工業(yè)機(jī)器人軟件在環(huán)虛擬調(diào)試技術(shù)研究與應(yīng)用*

李華川，黃尚猛，李彬文

(廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530007)

0 引 言

數(shù)字孿生技術(shù)是工業(yè)4.0發(fā)展的核心技術(shù)，它使產(chǎn)品在整個(gè)生命全周期都擁有完整的產(chǎn)品數(shù)字足跡。而虛擬調(diào)試則是數(shù)字孿生技術(shù)的核心技術(shù)，在如今制造業(yè)數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型過程中，虛擬調(diào)試可以縮短設(shè)備改造、工藝規(guī)劃等的成本時(shí)間，減少實(shí)物樣機(jī)數(shù)量，降低生產(chǎn)原型成本并減少可能的實(shí)驗(yàn)損壞。虛擬調(diào)試的“實(shí)驗(yàn)性”屬性使多方案驗(yàn)證成為可能[1]。

工業(yè)機(jī)器人傳統(tǒng)調(diào)試方法是在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行從空載到負(fù)載、從機(jī)械裝配調(diào)試到電氣安裝調(diào)試、從子系統(tǒng)調(diào)試到整機(jī)調(diào)試的一系列過程[2]。這種傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試常常會(huì)導(dǎo)致研發(fā)階段的某個(gè)錯(cuò)誤，在上線調(diào)試甚至運(yùn)維階段才會(huì)被發(fā)現(xiàn)。為降低糾錯(cuò)成本、改進(jìn)傳統(tǒng)調(diào)試方法的不足，筆者采用了基于MCD和TIA Portal結(jié)合的工業(yè)機(jī)器人數(shù)字化樣機(jī)軟件在環(huán)虛擬調(diào)試方法，即在MCD建立機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)，在TIA Portal建立PLC控制系統(tǒng)，兩者進(jìn)行信號(hào)映射，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋回路的驗(yàn)證調(diào)試。該調(diào)試方案便捷性好、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可以方便快速地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷和程序異常，為相關(guān)機(jī)電一體化設(shè)備的設(shè)計(jì)及調(diào)試提供新的解決方案，具有較好的參考價(jià)值。

1 軟件在環(huán)調(diào)試技術(shù)

西門子公司為德國(guó)工業(yè)4.0打造的NX MCD(機(jī)電概念設(shè)計(jì)模塊)支持并行設(shè)計(jì)和數(shù)字化樣機(jī)調(diào)試， MCD的虛擬調(diào)試分為硬件在環(huán)(HIL)虛擬調(diào)試和軟件在環(huán)(SIL)虛擬調(diào)試兩類。軟件在環(huán)虛擬調(diào)試是指控制部分和機(jī)械部分均采用虛擬部件，在虛擬PLC及其程序控制下組成“虛—虛”結(jié)合的閉環(huán)反饋回路中進(jìn)行程序編輯和驗(yàn)證調(diào)試[3]，原理圖如圖1所示。文中對(duì)制造業(yè)常用的六軸工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行了軟件在環(huán)虛擬聯(lián)調(diào)，具體實(shí)施方案如圖2所示。

圖1 軟件在環(huán)虛擬調(diào)試原理圖

圖2 機(jī)器人軟件在環(huán)調(diào)試實(shí)施方案

2 MCD仿真環(huán)境搭建

2.1 基本機(jī)電對(duì)象

首先創(chuàng)建工業(yè)機(jī)器人三維模型，模型幾何體需要賦予機(jī)電對(duì)象屬性，如剛體、碰撞體屬性，才能具有物理場(chǎng)控制下的運(yùn)動(dòng)屬性。將幾何體定義為剛體，使其具備質(zhì)量特性，在重力和其他力的影響下運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變[4]。

因文中研究只涉及機(jī)器人的手爪移動(dòng)路徑軌跡調(diào)試，暫不涉及手爪夾持功能調(diào)試，因此不設(shè)置機(jī)器人的碰撞體屬性，只需將機(jī)器人的裝配組件即6個(gè)軸臂定義為剛體，如圖3所示。

圖3 定義機(jī)電對(duì)象

2.2 運(yùn)動(dòng)副

運(yùn)動(dòng)副是兩構(gòu)件直接接觸并能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的活動(dòng)聯(lián)接[5]。對(duì)運(yùn)動(dòng)組件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)副設(shè)置，以此來定義組件的運(yùn)動(dòng)方式。機(jī)器人軸臂之間是依靠伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)而進(jìn)行相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，因此首先對(duì)6個(gè)運(yùn)動(dòng)軸臂設(shè)置6個(gè)鉸鏈副以及基座的1個(gè)固定副 ，如圖4所示。此處需要注意，“鉸鏈副”對(duì)話框中的“連接件”選項(xiàng)一般選擇運(yùn)動(dòng)副中的從動(dòng)件，“基本件”選項(xiàng)一般選擇運(yùn)動(dòng)副中的主動(dòng)件，如果選錯(cuò)容易導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)狀態(tài)錯(cuò)誤。

圖4 定義運(yùn)動(dòng)副

而針對(duì)機(jī)器人手爪的多自由度運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，一般是用“路徑約束運(yùn)動(dòng)副”定義使手爪沿指定的曲線運(yùn)動(dòng)。但在實(shí)際調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，路徑約束運(yùn)動(dòng)副所包含的參數(shù)對(duì)于在線實(shí)時(shí)調(diào)試手爪的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)并不方便，且該運(yùn)動(dòng)副容易使機(jī)器人在停止運(yùn)動(dòng)瞬間發(fā)生輕微晃動(dòng)。因此，此處放棄使用“路徑約束運(yùn)動(dòng)副”定義，而是在后續(xù)對(duì)手爪進(jìn)行 “反算機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)”定義，以此解決手爪運(yùn)動(dòng)副定義所帶來的調(diào)試效率低、仿真效果不好的問題。

2.3 執(zhí)行器

MCD中運(yùn)動(dòng)副要成為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，需要對(duì)運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行位置和速度定義，才能使運(yùn)動(dòng)組件執(zhí)行定義的目標(biāo)位置和速度，并將信息反饋給PLC。因此需對(duì)機(jī)器人的6個(gè)鉸鏈副，實(shí)質(zhì)上就是6個(gè)伺服電機(jī)進(jìn)行位置控制定義。

通過2.2可知，手爪需要進(jìn)行“反算機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)”執(zhí)行器定義，“反算機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)”分為“離線”和“在線”兩個(gè)類型，在線反算機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)無需在MCD中定義手爪的坐標(biāo)點(diǎn)，可直接通過PLC來控制。要注意，在反算機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的“起始位置”選項(xiàng)要選擇工作坐標(biāo)系(WCS)原點(diǎn)，這樣才能保證后續(xù)通過虛擬PLC界面(HMI)控制手爪運(yùn)動(dòng)時(shí)，手爪能基于WCS原點(diǎn)進(jìn)行正常運(yùn)動(dòng)。執(zhí)行器設(shè)置如圖5所示。

圖5 定義執(zhí)行器

2.4 信號(hào)與信號(hào)適配器

對(duì)MCD三維模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，可通過外部信號(hào)的輸入實(shí)現(xiàn)信息交互。在信號(hào)適配器中，可將MCD中的執(zhí)行器相關(guān)參數(shù)作為變量參與到運(yùn)算公式中，構(gòu)建具有對(duì)應(yīng)邏輯關(guān)系的控制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)或行為的控制[6]。

根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)需求，建立兩組信號(hào)適配器，分別管理位置控制信號(hào)和手爪反算機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。具體設(shè)置如下。

(1) 位置控制信號(hào)

位置控制信號(hào)用于控制機(jī)器人軸臂的電機(jī)速度，因此針對(duì)每個(gè)控制位置各創(chuàng)建1個(gè)雙精度型的電機(jī)速度信號(hào)，共6個(gè)。同時(shí)添加“位置控制”中的速度參數(shù)作為變量，通過“公式”選項(xiàng)賦值到電機(jī)速度信號(hào)中，以此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。如圖6所示。

圖6 機(jī)器人軸臂控制信號(hào) 圖7 機(jī)器人手爪控制信號(hào)

(2) 手爪運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)

選擇反算機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)作為機(jī)電對(duì)象，添加該對(duì)象包含的6個(gè)參數(shù)，也就是控制手爪運(yùn)動(dòng)的X、Y、Z軸的直線位移和圍繞X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)角度。再創(chuàng)建6個(gè)信號(hào)以匹配該6個(gè)參數(shù)，通過“公式”選項(xiàng)將參數(shù)賦值給信號(hào)。要注意，信號(hào)名稱和參數(shù)名稱不能相同，以防止信號(hào)邏輯混亂，如圖7所示。

3 PLC環(huán)境搭建與編程

3.1 TIA Portal(博途)環(huán)境搭建

基于西門子 PLCS7-1500系列進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)。在TIA Portal中添加設(shè)備PLC(CPU1512C-1PN)和 HMI (TP700)，建立HMI連接，完成組態(tài)，如圖8所示。

圖8 組態(tài)搭建

3.2 HMI搭建

根據(jù)機(jī)器人控制功能需求，添加I/O域，定義為“電機(jī)速度”和“手爪運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)”，并在常規(guī)屬性設(shè)置中，將每個(gè)I/O域與PLC變量關(guān)聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互；再添加控制按鈕，以“開啟”按鈕為例，設(shè)置按鈕 “事件”屬性為：置位，關(guān)聯(lián)PLC程序塊變量“電源開關(guān)”，實(shí)質(zhì)就是當(dāng)按下“開啟”按鈕，輸出置位，電源開關(guān)的線圈得電，執(zhí)行啟動(dòng)。HMI界面如圖9所示。

圖9 HMI搭建

3.3 編寫、編譯、下載PLC程序

根據(jù)機(jī)器人控制功能需求，編寫PLC程序，分為“電源啟動(dòng)”和“坐標(biāo)控制”兩部分,主要采用MOVE指令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。部分PLC梯形圖及變量表如圖10所示。

圖10 梯形圖及變量表

使用軟件S7-PLCSIM Advanced V2.0創(chuàng)建虛擬PLC，接著對(duì)TIA Portal中的組態(tài)和PLC程序編譯，并下載到虛擬PLC中。此處特別要注意，必須在TIA Portal中的項(xiàng)目樹中，右擊項(xiàng)目名稱，單擊“屬性”，在保護(hù)選項(xiàng)勾選“塊編譯時(shí)支持仿真”，否則無法與虛擬PLC構(gòu)建連接。

4 MCD與TIA Portal聯(lián)合調(diào)試

4.1 外部信號(hào)配置與信號(hào)映射

在外部信號(hào)配置中選擇PLCSIM Adv，添加之前創(chuàng)建的虛擬PLC實(shí)例，更新標(biāo)記，可得到23個(gè)虛擬PLC的輸入輸出信號(hào)，即12個(gè)面向手爪和電機(jī)的控制信號(hào)，5個(gè)HMI面板的按鈕信號(hào)，6個(gè)HMI面板的I/O域坐標(biāo)輸入信號(hào)。

在MCD中建立12個(gè)輸入信號(hào)，與12個(gè)虛擬PLC的輸出信號(hào)進(jìn)行映射，如圖11所示。

圖11 信號(hào)映射

4.2 機(jī)電一體化虛擬調(diào)試

基于WINCC啟動(dòng)HMI面板仿真,給定相關(guān)運(yùn)動(dòng)數(shù)值，點(diǎn)擊“移動(dòng)坐標(biāo)”按鈕，機(jī)器人模型便會(huì)發(fā)生實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)，仿真效果快速直觀，便于判斷運(yùn)動(dòng)路徑合理性，虛擬調(diào)試效果如圖12所示。

圖12 虛擬調(diào)試效果

需要注意的是，應(yīng)根據(jù)機(jī)器人說明書設(shè)置每個(gè)軸臂鉸鏈副的上下限，以保證機(jī)器人的動(dòng)作是在合理范圍內(nèi)。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過MCD系統(tǒng)、TIA博途和PLC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互與控制，實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳遞，從而驅(qū)動(dòng)MCD機(jī)械運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的實(shí)時(shí)在線虛擬調(diào)試和驗(yàn)證，體現(xiàn)了軟件在環(huán)虛擬調(diào)試的便捷性。

文中提出將反算機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器取代常用的路徑約束運(yùn)動(dòng)副，主要是考慮了前者包含的參數(shù)更有利于控制手爪運(yùn)動(dòng)，對(duì)于機(jī)器人調(diào)試具有更明顯的優(yōu)越性，并且利用HMI人機(jī)互動(dòng)界面實(shí)時(shí)控制手爪運(yùn)動(dòng)，增加了以路徑軌跡定位為目標(biāo)的機(jī)電設(shè)備在線調(diào)試便捷性。因此，使用文中提出的方法、方案對(duì)常見的工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行在線虛擬調(diào)試非常適用，便捷性好，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，能更方便快速地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷和程序異常，調(diào)試結(jié)果準(zhǔn)確、真實(shí)。