基于MCD的自動化裝配站的虛擬仿真設計

顧宇峰 王杰

1. 江蘇聯合職業技術學院蘇州工業園區分院，江蘇蘇州 215123；2.江蘇匯博機器人技術股份有限公司，江蘇蘇州 215000

0 前言

《職業教育示范性虛擬仿真實訓基地建設指南》中指出，要大力發展虛擬仿真實訓基地建設，解決實訓教學過程中高投入、高損耗、高風險及難實施、難觀摩、難再現的“三高三難”痛點和難點[1]。裝備制造類專業自動化設備投入大、損耗高、教學難觀測，特別是全國職業院校技能競賽工業機器人技術應用、機器人系統集成等賽項，一臺設備在60萬以上，購置10臺以上設備進行教學是不可能的。本文以工業機器人技術應用賽項設備為對象，進行MCD機電一體化概念設計[2]，采用KEBA科控的工業機器人虛擬仿真軟件KeMotion3進行機器人虛擬仿真系統編程設計，采用西門子博圖V15軟件進行PLC虛擬仿真系統編程設計，通過OPC Server軟件KEPServerEX 6 Configuration軟件配置，MCD軟件中進行外部信號配置與信號映射，最終調試完成自動化裝配站的虛擬仿真。

1 工作原理

1.1 設備說明

“工業機器人技術應用”競賽在“工業機器人技術應用實訓平臺”上進行，該設備由工業機器人、自主導航AGV機器人、智能2D相機、托盤流水線、裝配流水線和碼垛機立體倉庫等6個單元組成[3]，如圖1所示。系統的主要工作目標是實現機器人關節的混流生產，基本流程為：碼垛機器人從立體倉庫中取出工件放置于自主導航AGV機器人上部輸送線；自主導航AGV機器人輸送至托盤流水線上，利用智能2D視覺系統引導工業機器人對托盤中放置的工件進行分選識別；接著，工業機器人進行混流裝配；裝配完成后，工業機器人抓取成品套件放置于自主導航AGV機器人上部輸送線上；自主導航AGV機器人轉運至立體倉庫入庫位置，完成成品套件的入庫作業[4]。

1.2 MCD說明

機電一體化概念設計解決方案（MCD）是一種全新解決方案，適用于機電一體化產品的概念設計[5]。借助該軟件，可對包含多物理場以及通常存在于機電一體化產品中的自動化相關行為的概念進行3D建模和仿真，MCD支持功能設計方法，可集成上游和下游工程領域，包括需求管理、機械設計、電氣設計以及軟件、自動化工程。此次設計將大賽設備進行三維建模，然后導入到MCD軟件中，進行合理布局，如圖2所示。

2 系統軟件設計

2.1 MCD配置和仿真

根據實際的運動關系，在機電虛擬調試軟件中設置剛體、碰撞體、運動副、位置控制、傳感器等，創建競賽平臺的模型。在MCD軟件中完成AGV、板鏈單元-備品庫、板鏈單元-成品庫、板鏈單元-輸送、板鏈單元-裝配工位、倍速鏈單元、基座、電機、減速器、輸出法蘭、機器人單元-ER20、機器人單元-雙吸盤工具、輸送板鏈單元、托盤、移動小車、倉儲的參數配置。以AGV小車為例，需要進行剛體、滑動副、位置控制、傳輸面、碰撞材料等參數配置，如圖3所示。

2.2 機器人虛擬仿真軟件編程

采用工業機器人虛擬仿真軟件KeMotion3編程[6]，通過模塊化編程方式，編寫主程序MAIN、機器人回原點子程序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、成品入庫的子程序、點位示教的子程序等，通過主程序調用子程序的方式完成程序設計，點位示教子程序中，需要操作虛擬仿真軟件示教器在MCD軟件中進行點位的示教。圖4為工件裝配時的部分程序和場景。

2.3 博圖軟件編程與配置

采用西門子博圖V15軟件進行編程[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、組機器人、組碼垛機、組相機等。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、新建數據塊MCD通訊數據DB104，如圖5所示。

3 系統通訊參數配置

3.1 OPC Server軟件參數配置

根據系統虛擬仿真測試要求，使用OPC Server軟 件KEPServerEX 6 Configuration進行通訊參數配置，通過在該軟件中建立變量，與西門子博圖軟件中的MCD通訊數據進行關聯，達到數據通訊測試的作用。具體參數配置步驟如下：首先，在OPC軟件中選擇要創建的通道類型，選擇“siemens TCP/IP Ethernet”，網絡適配器選擇計算機以太網通訊網卡，添加設備，選擇型號為“S7-1200”，ID輸入PLC以太網地址；然后，打開博圖軟件，觀測MCD通訊數據中的變量名稱和地址，在OPC軟件中新建標記組，將MCD通訊數據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，觀測到博圖軟件中MCD通訊數據中變量名稱為AGV當前位置，數據類型為INT，則添加到OPC中名稱也應為AGV當前位置，地址則輸入“DB104.INT0”，完成所有MCD通訊數據中所有變量的添加，則變量配置結束。

3.2 MCD軟件外部信號配置與信號映射

根據系統虛擬仿真測試的要求，需要在機電虛擬調試軟件中配置對應的通信[8]，根據通信方式對應的通信協議配置對應的信號，將配置好的信號和模型驅動接口建立一一映射的關系。配置步驟如下：首先，在MCD軟件中點擊外部信號配置，選擇OPC DA通訊，點擊 添 加Kepware.KEPServerEX.V6，在OPC DA中將所有信號進行勾選，點擊確定；然后，在外部信號配置中選擇信號映射，將MCD信號和外部信號進行變量關聯，如圖7所示，關聯所有外部信號，則信號配置結束。

4 仿真測試

4.1 測試過程

在工業機器人虛擬仿真軟件中編寫好程序，并且在MCD中示教好點后，點擊仿真播放；將虛擬仿真軟件示教器設置在手動擋，然后手動單步調試程序，觀測MCD中機器人搬運和裝配工件的單步運行情況；運行正確后，就可以將虛擬示教器設置在自動檔，按下運行按鈕，測試自動運行。

將博途PLC程序下載到虛擬PLC中，然后將虛擬PLC運行，MCD軟件點擊仿真播放，在博途軟件中輸入立體倉庫和AGV小車位置號，測試立體倉庫和AGV小車虛擬運行的情況。

運行虛擬PLC，將虛擬示教器設置在遠程端，播放MCD軟件，進行設備整體虛擬測試。工業機器人競賽平臺自動運行，執行工件出庫、AGV輸送至托盤流水線、工件檢測、工業機器人裝配、工業機器人拆解、AGV輸送至立體倉庫、工件入庫等全流程。

如果以上仿真測試出現故障，應立即停止仿真，排除故障后再調試，直至運行正常并穩定，則測試結束。

4.2 測試結果

在MCD配置和仿真不變的基礎上，修改博途軟件編程，即可改變立體倉庫出庫和入庫的庫位及仿真、自主導航AGV機器人的位置及仿真；修改工業機器人虛擬仿真軟件編程，即可改變工件裝配和拆解的流程。經過多次測試，證明該系統具備了自動化裝配站虛擬仿真功能，運行穩定，具有安全性。

5 結束語

基于MCD的自動化裝配站的虛擬仿真設計，將全國高職組“工業機器人技術應用”賽項設備虛擬化，將虛擬化的PLC、工業機器人示教器、MCD設備進行了軟件在環的虛擬調試，很好地解決了實訓教學過程中的“三高三難”痛點和難點。

該系統使用MCD軟件將導入的三維模型設備進行參數配置，通過工業機器人虛擬仿真軟件示教器進行編程，通過與MCD聯合仿真完成工業機器人點位示教，通過博圖PLC進行程序編寫，通過OPC服務器軟件進行參數配置，再通過MCD配置完成信號映射，最終完成系統的整體虛擬測試。

經過多次測試，證明該系統具備了自動化裝配站虛擬仿真功能，運行穩定，具有安全性。