基于Process Simulate的機器人運動程序開發及應用

沈陽， 欒會玲

（1.華晨寶馬汽車有限公司，沈陽110044；2.寶馳工業自動化（沈陽）有限公司，沈陽110122）

0 引言

隨著對汽車產能及質量要求的提高，汽車企業的焊裝生產線自動化程度越來越高， 多機器人組成的ROBOTS GARDEN要求多個機器人及相關自動設備協同工作。過去模擬仿真和現場調試是脫鉤的，模擬仿真不能生成現場調試者可用的程序，更多的是依靠現場調試人員的經驗。Tecnomatix的Process Simulate Robotics提供了一個集機器人和自動設備規劃及驗證為一體的虛擬環境，能夠模擬機器人在真實環境中的工作情況，具有邏輯驅動設備技術和集成的真實機器人仿真技術，基于實際控制邏輯的事件驅動仿真使得虛擬調試成為可能[1]。從而大大提高了機器人離線編程效率和質量，大大減少了真實環境調試的時間和成本[2]。本文針對焊裝車身車間，其自動化程度最高，機器人工況最為復雜。本文采用了汽車整機廠與機器人廠家聯合開發的模塊化程序，直接通過仿真環境輸出現場可直接使用的機器人程序，使仿真成為真正意義上的輸出工具，為智能化生產和虛擬化工廠的實施提供重要的方向指導。

1 數學模型導入

在進行仿真之前，需要把產品和設備模型加載進入Process Simulate環境中。如圖1所示，在車身車間，單站包括PLC和機器人機柜、機器人本體，以及連結卡盤和夾具，還有工具端（抓手、焊槍或其他焊接工具）等基本要素（如圖2），并且對應單站機器人，某些工具端是針對某種特殊車型設計開發的。

圖2 機器人工具端

圖3 生產線虛擬布置圖

還涉及到多個機器人的聯合作業，這些基于特定車型研發的夾具，抓手數模轉換成Process simulate特定格式轉換導入到仿真環境中，并按照生產線布局圖及工藝順序安裝在相應位置（如圖3）。

2 離線仿真

2.1 定義和設置坐標系

圖4 工具坐標系設置及三坐標機器人程序

由于機器人在執行指令時需要使用不同的工具端到不同的工作臺完成工作，需要提前設置和定義分配相應的坐標系，并在模擬過程中選擇正確的坐標系，這樣才能保證后續輸出的機器人軌跡是正確的和現場匹配的。首先設置工具端坐標系如圖4所示，這個坐標系是基于機器人手臂最前端面中心點為基準點計算所得。

然后設置基坐標系（如圖5），這個坐標系是基于機器人底座平面中心點計算所得。

圖5 基坐標系

2.2 離線軌跡和模塊化

設置初始化位置，定義好中間點及最終工藝點，選擇合適的逼近方式，就可以生成初始的機器人運動軌跡。

同時，針對同一機器人，還需生成維護程序運動軌跡，自動抱閘程序運動軌跡，零點檢驗程序運動軌跡，如圖6所示。

圖6 機器人程序及軌跡點

單個機器人的運動軌跡生成完成后，使用模塊化結構，添加工藝數據，如點焊、涂膠、螺柱焊、抓取、鉚接等，如圖7所示。

3 安全設置

圖7 工藝點配置

生產區域內員工的人身安全始終是排在第一位的，要保證使用的每個機器人都是安全的，需要對每個機器人工具端、工作區及防碰撞區進行設置。

對于工具端，需要設置安全球，把工具端包絡進去，如圖8所示。

這樣機器人在運行過程中，實時計算并監控這些安全球的三維空間位置。同時對于工作區，基于基坐標，設置機器人工作單元及工作區，并可以定義這些工作區是始終激活有效還是條件性激活有效。如圖9所示，操作者進入紅色工作區進行操作，觸發安全條件，這樣機器人帶著工具就不可以進入該區域。設置界面到機器人程序中，如圖10所示。

圖8 工具端安全包絡球

圖9 安全工作區

圖10 機器人安全球和工作區界面

設置好單個機器人安全區后，還需要進行機器人之間的碰撞區驗證（如圖11），如果在某一空間里，多個機器人的路徑都經過此區域，這樣就會存在碰撞的風險，就必須設置碰撞區。例如，機器人1進入了碰撞區1，就會顯示碰撞區1已經被占用，假如機器人2也需要進入此區域1，就需要在此區域1 外進行等待，直至機器人1在區域1外工作完成，此區域被釋放，機器人2 才能被允許進入區域1。

圖11 多個機器人間的安全區

4 程序輸出

在Process Simulate完成了軌跡確認、工藝點信息確認、安全區和碰撞區設置后，通過Process Simulate和機器人廠商開發的控制器模塊，編譯生成機器人標準程序，還需要和上位PLC進行通信，如圖12所示。

每個機器人的狀態需要發送給PLC，PLC進行整個站的控制，需要發送給PLC的信息有：1）機器人在零點位，零點位可以設置多個，在某一個就發送給PLC占位信號。2）機器人執行某個工作或程序號，PLC根據工藝順序，通知機器人開始執行某個程序，機器人在開始和結束時都需要發送信號給PLC。3）工作區和防碰撞區，單個機器人進入了哪個碰撞區或申請進入也需要發信號給PLC。如果在機器人程序和PLC程序檢查中，發現需要修正，再回到Process Simulate中優化，形成閉環直至修正至無錯誤。

在完成了與PLC的邏輯語言填充，確認無誤后，可以執行輸出機器人程序，輸出的程序使用機器人程序軟件打開，模擬運行后，就可以直接導入到現場機器人控制器中，現場調試人員就得到了實際可用的機器人運動程序，如圖13所示。

圖13 現場機器人程序

5 結論

1）隨著汽車開發標準越來越成熟，現場布局和工藝順序都可以通過Process simulate模擬仿真來進行驗證，而且軟件開發越來越模塊化，使用最新開發的Process simulate中Robostics模塊，本文對其后續在汽車行業中流程化使用具有極強的指導意義和參考價值。

2）定義了安全工具、安全區及防碰撞區設置方法，并實現與上位PLC的邏輯編程，可實際輸出現場使用程序，減少了生產線的設計周期，同時也大大縮短了現場人員的調試時間，提高了設備規劃的準確性，提高了機器人運動軌跡的準確性及邏輯性。