基于PQART的玻璃窗組裝生產線虛擬仿真平臺設計

莊鑫 高艷 彭如意 彭俊輝

（揚州市職業大學機械工程學院 江蘇省揚州市 225009）

目前市場上的金屬型材玻璃窗的組裝生產中，通常采用人工涂膠、螺紋緊固的方法進行組裝生產，對于規格尺寸較大的玻璃窗，涂膠的均勻程度、型材安裝位置、緊固的可靠性等都難于保證。隨著工業機器人技術、智能控制技術、網絡技術的發展，以及勞動力短缺、用工成本的提升，建設并應用基于多工業機器人的自動化生產線已成為一種趨勢[1]?；诮饘傩筒牟ＡТ敖M裝工藝過程，應用工業機器人開發出的組裝生產線，有效提升了組裝質量和組裝效率。該金屬型材玻璃窗組裝生產線涉及多機器人協作，組裝工藝相對復雜，現場調試工作量大，如果能在生產線落地之前，或在不影響正常生產的條件下，模擬出機器人與生產線的協調運動，進行生產線節拍設計和仿真，則能縮短設計調試的時間，節省資源，避免不必要的返工[2]。筆者利用虛擬仿真技術在虛擬環境中對機器人軌跡規劃、對組裝過程、生產周期進行模擬與優化[3]。

1 創建玻璃窗組裝生產線仿真模型

表1：生產線連續運行模式

首先利用SolidWorks軟件設計好機器人末端執行器，完成核心工作臺、螺絲擰緊機、下料鏈板輸送機等部件的三維模型。PQART仿真軟件新建工作站，將生產線裝配模型導入到PQART工作站中，按照加工工序布置模型位置，從模型庫中導入四臺KUKAKR-R1400機器人，分別執行玻璃窗的搬運及碼垛、玻璃窗邊框型材抓取及組裝、玻璃板涂膠的工作。如圖1所示為生產線仿真系統圖。

2 生產線運行模式

控制系統發出工作指令，玻璃抓取機器人靠真空海綿吸盤產生的吸力，抓取玻璃放置于核心工作臺上；升降真空海綿吸盤托住玻璃抬起至安裝高度；涂膠機器人按工藝要求對玻璃的四邊進行涂膠；涂膠完成后，兩側的型材抓取機器人分別從各自側抓取兩根型材，安裝到完成涂膠的玻璃四邊；絲桿螺母傳動夾緊型材后，螺絲擰緊機開始工作，擰緊螺絲完成組裝；真空海綿吸盤停止工作放松玻璃，玻璃抓取機器人動作，抓取組裝后的玻璃窗至玻璃堆垛上進行堆垛，完成玻璃窗的組裝。生產線連續運行模式如表1所列。

3 機器人手部及核心工作臺設計

3.1 機器人手部設計

此次仿真原材料為透明玻璃板材料已經金屬型材，其中玻璃板尺寸為長度100cm，寬度60cm，厚度0.2cm 的透明玻璃板，金屬邊框型材尺寸為長60/100cm，寬度40cm，高度40cm的金屬型材。工業機器人手部的設計主要考慮的是工件的外形特點以及工件的吸取方式。因為原材料工件為模擬透明玻璃板，這種材料表面比較光滑平整而且是薄板，所以適合使用氣吸附式末端執行器來進行吸取。考慮到玻璃板易碎的特性，所以設計玻璃抓取機器人手部為真空海綿吸盤，用來抓取搬運玻璃并避免玻璃板局部受力過大導致的劃痕和碎裂問題。 對于金屬邊框型材抓取，采用氣缸夾取式型材抓取手爪，用來提高抓取安裝精度和力度，避免金屬邊框型材安裝過程中出現位置偏移、受力不均以及安裝過程中受力過大導致脫落等問題。

圖1：玻璃窗組裝生產線仿真系統圖

圖2：仿真系統效果

3.2 核心工作臺設計

核心工作臺主要用于窗戶玻璃的涂膠、拼裝。核心工作臺由工作臺底座、升降系統、臺面吸盤；玻璃窗的每條型材邊各有兩組手指氣缸實現對型材組裝過程中的夾緊及放松；兩根空間垂直的雙向梯形絲桿、兩組伺服電機通過帶傳統，驅動雙向梯形絲桿轉動，通過梯形絲桿傳動，帶動梯形驅動絲桿兩側的螺母座同時向內或向外運動。螺絲擰緊機實現將螺絲打入型材固定好。

4 仿真系統設計

4.1 仿真環境

北京華航唯實機器人科技股份有限公司推出的PQART（原RobotArt）是我國擁有自主知識產權的工業機器人離線編程軟件。公司旗下的“華航智造”是以工業機器人為核心的智能制造領域線上服務平臺，提供人才學習、認證培訓、招聘就業以及相關工業軟件服務。PQArt是系列工業軟件中核心產品之一，始于2013年，經過多年的研發與應用，PQART掌握了多項核心技術，包括3D平臺、幾何拓撲、特征驅動、自適應求解算法、開放后置、碰撞檢測、代碼仿真等。它的功能覆蓋了機器人集成應用完整的生命周期，包括方案設計、設備選型、集成調試及產品改型。

4.2 動態化組件設計

為實現整條生產線的動態效果，主要通過定義零件及狀態機來實現。以核心工作臺為例，為模擬核心工作臺移動加工的動態效果，首先利用 PQART 軟件的“輸入”功能導入并創建一個新的狀態機并定義基座（BASE）和移動軸（J1）和利用“自定義狀態機”功能設置核心工作臺的不同工作狀態和移動方式。添加核心工作臺狀態機。在生產線仿真設計過程中，可以在相應POS點上通過添加仿真事件改變此狀態機狀態，從而實現核心工作臺的動態效果。

4.3 生產線整體仿真

仿真系統開始，玻璃抓取機器人抓取玻璃放置于核心工作臺上；升降氣缸吸緊玻璃下腔進氣，升降真空海綿吸盤托住玻璃抬起至安裝高度；涂膠機器人開始工作，按工藝要求對玻璃的四邊進行涂膠；涂膠完成后，兩側的型材抓取機器人分別從各自側的前端限位擋板上抓取2根型材，將其安裝到完成涂膠的玻璃四邊；安裝完成后，滑臺帶動移載梁在上沿導軌相對靠近玻璃窗組合件； 到位后，夾緊手指氣缸四周的緊固手爪夾緊型材；螺絲擰緊機工作，擰緊螺絲完成組裝；核心工作臺吸盤停止工作放松玻璃，玻璃抓取機器人動作，靠真空海綿吸盤產生的吸力抓取組裝后的玻璃窗至玻璃堆垛上進行堆垛，完成玻璃窗的組裝。完成的仿真系統效果如圖2所示。

5 結語

基于PQART的離線編程和虛擬仿真技術，對設備工作方式及對應位姿加強了理解，通過動作仿真發現和尋找最有利于機器人協同工作的現場布置方式，避免了實際操作中的零件碰撞、機器人軸超限、不可達及奇異點等問題。該設計方案不僅可以為玻璃窗組裝生產線的調試運行提供理論依據和試驗平臺，還可降低生產線設計、調試的成本，提高生產效率，對構建多機器人全自動化生產線具有指導意義[4]。