基于Roboguide平臺(tái)下仿真環(huán)境設(shè)計(jì)

張廣祥 李玉爽

摘要：在Roboguide平臺(tái)模擬工廠，通過(guò)虛擬環(huán)境優(yōu)化工廠布局并仿真生產(chǎn)過(guò)程，在虛擬環(huán)境中能真實(shí)地模擬生產(chǎn)線的運(yùn)動(dòng)，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)可行性的根據(jù)，且在計(jì)算機(jī)上可方便地修改完善設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)不同的方案，對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行不斷的優(yōu)化，可以大大減少調(diào)試的成本。在ROBOGUIDE平臺(tái)上分別從機(jī)器人控制柜、機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)、到工裝數(shù)模和外圍設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而完成機(jī)器人加工生產(chǎn)虛擬環(huán)境的仿真設(shè)計(jì)，為機(jī)器人仿真提供了基礎(chǔ)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：虛擬環(huán)境;仿真;工業(yè)機(jī)器人

中圖分類號(hào)：TP391.9? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：2096-4706（2021）07-0088-03

Design of Simulation Environment Based on Roboguide Platform

ZHANG Guangxiang，LI Yushuang

（Wuhu Institute of Technology，Wuhu? 241003，China）

Abstract：To simulate the factory in the Roboguide platform，with the help of virtual environment to optimize the factory layout and simulate the production process，and we can simulate truly the production line movement in the virtual environment，which provides the basis for the design. Furthermore，it is convenient to modify and perfect the design on the computer，test different schemes，and optimize the production line continuously，which can greatly reduce the cost of debugging. Based on the ROBOGUIDE platform，the robot control cabinet，the robot actuator，the tooling digital simulation and the peripheral equipment are designed respectively，so as to complete the simulation design of the robot manufacturing virtual environment，which provides the basic environment for the robot simulation.

Keywords：virtual environment;simulation;industrial robot

收稿日期：2021-03-08

項(xiàng)目基金：省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目：智能制造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目（2019xfzx03）

0? 引? 言

隨著工業(yè)科技的快速發(fā)展，信息技術(shù)在智能制造領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，計(jì)算機(jī)虛擬仿真成為探究復(fù)雜系統(tǒng)的重要技術(shù)手段。采用仿真技術(shù)能夠不斷優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)方案，縮短新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的周期，減少人工勞動(dòng)，降低生產(chǎn)成本[1]。在工業(yè)4.0和“中國(guó)制造2025”大背景下，工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用，通過(guò)信息技術(shù)和數(shù)字化手段，對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)工業(yè)制造的技術(shù)變革和快速發(fā)展有著重要的意義[2]。

1? 機(jī)器人控制柜設(shè)計(jì)

在ROBOGUIDE環(huán)境中，工作單元Workcell建立完成之后，導(dǎo)入布局機(jī)器人的控制柜和機(jī)器人基座，在“Cell Browser”里選擇障礙物“Obstacle”添加電氣設(shè)備，利用CAD、Pro/E等相關(guān)三維軟件進(jìn)行建模，再將其導(dǎo)入到ROBOGUIDE虛擬環(huán)境中。調(diào)整好控制柜位置之后鎖定，為了作業(yè)者操控安全，使控制柜的位置入到機(jī)器人的工作范圍以外，如圖1所示。根據(jù)生產(chǎn)和操作環(huán)境需要，對(duì)機(jī)器人工作高度進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)ROBOGUIDE系統(tǒng)軟件進(jìn)行建模，設(shè)計(jì)相應(yīng)機(jī)器人底座，加載應(yīng)用從而滿足高度和固定要求。

2? ROBOGUIDE下構(gòu)件建模設(shè)計(jì)

在ROBOGUIDE虛擬環(huán)境中對(duì)設(shè)備和工件進(jìn)行設(shè)計(jì)并準(zhǔn)確布局，根據(jù)功能需求正確創(chuàng)建仿真環(huán)境，才能作為工業(yè)機(jī)器人離線編程和系統(tǒng)仿真的依據(jù)，先要將虛擬仿真環(huán)境規(guī)劃設(shè)計(jì)好，為系統(tǒng)調(diào)試和生產(chǎn)加工的仿真創(chuàng)造條件。在運(yùn)行ROBOGUIDE軟件之前，首先要進(jìn)行CAD或PRO/E建模，將要導(dǎo)入的模型提前建立完成。因?yàn)樵赗OBOGUIDE軟件數(shù)據(jù)庫(kù)中缺少在數(shù)控車床上下料中所需要的一些模型。所以需要提前加工所需要的毛坯件、成品件、手爪、上下料架和數(shù)控車床的三維模型。建立完成之后就可以開(kāi)始進(jìn)行ROBOGUIDE軟件的配置，開(kāi)始建立Workcell工作單元，在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)上下料的過(guò)程。

2.1? 工件模型設(shè)計(jì)

根據(jù)生產(chǎn)需要利用PRO/E對(duì)毛坯件、半成品、成品件進(jìn)行建模，毛坯件為長(zhǎng)度85 mm，直徑50 mm，質(zhì)量為3.0 kg的圓柱形狀結(jié)構(gòu)。由于在設(shè)計(jì)上，材料毛坯件以及成品件都采用旋轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，需要從兩端對(duì)其進(jìn)行加工，其中從右端進(jìn)行鏜孔，從左端對(duì)其進(jìn)行溝槽;為了達(dá)到加工的精度要求，需進(jìn)行二次深加工。為了便于裝夾，優(yōu)先選擇需要先加工鏜孔的那一端，加工完成后再加工零件的另一端，加工所要的工件模型，如圖2所示。

2.2? 上下料架臺(tái)模型設(shè)計(jì)

機(jī)器人上下料架臺(tái)，用帶滾輪的架子來(lái)輸送零件?？傮w分布，零件整齊排列在正方形架子上。上下料操作臺(tái)架為非標(biāo)準(zhǔn)工件，根據(jù)實(shí)際需要的尺寸進(jìn)行加工組裝制造。9個(gè)零件排列為三行三列，零件相互間隔約為50 mm。而放置零件的架子初步定為長(zhǎng)寬都為500 mm，高度根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行修改。為了使零件在工作架臺(tái)上固定，不發(fā)生位移，則在其兩端設(shè)置擋板;左側(cè)擋板為工裝板，則根據(jù)零件分布位置打通孔，右側(cè)擋板則設(shè)置為底板厚度為15 mm，圓孔的內(nèi)徑比零部件尺寸略大一點(diǎn)，采用螺栓在四周將工裝板進(jìn)行固定在底板上。可以有效增加操作架臺(tái)的利用度，當(dāng)加工不同的零部件時(shí)可以根據(jù)需要，直接調(diào)換加工擋板，提高工作效率，對(duì)機(jī)器人上下料架臺(tái)進(jìn)行三維建模如圖3所示。

上下料架擺放零件的平面運(yùn)用拉伸指令建立，并在其上作為草繪平面建立圓孔拉伸切除材料，支架同樣拉伸建立，運(yùn)用陣列將支架放置完成。上下料架的支撐柱采用工業(yè)鋁型材（歐標(biāo)）40系列，完全可以承載得住零件的重量。其鋁型材的橫截面如圖4所示。該鋁型材長(zhǎng)度可以根據(jù)自身需要進(jìn)行截?cái)?，再進(jìn)行組裝。該架子底部安裝四個(gè)輪子，便于運(yùn)送毛坯件和成品件。輪子選擇萬(wàn)向輪CMJZ50-N，腳輪直徑50 mm，最大承載重量為75 kg。

2.3? 機(jī)器人手爪模型設(shè)計(jì)

機(jī)器人手爪是機(jī)器人關(guān)鍵零部件之一，用來(lái)夾持工件或操作工件，其性能的好壞很大程度上決定了機(jī)器人的工作性能，是工業(yè)機(jī)器人與外部環(huán)境相互作用的最后環(huán)節(jié)和執(zhí)行部件。平行型氣動(dòng)手爪，可以反復(fù)開(kāi)合，能夠牢固抓取圓柱件;平行型手爪結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)靈活，體積較小，方便抓取工件，加工零件通常是圓柱體結(jié)構(gòu)，放置在水平操作面上。利用PRO/E拉伸指令建立模型，其三維設(shè)計(jì)模型如圖5所示，不需要建立手爪的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。對(duì)手抓的模型多余材料進(jìn)行切割，設(shè)計(jì)完成后，導(dǎo)入ROBOGUIDE軟件環(huán)境中。

機(jī)器人的手爪為了能夠成功夾取零部件，還需要在手爪上安裝外部手臂。該手爪的外部手臂模型，分別安裝在手爪的兩側(cè)，兩者之間的間距符合夾取零件的要求。機(jī)器人手抓的外部手臂是手爪配件之一，在ROBOGUIDE軟件中可根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的外部手臂進(jìn)行安裝。

為了使ROBOGUIDE環(huán)境中手爪體現(xiàn)出開(kāi)合狀態(tài)，需要分別建立手爪打開(kāi)和閉合的兩種狀態(tài)。然后將這兩種模型機(jī)器人手爪，導(dǎo)入ROBOGUIDE環(huán)境中并加載在末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，要求整體的外觀數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。將建立好的模型導(dǎo)入虛擬環(huán)境中。

2.4? 建立Workcell工作單元

在系統(tǒng)中完成部件和零件建模后，新建New Cell工作單元。根據(jù)工業(yè)機(jī)器人上下料功能需要，從機(jī)器人配置界面中選擇搬運(yùn)指令系統(tǒng)軟件，對(duì)工業(yè)機(jī)器人和零部件選型，并在環(huán)境中建立相應(yīng)模型，在系統(tǒng)軟件中對(duì)工業(yè)機(jī)器人以及零部件進(jìn)行構(gòu)建，同時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)的備份。本文采用的工業(yè)機(jī)器人型號(hào)為發(fā)那科FANUC M-20iA，為滿足虛擬工廠功能的需要，不僅可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)工件的搬運(yùn)，還可以對(duì)機(jī)器人增加附加軸實(shí)現(xiàn)其弧焊、噴漆、切割等較復(fù)雜的功能。在六軸上再添加輔助軸，則需要進(jìn)行附加軸運(yùn)動(dòng)組設(shè)置;編碼系統(tǒng)和PC接口根據(jù)需要分別選擇R796和R641，建立完成之后進(jìn)入信息系統(tǒng)畫(huà)面。

3? ROBOGUIDE下虛擬工廠環(huán)境設(shè)計(jì)

虛擬工廠中將所建立的模型導(dǎo)入系統(tǒng)，為進(jìn)行虛擬環(huán)境的規(guī)劃布局做準(zhǔn)備，并規(guī)劃?rùn)C(jī)器人運(yùn)行的軌跡使機(jī)器人運(yùn)行程序的編寫(xiě)能夠順利完成，最后要在整個(gè)虛擬工廠數(shù)控車床自動(dòng)上下料的虛擬環(huán)境下，對(duì)整個(gè)虛擬工廠是否能夠正常運(yùn)行進(jìn)行系統(tǒng)仿真，來(lái)驗(yàn)證程序的可行性。

3.1? 導(dǎo)入工裝設(shè)計(jì)模型

在ROBOGUIDE虛擬環(huán)境中添加數(shù)控加工機(jī)床、上料架、下料架、毛坯件、產(chǎn)品、圍欄。由于虛擬仿真的特殊性，在進(jìn)行仿真環(huán)境布局之前首先要考慮到機(jī)器人的工作空間。機(jī)器人工作空間是指在機(jī)器人正常運(yùn)行過(guò)程中所能達(dá)到的區(qū)域[3]。所以在虛擬仿真環(huán)境中的工裝、零件的位置一定要安置在機(jī)器人的工作空間之內(nèi)，并且需要保證設(shè)備安全。

以數(shù)控車床CJK6140為載體，作為虛擬環(huán)境自動(dòng)上下料的對(duì)象。該機(jī)床具備加工各種形狀復(fù)雜零件的能力，幾乎適用所有類型零件地生產(chǎn)。按照設(shè)備的布局，在界面中調(diào)整數(shù)控車床的位置。將機(jī)器人的工作范圍顯露出來(lái)，將數(shù)控車床的工作平臺(tái)處于機(jī)器人的工作范圍之內(nèi)。位置布置完成后鎖定數(shù)控車床位置，使其在機(jī)器人的工作范圍之內(nèi)，鎖定位置并應(yīng)用。毛坯件和成品件導(dǎo)入到工作平臺(tái)，上下料工作架臺(tái)屬性框中出現(xiàn)毛坯件和成品件選項(xiàng)，在上料工作架臺(tái)選擇毛坯件，下料工作架臺(tái)選擇成品件，分別進(jìn)行應(yīng)用，完成模型的導(dǎo)入設(shè)計(jì)。

3.2? 導(dǎo)入外圍設(shè)備

當(dāng)機(jī)器人、數(shù)控車床、上下料架、控制柜等布置完畢后，接下來(lái)就需要添加外圍設(shè)備圍欄。在機(jī)器人自動(dòng)運(yùn)行時(shí)為了保證安全，添加圍欄是必須的，這樣可以有效的規(guī)避安全事故，防止外部因素干擾機(jī)器人自動(dòng)運(yùn)行，同時(shí)也保證了機(jī)器人與數(shù)控車床自動(dòng)運(yùn)行中出現(xiàn)事故時(shí)不會(huì)對(duì)周邊工作人員造成傷害[4]。

在“Fence-EXP-H2000-W1000”加載進(jìn)虛擬界面，按照要求設(shè)計(jì)調(diào)整圍欄位置;根據(jù)需要自行選擇圍欄的數(shù)目，在設(shè)置圍欄位置時(shí)注意將機(jī)器人控制柜放在圍欄外，如圖6所示。

在ROBOGUIDE環(huán)境下進(jìn)行虛擬仿真環(huán)境設(shè)計(jì)后，進(jìn)行離線編程仿真運(yùn)行，來(lái)模擬整個(gè)數(shù)控車床自動(dòng)上下料的進(jìn)程，為實(shí)際工廠生產(chǎn)線安裝人員提供試驗(yàn)平臺(tái)，并對(duì)方案提供可行性論證的依據(jù)，對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行不斷的優(yōu)化改進(jìn)[5]，直至達(dá)到理想的智能生產(chǎn)線設(shè)計(jì)方案。

4? 結(jié)? 論

本文基于Roboguide平臺(tái)下虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在生產(chǎn)應(yīng)用中的研究，通過(guò)建立工作單元New Cell，利用PRO/E對(duì)工件、上下料架臺(tái)和工業(yè)機(jī)器人夾爪進(jìn)行三維建模設(shè)計(jì)，導(dǎo)入虛擬仿真系統(tǒng)，并對(duì)整體的生產(chǎn)加工環(huán)境和電氣控制設(shè)備進(jìn)行總體設(shè)計(jì)布局。通過(guò)對(duì)工業(yè)機(jī)器人編程和仿真設(shè)計(jì)，合理規(guī)劃?rùn)C(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡，使整個(gè)設(shè)備之間在生產(chǎn)過(guò)程中不發(fā)生碰撞，保障人身和設(shè)備安全，并實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)功能。通過(guò)采用虛擬技術(shù)對(duì)工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)加工進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，有效模擬工廠真實(shí)加工制造的過(guò)程，不僅提高了生產(chǎn)操作者和編程人員的安全性，極大程度上降低了生產(chǎn)成本和工人勞動(dòng)強(qiáng)度，而且改善了生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境，提高生產(chǎn)效率，提高工件的生產(chǎn)加工精度，保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)工廠生產(chǎn)制造具有重要的實(shí)際指導(dǎo)意義。

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作者簡(jiǎn)介：張廣祥（1982—），男，漢族，安徽亳州人，碩士研究生，講師，研究方向：自動(dòng)化控制。