基于RobotStudio 的多平臺虛擬仿真設(shè)計＊

馬俊強， 郭暢， 陳敏

（1.廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023；2.廣西體育高等?？茖W(xué)校，廣西 南寧 530023）

工業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)革新，推動著機械生產(chǎn)制造過程更加注重智能化、網(wǎng)絡(luò)化、降低人力成本、降低誤差率、提高生產(chǎn)效率，因此，工業(yè)機器人的應(yīng)用范圍越來越廣泛，不僅推動著企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，同時也提升了企業(yè)在行業(yè)中的競爭力［1-2］。

面對市場的變化，為滿足工業(yè)機器人職業(yè)技能人才的需求，各大中專院校紛紛開設(shè)了工業(yè)機器人專業(yè)。但因機器人設(shè)備價格昂貴，學(xué)校購入設(shè)備數(shù)量較少，導(dǎo)致學(xué)生真正可以熟悉設(shè)備的時間比較少，同時因?qū)W生處于剛?cè)腴T階段，在設(shè)備操作過程中，極容易造成設(shè)備碰撞損壞，使得維護成本變高［3］。這些均會影響到正常的教學(xué)活動，因此虛擬化的教學(xué)優(yōu)勢逐步體現(xiàn)。

工業(yè)機器人的學(xué)習與應(yīng)用一般都不是獨立存在的，需要搭配控制系統(tǒng)，實現(xiàn)有目的有規(guī)律的動作。文獻［1］中利用SolidWorks 和RobotStudio 聯(lián)合建立了多機器人柔性制造生產(chǎn)線虛擬仿真系統(tǒng)。文獻［4］中提出了一種基于三維仿真平臺NX MCD 的機器人自動化生產(chǎn)系統(tǒng)虛擬調(diào)試方法，通過磨削系統(tǒng)、機器人控制器和PLC 控制器的信號實時交互，實現(xiàn)機器人和PLC 的聯(lián)動控制。文獻［5］中利用RobotStudio 和SolidWorks 搭建了機器人上下料工作站并進行了仿真測試。文獻［6］中通過三維軟件完善了仿真軟件RobotStudio 建模方面的缺陷，聯(lián)合建立了分揀工作站的動態(tài)仿真模型。文獻［7］中在RobotStudio 虛擬平臺上搭建了焊接機器人工作站。文獻［8］中研究利用SolidWorks 和RobotStudio構(gòu)建了多個工業(yè)機器人虛擬仿真工作站的實訓(xùn)平臺。文獻［9］中針對實訓(xùn)室建設(shè)中實訓(xùn)設(shè)備場地和設(shè)備不足的情況而提出了工業(yè)機器人應(yīng)用虛擬仿真實驗開發(fā)平臺解決思路。以上研究成果為虛擬仿真的研究提供了很好思路，但對多個工業(yè)設(shè)備間的數(shù)據(jù)交互，因其實現(xiàn)較為復(fù)雜，故難以在有限的課堂中推廣使用。

本文基于S7-1500PLC、昆侖通態(tài)MCGS 和RobotStudio 聯(lián)合建立機器人焊接系統(tǒng)，通過觸摸屏的操作，直觀地查看機器人的運動數(shù)據(jù)。一方面解決了多平臺之間的數(shù)據(jù)交互問題，另一方面可使教學(xué)活動方便直觀，每位同學(xué)可實際操作演示，具有普遍實際意義和經(jīng)濟實用性。

1 機器人焊接系統(tǒng)搭建

RobotStudio 軟件是機器人離線仿真編程軟件，提供了多種CAD 數(shù)據(jù)類型的導(dǎo)入文件功能。該焊接系統(tǒng)結(jié)合RobotStudio 軟件的機器人模型庫文件以及Solidworks 三維軟件創(chuàng)建焊接工件，通過調(diào)整機器人在工作站中的位置，組合完成整個焊接系統(tǒng)的布局。同時，該系統(tǒng)結(jié)合學(xué)校實訓(xùn)設(shè)備焊接機器人，選擇了IRB1410 型號機器人以及IRC5控制柜，圖1 為虛擬焊接機器人工作站的模型及整體布局圖。

圖1 焊接機器人工作站

2 機器人焊接系統(tǒng)通信控制

2.1 機器人焊接系統(tǒng)組成

機器人焊接虛擬控制系統(tǒng)的通信方案如圖2 所示，系統(tǒng)包含了SolidWorks、PLCSIM、RobotStudio、MCGS 四個組成部分。SolidWorks 軟件完成焊件模型的繪制，PLCSIM 軟件實現(xiàn)S7-1500PLC 虛擬化的運行仿真、監(jiān)控，RobotStudio 軟件實現(xiàn)機器人系統(tǒng)模型的搭建、組裝及程序仿真控制，MCGS 實現(xiàn)系統(tǒng)的上位機控制和過程的監(jiān)控。上述平臺主要是通過NetToPLCsim 完成信號的傳遞及交互，以達到過程通信、調(diào)試、監(jiān)控的效果。

圖2 控制系統(tǒng)通信方案

2.2 機器人焊接系統(tǒng)控制流程

機器人焊接控制系統(tǒng)包含了機器人控制器IRC5 和S7-1500PLC 控制器兩部分。在機器人焊接系統(tǒng)工作過程中，焊接件到位信號、機器人焊接觸發(fā)信號、機器人焊接完成信號等與機器人控制器和PLC 控制器實現(xiàn)信號的交互控制。

焊接件經(jīng)傳動帶輸送至焊接位置，焊接件經(jīng)過傳感器1 時，傳感器上升沿觸發(fā)計數(shù)為1，焊件開始進入工作區(qū)，傳感器2 觸發(fā)，焊件到達焊接位置，啟動焊接機器人進行焊接工作，焊接完成后，機器人完成信號發(fā)送給PLC，PLC 啟動控制傳送帶反轉(zhuǎn)，經(jīng)傳感器1 時，傳感器上升沿觸發(fā)計數(shù)復(fù)位為0，焊件離開工作區(qū)，傳感器1 和傳感器2 需共同判定是否執(zhí)行機器人程序，以防止誤判，如否，則循環(huán)執(zhí)行下一個焊接流程，并通過PLC 計數(shù)統(tǒng)計完成數(shù)量。焊接系統(tǒng)生產(chǎn)流程圖如圖3 所示。

圖3 焊接系統(tǒng)生產(chǎn)流程圖

機器人焊接系統(tǒng)中PLC 主要控制傳送帶的正反轉(zhuǎn)、傳感器1 計數(shù)信號和傳感器2 到位檢測信號的控制程序以及焊接完成的數(shù)量統(tǒng)計。PLC 控制的輸入信號是傳感器2 的觸發(fā)信號和機器人的焊接完成信號，輸出信號是機器人接收到位信號，傳感器1 的計數(shù)作為輸入輸出信號，避免多個焊件進入工作區(qū)。

2.3 建立通信連接

為實現(xiàn)不同設(shè)備之間建立虛擬網(wǎng)絡(luò)連接，將1500PLC 作為主控單元，機器人以及MCGS 設(shè)備作為響應(yīng)單元，其接收并響應(yīng)處理不同設(shè)備間發(fā)送的信號，并通過相應(yīng)流程實現(xiàn)。

首先在平臺上將Industrial Networks-709-1 DeviceNet Master／Slave和Communication-616-1 PC Interface 選項選中，機器人輸入輸出信號需要基于d652 板卡建立。在RobotApps 中搜索Snap7 庫，RSConnectDIOToSnap7 和 RSConnectGIOToSnap7是RobotStudio 與PLCSIM 通訊的插件，它是基于網(wǎng)絡(luò)通信方式，實現(xiàn)控制點信號和組態(tài)信號的接入。

然后以管理員的身份打開NetToPLCsim 軟件，確定電腦102 TCP 端口沒有被占用，因為電腦102端口是作為消息傳輸代理機制來使用的，通過該端口可以連接不同的網(wǎng)絡(luò)IP 段，將不同網(wǎng)絡(luò)平臺中接收和轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包進行交互，實現(xiàn)不同平臺下軟件的聯(lián)動控制操作。NetToPLCsim 通信設(shè)置圖如圖4 所示。

圖4 NetToPLCsim 通信設(shè)置圖

最后是建立昆侖通態(tài)MCGS 與PLC 之間的連接，選用MCGS 組態(tài)軟件是支持網(wǎng)絡(luò)通訊，兩者之間的通信均為基于S7 協(xié)議通信，因此PLC 屬性需選中“允許來自遠程對象的PUT／GET 通信訪問的功能”，這樣就可以建立MCGS 和PLC 之間進行數(shù)據(jù)通信［10-12］。

值得注意的是，MCGS 和PLCSIM 的本地IP 地址屬于同一網(wǎng)絡(luò)段，MCGS 的遠端IP 地址和RSConnectDIOToSnap7 屬于同一網(wǎng)絡(luò)IP，兩個網(wǎng)絡(luò)地址不相同，通過NetToPLCsim 工具實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)實時交互。各設(shè)備網(wǎng)絡(luò)IP 地址設(shè)置如表1 所示。

2.4 設(shè)置IO 信號與Smart 動態(tài)組件設(shè)計

本文通信主要使用點信號RSConnectDIOTo-Sn ap7 插件將機器人信號通過Smart 組件形式與通信插件連接，通信插件再與PLC 通信連接，即將機器人輸出信號發(fā)送至RSConnectDIOToSnap7，再由RSConnectDIOToSnap7 將信號的狀態(tài)傳給PLC，以此可以實現(xiàn)PLC 和機器人之間的數(shù)據(jù)通信。通信IO 表如表2 所示。

表2 通信IO 表

為實現(xiàn)通過觸摸屏控制機器人的仿真運行，整個工作流程的Smart 組件邏輯關(guān)系如圖5 所示。圖中的HanJie2.0 是焊接機器人的邏輯關(guān)系，當焊接件傳送到位以后，傳感器2 信號由0 變?yōu)?，并發(fā)送信號給Abb_DI，機器人接收到信號則進行焊接動作。焊接完成后，AbbZunBei 置位為1，發(fā)送信號至D0_0，執(zhí)行下一流程工作，同時為實現(xiàn)信號的實時交互，設(shè)置定時器脈沖觸發(fā)。

圖5 焊接系統(tǒng)Smart 組件邏輯關(guān)系

3 機器人焊接系統(tǒng)虛擬測試

為測試驗證多平臺之間的虛擬仿真有效性，根據(jù)控制要求，編寫PLC 程序和機器人程序，并繪制觸摸屏畫面，分別如圖6、7 所示。觸摸屏操作啟動／停止按鈕，機器人可接收到PLC 發(fā)送的信號，并執(zhí)行焊接程序。觸摸屏上根據(jù)機器人執(zhí)行焊接次數(shù)還可以統(tǒng)計焊接工件數(shù)量，也可顯示焊接過程中各個變量的實時狀態(tài)，如圖8 所示，即表示觸摸屏MCGS 和機器人之間可以實現(xiàn)正常的數(shù)據(jù)通信，多平臺之間的虛擬仿真系統(tǒng)測試有效。

圖7 觸摸屏初始畫面

圖8 觸摸屏監(jiān)控畫面

4 結(jié)論

隨著智能制造的不斷提出，虛擬仿真控制系統(tǒng)可以大大減少試錯的機會，為快速方案設(shè)計和學(xué)生線上線下學(xué)習提供了大量的機會。本文研究結(jié)合了自動化系統(tǒng)方案中常用的PLC 控制器、工業(yè)機器人、MCGS 觸摸屏設(shè)備，通過PLCSIM 工具、NetToPLCsim 軟件工具、Snap7 通信插件，實現(xiàn)其通信接口的連接，從而搭建完成了純虛擬的仿真系統(tǒng)平臺。

該虛擬仿真平臺的搭建不僅可以為實際的制造生產(chǎn)提供了理論依據(jù)和實驗平臺，還可以大大降低工程師們設(shè)計、調(diào)試的成本，大大提高生產(chǎn)效率，而且對高校的教育教學(xué)，提供了一種新穎且可行的方案，降低了學(xué)生的學(xué)習成本。該實驗平臺具有完全的開放性，對于工業(yè)自動化方面的學(xué)習具有理論指導(dǎo)意義。