器人1位置

5:WAIT DI[1]=ON //等待托盤(pán)到位的反饋信號(hào)

▲圖11 工件關(guān)聯(lián)設(shè)置結(jié)果

▲圖12 電機(jī)柜添加與設(shè)置結(jié)果

…

42:J P[16] 3 000 mm/sec FINE //添加逃離點(diǎn),回到放置工件的托盤(pán)上方

43:J P[17] 100%FINE //機(jī)器人1回到機(jī)器人零點(diǎn)位置

44:DO[1]=OFF //復(fù)位輸出信號(hào)[1],托盤(pán)回到起始點(diǎn)

機(jī)器人2程序如下：

1:DO[7]=OFF //復(fù)位輸出信號(hào)[7],數(shù)控斜車(chē)門(mén)關(guān)

2:DO[2]=ON //置位輸出信號(hào)[2],托盤(pán)到達(dá)機(jī)器人2位置

3:WAIT DI[2]=ON //等待托盤(pán)到位的反饋信號(hào)

4:J P[1] 100% FINE //設(shè)置機(jī)器人零點(diǎn)位置

5:J P[2] 100% FINE //到達(dá)托盤(pán)抓取點(diǎn)上方

…

34:L P[16] 200 mm/sec FINE //添加逃離點(diǎn)，回到放置工件的托盤(pán)上方

35:J P[17] 100% FINE //機(jī)器人2回到機(jī)器人零點(diǎn)位置

36:DO[2]=0FF //復(fù)位輸出信號(hào)[2],托盤(pán)回到起始點(diǎn)

機(jī)器人3程序如下：

1:DO[8]=OFF //復(fù)位輸出信號(hào)[8],加工中心門(mén)關(guān)

2:DO[3]=ON //置位輸出信號(hào)[3],托盤(pán)到達(dá)機(jī)器人3位置

3:WAIT DI[3]=ON //等待托盤(pán)到位的反饋信號(hào)

4:J P[1] 100% FINE //設(shè)置機(jī)器人零點(diǎn)位置

5:J P[2] 100% FINE //到達(dá)托盤(pán)抓取點(diǎn)上方

…

34:L P[16] 2 000 mm/sec FINE //添加逃離點(diǎn),回到放置工件的托盤(pán)上方

35:J P[17] 100% FINE //機(jī)器人3回到機(jī)器人零點(diǎn)位置

36:DO[3]=OFF //復(fù)位輸出信號(hào)[3],托盤(pán)回到起始點(diǎn)

機(jī)器人4程序如下：

1:DO[4]=ON //置位輸出信號(hào)[4],托盤(pán)到達(dá)機(jī)器人4位置

2:WAIT DI[4]=ON //等待托盤(pán)到位的反饋信號(hào)

3:J P[1] 100% FINE //設(shè)置機(jī)器人零點(diǎn)位置

4:J P[2] 100% FINE //到達(dá)托盤(pán)抓取點(diǎn)上方

5:L P[3] 2 000 mm/sec FINE //到達(dá)托盤(pán)抓取點(diǎn)

…

15:J P[9] 100% FINE //過(guò)渡點(diǎn)到達(dá)物料庫(kù)附近

16:J P[10]100% FINE //機(jī)器人4回到機(jī)器人零點(diǎn)位置

17:DO[4]=OFF //復(fù)位輸出信號(hào)[4],托盤(pán)回到起始點(diǎn)

5.3 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

智能制造數(shù)控加工生產(chǎn)線虛擬仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 智能制造數(shù)控加工生產(chǎn)線虛擬仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

5.4 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目總結(jié)

在仿真運(yùn)行的過(guò)程中,托盤(pán)控制輸出信號(hào)每次運(yùn)行之后需復(fù)位,才能進(jìn)行下一個(gè)托盤(pán)輸出信號(hào)的運(yùn)行,否則會(huì)影響其它輸出、輸入信號(hào),從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的控制功能。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)智能制造數(shù)控加工生產(chǎn)線虛擬仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目,使學(xué)生掌握仿真工作站中工具、工件、工裝、機(jī)器、障礙物等各個(gè)模塊的創(chuàng)建與設(shè)置,機(jī)器人智能制造數(shù)控加工生產(chǎn)線工作站的設(shè)計(jì)流程,機(jī)械裝置的創(chuàng)建方法,多機(jī)器人通信協(xié)調(diào)和多機(jī)編程等技能,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在數(shù)控機(jī)床上下料環(huán)節(jié)中取代人工完成工件自動(dòng)裝卸的功能,以及工作站的布局和仿真工作,有利于保障學(xué)生實(shí)訓(xùn)安全,提高學(xué)生解決智能制造數(shù)控加工生產(chǎn)線實(shí)際生產(chǎn)中問(wèn)題的能力。