基于Tecnomatix 的可視化裝配過程仿真與離線編程*

馬 可 史朝順 許 蒙

（河海大學機電工程學院 常州 213022）

1 引言

我國制造業市場巨大，在世界上有著舉足輕重的影響，但是一直以來都沒有擺脫低端的標簽，沒有實現“中國智造”的轉變［1～2］。

在智能制造工程領域，《中國制造2025》指出，要在重點領域試點建設智能工廠/數字化車間，實現關鍵工序智能化、關鍵崗位機器人替代、生產過程智能優化控制。裝配是產品制造過程中的重要環節，約占產品生產總成本的40%［3］，而傳統的裝配工藝缺乏仿真驗證手段［4］，導致實際生產中會出現各種問題，如機器人動作不可達，裝配過程中存在靜態或者動態干涉［5］，機器人移動路徑過于復雜等。

國外對生產仿真系統軟件的研發非常成熟，并且得到了廣泛應用［6］。2008 年Bzymek Z.M.等利用Quest 軟件建立仿真模型，并輸入某航空公司的數據，找到了瓶頸工位并對生產線進行了優化，從而達到了最佳產能［7］；2012 年Anthony Waller 闡述了Witness 仿真軟件的組成，以及軟件可以快速搭建仿真模型的關鍵技術［8］；2015 年Steffen Bangsow 在其著作中系統地對Plant Simulation 軟件進行了介紹，通過兩百多個實例演示了如何使用仿真軟件及SimTalk語言對復雜的模型和任務進行處理［9］。

本文通過利用西門子數字化組合軟件平臺，以某項目為例，在三維環境下實現數字化、一體化的工作流程，通過虛擬仿真技術，實現裝配工藝的設計、規劃、仿真優化與模擬調試，從而縮短規劃時間，優化資源配置，提高整個裝配過程的生產效率，其輸出的仿真視頻可以為工藝人員提供直觀的指導，并對機器人進行快速有效的編程。

2 產品裝配工藝分析

本項目中需要完成裝配的產品有三款，包括智能音箱、冰箱及洗衣機模型，如圖1 所示。智能音箱的結構組成為：組件、下殼、螺釘（×3）和蓋底。冰箱模型由箱體、門體（×2）、抽屜（×2）和鉸鏈（×2）組成。洗衣機模型由箱體、上蓋、前殼和兩個滾筒組成。在充分了解三種產品的機械結構和產品裝配要求的基礎之上，對三種產品的裝配工藝流程進行了規劃與制定。智能音箱、冰箱、洗衣機模型的裝配工藝流程分別如圖2所示。

圖1 待裝配產品模型

圖2 待裝配產品裝配工藝流程

3 基于PD/PS 的裝配過程建模與仿真

3.1 PD/PS仿真流程規劃

PD/PS（Process Designer & Process Simulate）是一個多層數據庫結構，將產品信息與產品制造特征、制造資源和制造工藝關聯在一起，這種關聯貫穿于整個產品生產制造過程中［10～11］。Process Designer 為整個產品制造過程提供給了完整的框架，可以更好地匹配和簡化產品制造的規劃過程，可以進行生產過程的規劃、分析、確認和優化。Process Simulate 支持流程驗證和詳細的流程創作，它提供了從工廠級到生產線和工作單元的設計、分析、模擬和優化制造過程的功能。制造商可以在早期利用Process Simulate 對制造方法和手段進行虛擬驗證，該解決方案對產品和資源的三維數據的利用能力極大地簡化了復雜制造過程的驗證、優化和試運行等工程任務。

圖3 是PD/PS 裝配過程的流程圖，主要分為三個部分：模型的建立，裝配過程仿真與驗證，結果輸出。

圖3 PD/PS仿真流程圖

3.2 建立仿真項目

1）數據轉換

PD/PS 軟件本身是具有建模的功能的，但是由于其并非一款專門建模的軟件，所以直接在PD/PS內部建模的難度較大。本項目中所有模型都是用Solidworks 建立的，而適用PD/PS 軟件的模型格式是cojt 文件，所以就需要將Solidworks 建立的模型轉換成cojt 格式的文件，首先通過CrossManager 軟件將模型轉換成jt 格式的文件。通過CrossManger軟件將模型轉換為jt 格式后，再通過JT 轉COJT 格式插件將jt 文件轉換為cojt 格式的文件，最終得到所需要的文件。

2）導入模型文件

模型文件的導入是在Process Designer 里面完成的，首先新建4 個文件夾，分別命名為Resource（資源庫：用來存放設備資源），Product（產品庫：存放產品文件），Process（工藝庫：存放相關工位資源及操作流程），Work（工作文件夾：起臨時存儲作用）。文件夾創建好之后需要創建工程庫，將模型文件導入，模型文件導入需要對文件的類型進行指派，如圖4所示，其中機器人需要設置為“Robot”，產品需要設置為“PartPrototype”，夾爪設置為“Gripper”，擰螺釘模塊需要設為“Device”，工作臺設置為“Work_Table”，其他模型均選擇為“Fixture”。導入完成之后，在導航樹窗口加載資源數據和產品數據并添加根節點，建立雙胞胎結構，按照工藝任務將零件分配到相應的工位。

圖4 模型類型指派

3.3 建立動態裝配仿真

1）定義機器人組件運動學

為了實現機器人在仿真中可以自由動作，實現裝配動作，需要對機器人進行運動機構的定義。在建模模式下選中機器人，利用運動學編輯器對機器人的運動機構進行定義。設置好每段桿件之后，將link0 依次連接至link6，相鄰的兩段桿件構成父子連桿，根據機器人運動參數（相對運動關系、旋轉角度）對桿件之間的運動關系進行設置。

機器人的移動以及末端執行器的安裝需要進行定位，所以還需要對機器人設置兩個坐標系：基坐標系和工具坐標系?；鴺讼担涸诜抡姝h境和現實中，機器人工作站中的每一個機器人都擁有一個位于機器人底座的基坐標系，該坐標系可以方便地進行機器人移動和定位。工具坐標系：工具坐標系的建立是為了方便機器人末端執行器的安裝，工具坐標系設置在機器人末端法蘭盤的中心。圖5 為定義完成的機器人。

圖5 機器人參數定義

2）可達性分析

通過對機器人抓取、放置動作以及移動路徑的設置完成之后，需要對機器人可達性進行分析，通過PS 軟件中的“智能放置”可以自動分析機器人的動作是否可達，通過對搜索范圍的設置，選擇機器人以及機器人需要執行的動作，設定機器人執行動作的大致區域，軟件自動分析結果如圖6 所示，圖中紅色區域代表機器人不可達，藍色區域代表機器人完全可達，其在軟件視圖區域所對應的情況如圖7 所示，從圖中可以看出，機器人目前所處位置是完全可達的，證明了機器人放置位置的合理性與可行性。

圖6 機器人智能放置

圖7 視圖區機器人智能放置圖示

3）干涉分析

干涉分為靜態干涉和動態干涉，靜態干涉是指沒有外加驅動力靜止狀態下，機器人與工件、設備發生的干涉［12］，對于靜態干涉，是設計方案中存在的缺陷，需要對設計方案進行修改。與靜態干涉相對的動態干涉是指機器人抓取、放置工件的相互運動的過程中，與工件或者設備產生的干涉。對于這類干涉可以建立機器人的掃掠體，掃掠體就是機器人在整個空間運動動作的集合體，對于機器人掃掠體的建立如圖8 所示，綠色部分即為機器人的掃掠體，它覆蓋了兩臺機器人所有運動的軌跡和范圍。

圖8 建立掃掠體

建立掃掠體的目的是為了檢查機器人的干涉，通過在之前建立的掃掠體的基礎之上建立干涉體，如圖9 所示，紅色部分即為干涉體，它表示的是兩臺機器人之間可能會產生觸碰而存在的干涉區域，對于這類干涉可以通過調整機器人動作位置和順序進行優化，從而消除動態干涉的影響。

圖9 建立干涉體

4 仿真結果分析

將編輯好時序的運動動作加載到“序列編輯器”中，序列編輯器包含兩個可調整大小的區域，左側為樹狀區域，右側為甘特圖區域，如圖10 所示。將需要運行的操作加載到序列編輯器中，按照連接序列對序列編輯器中的對象進行排序，連接的順序決定了操作的運行順序。當模擬一個操作時，可以在圖形查看器中看到運行的操作，并且有一條垂直的紅線沿著甘特圖中的操作移動，在甘特圖區域顯示的操作和子操作，可以看到它們的關系以及運行所需要的時間。

圖10 序列編輯器

洗衣機模型和智能音箱由同一機器人進行組裝，所以將音箱的裝配鏈接在洗衣機之后，冰箱由另一臺機器人單獨裝配，冰箱和洗衣機的裝配同時進行，開始仿真，仿真過程將會以動態的形式呈現，圖11 為兩臺機器人分別在對洗衣機和冰箱模型進行組裝，從動態仿真中可以清晰直觀地看出機器人的每一個裝配動作，以及機器人的運動軌跡和方向。

圖11 動態仿真過程

5 仿真結果輸出

5.1 仿真動畫技術

為了方便機器人虛擬仿真動畫的查看，Process Simulate軟件自身支持導出虛擬仿真的視頻文件。Process Simulate軟件中集成了“Export to Web”功能，使用“Export to Web”功能可以將創建好的3D模型數據和虛擬仿真操作轉換并導出為HTML 格式文件。這樣仿真人員就可以使用Web 瀏覽器與他人隨時隨地共享、查看這些內容。在Web瀏覽器中，用戶可以從不同角度對仿真模型進行視圖旋轉、平移、縮放以及仿真運行等操作，而無需額外安裝仿真軟件。圖12 為在Web 瀏覽器中對文件進行查看。

圖12 仿真視頻輸出

5.2 離線編程技術

目前機器人的編程方式主要有兩種：手動在線示教編程和離線編程［13］。手動在線示教編程是通過人工的方式，一邊操作機器人的運動，一邊對加工路徑及運動軌跡進行記錄，并設置各個示教點的運行參數。手動在線示教編程過程繁瑣、效率低，示教過程容易發生事故，存在安全隱患，且依賴工程師的經驗，對于復雜路徑的示教難以取得讓人滿意的效果［14］。離線編程是在計算機里重建整個工作場景的三維虛擬環境，自動對加工軌跡進行規劃，在離線的環境設置運動軌跡的參數，生成加工程序的一種編程方法。離線編程克服了手動在線示教編程的許多缺點，兼容性高，充分利用了計算機的功能，減少了編寫機器人程序所需的時間，簡潔，高效，方便，安全［15］。

Process Simulate 支持與可編程的Simulation-Unit PNIO（ProfiNet I/O）設備的直接連接，可以與多種機器人實現無縫對接，最多可以模擬256 個，可以方便地進行機器人離線編程。在對機器人離線編程前，需要對機器人進行校準，使其虛擬與現實工作相一致。通過模塊可以選擇與所使用的機器人相符合的控制器，在生成的程序中設置的參數包括機器人的運行速度和加速度、機器人的運動軌跡、工具坐標、基坐標等。

要得到離線程序，首先需要對機器人屬性進行相關設置，需要對機器人型號以及相應的控制器進行選擇，然后設置下載離線程序的內容，設置機器人編號及工具，選擇離線程序模板，選擇路徑的所有點，最后通過運行自動示教，示教完成后下載程序，它將機器人程序轉換為可下載到機器人的文件，該命令根據分配給機器人程序的機器人控制器指定的語法來轉換機器人程序，其中部分程序如圖13所示。

圖13 離線程序

6 結語

本文以某公司機器人自動化裝配項目為例，通過應用西門子數字化組合軟件平臺中的PD/PS 軟件，實現了機器人自動化裝配過程的仿真與驗證，使得工藝設計、工藝流程和機器人軌跡規劃等工作變得更加準確、高效，通過可達性分析和干涉分析，找出設計中不合理之處，實現了機器人裝配節拍的驗證和優化，避免了實際生產中可能出現的問題，提前驗證了生產的可行性，實現了對機器人快速有效地離線編程，大大縮短了項目生產周期，降低了生產成本，對提高企業數字化生產水平具有重要意義。