基于MCD的自動(dòng)化裝配站的虛擬仿真設(shè)計(jì)

顧宇峰 王杰

1. 江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)分院，江蘇蘇州 215123；2.江蘇匯博機(jī)器人技術(shù)股份有限公司，江蘇蘇州 215000

0 前言

《職業(yè)教育示范性虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)指南》中指出，要大力發(fā)展虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)，解決實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程中高投入、高損耗、高風(fēng)險(xiǎn)及難實(shí)施、難觀摩、難再現(xiàn)的“三高三難”痛點(diǎn)和難點(diǎn)[1]。裝備制造類專業(yè)自動(dòng)化設(shè)備投入大、損耗高、教學(xué)難觀測(cè)，特別是全國(guó)職業(yè)院校技能競(jìng)賽工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用、機(jī)器人系統(tǒng)集成等賽項(xiàng)，一臺(tái)設(shè)備在60萬(wàn)以上，購(gòu)置10臺(tái)以上設(shè)備進(jìn)行教學(xué)是不可能的。本文以工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用賽項(xiàng)設(shè)備為對(duì)象，進(jìn)行MCD機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)[2]，采用KEBA科控的工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真軟件KeMotion3進(jìn)行機(jī)器人虛擬仿真系統(tǒng)編程設(shè)計(jì)，采用西門子博圖V15軟件進(jìn)行PLC虛擬仿真系統(tǒng)編程設(shè)計(jì)，通過(guò)OPC Server軟件KEPServerEX 6 Configuration軟件配置，MCD軟件中進(jìn)行外部信號(hào)配置與信號(hào)映射，最終調(diào)試完成自動(dòng)化裝配站的虛擬仿真。

1 工作原理

1.1 設(shè)備說(shuō)明

“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用”競(jìng)賽在“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)平臺(tái)”上進(jìn)行，該設(shè)備由工業(yè)機(jī)器人、自主導(dǎo)航AGV機(jī)器人、智能2D相機(jī)、托盤流水線、裝配流水線和碼垛機(jī)立體倉(cāng)庫(kù)等6個(gè)單元組成[3]，如圖1所示。系統(tǒng)的主要工作目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)的混流生產(chǎn)，基本流程為：碼垛機(jī)器人從立體倉(cāng)庫(kù)中取出工件放置于自主導(dǎo)航AGV機(jī)器人上部輸送線；自主導(dǎo)航AGV機(jī)器人輸送至托盤流水線上，利用智能2D視覺(jué)系統(tǒng)引導(dǎo)工業(yè)機(jī)器人對(duì)托盤中放置的工件進(jìn)行分選識(shí)別；接著，工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行混流裝配；裝配完成后，工業(yè)機(jī)器人抓取成品套件放置于自主導(dǎo)航AGV機(jī)器人上部輸送線上；自主導(dǎo)航AGV機(jī)器人轉(zhuǎn)運(yùn)至立體倉(cāng)庫(kù)入庫(kù)位置，完成成品套件的入庫(kù)作業(yè)[4]。

1.2 MCD說(shuō)明

機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)解決方案（MCD）是一種全新解決方案，適用于機(jī)電一體化產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)[5]。借助該軟件，可對(duì)包含多物理場(chǎng)以及通常存在于機(jī)電一體化產(chǎn)品中的自動(dòng)化相關(guān)行為的概念進(jìn)行3D建模和仿真，MCD支持功能設(shè)計(jì)方法，可集成上游和下游工程領(lǐng)域，包括需求管理、機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)以及軟件、自動(dòng)化工程。此次設(shè)計(jì)將大賽設(shè)備進(jìn)行三維建模，然后導(dǎo)入到MCD軟件中，進(jìn)行合理布局，如圖2所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 MCD配置和仿真

根據(jù)實(shí)際的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，在機(jī)電虛擬調(diào)試軟件中設(shè)置剛體、碰撞體、運(yùn)動(dòng)副、位置控制、傳感器等，創(chuàng)建競(jìng)賽平臺(tái)的模型。在MCD軟件中完成AGV、板鏈單元-備品庫(kù)、板鏈單元-成品庫(kù)、板鏈單元-輸送、板鏈單元-裝配工位、倍速鏈單元、基座、電機(jī)、減速器、輸出法蘭、機(jī)器人單元-ER20、機(jī)器人單元-雙吸盤工具、輸送板鏈單元、托盤、移動(dòng)小車、倉(cāng)儲(chǔ)的參數(shù)配置。以AGV小車為例，需要進(jìn)行剛體、滑動(dòng)副、位置控制、傳輸面、碰撞材料等參數(shù)配置，如圖3所示。

2.2 機(jī)器人虛擬仿真軟件編程

采用工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真軟件KeMotion3編程[6]，通過(guò)模塊化編程方式，編寫(xiě)主程序MAIN、機(jī)器人回原點(diǎn)子程序HOME、取放工件的子程序、工件裝配的子程序、取放托盤的子程序、成品入庫(kù)的子程序、點(diǎn)位示教的子程序等，通過(guò)主程序調(diào)用子程序的方式完成程序設(shè)計(jì)，點(diǎn)位示教子程序中，需要操作虛擬仿真軟件示教器在MCD軟件中進(jìn)行點(diǎn)位的示教。圖4為工件裝配時(shí)的部分程序和場(chǎng)景。

2.3 博圖軟件編程與配置

采用西門子博圖V15軟件進(jìn)行編程[7]，采用模塊化的編程方法建立主程序MAIN(OB1)，新建組IO、組MCD、組傳送帶、組AGV、組機(jī)器人、組碼垛機(jī)、組相機(jī)等。在組模塊下再新建子程序，例如，組MCD下新建子程序MCD主程序、MCD通訊處理、新建數(shù)據(jù)塊MCD通訊數(shù)據(jù)DB104，如圖5所示。

3 系統(tǒng)通訊參數(shù)配置

3.1 OPC Server軟件參數(shù)配置

根據(jù)系統(tǒng)虛擬仿真測(cè)試要求，使用OPC Server軟 件KEPServerEX 6 Configuration進(jìn)行通訊參數(shù)配置，通過(guò)在該軟件中建立變量，與西門子博圖軟件中的MCD通訊數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，達(dá)到數(shù)據(jù)通訊測(cè)試的作用。具體參數(shù)配置步驟如下：首先，在OPC軟件中選擇要?jiǎng)?chuàng)建的通道類型，選擇“siemens TCP/IP Ethernet”，網(wǎng)絡(luò)適配器選擇計(jì)算機(jī)以太網(wǎng)通訊網(wǎng)卡，添加設(shè)備，選擇型號(hào)為“S7-1200”，ID輸入PLC以太網(wǎng)地址；然后，打開(kāi)博圖軟件，觀測(cè)MCD通訊數(shù)據(jù)中的變量名稱和地址，在OPC軟件中新建標(biāo)記組，將MCD通訊數(shù)據(jù)中的變量名稱和地址依次添加到OPC屬性編輯器中，如圖6所示，例如，觀測(cè)到博圖軟件中MCD通訊數(shù)據(jù)中變量名稱為AGV當(dāng)前位置，數(shù)據(jù)類型為INT，則添加到OPC中名稱也應(yīng)為AGV當(dāng)前位置，地址則輸入“DB104.INT0”，完成所有MCD通訊數(shù)據(jù)中所有變量的添加，則變量配置結(jié)束。

3.2 MCD軟件外部信號(hào)配置與信號(hào)映射

根據(jù)系統(tǒng)虛擬仿真測(cè)試的要求，需要在機(jī)電虛擬調(diào)試軟件中配置對(duì)應(yīng)的通信[8]，根據(jù)通信方式對(duì)應(yīng)的通信協(xié)議配置對(duì)應(yīng)的信號(hào)，將配置好的信號(hào)和模型驅(qū)動(dòng)接口建立一一映射的關(guān)系。配置步驟如下：首先，在MCD軟件中點(diǎn)擊外部信號(hào)配置，選擇OPC DA通訊，點(diǎn)擊 添 加Kepware.KEPServerEX.V6，在OPC DA中將所有信號(hào)進(jìn)行勾選，點(diǎn)擊確定；然后，在外部信號(hào)配置中選擇信號(hào)映射，將MCD信號(hào)和外部信號(hào)進(jìn)行變量關(guān)聯(lián)，如圖7所示，關(guān)聯(lián)所有外部信號(hào)，則信號(hào)配置結(jié)束。

4 仿真測(cè)試

4.1 測(cè)試過(guò)程

在工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真軟件中編寫(xiě)好程序，并且在MCD中示教好點(diǎn)后，點(diǎn)擊仿真播放；將虛擬仿真軟件示教器設(shè)置在手動(dòng)擋，然后手動(dòng)單步調(diào)試程序，觀測(cè)MCD中機(jī)器人搬運(yùn)和裝配工件的單步運(yùn)行情況；運(yùn)行正確后，就可以將虛擬示教器設(shè)置在自動(dòng)檔，按下運(yùn)行按鈕，測(cè)試自動(dòng)運(yùn)行。

將博途PLC程序下載到虛擬PLC中，然后將虛擬PLC運(yùn)行，MCD軟件點(diǎn)擊仿真播放，在博途軟件中輸入立體倉(cāng)庫(kù)和AGV小車位置號(hào)，測(cè)試立體倉(cāng)庫(kù)和AGV小車虛擬運(yùn)行的情況。

運(yùn)行虛擬PLC，將虛擬示教器設(shè)置在遠(yuǎn)程端，播放MCD軟件，進(jìn)行設(shè)備整體虛擬測(cè)試。工業(yè)機(jī)器人競(jìng)賽平臺(tái)自動(dòng)運(yùn)行，執(zhí)行工件出庫(kù)、AGV輸送至托盤流水線、工件檢測(cè)、工業(yè)機(jī)器人裝配、工業(yè)機(jī)器人拆解、AGV輸送至立體倉(cāng)庫(kù)、工件入庫(kù)等全流程。

如果以上仿真測(cè)試出現(xiàn)故障，應(yīng)立即停止仿真，排除故障后再調(diào)試，直至運(yùn)行正常并穩(wěn)定，則測(cè)試結(jié)束。

4.2 測(cè)試結(jié)果

在MCD配置和仿真不變的基礎(chǔ)上，修改博途軟件編程，即可改變立體倉(cāng)庫(kù)出庫(kù)和入庫(kù)的庫(kù)位及仿真、自主導(dǎo)航AGV機(jī)器人的位置及仿真；修改工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真軟件編程，即可改變工件裝配和拆解的流程。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，證明該系統(tǒng)具備了自動(dòng)化裝配站虛擬仿真功能，運(yùn)行穩(wěn)定，具有安全性。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于MCD的自動(dòng)化裝配站的虛擬仿真設(shè)計(jì)，將全國(guó)高職組“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用”賽項(xiàng)設(shè)備虛擬化，將虛擬化的PLC、工業(yè)機(jī)器人示教器、MCD設(shè)備進(jìn)行了軟件在環(huán)的虛擬調(diào)試，很好地解決了實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程中的“三高三難”痛點(diǎn)和難點(diǎn)。

該系統(tǒng)使用MCD軟件將導(dǎo)入的三維模型設(shè)備進(jìn)行參數(shù)配置，通過(guò)工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真軟件示教器進(jìn)行編程，通過(guò)與MCD聯(lián)合仿真完成工業(yè)機(jī)器人點(diǎn)位示教，通過(guò)博圖PLC進(jìn)行程序編寫(xiě)，通過(guò)OPC服務(wù)器軟件進(jìn)行參數(shù)配置，再通過(guò)MCD配置完成信號(hào)映射，最終完成系統(tǒng)的整體虛擬測(cè)試。

經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，證明該系統(tǒng)具備了自動(dòng)化裝配站虛擬仿真功能，運(yùn)行穩(wěn)定，具有安全性。