基于OCTOPUZ 的工業(yè)機器人工作站虛擬仿真

康國坡，張冰潔，吳立華，畢 輝，黃佳祿

（1.廣東理工職業(yè)學(xué)院，廣州 510091；2.巨輪（廣州）智能裝備有限公司，廣州 510700）

0 引言

隨著傳統(tǒng)工廠向智能化工廠的轉(zhuǎn)變，作為智能制造重要組成的工業(yè)機器人工作站越來越受到重視。智能化產(chǎn)線一般由工業(yè)機器人工作站或者由多個工作站組成，工藝復(fù)雜、設(shè)備投入大、現(xiàn)場調(diào)試難度大，為了解決現(xiàn)場調(diào)試難度大的問題，虛擬仿真調(diào)試技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用在工業(yè)機器人工作站和智能化生產(chǎn)線的調(diào)試上。

目前很多學(xué)者針對工作站（線）的虛擬仿真調(diào)試做了大量的研究工作。孫立新等［1］利用RobotStudio構(gòu)建了工業(yè)機器人分揀工作站，創(chuàng)建了工業(yè)機器人I/O 信號和連接方式，通過時間管理器仿真氣缸的不同姿態(tài)動作，設(shè)定了機器人和手爪氣缸之間的工作站邏輯關(guān)系，用Smart組件模擬PLC 完成了機器人工作站的離線編程和仿真。趙錫恒［2］、李慧［3］和文志浩等［4］基于RobotStudio進行工業(yè)機器人裝配工作站或打磨工作站的仿真應(yīng)用，著重運用Smart 組件合理解決軟件及其仿真機制衍生的問題；高茂源等［5］利用RobotStudio 和SolidWorks 搭建了機器人上下料智能工作站，通過仿真運行工作站、分析優(yōu)化了機器人的作業(yè)性能，從而實現(xiàn)了數(shù)控機床自動上下料的仿真與優(yōu)化。吳雁等［6］通過需求分析、功能分解仿真序列設(shè)定，利用MCD平臺完成了自動上下料機械手的虛擬仿真的工作，其亮點在于MCD平臺的多系統(tǒng)的集成、概念建模及模擬仿真、知識的重用等優(yōu)勢，打破了現(xiàn)有的機電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計的模式；鄭魁敬等［7］、王俊杰等［8］和蔡文站等［9］在MCD中建立被控對象的虛擬模型，采用OPC技術(shù)實現(xiàn)MCD與外部PLC的信號交互，建立了虛擬調(diào)試平臺。

上述虛擬仿真的研究基本采用了用工業(yè)機器人控制工作站所有設(shè)備的方式或者PLC 控制虛擬設(shè)備，而實際上由于工業(yè)機器人I/O 端口數(shù)量的限制，大多采用PLC進行工業(yè)機器人工作站其他設(shè)備的控制，工業(yè)機器人一般只直接控制其末端設(shè)備，存在仿真與實際設(shè)備不符的問題。本文通過仿真軟件OCTOPUZ 搭建指尖陀螺生產(chǎn)線中的工業(yè)機器人裝配工作站動態(tài)仿真模型來探討此類仿真的一般方法。仿真工作站由外部PLC 進行控制，真實模擬現(xiàn)場設(shè)備，對真實的生產(chǎn)做出預(yù)判并指導(dǎo)現(xiàn)場調(diào)試，以提高設(shè)備調(diào)試效率。

1 工業(yè)機器人裝配工作站

1.1 OCTOPUZ介紹

OCTOPUZ［10-11］是一款用于制作數(shù)字化工廠與工業(yè)機器人編程仿真軟件解決方案的軟件。它可將工業(yè)機器人、電氣及周邊設(shè)備進行三維虛擬仿真，根據(jù)用戶需求快速的建立智能生產(chǎn)線的仿真模擬并進行工程規(guī)劃、工程驗證、工藝分析、邏輯驗證等工作，整合物流、人機工程及物理仿真模擬功能，幫助企業(yè)在研發(fā)前期進行調(diào)試分析、產(chǎn)能確認等，提升行業(yè)競爭力。

1.2 指尖陀螺生產(chǎn)線

指尖陀螺生產(chǎn)線采用軟件模型庫中的工業(yè)機器人和數(shù)控機床、數(shù)控銑床，其他模型（倍速鏈、壓裝裝置等）先在三維軟件SolidWorks 中創(chuàng)建模型，再導(dǎo)入到OCTOPUZ后進行屬性設(shè)置，利用PnP功能將各個模型進行布置，完成指尖陀螺生產(chǎn)線模型的布置，如圖1 所示；其中的工業(yè)機器人裝配工作站的模型和結(jié)構(gòu)如圖2—3 所示，主要包含工業(yè)機器人、壓裝裝置、倍速鏈機器控制器、成品料盤以及各種虛擬傳感器；裝配工作站的任務(wù)是將指尖陀螺的端蓋和本體由工業(yè)機器人運至壓裝裝置，壓裝成指尖陀螺后，再由工業(yè)機器人搬運至成品料盤，整個過程由PLC進行控制。

圖1 指尖陀螺生產(chǎn)線模型

圖2 工業(yè)機器人裝配工作站仿真模型

圖3 工業(yè)機器人裝配工作站總體結(jié)構(gòu)

2 工作站仿真系統(tǒng)設(shè)計

2.1 工作站工作流程分析

工作站中PLC是核心，是整個系統(tǒng)的控制中心。料盤、工業(yè)機器人、壓裝裝置等設(shè)備的工作狀態(tài)都會發(fā)給PLC。PLC可以實時監(jiān)控工作站中各部件的位置、狀態(tài)等信息，并根據(jù)設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)信息和預(yù)設(shè)的控制邏輯下達控制指令，實現(xiàn)工作站各設(shè)備的協(xié)同工作。仿真系統(tǒng)啟動后，PLC檢測工業(yè)機器人的狀態(tài)，合格后發(fā)出啟動信號，仿真工業(yè)機器人接到搬運信號后，按照順序把在托盤上的端蓋和本體運到壓裝裝置的指定的裝配位置，指尖陀螺完成壓裝后，工業(yè)機器人將組裝好的指尖陀螺運至成品料盤。本例中采用西門子PLC S7 - 1200（1212C），博圖TIA V16。仿真工作站的工作流程如圖4所示。

2.2 仿真程序編寫

根據(jù)工作任務(wù)和工作流程要求，編寫PLC控制程序和OCTOPUZ中機器人裝配工作站的仿真程序。

2.2.1 PLC程序編寫依據(jù)圖4 的工作站工作流程及其控制要求編寫PLC控制程序，控制程序主要包含幾個功能模塊：機器人上下料檢測控制模塊、壓裝控制模塊、托盤輸送及舉升模塊等。程序編寫完成后，先進行編譯下載到PLC，單獨測試無誤后再進行下一步的聯(lián)合測試。

圖4 工業(yè)機器人裝配工作站的簡易工作流程圖

2.2.2 OCTOPUZ仿真工業(yè)機器人程序編寫

根據(jù)工作站工作流程對工業(yè)機器人布置詳細的工作任務(wù)，然后據(jù)此編寫工業(yè)機器人程序。啟動時，工業(yè)機器人處于工作原點，接收到PLC 的搬運信號后，將托盤上的前端蓋、旋轉(zhuǎn)翼、后端蓋依次搬運到壓裝工位，退出到安全位置后，發(fā)送要求壓裝信號給PLC；收到機器人可取料的信號后，工業(yè)機器人將裝配后的指尖陀螺放到成品倉之后返回工作原點，等待下次的搬運命令。

2.3 建立PLC與OCTOPUZ的通信

為了實現(xiàn)上述功能，在具備PLC 和工業(yè)機器人各自的程序前提下，還需要解決PLC和仿真軟件OCTOPUZ之間的通信。本文采用OPC（OLE for process control）協(xié)議。OPC 協(xié)議是自動化行業(yè)及其他行業(yè)用于數(shù)據(jù)安全交換時的安全標(biāo)準(zhǔn)，可以獨立于平臺并確保多個廠商設(shè)備之間信息的無縫傳輸，解決了數(shù)據(jù)源控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)源之間的數(shù)據(jù)交互問題［11-13］。西門子S7-1200 PLC（固件版本V4.0 以上）支持OPC 服務(wù)器功能，通過設(shè)置其內(nèi)部的OPC UA 通信，可實現(xiàn)以O(shè)PC 技術(shù)為通信橋梁的數(shù)據(jù)通信［14-15］，而OCTOPUZ 也提供了OPC 附加功能插件，支持讀寫OPC 數(shù)據(jù)。因此，將PLC 作為OPC服務(wù)器，OCTOPUZ 作為OPC 客戶端，無須開發(fā)特定程序，即可實現(xiàn)PLC與OCTOPUZ的數(shù)據(jù)交換，如圖5所示。

圖5 基于OPC 技術(shù)的PLC與OCTOPUZ數(shù)據(jù)交換

2.3.1 在PLC中創(chuàng)建OPC服務(wù)器

首先在博圖軟件的設(shè)備組態(tài)中激活OPC UA服務(wù)器，然后在OPC UA欄中創(chuàng)建OPC服務(wù)器（命名為SIEMENSPLC），最后在服務(wù)器接口中添加所有需要與OCTOPUZ交互的變量，完成PLC中OPC服務(wù)器的創(chuàng)建，如圖6所示。

圖6 PLC中OPC服務(wù)器的創(chuàng)建（截取部分變量）

2.3.2 在OCTOPUZ中創(chuàng)建OPC客戶端

首先在軟件選項中激活“連通性”插件，然后在“連通性”下的OPC UA中開啟服務(wù)器。其中模擬至服務(wù)器是指信號從OCTOPUZ傳送到PLC，而服務(wù)器至模擬則是指OCTOPUZ接收PLC發(fā)送的信號。

應(yīng)用OCTOPUZ OPC 模擬服務(wù)器中的信號映射命令（選中對），可將OCTOPUZ 工業(yè)機器人工作站的輸出信號與OPC服務(wù)器傳遞的PLC輸入信號建立映射關(guān)系，如將OCTOPUZ 工業(yè)機器人工作站中的壓裝工位檢測的傳感器信號與PLC中壓裝工位檢測的輸入信號進行信號映射命令（選中對），配對完成后，虛擬結(jié)構(gòu)下變量旁邊會出現(xiàn)已經(jīng)配對的符號，如圖7（a）所示；同樣可將OCTOPUZ工業(yè)機器人工作站的輸入信號與OPC 服務(wù)器傳遞的PLC輸出信號建立映射關(guān)系，這樣OCTOPUZ 中的工業(yè)機器人工作站的輸入輸出信號就與PLC 的輸入輸出建立了連接，實現(xiàn)了信息的實時交互，如圖7（b）所示。

圖7 OCTOPUZ中OPC客戶端的創(chuàng)建（截取部分變量）

3 PLC與工作站聯(lián)合虛擬仿真和結(jié)果分析

在電腦端將編輯調(diào)試好的PLC程序下載到PLC硬件并啟動，同時開啟OCTOPUZ的工作站仿真。系統(tǒng)仿真啟動后，PLC首先檢測工業(yè)機器人是否在工作原點，如果在工作原點狀態(tài)則發(fā)出倍速鏈電機正轉(zhuǎn)信號，PLC 檢測到托盤及上端蓋、旋轉(zhuǎn)翼、下端蓋3 個工位都有物料的虛擬傳感器信號后，給仿真軟件的工業(yè)機器人發(fā)出機器人啟動信號，工業(yè)機器人在接到啟動信號后執(zhí)行搬運程序，如圖8（a）所示，將上端蓋、旋轉(zhuǎn)翼、下端蓋都運到壓裝工位，在退出到安全位置后，給PLC 發(fā)送請求壓裝的信號。

PLC接到工業(yè)機器人請求壓裝的信息后，給壓裝裝置發(fā)出壓裝開始信號，如圖8（b）所示，在PLC接收到壓裝氣缸上升到位的虛擬傳感器信號后，給工業(yè)機器人發(fā)出指尖陀螺壓裝完成的信號，工業(yè)機器人接收到信號后，執(zhí)行把指尖陀螺搬運至成品料倉的程序，如圖8（c）所示。此時一個指尖陀螺裝配的工作過程仿真結(jié)束，下一個工作周期開始，直至仿真停止。

圖8 指尖陀螺仿真裝配過程

工業(yè)機器人仿真工作站借助OPC進行PLC與仿真軟件的數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)了工業(yè)機器人程序和PLC 程序在OCTOPUZ中的聯(lián)合虛擬調(diào)試，工作站各單元運行正常，驗證了基于OCTOPUZ 的工業(yè)機器人工作站虛擬調(diào)試方案的有效性以及工業(yè)機器人程序和PLC 程序的正確性。實踐中，在設(shè)備搭建前進行仿真調(diào)試能提前發(fā)現(xiàn)并解決程序問題，提高工作站設(shè)計編程和調(diào)試的效率。

4 結(jié)束語

本文基于仿真軟件OCTOPUZ 的工業(yè)機器人裝配工作站虛擬仿真調(diào)試方法，通過OPC 實現(xiàn)了西門子PLC 控制信號和仿真軟件中的工作站信號的信號交互，實現(xiàn)了在PLC集成控制下的機器人裝配工作站工作仿真。仿真過程中，這種基于OPC 技術(shù)的OCTOPUZ 的工業(yè)機器人裝配工作站的虛擬調(diào)試，能夠提前發(fā)現(xiàn)裝配過程中的工業(yè)機器人控制程序、PLC 控制程序和其他機電零部件設(shè)計的問題，在虛擬調(diào)試階段即解決問題從而節(jié)約實際設(shè)備調(diào)試的成本，提高工程調(diào)試效率和安全性。對于PLC控制的工業(yè)機器人自動化生產(chǎn)線來說，其設(shè)備更為復(fù)雜，控制難度更大，這種仿真調(diào)試方法可以更快更安全的驗證自動化生產(chǎn)線的零部件設(shè)計、PLC 控制程序、機器人控制程序等的正確性。