鄭魁敬，代方園，廉 磊

(燕山大學(xué) a.先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.河北省并聯(lián)機(jī)器人與機(jī)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004)

0 引言

隨著“工業(yè)4.0”概念的提出，制造業(yè)模式向數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)變，虛擬調(diào)試技術(shù)基于仿真平臺(tái)對(duì)制造系統(tǒng)進(jìn)行有效監(jiān)督與控制，幫助技術(shù)人員提高設(shè)計(jì)速度，縮短產(chǎn)品調(diào)試時(shí)間，降低生產(chǎn)成本，逐漸成為國(guó)內(nèi)外技術(shù)人員研究的熱點(diǎn)[1-3]。Yong[4]研究了虛擬制造技術(shù)在鋼鐵制造業(yè)的應(yīng)用，Vermaak[5]使用虛擬調(diào)試驗(yàn)證了可重新配置的裝配系統(tǒng)的新應(yīng)用，Dennis[6]實(shí)現(xiàn)了虛擬調(diào)試技術(shù)在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線(xiàn)中的應(yīng)用，Park[7]研究了一種生產(chǎn)系統(tǒng)的硬件在環(huán)仿真，譚俊[8]將虛擬調(diào)試應(yīng)用到汽車(chē)覆蓋件模具制造行業(yè)，王春曉[9]將虛擬調(diào)試應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域，朱鴻泰[10]提出利用虛擬調(diào)試來(lái)解決機(jī)構(gòu)電機(jī)選型的新方案。

NX MCD是NX設(shè)計(jì)軟件中一個(gè)集機(jī)械、電氣、自動(dòng)化設(shè)計(jì)于一體的全新的機(jī)電產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)模塊。該模塊的仿真平臺(tái)采用NVIDIA PhysX物理運(yùn)算引擎，其特有的動(dòng)力學(xué)仿真設(shè)計(jì)使仿真效果更加接近物理環(huán)境。NX MCD附有豐富的自動(dòng)化接口，支持軟件在環(huán)和硬件在環(huán)的虛擬調(diào)試。NX MCD已受到了技術(shù)人員的密切關(guān)注，邢學(xué)快[11]基于NX MCD 對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和包裝流水線(xiàn)進(jìn)行仿真監(jiān)控，王俊杰[12]研究了基于NX MCD的機(jī)電概念設(shè)計(jì)與虛擬驗(yàn)證協(xié)同。機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)一般由PLC和機(jī)器人控制器進(jìn)行集成控制，由于NX MCD難以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)仿真，而RobotStudio等機(jī)器人專(zhuān)用仿真軟件只能實(shí)現(xiàn)單一機(jī)器人仿真，無(wú)法滿(mǎn)足機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)多工位多控制器的一體化聯(lián)合仿真。

本文以機(jī)器人磨削系統(tǒng)為研究對(duì)象，首先在NX MCD中創(chuàng)建機(jī)器人磨削系統(tǒng)的虛擬模型，添加虛擬模型對(duì)應(yīng)的物理和電氣屬性；其次根據(jù)機(jī)器人磨削系統(tǒng)的工作流程，編寫(xiě)控制程序；然后在PC端開(kāi)發(fā)集成控制軟件實(shí)現(xiàn)PLC系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)和OPC服務(wù)器的交互和控制；最后用集成控制軟件控制機(jī)器人磨削系統(tǒng)在NX MCD中進(jìn)行虛擬調(diào)試。

對(duì)機(jī)器人專(zhuān)用仿真器進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，通過(guò)OPC通訊技術(shù)傳遞機(jī)器人關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)，能夠在NX MCD動(dòng)力學(xué)仿真環(huán)境下實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)的聯(lián)合虛擬調(diào)試。這一方面解決了現(xiàn)有的機(jī)器人專(zhuān)用仿真器不能加載更多自動(dòng)化單元的問(wèn)題，另一方面解決了NX MCD中機(jī)器人仿真驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，可廣泛應(yīng)用于機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)的虛擬調(diào)試。

1 虛擬調(diào)試總體方案

1.1 系統(tǒng)組成

機(jī)器人磨削系統(tǒng)采用ABB機(jī)器人，安裝了六維力傳感器和力控制結(jié)構(gòu)，通過(guò)力感知和力控制來(lái)增強(qiáng)磨削加工的柔順性。

機(jī)器人磨削系統(tǒng)的虛擬調(diào)試方案如圖1所示，包括3個(gè)部分：NX MCD、PLCSIM和Robot Studio。NX MCD定義機(jī)電虛擬模型，PLCSIM實(shí)現(xiàn)PLC程序，Robot Studio實(shí)現(xiàn)機(jī)器人程序，通過(guò)OPC進(jìn)行信號(hào)傳遞和數(shù)據(jù)交互，集成控制軟件實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的過(guò)程監(jiān)控。

圖1 機(jī)器人磨削系統(tǒng)虛擬調(diào)試整體方案

1.2 NX MCD模型定義

在NX MCD中包括兩種模型：邏輯模型和機(jī)械概念模型。

邏輯模型定義了機(jī)器人磨削系統(tǒng)的所有組件，包括機(jī)器人磨削加工裝置、工件自動(dòng)化傳輸裝置、工件自動(dòng)化定位裝置、機(jī)器人磨削系統(tǒng)配套設(shè)施等。

機(jī)械概念模型包括幾何和物理模型。通過(guò)采用依附性命令為邏輯模型的子邏輯添加幾何體組件，并依據(jù)機(jī)器人磨削系統(tǒng)的設(shè)計(jì)布局裝配約束各組件的空間位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人磨削系統(tǒng)幾何模型的定義。

物理模型是在幾何模型的基礎(chǔ)上通過(guò)NX MCD命令對(duì)各組件添加物理特性、運(yùn)動(dòng)學(xué)行為和限制。

圖2為NX MCD中的機(jī)器人磨削系統(tǒng)機(jī)械概念模型。圖3所示為磨削配套工具組件的結(jié)構(gòu)。

在機(jī)械概念模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)添加廣義執(zhí)行器和傳感器屬性，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人磨削系統(tǒng)虛擬模型的機(jī)電融合。

圖2 機(jī)器人磨削系統(tǒng)機(jī)械概念模型示意圖

圖3 磨削配套工具組件的結(jié)構(gòu)圖

2 機(jī)器人磨削系統(tǒng)控制程序

機(jī)器人磨削系統(tǒng)的控制系統(tǒng)包括ABB機(jī)器人控制器IRC5和PLC控制器兩部分。在機(jī)器人磨削系統(tǒng)的工作過(guò)程中，機(jī)器人磨削系統(tǒng)信號(hào)與機(jī)器人控制器信號(hào)及PLC控制器信號(hào)實(shí)時(shí)進(jìn)行交互。

機(jī)器人磨削系統(tǒng)的工作流程如圖4所示。其中包括機(jī)器人磨削系統(tǒng)向機(jī)器人控制器和PLC控制器的信號(hào)輸出，機(jī)器人磨削系統(tǒng)接收來(lái)自機(jī)器人控制器的信號(hào)輸入，機(jī)器人磨削系統(tǒng)接收來(lái)自PLC控制器的信號(hào)輸入。根據(jù)圖4中的交互信號(hào)和邏輯關(guān)系可以開(kāi)發(fā)用于A(yíng)BB機(jī)器人控制的RAPID控制程序和用于PLC控制的梯形圖程序。

機(jī)器人磨削系統(tǒng)中的機(jī)器人控制邏輯主要是設(shè)定磨削運(yùn)動(dòng)執(zhí)行和輸入輸出信號(hào)。使用RAPID語(yǔ)言編寫(xiě)ABB機(jī)器人程序，可以用機(jī)器人示教器在線(xiàn)示教編寫(xiě)程序，也可以通過(guò)ABB的離線(xiàn)編程軟件RobotStudio編寫(xiě)，然后保存成.mod格式的文件下載到ABB機(jī)器人控制器。

圖4 機(jī)器人磨削系統(tǒng)工作流程

機(jī)器人磨削系統(tǒng)中的PLC控制邏輯主要包括紅外線(xiàn)傳感器1觸發(fā)信號(hào)控制程序和紅外線(xiàn)傳感器2觸發(fā)信號(hào)控制程序。PLC控制程序的輸入信號(hào)是紅外線(xiàn)傳感器1和2的觸發(fā)信號(hào)，輸出信號(hào)是電動(dòng)夾具1和2的位置信號(hào)、電動(dòng)定位滑塊的位置信號(hào)和流水線(xiàn)的速度信號(hào)。

3 機(jī)器人磨削系統(tǒng)集成控制軟件

3.1 集成控制實(shí)現(xiàn)方式

集成控制軟件分為機(jī)器人應(yīng)用程序和OPC客戶(hù)端應(yīng)用程序兩部分。在PC機(jī)上對(duì)機(jī)器人控制器二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的程序控制和運(yùn)動(dòng)監(jiān)控，同時(shí)導(dǎo)出機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)變量，為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的虛擬調(diào)試做準(zhǔn)備。開(kāi)發(fā)OPC客戶(hù)端實(shí)現(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)變量向OPC服務(wù)器的實(shí)時(shí)傳遞和對(duì)OPC服務(wù)器中PLC控制變量的監(jiān)控和控制。采用RobotStudio軟件建立的虛擬IRC5控制器作為ABB機(jī)器人軟件控制器，選擇S7-PLCSIM軟件作為PLC軟件控制器。

3.2 ABB機(jī)器人應(yīng)用程序

ABB機(jī)器人應(yīng)用程序利用PC SDK進(jìn)行開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)PC端與ABB控制器之間的通訊與控制。PC SDK主要包括以下幾個(gè)功能域：控制器域、Rapid程序域、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)域、I/O系統(tǒng)域、事件日志域、文件系統(tǒng)域，功能域的主要類(lèi)關(guān)系如圖5所示。利用這些功能域，構(gòu)建與之相關(guān)的類(lèi)，建立各個(gè)功能域之間的關(guān)系。

這些功能域包含了PC端訪(fǎng)問(wèn)機(jī)器人控制器的主要API(應(yīng)用編程接口)。ABB機(jī)器人應(yīng)用程序的具體功能包括連接在線(xiàn)的ABB機(jī)器人控制器，獲取機(jī)器人I/O信號(hào)，獲取機(jī)器人末端的位置、速率、各軸轉(zhuǎn)角、操作模式、坐標(biāo)等數(shù)據(jù)信息，遠(yuǎn)程讀取、加載及調(diào)用機(jī)器人RAPID加工程序等。

圖5 PC SDK主要類(lèi)關(guān)系模型圖

3.3 OPC通信程序

在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC控制器的通訊與控制，采用OPC服務(wù)器—OPC客戶(hù)端的數(shù)據(jù)通訊方式。OPC服務(wù)器一般都兼容PLC的接口，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC程序的信號(hào)傳遞。通過(guò)在PC端建立OPC客戶(hù)端的方式對(duì)OPC服務(wù)器中的PLC信號(hào)進(jìn)行讀取和修改。

OPC客戶(hù)端開(kāi)發(fā)流程如圖6所示，具體步驟為：

(1)首先程序獲取計(jì)算機(jī)IP、名稱(chēng)等信息，然后枚舉計(jì)算機(jī)注冊(cè)表中的OPC服務(wù)器，如果計(jì)算機(jī)中沒(méi)有服務(wù)器則會(huì)彈出報(bào)警屬性頁(yè)。

(2)選擇要連接的OPC服務(wù)器進(jìn)行連接，如果沒(méi)有連接成功則繼續(xù)嘗試連接，如果連接成功則默認(rèn)建立缺省組，也可通過(guò)設(shè)置組屬性建立自定義組，獲取該組中的數(shù)據(jù)項(xiàng)對(duì)象。

(3)如果要進(jìn)行讀操作，則程序?qū)@取到的數(shù)據(jù)項(xiàng)對(duì)象顯示到已清空的列表中，若進(jìn)行寫(xiě)操作則需要操作人員選擇要改變的變量，并將要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)填入寫(xiě)入編輯框中完成寫(xiě)操作。

(4)讀和寫(xiě)操作都完成之后退出程序時(shí)，系統(tǒng)斷開(kāi)與OPC服務(wù)器的連接并釋放資源，完成對(duì)與OPC服務(wù)器綁定的PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)PC端對(duì)PLC的遠(yuǎn)程控制功能。

由于NX MCD中沒(méi)有ABB機(jī)器人程序的編譯功能，需要在OPC客戶(hù)端界面建立機(jī)器人關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)傳遞模塊，將ABB機(jī)器人應(yīng)用程序中獲取的各關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞到OPC服務(wù)器中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)項(xiàng)。

圖6 OPC客戶(hù)端總體開(kāi)發(fā)流程

4 機(jī)器人磨削系統(tǒng)虛擬調(diào)試

4.1 信息交互

實(shí)現(xiàn)NX MCD中的機(jī)器人磨削系統(tǒng)與控制器進(jìn)行信息交互，需要在MCD中采用信號(hào)適配器命令對(duì)機(jī)電對(duì)象的運(yùn)行時(shí)參數(shù)定義輸入或輸出信號(hào)。NX MCD集成有OPC客戶(hù)端，可以采用OPC服務(wù)器的方式作為NX MCD與仿真控制軟件的通訊方式。ABB的IRC5控制器自帶IRC5 OPC服務(wù)器，PLCSIM可通過(guò)NetToPLCsim應(yīng)用程序連接KEP OPC服務(wù)器。

4.2 機(jī)器人仿真

打開(kāi)集成控制軟件ABB機(jī)器人應(yīng)用程序，連接虛擬控制器，加載在PC端編寫(xiě)并存儲(chǔ)的.mod格式的ABB機(jī)器人RAPID控制程序。啟動(dòng)程序中的main主例行程序，即可在IRC5虛擬控制器上啟動(dòng)機(jī)器人磨削系統(tǒng)的機(jī)器人控制程序。ABB機(jī)器人應(yīng)用程序如圖7所示。

圖7 ABB機(jī)器人應(yīng)用程序界面

4.3 PLC仿真

PLCSIM仿真PLC控制器可以通過(guò)NetToPLCsim應(yīng)用程序連接KEP OPC服務(wù)器。在OPC客戶(hù)端應(yīng)用程序中選擇并連接傳遞PLC信號(hào)的OPC服務(wù)器。圖8所示為OPC客戶(hù)端界面，可以遠(yuǎn)程更改PLC控制信號(hào)組的組屬性，設(shè)置和查看或改變選擇的某項(xiàng)PLC控制信號(hào)的值。同時(shí)在傳遞關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)量模塊將機(jī)器人的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)量實(shí)時(shí)傳遞給OPC服務(wù)器。

圖8 OPC客戶(hù)端應(yīng)用程序界面

4.4 信號(hào)映射

在NX MCD集成的OPC客戶(hù)端中選擇IRC5 OPC服務(wù)器和傳遞PLC控制信號(hào)和機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角信號(hào)的KEP OPC服務(wù)器，并選中對(duì)應(yīng)服務(wù)器中的控制信號(hào)。應(yīng)用NX MCD中的信號(hào)映射命令將NX MCD機(jī)電信號(hào)與OPC服務(wù)器傳遞的控制信號(hào)建立映射關(guān)系。

集成控制軟件控制的機(jī)器人程序和PLC程序在NX MCD仿真平臺(tái)上聯(lián)合虛擬調(diào)試，對(duì)機(jī)器人磨削系統(tǒng)在集成控制系統(tǒng)下的加工過(guò)程進(jìn)行仿真。圖9所示為NX MCD中機(jī)器人磨削生產(chǎn)單元的虛擬調(diào)試的部分過(guò)程。通過(guò)觀(guān)察集成控制系統(tǒng)下機(jī)器人磨削系統(tǒng)在NX MCD仿真平臺(tái)上的工作狀態(tài)，可驗(yàn)證機(jī)器人控制程序和PLC程序的正確性，同時(shí)也驗(yàn)證了基于NX MCD的機(jī)器人生產(chǎn)系統(tǒng)虛擬調(diào)試方案的有效性。

(a) 磨削加工前工件傳輸

(b) 夾具固定工件

(c) 機(jī)器人進(jìn)行磨削工作

(d) 加工完成夾具松開(kāi)與工件傳輸 圖9 MCD中機(jī)器人磨削系統(tǒng)的虛擬調(diào)試

4.5 調(diào)試驗(yàn)證

機(jī)器人磨削實(shí)驗(yàn)流程為：將PC機(jī)與IRC5控制柜用工業(yè)以太網(wǎng)連接，啟動(dòng)磨削機(jī)器人并將操作模式調(diào)到自動(dòng)檔位。運(yùn)行集成控制軟件的ABB機(jī)器人應(yīng)用程序，連接在線(xiàn)的磨削機(jī)器人控制器，將磨削機(jī)器人控制程序加載到控制器，啟動(dòng)磨削組件，開(kāi)始機(jī)器人磨削工作。

由于在虛擬調(diào)試過(guò)程中對(duì)控制程序中的錯(cuò)誤進(jìn)行了檢查修改，對(duì)磨削路徑和磨削速度進(jìn)行了優(yōu)化提升。機(jī)器人磨削實(shí)驗(yàn)中，磨削加工一次成功，沒(méi)有加工異常。磨削運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)流暢，無(wú)加工死角，磨削工具平緩穩(wěn)定，磨削表面加工精度達(dá)到加工標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)器人磨削實(shí)驗(yàn)結(jié)果體現(xiàn)了虛擬調(diào)試的應(yīng)用價(jià)值，安全高效提前解決了實(shí)際調(diào)試過(guò)程中將發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，提高了設(shè)計(jì)編程和生產(chǎn)效率。

5 結(jié)論

基于NX MCD的機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)虛擬調(diào)試方法，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人控制和PLC控制的聯(lián)合仿真。對(duì)機(jī)器人仿真器中的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)提取并通過(guò)OPC信息傳遞模塊傳送到NX MCD，有效打通了NX MCD中機(jī)器人驅(qū)動(dòng)仿真的技術(shù)瓶頸。集成控制軟件將機(jī)器人控制、PLC控制與NX MCD模型無(wú)縫結(jié)合，指令、信息、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互。NX MCD動(dòng)力學(xué)仿真環(huán)境下的機(jī)電軟一體化聯(lián)合仿真高效實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人磨削加工過(guò)程的虛擬調(diào)試，能夠提前發(fā)現(xiàn)磨削系統(tǒng)研制過(guò)程中PLC控制程序、機(jī)器人控制程序和機(jī)電零部件模型設(shè)計(jì)等的錯(cuò)誤和異常，避免了實(shí)際調(diào)試中的許多問(wèn)題，節(jié)約了調(diào)試成本，提高了加工安全性，縮短了生產(chǎn)周期，對(duì)于多工位多控制器的機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)系統(tǒng)研制和調(diào)試具有一定的實(shí)用意義和參考價(jià)值。