基于Process Simulate的機器人運動程序開發(fā)及應(yīng)用

沈陽， 欒會玲

（1.華晨寶馬汽車有限公司，沈陽110044；2.寶馳工業(yè)自動化（沈陽）有限公司，沈陽110122）

0 引言

隨著對汽車產(chǎn)能及質(zhì)量要求的提高，汽車企業(yè)的焊裝生產(chǎn)線自動化程度越來越高， 多機器人組成的ROBOTS GARDEN要求多個機器人及相關(guān)自動設(shè)備協(xié)同工作。過去模擬仿真和現(xiàn)場調(diào)試是脫鉤的，模擬仿真不能生成現(xiàn)場調(diào)試者可用的程序，更多的是依靠現(xiàn)場調(diào)試人員的經(jīng)驗。Tecnomatix的Process Simulate Robotics提供了一個集機器人和自動設(shè)備規(guī)劃及驗證為一體的虛擬環(huán)境，能夠模擬機器人在真實環(huán)境中的工作情況，具有邏輯驅(qū)動設(shè)備技術(shù)和集成的真實機器人仿真技術(shù)，基于實際控制邏輯的事件驅(qū)動仿真使得虛擬調(diào)試成為可能[1]。從而大大提高了機器人離線編程效率和質(zhì)量，大大減少了真實環(huán)境調(diào)試的時間和成本[2]。本文針對焊裝車身車間，其自動化程度最高，機器人工況最為復(fù)雜。本文采用了汽車整機廠與機器人廠家聯(lián)合開發(fā)的模塊化程序，直接通過仿真環(huán)境輸出現(xiàn)場可直接使用的機器人程序，使仿真成為真正意義上的輸出工具，為智能化生產(chǎn)和虛擬化工廠的實施提供重要的方向指導(dǎo)。

1 數(shù)學(xué)模型導(dǎo)入

在進行仿真之前，需要把產(chǎn)品和設(shè)備模型加載進入Process Simulate環(huán)境中。如圖1所示，在車身車間，單站包括PLC和機器人機柜、機器人本體，以及連結(jié)卡盤和夾具，還有工具端（抓手、焊槍或其他焊接工具）等基本要素（如圖2），并且對應(yīng)單站機器人，某些工具端是針對某種特殊車型設(shè)計開發(fā)的。

圖2 機器人工具端

圖3 生產(chǎn)線虛擬布置圖

還涉及到多個機器人的聯(lián)合作業(yè)，這些基于特定車型研發(fā)的夾具，抓手數(shù)模轉(zhuǎn)換成Process simulate特定格式轉(zhuǎn)換導(dǎo)入到仿真環(huán)境中，并按照生產(chǎn)線布局圖及工藝順序安裝在相應(yīng)位置（如圖3）。

2 離線仿真

2.1 定義和設(shè)置坐標系

圖4 工具坐標系設(shè)置及三坐標機器人程序

由于機器人在執(zhí)行指令時需要使用不同的工具端到不同的工作臺完成工作，需要提前設(shè)置和定義分配相應(yīng)的坐標系，并在模擬過程中選擇正確的坐標系，這樣才能保證后續(xù)輸出的機器人軌跡是正確的和現(xiàn)場匹配的。首先設(shè)置工具端坐標系如圖4所示，這個坐標系是基于機器人手臂最前端面中心點為基準點計算所得。

然后設(shè)置基坐標系（如圖5），這個坐標系是基于機器人底座平面中心點計算所得。

圖5 基坐標系

2.2 離線軌跡和模塊化

設(shè)置初始化位置，定義好中間點及最終工藝點，選擇合適的逼近方式，就可以生成初始的機器人運動軌跡。

同時，針對同一機器人，還需生成維護程序運動軌跡，自動抱閘程序運動軌跡，零點檢驗程序運動軌跡，如圖6所示。

圖6 機器人程序及軌跡點

單個機器人的運動軌跡生成完成后，使用模塊化結(jié)構(gòu)，添加工藝數(shù)據(jù)，如點焊、涂膠、螺柱焊、抓取、鉚接等，如圖7所示。

3 安全設(shè)置

圖7 工藝點配置

生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)員工的人身安全始終是排在第一位的，要保證使用的每個機器人都是安全的，需要對每個機器人工具端、工作區(qū)及防碰撞區(qū)進行設(shè)置。

對于工具端，需要設(shè)置安全球，把工具端包絡(luò)進去，如圖8所示。

這樣機器人在運行過程中，實時計算并監(jiān)控這些安全球的三維空間位置。同時對于工作區(qū)，基于基坐標，設(shè)置機器人工作單元及工作區(qū)，并可以定義這些工作區(qū)是始終激活有效還是條件性激活有效。如圖9所示，操作者進入紅色工作區(qū)進行操作，觸發(fā)安全條件，這樣機器人帶著工具就不可以進入該區(qū)域。設(shè)置界面到機器人程序中，如圖10所示。

圖8 工具端安全包絡(luò)球

圖9 安全工作區(qū)

圖10 機器人安全球和工作區(qū)界面

設(shè)置好單個機器人安全區(qū)后，還需要進行機器人之間的碰撞區(qū)驗證（如圖11），如果在某一空間里，多個機器人的路徑都經(jīng)過此區(qū)域，這樣就會存在碰撞的風(fēng)險，就必須設(shè)置碰撞區(qū)。例如，機器人1進入了碰撞區(qū)1，就會顯示碰撞區(qū)1已經(jīng)被占用，假如機器人2也需要進入此區(qū)域1，就需要在此區(qū)域1 外進行等待，直至機器人1在區(qū)域1外工作完成，此區(qū)域被釋放，機器人2 才能被允許進入?yún)^(qū)域1。

圖11 多個機器人間的安全區(qū)

4 程序輸出

在Process Simulate完成了軌跡確認、工藝點信息確認、安全區(qū)和碰撞區(qū)設(shè)置后，通過Process Simulate和機器人廠商開發(fā)的控制器模塊，編譯生成機器人標準程序，還需要和上位PLC進行通信，如圖12所示。

每個機器人的狀態(tài)需要發(fā)送給PLC，PLC進行整個站的控制，需要發(fā)送給PLC的信息有：1）機器人在零點位，零點位可以設(shè)置多個，在某一個就發(fā)送給PLC占位信號。2）機器人執(zhí)行某個工作或程序號，PLC根據(jù)工藝順序，通知機器人開始執(zhí)行某個程序，機器人在開始和結(jié)束時都需要發(fā)送信號給PLC。3）工作區(qū)和防碰撞區(qū)，單個機器人進入了哪個碰撞區(qū)或申請進入也需要發(fā)信號給PLC。如果在機器人程序和PLC程序檢查中，發(fā)現(xiàn)需要修正，再回到Process Simulate中優(yōu)化，形成閉環(huán)直至修正至無錯誤。

在完成了與PLC的邏輯語言填充，確認無誤后，可以執(zhí)行輸出機器人程序，輸出的程序使用機器人程序軟件打開，模擬運行后，就可以直接導(dǎo)入到現(xiàn)場機器人控制器中，現(xiàn)場調(diào)試人員就得到了實際可用的機器人運動程序，如圖13所示。

圖13 現(xiàn)場機器人程序

5 結(jié)論

1）隨著汽車開發(fā)標準越來越成熟，現(xiàn)場布局和工藝順序都可以通過Process simulate模擬仿真來進行驗證，而且軟件開發(fā)越來越模塊化，使用最新開發(fā)的Process simulate中Robostics模塊，本文對其后續(xù)在汽車行業(yè)中流程化使用具有極強的指導(dǎo)意義和參考價值。

2）定義了安全工具、安全區(qū)及防碰撞區(qū)設(shè)置方法，并實現(xiàn)與上位PLC的邏輯編程，可實際輸出現(xiàn)場使用程序，減少了生產(chǎn)線的設(shè)計周期，同時也大大縮短了現(xiàn)場人員的調(diào)試時間，提高了設(shè)備規(guī)劃的準確性，提高了機器人運動軌跡的準確性及邏輯性。