工業(yè)機器人半實物虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計

杜志強，李凱，宋中越，邵帥，李文欣，韋澤坤

（天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，天津，300000）

0 引言

《中國制造2025》戰(zhàn)略規(guī)劃借鑒了德國“工業(yè)4.0”，以“智能制造”為主攻方向，為我國發(fā)展成現(xiàn)代化工業(yè)強國描繪了清晰的路線[1]。工業(yè)自動化是推動工業(yè)4.0的重要前提之一，也是必要因素，而工業(yè)自動化主要體現(xiàn)在機械制造和電氣工程領(lǐng)域，導(dǎo)致眾多機械和電氣相關(guān)廠商紛紛開展了智能制造方面的研究。

目前全球眾多優(yōu)秀制造企業(yè)都開展了數(shù)字化工廠建設(shè)的實踐。FANUC公司實現(xiàn)了機器人和伺服電機生產(chǎn)過程的高度自動化和智能化；施耐德電氣實現(xiàn)了電氣開關(guān)制造和包裝過程的全自動化。國內(nèi)也涌現(xiàn)出海爾、美的、東莞勁勝、尚品宅配等智能工廠建設(shè)的樣板，如海爾佛山滾筒洗衣機工廠、尚品宅配實現(xiàn)了從款式設(shè)計到構(gòu)造尺寸的全方位個性定制等。

但目前數(shù)字化工廠仍存在較多缺點[2]：（1）盲目購買自動化設(shè)備和自動化產(chǎn)線。認(rèn)為推進(jìn)智能工廠就是自動化和機器人化；（2）尚未實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的自動采集和車間聯(lián)網(wǎng)，導(dǎo)致依然存在大量信息化孤島和自動化孤島；（3）尚未具備快速建廠的技術(shù)條件，使得工廠建設(shè)過程周期漫長。

究其原因，數(shù)字化制造工廠系統(tǒng)復(fù)雜，工廠的完善仍需要較長時間。而目前數(shù)字化工廠所存在的共性缺陷中、不能快速建廠是其最致命的缺陷，這是數(shù)字化工廠高度智能化導(dǎo)致工廠建設(shè)漫長與產(chǎn)品為搶占市場需要縮短上市周期之間的矛盾。縮短智能工廠開發(fā)周期對提高產(chǎn)品市場占有率具有重要意義。

1 半實物虛擬仿真系統(tǒng)整體設(shè)計

目前，市場上已有的工業(yè)機器人由于應(yīng)用場景的不同，種類很多，其特點也是各有千秋。本文擬設(shè)計一種基于工業(yè)機器人的半實物虛擬仿真系統(tǒng)，通過對市場同類產(chǎn)品的特點分析，在系統(tǒng)控制方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計；在末端夾具方面創(chuàng)新設(shè)計了一種通用型多功能抓手[3]；在軟件仿真和測試環(huán)節(jié)，該研究采用了Visual C++、CAD和DH模型進(jìn)行開發(fā)。其中DH模型作為工業(yè)機器人運動仿真分析的支撐平臺，Visual C++和CAD主要用于設(shè)計工業(yè)機器人的機械臂改進(jìn)和布局分析。

目前項目已經(jīng)具備了數(shù)字化工廠虛擬互聯(lián)調(diào)試的基礎(chǔ)技術(shù)，已經(jīng)可以通過仿真環(huán)境下物理的PLC[4]、HMI等自動化設(shè)備的結(jié)合，完成對PLC程序和機器人程序的聯(lián)合調(diào)試，在施工前即可實現(xiàn)設(shè)計和程序的提前驗證，具有了虛擬互聯(lián)調(diào)試的基本框架系統(tǒng)。在系統(tǒng)仿真聯(lián)調(diào)方面，本文著重探討工業(yè)機器人機械臂的改進(jìn)和與實際工廠相同的虛擬孿生系統(tǒng)的呈現(xiàn)。

2 虛擬仿真系統(tǒng)硬件設(shè)計

（1）工業(yè)機器人系統(tǒng)設(shè)計

研究所涉及的工業(yè)機器人系統(tǒng)由機器人本體、電氣控制系統(tǒng)和能源驅(qū)動系統(tǒng)三個基本部分組成[5]。其中機器人本體在工業(yè)機器人系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，一般由機器人底座、腰座、大臂、小臂、手腕、末端執(zhí)行器和驅(qū)動系統(tǒng)組成；能源驅(qū)動系統(tǒng)為整個機器人本體提供工作動力；末端執(zhí)行器可根據(jù)實際的工作需要，增加各類夾持器（夾手、夾具）或焊槍等設(shè)備，以便適用于相應(yīng)實際作業(yè)環(huán)境。

工業(yè)機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 工業(yè)機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

工業(yè)機器人仿真系統(tǒng)有很多優(yōu)點，工業(yè)機器人仿真[6]是通過計算機對實際的機器人系統(tǒng)進(jìn)行模擬[7]的技術(shù)。機器人仿真系統(tǒng)可以通過單機或者多臺機器人從而組成工作站或是生產(chǎn)線。這些工業(yè)機器人的仿真軟件，可以在制造單機和生產(chǎn)線產(chǎn)品之前模擬出實物，這不僅可以縮短生產(chǎn)的工期，還可以避免不必要的返工。

（2）抓手設(shè)計

市場上現(xiàn)有的工業(yè)機器人通常分為專用型和通用型，但不論是那種類型，機器人在抓取工件時只能根據(jù)工件的形狀更換專用的抓手。這樣頻繁更換抓手除了降低了工作效率，還在一定程度上加快了機械臂的磨損和機器的老化，并且在運輸和后期的維護(hù)等方面存在著諸多不便。

為了提高機械臂的靈活性，達(dá)到提高生產(chǎn)效率和穩(wěn)定性的目的，本文模仿人手結(jié)構(gòu)，并結(jié)合具有柔性抓取及力反饋的設(shè)計，設(shè)計了一款能夠自主隨抓取物品調(diào)節(jié)、靈活度更好的抓手，使其能夠?qū)崿F(xiàn)對更多種類物體的搬運，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 抓手外形示意圖

機械臂結(jié)構(gòu)包括機械爪、手臂支架、第一伺服電機、第一絲杠、第一軸承機座、第一絲杠螺母、第一連接件和第二軸承機座；第一絲杠與第一伺服電機的輸出軸傳動連接；第一絲杠穿設(shè)于第一軸承機座內(nèi)；第一絲杠螺母套設(shè)于第一絲杠上并與第一連接件周向固定連接，第一連接件連接抓手；抓手連接手臂支架；第二軸承機座內(nèi)設(shè)置有至少一個第二軸承，第一絲杠穿設(shè)于第二軸承內(nèi)。

3 仿真系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果

數(shù)字孿生的一個重要用途，就是針對系統(tǒng)的調(diào)試。智能化的系統(tǒng)往往特別復(fù)雜。單純的算法設(shè)計，其運行結(jié)果如何，真的難以預(yù)知。針對系統(tǒng)調(diào)試過程，數(shù)字孿生的價值是非常大的。半實物仿真調(diào)試系統(tǒng)基于數(shù)字孿生概念設(shè)計。

數(shù)字孿生在化工和冶金領(lǐng)域，往往采用二維的調(diào)試畫面，而在機械領(lǐng)域，在系統(tǒng)調(diào)試、分析故障等場合，則往往采用三維動畫，這樣設(shè)計是采用三維動畫不僅更容易被人理解，而且在調(diào)試過程中，會對人的分析、管理非常有幫助，其調(diào)試效果顯著。

基于以上分析，綜合目前存在的車間機械電氣綜合安裝調(diào)試環(huán)節(jié)穩(wěn)定性不好，周期長等方面的缺陷，本文所涉及的模擬仿真調(diào)試系統(tǒng)采用：在三維動態(tài)[8]設(shè)計的基礎(chǔ)上融合電氣設(shè)計，將電氣邏輯進(jìn)行設(shè)計后，按照實際工作需求以電氣信號作為虛擬工廠動作的觸發(fā)[9]。這樣設(shè)計的目的，不僅解決了系統(tǒng)可達(dá)性和干涉問題，經(jīng)過調(diào)試，還能生成經(jīng)過驗證的電氣控制信號，進(jìn)而進(jìn)一步縮短開發(fā)周期。

本文所設(shè)計模擬過程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)模擬流程

實驗室系統(tǒng)聯(lián)調(diào)及數(shù)據(jù)采集實物圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)及數(shù)據(jù)收集實物圖

系統(tǒng)聯(lián)調(diào)所測結(jié)果如表1所示。

表1 虛擬調(diào)試情況統(tǒng)計

通過對實驗數(shù)據(jù)分析，不難發(fā)現(xiàn)，本文所設(shè)計的系統(tǒng)實現(xiàn)如下效果：

（1）實現(xiàn)了機械與電氣的融合設(shè)計，可呈現(xiàn)出與實際工廠相同的虛擬孿生系統(tǒng)；

（2）智能制造工廠一般選用工業(yè)機器人作為執(zhí)行機構(gòu)，對于復(fù)雜生產(chǎn)工序的工廠，應(yīng)用本方法可大大縮短建設(shè)周期，可縮短為現(xiàn)有方法所需時間的15%；

（3）仿真調(diào)試系統(tǒng)兼容性強，適用于各生產(chǎn)加工企業(yè)，能滿足不同行業(yè)的定制需求。

4 結(jié)語

本文重點對機器人的結(jié)構(gòu)、運動學(xué)和動力學(xué)進(jìn)行了分析，該設(shè)計的目的是研發(fā)出一款工業(yè)機器人半實物虛擬仿真系統(tǒng)[10]。其研究的主要內(nèi)容及效果如下：

（1）實現(xiàn)了機械與電氣的融合設(shè)計，呈現(xiàn)出與實際工廠相同的虛擬孿生系統(tǒng)。

（2）基于OPC 協(xié)議的虛擬調(diào)試互聯(lián)。

根據(jù)PS 軟件提供的同PLC 連接方式的不同，虛擬調(diào)試系統(tǒng)也有不同的互聯(lián)方式。其中OPC 協(xié)議連接的方式是通過在PC 上建立OPCServer，作為信號傳遞的中轉(zhuǎn)站。

（3）低成本系列化工業(yè)機器人開發(fā)。

開發(fā)的機器人需要具有以下功能，能夠與OPC系統(tǒng)通訊，代替實際機器人進(jìn)行仿真。采用步進(jìn)電機提供驅(qū)動，機身采用模塊化組裝工藝，機器人本體的設(shè)計原則為即減低本體質(zhì)量又保留較強性能。運動控制采用多軸聯(lián)動插補控制算法，保證了機械臂具有高精度的控制。LT機器人功能強大，其功能涵蓋了現(xiàn)有工業(yè)機器人全部的基本功能，同時為機器人配備了視覺功能，更進(jìn)一步提高了機器人的智能化。