基于數(shù)字孿生的SCARA機(jī)器人工作站在線調(diào)試研究

摘 要：由于新時(shí)期智能制造飛速發(fā)展，傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)亟待優(yōu)化升級(jí)，生產(chǎn)線的改造又存在著開發(fā)周期長、成本高的難題。針對這一關(guān)鍵問題，利用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建SCARA機(jī)器人分裝工作站在線調(diào)試系統(tǒng)框架，依次通過NX UG搭建數(shù)字孿生三維模型，設(shè)置物理屬性與控制信息，建立包含PLC程序、機(jī)器人程序、視覺模塊等的控制系統(tǒng)，并完成其通信，實(shí)現(xiàn)SCARA機(jī)器人分裝工作站在線調(diào)試。該調(diào)試方案證實(shí)，在升級(jí)生產(chǎn)線引進(jìn)新的機(jī)器人工作站時(shí)，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行實(shí)施前的優(yōu)化與驗(yàn)證，可以降低開發(fā)周期與成本。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；SCARA機(jī)器人；分裝工作站；在線調(diào)試；優(yōu)化與驗(yàn)證

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）28-0051-05

Abstract： Due to the rapid development of intelligent manufacturing in the new era， the traditional manufacturing industry is in urgent need of optimization and upgrading， and the transformation of production lines has problems of long development cycles and high costs. Aiming at this key issue， the online debugging system framework of the SCARA robot dispensing workstation is built using digital twin technology. The three-dimensional model of the digital twin model is built through NX UG， physical attributes and control information are set， and control information is established including PLC programs， robot programs， vision modules， etc. The control system， and its communication is completed， realizing the online debugging of the SCARA robot dispensing workstation. This debugging plan confirms that when upgrading the production line and introducing new robot workstations， applying digital twin technology for pre-implementation optimization and verification can reduce development cycles and costs.

Keywords： digital twin; SCARA robot; dispensing workstation; online debugging; optimization and verification

工業(yè)機(jī)器人經(jīng)歷幾十年的發(fā)展，已經(jīng)在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，成為了制造業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化中的重要一環(huán)[1]，是衡量一個(gè)國家制造業(yè)水平和科技水平的重要標(biāo)志[2]，其一直是各國智能制造戰(zhàn)略的研究熱點(diǎn)。工業(yè)機(jī)器人減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)質(zhì)量和效率，并快速拉動(dòng)了宏觀經(jīng)濟(jì)[3]。SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm）是一種選擇順應(yīng)性裝配機(jī)器手臂，是4自由度（Four degrees of freedom，4-DOF）平面關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人，具有結(jié)構(gòu)緊湊、速度快、動(dòng)作靈活及位置精度高等特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于搬運(yùn)、裝配等工作場合[4-5]。近年來我國眾為興、李群、新松機(jī)器人、臺(tái)達(dá)埃斯頓和瑞松等企業(yè)都推出了較為先進(jìn)成熟的SCARA機(jī)器人[6]。

進(jìn)入到工業(yè)4.0時(shí)代，云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、CPS和人工智能等新一代信息技術(shù)將會(huì)催生大批生智能工廠，并由規(guī)模化生產(chǎn)轉(zhuǎn)向定制化生產(chǎn)，機(jī)器人的需求量持續(xù)增加[7-9]，同時(shí)也要求將工業(yè)機(jī)器人融合先進(jìn)智能化技術(shù)，推進(jìn)機(jī)器人智能化應(yīng)用系統(tǒng)，逐漸實(shí)現(xiàn)從單個(gè)工作站到整個(gè)流水線或系統(tǒng)的智能化升級(jí)[10]。如何幫助企業(yè)快速升級(jí)為適用的自動(dòng)化生產(chǎn)線，并能夠達(dá)到節(jié)約成本、保證質(zhì)量、盡快投產(chǎn)的目標(biāo)，是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的關(guān)鍵問題。數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，最早由Grieves教授[11]提出，是虛擬空間中對實(shí)體產(chǎn)品的鏡像，是與之相對應(yīng)的物理實(shí)體的映射。數(shù)字孿生技術(shù)是指在數(shù)字化的空間當(dāng)中，經(jīng)過測量、仿真和數(shù)據(jù)分析，建立與物理實(shí)體一對一的現(xiàn)實(shí)映射模型，實(shí)現(xiàn)對物理實(shí)體運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、處理以及預(yù)測，并且可以通過腳本等信號(hào)指令對物理實(shí)體的行為做出調(diào)整[12]。數(shù)字孿生融合了多特性、多層次、多維度模擬技術(shù)[13]，能通過創(chuàng)建數(shù)字孿生虛擬模型，在實(shí)體生產(chǎn)線建造實(shí)施之前，通過虛擬環(huán)境中仿真驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的不足與缺陷，并進(jìn)行反復(fù)的優(yōu)化與測試，最終確定最優(yōu)版本后進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)施。因此，其在縮短設(shè)備開發(fā)周期，提高設(shè)計(jì)開發(fā)效率，減少加工、安裝、調(diào)試成本等方面起到了積極的作用。

本文運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)，搭建SCARA機(jī)器人分裝工作站在線調(diào)試系統(tǒng)框架，建立其數(shù)字模型，通過賦予模型機(jī)械、物理屬性，與控制系統(tǒng)交互等方法開展工作站運(yùn)行過程的邏輯性、可靠性仿真及分析，進(jìn)而提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率。

1 SCARA機(jī)器人分裝工作站

本文的研究對象SCARA機(jī)器人分裝工作站由眾為興AR4215機(jī)器人本體及其外圍設(shè)備組成，實(shí)現(xiàn)物料的分裝工作（將50個(gè)物料包裝成一箱），如圖1所示，詳細(xì)設(shè)備清單見表1，機(jī)器人的具體參數(shù)見表2。

2 SCARA機(jī)器人分裝工作站數(shù)字孿生系統(tǒng)框架

SCARA機(jī)器人分裝工作站的數(shù)字孿生系統(tǒng)包括數(shù)字孿生模型和控制系統(tǒng)2部分，其框架原理如圖2所示。

數(shù)字孿生模型與實(shí)際工作站一一對應(yīng)，包括機(jī)械部分和電氣部分。機(jī)械部分由SCARA機(jī)器人本體、真空吸盤、傳送帶、工作臺(tái)和料倉等組成。電氣部分由PLC、光柵、接近開關(guān)、視覺模塊和警示燈等組成?？刂瞥绦蛑饕C(jī)器人程序、PLC程序、人機(jī)交互等。通過與虛擬控制系統(tǒng)通信，SCARA機(jī)器人分裝中數(shù)字孿生模型的機(jī)械部分和電氣部分，按照控制系統(tǒng)設(shè)定的程序，完成機(jī)械作業(yè)或者電氣反饋。工作人員通過系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過程動(dòng)畫，進(jìn)行各部分功能檢查、干涉碰撞分析、可靠性預(yù)檢等。

3 SCARA機(jī)器人分裝工作站數(shù)字孿生系統(tǒng)搭建

3.1 數(shù)字孿生模型建立

根據(jù)AR4215 SCARA機(jī)器人的結(jié)構(gòu)（圖3）及運(yùn)動(dòng)空間（圖4）， 運(yùn)用NX UG軟件對SCARA機(jī)器人工作站進(jìn)行三維模型建立，如圖5所示為機(jī)器人本體部分。為了數(shù)字孿生模型的可靠性，在模型簡化時(shí)，各關(guān)節(jié)的長度等關(guān)鍵尺寸采用實(shí)際1∶1尺寸。通過賦予三維模型物理屬性，包括重力、摩擦、碰撞等，使之與真實(shí)物體具有相同的物理性質(zhì)[14]。對工作站模型設(shè)置物理屬性，見表3。

3.2 工作流程設(shè)計(jì)

本分裝工作站中的SCARA機(jī)器人主要完成對物料的識(shí)別、搬運(yùn)、分裝工作，具體的工作流程如圖6所示。當(dāng)物料倉有物料，且分裝線準(zhǔn)備好包裝箱時(shí)，物料倉以一定頻率推出物料到傳送帶，傳送帶勻速帶動(dòng)物料至視覺相機(jī)拍照范圍內(nèi)。視覺相機(jī)拍照后，通過跟視覺庫模板比對，識(shí)別出的物料由機(jī)器人控制系統(tǒng)指揮末端執(zhí)行器吸取放置于包裝箱，未識(shí)別的物料通過回流的方式送回傳送帶。機(jī)器人末端進(jìn)行分裝作業(yè)時(shí)，對所分裝物料進(jìn)行計(jì)數(shù)，滿足包裝數(shù)量要求后，分裝線移動(dòng)指定距離，輸送新的包裝箱用于下一箱的包裝工作。

3.3 控制系統(tǒng)的搭建

機(jī)器人完成分裝工作，除了機(jī)械部件可以保證實(shí)現(xiàn)某些動(dòng)作外，還需要控制系統(tǒng)能夠按照合理可行的控制程序，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人工作站進(jìn)行可靠有序的運(yùn)行。因此，搭建機(jī)器人分裝工作站的控制系統(tǒng)，包括PLC程序編制、機(jī)器人程序編制、數(shù)字孿生模型的虛擬I/O端子設(shè)置與數(shù)據(jù)通信等。其中，PLC程序如圖7所示，機(jī)器人程序如圖8所示，視覺模塊通信程序如圖9所示。

4 SCARA機(jī)器人分裝工作站在線調(diào)試

4.1 通信設(shè)置

將數(shù)字孿生的機(jī)械和電氣模型，通過I/O、OPCUA及網(wǎng)絡(luò)接口等形式與控制系統(tǒng)相連接，實(shí)時(shí)處理虛擬對象和真實(shí)控制系統(tǒng)的運(yùn)行行為與狀態(tài)，也就是“實(shí)控虛”的操作。

4.2 在線調(diào)試

根據(jù)SCARA機(jī)器人工作站的功能要求，對其進(jìn)行調(diào)試，如圖10所示。具體調(diào)試內(nèi)容如下。

1）供料模塊的功能：能否根據(jù)輸送帶運(yùn)行狀況，以一定頻率推出物料，物料供應(yīng)的節(jié)拍能夠根據(jù)機(jī)器人實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整。

2）輸送線與視覺模塊的匹配性：視覺拍照比對處理的時(shí)間間隔到機(jī)器人接收信號(hào)到吸取動(dòng)作時(shí)間的匹配性，決定了機(jī)器人能夠準(zhǔn)確吸取物料，并完成搬運(yùn)和分裝動(dòng)作。

3）工作站安全保護(hù)系統(tǒng)是否完備：通過在線調(diào)試檢驗(yàn)工作站在出現(xiàn)可能危及安全的行為時(shí)保護(hù)措施的實(shí)施效果，可以直觀地、低成本地試錯(cuò)并驗(yàn)證解決方案。

5 結(jié)束語

本研究在參考大量研究實(shí)例的基礎(chǔ)上，運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)，構(gòu)建了SCARA機(jī)器人分裝工作站在線調(diào)試系統(tǒng)框架，依次通過NX UG搭建并反復(fù)完善數(shù)字孿生模型三維模型，設(shè)置物理屬性與控制信息，建立包含PLC程序、機(jī)器人程序、視覺模塊等的控制系統(tǒng)，通過I/O、OPCUA及網(wǎng)絡(luò)接口等形式進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了SCARA機(jī)器人分裝工作站在線調(diào)試。

本文提出的在線調(diào)試系統(tǒng)方案可以為工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)

域提供參考，尤其是在新生產(chǎn)線建設(shè)和傳統(tǒng)生產(chǎn)線智能化升級(jí)時(shí)，在引進(jìn)新的機(jī)器人工作站時(shí)，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行實(shí)施前的優(yōu)化與驗(yàn)證，可以降低開發(fā)周期與成本。這種基于數(shù)字孿生的在線調(diào)試技術(shù)，在自動(dòng)化設(shè)備研發(fā)過程中發(fā)揮著積極作用，無疑將成為智能制造時(shí)代的新趨勢。

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