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        工業(yè)機(jī)器人半實(shí)物虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計

        2021-06-17 07:42:00杜志強(qiáng)李凱宋中越邵帥李文欣韋澤坤
        電子制作 2021年11期
        關(guān)鍵詞:調(diào)試機(jī)械系統(tǒng)

        杜志強(qiáng),李凱,宋中越,邵帥,李文欣,韋澤坤

        (天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué),天津,300000)

        0 引言

        《中國制造2025》戰(zhàn)略規(guī)劃借鑒了德國“工業(yè)4.0”,以“智能制造”為主攻方向,為我國發(fā)展成現(xiàn)代化工業(yè)強(qiáng)國描繪了清晰的路線[1]。工業(yè)自動化是推動工業(yè)4.0的重要前提之一,也是必要因素,而工業(yè)自動化主要體現(xiàn)在機(jī)械制造和電氣工程領(lǐng)域,導(dǎo)致眾多機(jī)械和電氣相關(guān)廠商紛紛開展了智能制造方面的研究。

        目前全球眾多優(yōu)秀制造企業(yè)都開展了數(shù)字化工廠建設(shè)的實(shí)踐。FANUC公司實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人和伺服電機(jī)生產(chǎn)過程的高度自動化和智能化;施耐德電氣實(shí)現(xiàn)了電氣開關(guān)制造和包裝過程的全自動化。國內(nèi)也涌現(xiàn)出海爾、美的、東莞勁勝、尚品宅配等智能工廠建設(shè)的樣板,如海爾佛山滾筒洗衣機(jī)工廠、尚品宅配實(shí)現(xiàn)了從款式設(shè)計到構(gòu)造尺寸的全方位個性定制等。

        但目前數(shù)字化工廠仍存在較多缺點(diǎn)[2]:(1)盲目購買自動化設(shè)備和自動化產(chǎn)線。認(rèn)為推進(jìn)智能工廠就是自動化和機(jī)器人化;(2)尚未實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的自動采集和車間聯(lián)網(wǎng),導(dǎo)致依然存在大量信息化孤島和自動化孤島;(3)尚未具備快速建廠的技術(shù)條件,使得工廠建設(shè)過程周期漫長。

        究其原因,數(shù)字化制造工廠系統(tǒng)復(fù)雜,工廠的完善仍需要較長時間。而目前數(shù)字化工廠所存在的共性缺陷中、不能快速建廠是其最致命的缺陷,這是數(shù)字化工廠高度智能化導(dǎo)致工廠建設(shè)漫長與產(chǎn)品為搶占市場需要縮短上市周期之間的矛盾。縮短智能工廠開發(fā)周期對提高產(chǎn)品市場占有率具有重要意義。

        1 半實(shí)物虛擬仿真系統(tǒng)整體設(shè)計

        目前,市場上已有的工業(yè)機(jī)器人由于應(yīng)用場景的不同,種類很多,其特點(diǎn)也是各有千秋。本文擬設(shè)計一種基于工業(yè)機(jī)器人的半實(shí)物虛擬仿真系統(tǒng),通過對市場同類產(chǎn)品的特點(diǎn)分析,在系統(tǒng)控制方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計;在末端夾具方面創(chuàng)新設(shè)計了一種通用型多功能抓手[3];在軟件仿真和測試環(huán)節(jié),該研究采用了Visual C++、CAD和DH模型進(jìn)行開發(fā)。其中DH模型作為工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動仿真分析的支撐平臺,Visual C++和CAD主要用于設(shè)計工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械臂改進(jìn)和布局分析。

        目前項目已經(jīng)具備了數(shù)字化工廠虛擬互聯(lián)調(diào)試的基礎(chǔ)技術(shù),已經(jīng)可以通過仿真環(huán)境下物理的PLC[4]、HMI等自動化設(shè)備的結(jié)合,完成對PLC程序和機(jī)器人程序的聯(lián)合調(diào)試,在施工前即可實(shí)現(xiàn)設(shè)計和程序的提前驗證,具有了虛擬互聯(lián)調(diào)試的基本框架系統(tǒng)。在系統(tǒng)仿真聯(lián)調(diào)方面,本文著重探討工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂的改進(jìn)和與實(shí)際工廠相同的虛擬孿生系統(tǒng)的呈現(xiàn)。

        2 虛擬仿真系統(tǒng)硬件設(shè)計

        (1)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計

        研究所涉及的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)由機(jī)器人本體、電氣控制系統(tǒng)和能源驅(qū)動系統(tǒng)三個基本部分組成[5]。其中機(jī)器人本體在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用,一般由機(jī)器人底座、腰座、大臂、小臂、手腕、末端執(zhí)行器和驅(qū)動系統(tǒng)組成;能源驅(qū)動系統(tǒng)為整個機(jī)器人本體提供工作動力;末端執(zhí)行器可根據(jù)實(shí)際的工作需要,增加各類夾持器(夾手、夾具)或焊槍等設(shè)備,以便適用于相應(yīng)實(shí)際作業(yè)環(huán)境。

        工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

        工業(yè)機(jī)器人仿真系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn),工業(yè)機(jī)器人仿真[6]是通過計算機(jī)對實(shí)際的機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行模擬[7]的技術(shù)。機(jī)器人仿真系統(tǒng)可以通過單機(jī)或者多臺機(jī)器人從而組成工作站或是生產(chǎn)線。這些工業(yè)機(jī)器人的仿真軟件,可以在制造單機(jī)和生產(chǎn)線產(chǎn)品之前模擬出實(shí)物,這不僅可以縮短生產(chǎn)的工期,還可以避免不必要的返工。

        (2)抓手設(shè)計

        市場上現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)器人通常分為專用型和通用型,但不論是那種類型,機(jī)器人在抓取工件時只能根據(jù)工件的形狀更換專用的抓手。這樣頻繁更換抓手除了降低了工作效率,還在一定程度上加快了機(jī)械臂的磨損和機(jī)器的老化,并且在運(yùn)輸和后期的維護(hù)等方面存在著諸多不便。

        為了提高機(jī)械臂的靈活性,達(dá)到提高生產(chǎn)效率和穩(wěn)定性的目的,本文模仿人手結(jié)構(gòu),并結(jié)合具有柔性抓取及力反饋的設(shè)計,設(shè)計了一款能夠自主隨抓取物品調(diào)節(jié)、靈活度更好的抓手,使其能夠?qū)崿F(xiàn)對更多種類物體的搬運(yùn),其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        圖2 抓手外形示意圖

        機(jī)械臂結(jié)構(gòu)包括機(jī)械爪、手臂支架、第一伺服電機(jī)、第一絲杠、第一軸承機(jī)座、第一絲杠螺母、第一連接件和第二軸承機(jī)座;第一絲杠與第一伺服電機(jī)的輸出軸傳動連接;第一絲杠穿設(shè)于第一軸承機(jī)座內(nèi);第一絲杠螺母套設(shè)于第一絲杠上并與第一連接件周向固定連接,第一連接件連接抓手;抓手連接手臂支架;第二軸承機(jī)座內(nèi)設(shè)置有至少一個第二軸承,第一絲杠穿設(shè)于第二軸承內(nèi)。

        3 仿真系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果

        數(shù)字孿生的一個重要用途,就是針對系統(tǒng)的調(diào)試。智能化的系統(tǒng)往往特別復(fù)雜。單純的算法設(shè)計,其運(yùn)行結(jié)果如何,真的難以預(yù)知。針對系統(tǒng)調(diào)試過程,數(shù)字孿生的價值是非常大的。半實(shí)物仿真調(diào)試系統(tǒng)基于數(shù)字孿生概念設(shè)計。

        數(shù)字孿生在化工和冶金領(lǐng)域,往往采用二維的調(diào)試畫面,而在機(jī)械領(lǐng)域,在系統(tǒng)調(diào)試、分析故障等場合,則往往采用三維動畫,這樣設(shè)計是采用三維動畫不僅更容易被人理解,而且在調(diào)試過程中,會對人的分析、管理非常有幫助,其調(diào)試效果顯著。

        基于以上分析,綜合目前存在的車間機(jī)械電氣綜合安裝調(diào)試環(huán)節(jié)穩(wěn)定性不好,周期長等方面的缺陷,本文所涉及的模擬仿真調(diào)試系統(tǒng)采用:在三維動態(tài)[8]設(shè)計的基礎(chǔ)上融合電氣設(shè)計,將電氣邏輯進(jìn)行設(shè)計后,按照實(shí)際工作需求以電氣信號作為虛擬工廠動作的觸發(fā)[9]。這樣設(shè)計的目的,不僅解決了系統(tǒng)可達(dá)性和干涉問題,經(jīng)過調(diào)試,還能生成經(jīng)過驗證的電氣控制信號,進(jìn)而進(jìn)一步縮短開發(fā)周期。

        本文所設(shè)計模擬過程如圖3所示。

        圖3 系統(tǒng)模擬流程

        實(shí)驗室系統(tǒng)聯(lián)調(diào)及數(shù)據(jù)采集實(shí)物圖如圖4所示。

        圖4 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)及數(shù)據(jù)收集實(shí)物圖

        系統(tǒng)聯(lián)調(diào)所測結(jié)果如表1所示。

        表1 虛擬調(diào)試情況統(tǒng)計

        通過對實(shí)驗數(shù)據(jù)分析,不難發(fā)現(xiàn),本文所設(shè)計的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如下效果:

        (1)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械與電氣的融合設(shè)計,可呈現(xiàn)出與實(shí)際工廠相同的虛擬孿生系統(tǒng);

        (2)智能制造工廠一般選用工業(yè)機(jī)器人作為執(zhí)行機(jī)構(gòu),對于復(fù)雜生產(chǎn)工序的工廠,應(yīng)用本方法可大大縮短建設(shè)周期,可縮短為現(xiàn)有方法所需時間的15%;

        (3)仿真調(diào)試系統(tǒng)兼容性強(qiáng),適用于各生產(chǎn)加工企業(yè),能滿足不同行業(yè)的定制需求。

        4 結(jié)語

        本文重點(diǎn)對機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)進(jìn)行了分析,該設(shè)計的目的是研發(fā)出一款工業(yè)機(jī)器人半實(shí)物虛擬仿真系統(tǒng)[10]。其研究的主要內(nèi)容及效果如下:

        (1)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械與電氣的融合設(shè)計,呈現(xiàn)出與實(shí)際工廠相同的虛擬孿生系統(tǒng)。

        (2)基于OPC 協(xié)議的虛擬調(diào)試互聯(lián)。

        根據(jù)PS 軟件提供的同PLC 連接方式的不同,虛擬調(diào)試系統(tǒng)也有不同的互聯(lián)方式。其中OPC 協(xié)議連接的方式是通過在PC 上建立OPCServer,作為信號傳遞的中轉(zhuǎn)站。

        (3)低成本系列化工業(yè)機(jī)器人開發(fā)。

        開發(fā)的機(jī)器人需要具有以下功能,能夠與OPC系統(tǒng)通訊,代替實(shí)際機(jī)器人進(jìn)行仿真。采用步進(jìn)電機(jī)提供驅(qū)動,機(jī)身采用模塊化組裝工藝,機(jī)器人本體的設(shè)計原則為即減低本體質(zhì)量又保留較強(qiáng)性能。運(yùn)動控制采用多軸聯(lián)動插補(bǔ)控制算法,保證了機(jī)械臂具有高精度的控制。LT機(jī)器人功能強(qiáng)大,其功能涵蓋了現(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人全部的基本功能,同時為機(jī)器人配備了視覺功能,更進(jìn)一步提高了機(jī)器人的智能化。

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