機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線過(guò)程仿真研究

陸沐暉，王昕

(吉林商務(wù)旅游學(xué)校，吉林吉林,132013)

0 引言

分析了工業(yè)機(jī)器人在現(xiàn)階段自動(dòng)化生產(chǎn)鏈中的應(yīng)用，探討了工業(yè)機(jī)器人在自動(dòng)化生產(chǎn)鏈中的應(yīng)用，為制造業(yè)提供更好的服務(wù)。通過(guò)在自動(dòng)化生產(chǎn)線中應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人，可以大幅提升工業(yè)行業(yè)的生產(chǎn)效率，降低廢品率，在確保產(chǎn)品加工質(zhì)量的同時(shí)，降低生產(chǎn)成本，為工業(yè)行業(yè)的長(zhǎng)久發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平與日俱增，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境日漸復(fù)雜，制造行業(yè)的發(fā)展也將面臨著前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。在這種發(fā)展背景下，工業(yè)機(jī)器人的引入，可以大幅提升制造業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)水平，加快行業(yè)智能化發(fā)展速度，幫助企業(yè)在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中占據(jù)一席之地，促進(jìn)制造業(yè)全面轉(zhuǎn)型，提升其經(jīng)濟(jì)效益。為了能進(jìn)一步研究沖皮生產(chǎn)線的關(guān)鍵技術(shù)，如軌跡、干渉檢查和傳感器系統(tǒng)等，采用虛擬樣機(jī)仿真軟件進(jìn)行研究，更直觀地反應(yīng)整個(gè)沖壓生產(chǎn)線中壓機(jī)和機(jī)器人的工作過(guò)程，強(qiáng)大的后處理系統(tǒng)也能直觀的顯示各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度、位移和加速度，方便設(shè)計(jì)者評(píng)估各參數(shù)的正確性。通過(guò)仿真軟件能消除設(shè)計(jì)階段的誤差，也能更好的實(shí)現(xiàn)負(fù)責(zé)不同工作部分人員的并行研究，節(jié)省新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期巧預(yù)算成本。從仿真內(nèi)容來(lái)看，生產(chǎn)線自動(dòng)化機(jī)器人仿真可以看作是單個(gè)機(jī)器人制造過(guò)程中協(xié)議規(guī)劃、性能規(guī)劃和監(jiān)控控制等離散事件仿真的綜合。從虛擬環(huán)境中連續(xù)過(guò)程仿真的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證到生產(chǎn)線的實(shí)際操作與配置，機(jī)器人仿真是連續(xù)機(jī)器人生產(chǎn)線事件仿真的核心內(nèi)容之一。

1 虛擬樣機(jī)技術(shù)簡(jiǎn)介

虛擬樣機(jī)技術(shù)起源于上世紀(jì)90 年代，是集計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和仿真技術(shù)等于一體的現(xiàn)代分析和設(shè)計(jì)新方法。興起之初，美國(guó)國(guó)防部定義為：能真實(shí)反映原型產(chǎn)品或原系統(tǒng)的物理特征且可與物理樣機(jī)相近的計(jì)算機(jī)仿真模型。虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究至今仍處于探索階段。大多數(shù)人的定義如下：在第一個(gè)原型生產(chǎn)之前，使用計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)模型。通過(guò)模型試驗(yàn)、仿真和匹配分析，最終產(chǎn)品的特性反映在實(shí)際工況下。提高產(chǎn)品性能，進(jìn)行數(shù)字化性能測(cè)試，以縮短開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和研發(fā)成本，提高發(fā)展中國(guó)家的生活能力，其生產(chǎn)目的：虛擬樣機(jī)技術(shù)相關(guān)技術(shù)為研究原型，包括有限元分析技術(shù)、仿真編程、控制系統(tǒng)建模、控制系統(tǒng)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究更具代表性的是其開(kāi)發(fā)交互完整的虛擬樣機(jī)分析軟件，可以分析機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，優(yōu)化分析和振動(dòng)分析，成熟的虛擬樣機(jī)技術(shù)擁有先進(jìn)的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)和用戶。目前，虛擬樣機(jī)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工程、國(guó)防、航空航天等領(lǐng)域。

2 自動(dòng)化生產(chǎn)線仿真過(guò)程的實(shí)現(xiàn)

2.1 生產(chǎn)線設(shè)備三維建模

高可靠性是設(shè)備建模的關(guān)鍵因素，高可靠性仿真試驗(yàn)可以有效地縮短啟動(dòng)時(shí)間，避免可能出現(xiàn)的問(wèn)題。在本文中利用solidworks 仿真軟件，通過(guò)開(kāi)發(fā)一條用于模擬電壓產(chǎn)生的機(jī)器人線，精確地模擬電壓產(chǎn)生的過(guò)程?；谏a(chǎn)線設(shè)備選型的三維設(shè)備模型如圖1 所示。這是精密壓縮機(jī)的三維模型和單螺桿焊接的三維模型。關(guān)鍵操作的結(jié)構(gòu)尺寸和實(shí)際配置如下：與所選設(shè)備相同：整個(gè)生產(chǎn)線的模擬圍繞FANUC roboguide 進(jìn)行，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線進(jìn)行模擬。根據(jù)壓力生產(chǎn)線的初步圖紙，精確地設(shè)計(jì)了三維模型。這些設(shè)備包括虛擬空間中的一臺(tái)涂油機(jī)和四臺(tái)壓縮機(jī)的三維結(jié)構(gòu)模型，并調(diào)動(dòng)6 臺(tái)fanuc-m20i-a 機(jī)器人精確設(shè)計(jì)兩個(gè)三維總分布模型。

圖1 自動(dòng)化生產(chǎn)線布局

2.2 三維模型驅(qū)動(dòng)

仿真的目的是模擬真實(shí)的動(dòng)畫，所有動(dòng)畫在生產(chǎn)線上的表現(xiàn)精度，以及基于設(shè)備的工作方式。在本論文的仿真中有機(jī)器人運(yùn)作過(guò)程、壓機(jī)動(dòng)模的上下運(yùn)作動(dòng)畫、物料形變的體現(xiàn)等，ROBOGUIDE 作為 FANUC 機(jī)器人自配的仿真軟件，可以運(yùn)用機(jī)器人編程技術(shù)設(shè)定路徑，但其軟件本身不提供壓機(jī)模型，也無(wú)法滿足不同壓機(jī)模型實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)壓機(jī)動(dòng)模運(yùn)作，而壓機(jī)動(dòng)模運(yùn)作是仿真真實(shí)性不可缺少的動(dòng)畫，實(shí)現(xiàn)壓機(jī)動(dòng)模驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)有：通過(guò)設(shè)定壓機(jī)的動(dòng)模節(jié)拍時(shí)間，能夠精準(zhǔn)的計(jì)算出整個(gè)沖壓生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍；在仿真環(huán)境下，借助壓機(jī)動(dòng)模的三維模型動(dòng)畫，可以確定壓機(jī)的空間干涉區(qū)域和壓機(jī)動(dòng)模驅(qū)動(dòng)點(diǎn)；同時(shí)可以引入物料的形變過(guò)程，以此提高仿真的可靠性，并且能夠直觀看出壓機(jī)的利用率。

本文是將壓機(jī)動(dòng)模三維結(jié)構(gòu)模型作為壓機(jī)本體的附屬運(yùn)動(dòng)軸導(dǎo)入到ROBOGUIDE 仿真軟件中，可在Motion 菜單欄下設(shè)定動(dòng)模運(yùn)作行程、動(dòng)模運(yùn)作速度、動(dòng)模驅(qū)動(dòng)接口，如圖2所示，以粗拉伸壓機(jī)三維模型驅(qū)動(dòng)方式為例，將動(dòng)模的驅(qū)動(dòng)方式設(shè)置為DeviceI/OControlled（I/O 點(diǎn)位控制設(shè)備），圖中-400mm 是動(dòng)模的運(yùn)作行程，50mm/sec 是動(dòng)模的運(yùn)作速度，在機(jī)器人編程中可通過(guò)DO1 設(shè)置成ON 即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)模的運(yùn)作，當(dāng)其運(yùn)作規(guī)定節(jié)拍后，將DO1 置OFF 即可。生產(chǎn)線其余壓機(jī)的三維模型驅(qū)動(dòng)，可根據(jù)各自的動(dòng)模行程和生產(chǎn)節(jié)拍設(shè)置其運(yùn)行速度，并且根據(jù)需要設(shè)定I/O 驅(qū)動(dòng)點(diǎn)位。

圖2 三維模型驅(qū)動(dòng)方式

2.3 沖壓機(jī)器人軌跡的規(guī)劃

根據(jù)機(jī)器人工作環(huán)境的三維模型大小，很容易完成機(jī)器人的軌跡規(guī)劃，機(jī)械采集器初始位置和機(jī)械采集器初始形狀的基本參數(shù)應(yīng)根據(jù)參考值選取，以保證周圍設(shè)備不受干擾，被分析材料的處理方法，線性過(guò)渡通常由采集器直接進(jìn)入設(shè)備區(qū)或在設(shè)備區(qū)增加線路規(guī)劃點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)；安全分析，多個(gè)機(jī)器人和變壓器相互連接，由空間路徑確定。為了保證多個(gè)機(jī)器人的軌跡不重疊，在機(jī)器人技術(shù)和收集器軌跡記錄系統(tǒng)中采用干涉檢測(cè)技術(shù)，保證機(jī)器人的運(yùn)行不受干擾。

在自動(dòng)化生產(chǎn)線控制程序編寫前，需要對(duì)機(jī)器人進(jìn)行軌跡的規(guī)劃及目標(biāo)點(diǎn)的示教。自動(dòng)化生產(chǎn)線中機(jī)器人分為三類：拆垛機(jī)器人、傳送機(jī)器人和下料機(jī)器人。拆垛機(jī)器人共有 3 個(gè)示教點(diǎn)，分別是機(jī)器人拾起板料點(diǎn)、中間過(guò)渡點(diǎn) home點(diǎn)、機(jī)器人放置點(diǎn)；傳送機(jī)器人共有 5 個(gè)示教點(diǎn)，分別是機(jī)器人拾取點(diǎn)、機(jī)器人在機(jī)床 1 等待點(diǎn)，機(jī)器人中間過(guò)渡點(diǎn)、機(jī)器人在機(jī)床 2 等待點(diǎn)、機(jī)器人放置點(diǎn)；下料機(jī)器人共有4 個(gè)示教點(diǎn)，分別是機(jī)床中拾取板料點(diǎn)、機(jī)床外等待點(diǎn)、過(guò)渡點(diǎn)、機(jī)器人放置點(diǎn)。目標(biāo)點(diǎn)示教后同步至 rapid 程序中，進(jìn)行程序的編程。

3 結(jié)語(yǔ)

本文所描述的生產(chǎn)線自動(dòng)仿真模型，通過(guò)在仿真環(huán)境中的測(cè)試，可以直觀地演示整個(gè)生產(chǎn)線，為生產(chǎn)線配置中的問(wèn)題提供預(yù)解決方案，并能精確定位。對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的預(yù)期影響以及實(shí)際節(jié)省的生產(chǎn)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)投資所需的時(shí)間。機(jī)器人生產(chǎn)線是數(shù)字化化工廠的重要組成部分，它具有數(shù)字化設(shè)計(jì)。虛擬機(jī)人機(jī)面向?qū)ο蟮姆抡娼７椒ㄟm用于連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程和離散制造過(guò)程。生產(chǎn)線是機(jī)器人生產(chǎn)線數(shù)字化建模的實(shí)用技術(shù)。基于該仿真模型設(shè)計(jì)的門殼自動(dòng)化生產(chǎn)線，已成功應(yīng)用于實(shí)際并開(kāi)始生產(chǎn)運(yùn)行，大大縮短了生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)周期，降低了調(diào)試過(guò)程中的經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)制造業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線有重要的參考意義。