履帶板加熱爐自動上下料系統設計與仿真分析

（遼寧科技大學 電子與信息工程學院，鞍山 114051）

0 引言

履帶板是履帶式設備的關鍵部件，其熱加工處理是生產制造的關鍵工序，目前國內的履帶板熱加工生產線系統還停留在手工操作階段[1]。由于人工上下料存在效率低、安全性差等問題，現引進工業機器人，實現履帶片的自動上下料過程。熱加工處理生產線具有產量大、環節多和工藝復雜等特點，因此在投入生產前對機器人上下料系統進行設計與仿真分析，可以提高精確度,節約工作時間。

DELMIA為企業用戶所開發的產品提供了一套完整的數字化制造解決方案[2]。在實際的生產線改進之前，利用DELMIA軟件在虛擬空間建立整條生產線的模型，對機器人進行離線編程和路徑規劃，對生產流程進行模擬仿真，分析出最佳方案，可以在不接觸工作環境的情況下，在三維軟件中提供一個和機器人進行交互作用的虛擬環境[3,4]。

工業機器人在鋼鐵、汽車、電子、船廠及航空航天等行業已經得到了廣泛的應用[5]，但在其他工業領域應用很少。本文利用DELMIA實現工業機器人自動上下料過程，研究結果表明，該設計方案能夠應用在實際的熱加工處理生產中，從而代替人工操作，可以有效地提高生產率，降低勞動強度，減少危險。

1 創建工作環境

DELMIA自帶三維建模工具CATIA機械設計，也可以利用一些常用的三維建模工具包括UG、SoildWorks、Pro/E等[6]，本文利用自帶工具CATIA將制作好的零部件導入到DELMIA中。本文利用DELMIA自帶的機械設計模塊創建零部件，并且搭建工作環境，保證虛擬環境與現實工作環境的一致性。將加熱爐、履帶片、履帶片擺放架和履帶片貨物臺作為資源導入DELMIA虛擬環境中[7]。從資源目錄中導入工業機器人，在DELMIA的機器人庫中提供了大量的機器人。例如，瑞士ABB機器人、日本FANUC機器人、日本安川機器人、德國KUKA機器人等等[8]。本文應用德國KUKA公司的六自由度KR210L150K_S2000型機器人。運用以上產品構建履帶板生產線虛擬環境，如圖1所示。

圖1 履帶板熱加工生產線布局

2 機器人工作過程仿真

實際的履帶板熱加工處理過程中，主要通過人工搬運履帶片實現上下料。本文通過使用工業機器人代替人工來完成履帶片自動上下料過程。在整個過程中，主要實現機器人對履帶片的抓取與放回。在投入生產之前，使用虛擬軟件對機器人的工作路徑進行設計與規劃，以保證機器人各個工位的動作能夠順利進行。

本文使用DELMIA的Device Task Definition模塊對機器人進行離線編程并對工作路徑進行仿真。

2.1 末端執行器的建立

履帶片的表面是光滑平面，且材料是鋼鐵制造，其工具（工業機器人的末端執行器）可以使用電磁鐵，因此電磁鐵對履帶片的抓取與放回成為仿真的難點。電磁鐵需要有兩個坐標，分別為Base Frame坐標和TCP Frame坐標。如圖2所示。

圖2 電磁鐵的Base Frame坐標和TCP Frame坐標

Base Frame的作用是將工具安裝在工業機器人的末端執行器上。TCP Frame為工業機器人的工具坐標，當對機器人示教時，其工作路徑就是通過TCP Frame工具坐標經過各個Tag點所形成的。如圖3所示。機器人的TCP Frame坐標默認為末端的執行器，通過Set Tool指令將電磁鐵的TCP Frame和機器人的執行器相連接，實現工具的精確安裝。

圖3 機器人Tag點分布

2.2 示教機器人

將機器人的Tag點通過Teach a device命令連接在一起形成運動軌跡，如圖4所示。

圖4 機器人示教

在示教過程中為了實現電磁鐵對履帶片的抓取與釋放動作，運用ADD a Process Operation指令對軌跡添加Pick和Drop功能，如圖5所示。

圖5 抓取與釋放動作的實現

2.3 機器人路徑規劃

根據機器人工作的特點，一般把機器人末端的位置和姿態作為研究對象。DELMIA的IGRIP模塊對機器人的運動學和逆運動學進行奇異性分析，可通過目標點給出合適的逆解，來實現機器人的位姿狀態[9,10]。

在Sequence工具欄下使用Set TurnNumbers命令，讓機器人按照最小旋轉角的方式進行運動，從而實現機器人路徑的優化，如圖6所示。

圖6 機器人路徑規劃

2.4 碰撞與干涉檢測

在機器人仿真過程中，由于工位上設備分布密集，工位加工空間相對狹小，因此在機器人的整個運作當中極有可能出現機器人與加熱爐、擺放架和貨物臺等之間的碰撞。在實際的工業中，都不只是一臺機器人，可能會有多個機器人一起協作完成任務。

DELMIA的Robotics機器人仿真操作模塊提供了專業的碰撞和干涉分析工具[11]。該模塊借助數學來實現碰撞分析。在Simulation analysis tools工具欄的Clash下對所有的產品和部件進行碰撞和干涉的檢測，并且對碰撞的部件之間進行分析。例如，兩個部件之間可以算出接觸距離，運動機構可以算出碰撞的距離等等。在Simulation analysis tools工具欄中還有一個碰撞檢測開關，可以檢測機器人與其他設備之間有無碰撞。在運動仿真時，當發生碰撞時，仿真會自動停止，并生成紅色警示區域，給出狀態報告。狀態報告可供工程師研究，這樣可以重新對產品進行裝配，減少了一些重要設施和設備的碰撞。

3 自動上下料系統過程仿真

DELMIA的制造數字化工藝DPM模塊能夠提供整體的工藝流程。DPM Assembly Process Simulation模塊中主要生成履帶片的動作，并利用該模塊下的PERT圖將機器人的動作與履帶板的動作結合，實現機器人的自動上下料系統的仿真過程。

履帶片的動作主要是通過加熱爐的熱處理過程中，并利用PERT圖將機器人離線編程生成的動作與履帶片的動作結合，如圖7所示。采用PERT圖可以對整個工藝流程進行調整，有助于工藝設計和模擬工藝工程師準確地分析和優化[12]。

圖7 PERT工藝流程圖

在該模塊下可以運用Gantt圖可以計算出整個流程的運作時間，如圖8所示。由圖可知該設計方案的Process時間為232s，和人工操作比，效率很高。

圖8 工藝流程甘特圖

4 結論

機器人自動上下料系統設計與運動軌跡仿真是熱加工處理的重要環節，對履帶板生產線起著重要的作用。本文利用機器人自動上下料系統設計與仿真分析，成功代替了人工操作。利用DELMIA的robotics模塊，對工業機器人進行離線編程，有效地將機器人運用到其他制造業中。利用DELMIA的DPM模塊將機器人與履帶板的動作有效地結合一起，通過調整和優化，提高了生產效率，減少了工作時間，為企業提供了一套完整的數字化制造解決方案。