機器人自動化生產線過程仿真研究

陸沐暉，王昕

(吉林商務旅游學校，吉林吉林,132013)

0 引言

分析了工業機器人在現階段自動化生產鏈中的應用，探討了工業機器人在自動化生產鏈中的應用，為制造業提供更好的服務。通過在自動化生產線中應用工業機器人，可以大幅提升工業行業的生產效率，降低廢品率，在確保產品加工質量的同時，降低生產成本，為工業行業的長久發展打下堅實的基礎。由于經濟發展水平與日俱增，市場競爭環境日漸復雜，制造行業的發展也將面臨著前所未有的機遇和挑戰。在這種發展背景下，工業機器人的引入，可以大幅提升制造業的自動化生產水平，加快行業智能化發展速度，幫助企業在競爭激烈的市場中占據一席之地，促進制造業全面轉型，提升其經濟效益。為了能進一步研究沖皮生產線的關鍵技術，如軌跡、干渉檢查和傳感器系統等，采用虛擬樣機仿真軟件進行研究，更直觀地反應整個沖壓生產線中壓機和機器人的工作過程，強大的后處理系統也能直觀的顯示各執行機構的速度、位移和加速度，方便設計者評估各參數的正確性。通過仿真軟件能消除設計階段的誤差，也能更好的實現負責不同工作部分人員的并行研究，節省新產品的開發周期巧預算成本。從仿真內容來看，生產線自動化機器人仿真可以看作是單個機器人制造過程中協議規劃、性能規劃和監控控制等離散事件仿真的綜合。從虛擬環境中連續過程仿真的設計與驗證到生產線的實際操作與配置，機器人仿真是連續機器人生產線事件仿真的核心內容之一。

1 虛擬樣機技術簡介

虛擬樣機技術起源于上世紀90 年代，是集計算機輔助技術、虛擬現實技術和仿真技術等于一體的現代分析和設計新方法。興起之初，美國國防部定義為：能真實反映原型產品或原系統的物理特征且可與物理樣機相近的計算機仿真模型。虛擬樣機技術的研究至今仍處于探索階段。大多數人的定義如下：在第一個原型生產之前，使用計算機技術開發模型。通過模型試驗、仿真和匹配分析，最終產品的特性反映在實際工況下。提高產品性能，進行數字化性能測試，以縮短開發周期，降低開發風險和研發成本，提高發展中國家的生活能力，其生產目的：虛擬樣機技術相關技術為研究原型，包括有限元分析技術、仿真編程、控制系統建模、控制系統分析與優化設計，研究更具代表性的是其開發交互完整的虛擬樣機分析軟件，可以分析機械系統的動態，進行動態分析，優化分析和振動分析，成熟的虛擬樣機技術擁有先進的計算機設計技術和用戶。目前，虛擬樣機技術已廣泛應用于工程、國防、航空航天等領域。

2 自動化生產線仿真過程的實現

2.1 生產線設備三維建模

高可靠性是設備建模的關鍵因素，高可靠性仿真試驗可以有效地縮短啟動時間，避免可能出現的問題。在本文中利用solidworks 仿真軟件，通過開發一條用于模擬電壓產生的機器人線，精確地模擬電壓產生的過程。基于生產線設備選型的三維設備模型如圖1 所示。這是精密壓縮機的三維模型和單螺桿焊接的三維模型。關鍵操作的結構尺寸和實際配置如下：與所選設備相同：整個生產線的模擬圍繞FANUC roboguide 進行，對整個生產線進行模擬。根據壓力生產線的初步圖紙，精確地設計了三維模型。這些設備包括虛擬空間中的一臺涂油機和四臺壓縮機的三維結構模型，并調動6 臺fanuc-m20i-a 機器人精確設計兩個三維總分布模型。

圖1 自動化生產線布局

2.2 三維模型驅動

仿真的目的是模擬真實的動畫，所有動畫在生產線上的表現精度，以及基于設備的工作方式。在本論文的仿真中有機器人運作過程、壓機動模的上下運作動畫、物料形變的體現等，ROBOGUIDE 作為 FANUC 機器人自配的仿真軟件，可以運用機器人編程技術設定路徑，但其軟件本身不提供壓機模型，也無法滿足不同壓機模型實現精準壓機動模運作，而壓機動模運作是仿真真實性不可缺少的動畫，實現壓機動模驅動的優勢有：通過設定壓機的動模節拍時間，能夠精準的計算出整個沖壓生產線的生產節拍；在仿真環境下，借助壓機動模的三維模型動畫，可以確定壓機的空間干涉區域和壓機動模驅動點；同時可以引入物料的形變過程，以此提高仿真的可靠性，并且能夠直觀看出壓機的利用率。

本文是將壓機動模三維結構模型作為壓機本體的附屬運動軸導入到ROBOGUIDE 仿真軟件中，可在Motion 菜單欄下設定動模運作行程、動模運作速度、動模驅動接口，如圖2所示，以粗拉伸壓機三維模型驅動方式為例，將動模的驅動方式設置為DeviceI/OControlled（I/O 點位控制設備），圖中-400mm 是動模的運作行程，50mm/sec 是動模的運作速度，在機器人編程中可通過DO1 設置成ON 即可實現動模的運作，當其運作規定節拍后，將DO1 置OFF 即可。生產線其余壓機的三維模型驅動，可根據各自的動模行程和生產節拍設置其運行速度，并且根據需要設定I/O 驅動點位。

圖2 三維模型驅動方式

2.3 沖壓機器人軌跡的規劃

根據機器人工作環境的三維模型大小，很容易完成機器人的軌跡規劃，機械采集器初始位置和機械采集器初始形狀的基本參數應根據參考值選取，以保證周圍設備不受干擾，被分析材料的處理方法，線性過渡通常由采集器直接進入設備區或在設備區增加線路規劃點來實現；安全分析，多個機器人和變壓器相互連接，由空間路徑確定。為了保證多個機器人的軌跡不重疊，在機器人技術和收集器軌跡記錄系統中采用干涉檢測技術，保證機器人的運行不受干擾。

在自動化生產線控制程序編寫前，需要對機器人進行軌跡的規劃及目標點的示教。自動化生產線中機器人分為三類：拆垛機器人、傳送機器人和下料機器人。拆垛機器人共有 3 個示教點，分別是機器人拾起板料點、中間過渡點 home點、機器人放置點；傳送機器人共有 5 個示教點，分別是機器人拾取點、機器人在機床 1 等待點，機器人中間過渡點、機器人在機床 2 等待點、機器人放置點；下料機器人共有4 個示教點，分別是機床中拾取板料點、機床外等待點、過渡點、機器人放置點。目標點示教后同步至 rapid 程序中，進行程序的編程。

3 結語

本文所描述的生產線自動仿真模型，通過在仿真環境中的測試，可以直觀地演示整個生產線，為生產線配置中的問題提供預解決方案，并能精確定位。對實際生產的預期影響以及實際節省的生產設計和生產投資所需的時間。機器人生產線是數字化化工廠的重要組成部分，它具有數字化設計。虛擬機人機面向對象的仿真建模方法適用于連續生產過程和離散制造過程。生產線是機器人生產線數字化建模的實用技術。基于該仿真模型設計的門殼自動化生產線，已成功應用于實際并開始生產運行，大大縮短了生產線的設計周期，降低了調試過程中的經濟損失，對制造業自動化生產線有重要的參考意義。