數(shù)控加工中機器人上下料過程的仿真設(shè)計與實現(xiàn)

趙亞飛 魏全躍 賴 韜

（浙江中智鯨工智能裝備有限公司，嘉興 314000）

數(shù)控加工和工業(yè)機器人的應(yīng)用提高了企業(yè)生產(chǎn)的智能化水平。但是，在實際生產(chǎn)過程中，工業(yè)機器人與數(shù)控機床的聯(lián)調(diào)聯(lián)試需要耗費大量時間，且存在一定的安全隱患。利用計算機軟件仿真模擬機器人的動作、軌跡和程序并進行驗證，能夠有效縮短自動化上下料設(shè)備的調(diào)試時間[1-3]。

智慧工廠建造（Smart Factory Builder，SFB）是一款三維智能制造數(shù)字化設(shè)計仿真軟件，集成了可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）仿真、機器人仿真和智能工廠仿真等功能。該軟件基于自帶的元素模型庫，能夠通過拖拽快速搭建仿真工程模型，并進行虛擬調(diào)試和仿真。軟件中的虛擬模型具有與真實設(shè)備相同的特性和接口，因此可以在軟件中導(dǎo)入真實設(shè)備的PLC 程序、機器人程序和機床數(shù)控程序，驅(qū)動虛擬設(shè)備運行，并利用力學(xué)物理引擎模塊在虛擬場景中調(diào)試和驗證工程的可靠性。

1 建立機器人與SFB 軟件的通信

在SFB 軟件中進行仿真模擬，需要建立機器人控制器與軟件的聯(lián)系，實現(xiàn)兩者間的通信，確保軟件能夠調(diào)用機器人程序，并驅(qū)動虛擬機器人進行仿真模擬。機器人與SFB 軟件之間的通信采用在工業(yè)控制領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛的Modbus-TCP 協(xié)議[4-5]。

2 設(shè)置數(shù)控機床與機器人的通信

在自動上下料過程中，要實現(xiàn)機器人與數(shù)控機床之間的交互。數(shù)控機床需要通過控制自動夾具和機床門的啟閉來配合機器人上下料。數(shù)控機床與機器人系統(tǒng)的通信內(nèi)容，如圖1 所示。

圖1 數(shù)控機床與機器人系統(tǒng)的通信內(nèi)容

圖1 中，機器人向數(shù)控機床發(fā)出“WorkStart=1”的啟動指令信號，在發(fā)出1 s 內(nèi)可撤銷此信號。加工完成后，數(shù)控機床向機器人發(fā)出“WorkFinish=1”指令信號，表示機器人可以在機床上進行上下料操作。機器人采用“FixCtrol”信號控制機床夾具。機器人可以通過“FixStatu”指令信號隨時讀取機床夾具的狀態(tài)，如果夾具出現(xiàn)異常則會發(fā)出報警信號。機器人通過“DoorCtorl”指令信號控制機床門的開關(guān)。部分數(shù)控機床可以自動啟閉，無須機器人管理。機床通過“DoorStatu”信號反饋數(shù)控機床門的狀態(tài)，數(shù)控門打開后，機器人方可進行操作。若機器人異常，則可以通過“Malarm”信號使其停止操作。

3 SFB 仿真模型導(dǎo)入

SFB 軟件不僅內(nèi)置了大量工業(yè)設(shè)備模型，而且具備模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能，能夠建立模型庫中沒有的非標(biāo)設(shè)備的三維模型，并賦予其運動參數(shù)。SFB 軟件能夠讀取step、stp、obj 和stl 等格式的三維模型文件。在SFB 軟件中導(dǎo)入計算機輔助設(shè)計（Computer Aided Design，CAD）軟件模型，如圖2 所示。

圖2 在SFB 軟件中導(dǎo)入CAD 軟件模型

數(shù)控加工上下料的機器人末端安裝有2 個夾爪，能夠同時夾持2 個工件。數(shù)控加工上下料場景的流程如下：機器人先在上料工位上用夾爪1 抓取1 個待加工的毛坯件，待機床加工完畢打開門后，進入機床內(nèi)用夾爪2 取下加工完成的工件，然后旋轉(zhuǎn)180°將毛坯件裝在機床夾具上，最后退出機床。在SFB 軟件中，根據(jù)該場景搭建的數(shù)控加工自動化上下料模型，如圖3所示。

圖3 數(shù)控加工站自動上下料的虛擬模型

4 通信參數(shù)設(shè)置

4.1 數(shù)據(jù)映射

數(shù)據(jù)映射指將虛擬的PLC 輸入輸出點與設(shè)備信號索引一一對應(yīng)，通過PLC 的Modbus 通信協(xié)議，設(shè)定以太網(wǎng)或串口號實現(xiàn)通信。通信互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（Internet Protocol，IP）地址、端口號和串口號必須與PLC 上的配對。

4.2 端口連接

建立機器人數(shù)據(jù)映射，設(shè)置模型端口，將SFB軟件中的模型與機器人建立連接。在機器人上下料過程中，端口有3 類：第1 類是開關(guān)量，如數(shù)控機床的開關(guān)門信號；第2 類是數(shù)字量，如線軌位置設(shè)定量；第3 類是浮點量，如機器人關(guān)節(jié)信號。

4.3 信號連接圖設(shè)置

數(shù)據(jù)映射設(shè)置完成后，將虛擬的機器人關(guān)節(jié)、數(shù)控機床、接駁臺和自動夾具等設(shè)備的輸入、輸出信號與上下料的接口連接。通過虛擬按鍵驅(qū)動機器人和其他虛擬設(shè)備，完成自動化上下料，如圖4 所示。

圖4 虛擬設(shè)備間的信號連接圖設(shè)置

5 程序?qū)肱c運行測試

導(dǎo)入機器人動作程序后，點擊SFB 軟件中的“運行”按鈕開始仿真。在SFB 虛擬設(shè)備頁面啟動虛擬示教器，在示教模式下點擊“使能”按鈕，并切換到“再現(xiàn)”模式，運行程序。點擊SFB 場景中的“啟動”按鈕，機器人開始運行。

仿真動作如下：機器人首先運行至接駁臺1，用夾爪夾取毛坯工件；其次，在機床門打開后，機器人將工件放置在機床的三爪卡盤上，待卡盤夾緊后松開夾手；再次，機器人運行到機床門外，機床門關(guān)閉，機床啟動加工；最后，待加工完成機床門打開后，機器人夾取成品工件，并運行至接駁臺2 的位置，放置成品工件。

6 結(jié)語

通過SFB 軟件進行仿真，驗證了機器人程序的正確性，能夠有效節(jié)約實際生產(chǎn)調(diào)試的時間和成本。此外，該軟件可以用于員工培訓(xùn)。未來，該虛擬仿真技術(shù)將會在智能制造領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。