張廣祥 李玉爽

摘要：在Roboguide平臺模擬工廠，通過虛擬環(huán)境優(yōu)化工廠布局并仿真生產(chǎn)過程，在虛擬環(huán)境中能真實地模擬生產(chǎn)線的運動，為設計提供依據(jù)可行性的根據(jù)，且在計算機上可方便地修改完善設計，實驗不同的方案，對生產(chǎn)線進行不斷的優(yōu)化，可以大大減少調試的成本。在ROBOGUIDE平臺上分別從機器人控制柜、機器人執(zhí)行機構、到工裝數(shù)模和外圍設備進行設計，從而完成機器人加工生產(chǎn)虛擬環(huán)境的仿真設計，為機器人仿真提供了基礎環(huán)境。

關鍵詞：虛擬環(huán)境;仿真;工業(yè)機器人

中圖分類號：TP391.9? ? ? 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：2096-4706（2021）07-0088-03

Design of Simulation Environment Based on Roboguide Platform

ZHANG Guangxiang，LI Yushuang

（Wuhu Institute of Technology，Wuhu? 241003，China）

Abstract：To simulate the factory in the Roboguide platform，with the help of virtual environment to optimize the factory layout and simulate the production process，and we can simulate truly the production line movement in the virtual environment，which provides the basis for the design. Furthermore，it is convenient to modify and perfect the design on the computer，test different schemes，and optimize the production line continuously，which can greatly reduce the cost of debugging. Based on the ROBOGUIDE platform，the robot control cabinet，the robot actuator，the tooling digital simulation and the peripheral equipment are designed respectively，so as to complete the simulation design of the robot manufacturing virtual environment，which provides the basic environment for the robot simulation.

Keywords：virtual environment;simulation;industrial robot

收稿日期：2021-03-08

項目基金：省級質量工程項目：智能制造虛擬仿真實驗教學項目（2019xfzx03）

0? 引? 言

隨著工業(yè)科技的快速發(fā)展，信息技術在智能制造領域應用十分廣泛，計算機虛擬仿真成為探究復雜系統(tǒng)的重要技術手段。采用仿真技術能夠不斷優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)方案，縮短新產(chǎn)品開發(fā)的周期，減少人工勞動，降低生產(chǎn)成本[1]。在工業(yè)4.0和“中國制造2025”大背景下，工業(yè)機器人的廣泛應用，通過信息技術和數(shù)字化手段，對實現(xiàn)我國工業(yè)制造的技術變革和快速發(fā)展有著重要的意義[2]。

1? 機器人控制柜設計

在ROBOGUIDE環(huán)境中，工作單元Workcell建立完成之后，導入布局機器人的控制柜和機器人基座，在“Cell Browser”里選擇障礙物“Obstacle”添加電氣設備，利用CAD、Pro/E等相關三維軟件進行建模，再將其導入到ROBOGUIDE虛擬環(huán)境中。調整好控制柜位置之后鎖定，為了作業(yè)者操控安全，使控制柜的位置入到機器人的工作范圍以外，如圖1所示。根據(jù)生產(chǎn)和操作環(huán)境需要，對機器人工作高度進行調整，通過ROBOGUIDE系統(tǒng)軟件進行建模，設計相應機器人底座，加載應用從而滿足高度和固定要求。

2? ROBOGUIDE下構件建模設計

在ROBOGUIDE虛擬環(huán)境中對設備和工件進行設計并準確布局，根據(jù)功能需求正確創(chuàng)建仿真環(huán)境，才能作為工業(yè)機器人離線編程和系統(tǒng)仿真的依據(jù)，先要將虛擬仿真環(huán)境規(guī)劃設計好，為系統(tǒng)調試和生產(chǎn)加工的仿真創(chuàng)造條件。在運行ROBOGUIDE軟件之前，首先要進行CAD或PRO/E建模，將要導入的模型提前建立完成。因為在ROBOGUIDE軟件數(shù)據(jù)庫中缺少在數(shù)控車床上下料中所需要的一些模型。所以需要提前加工所需要的毛坯件、成品件、手爪、上下料架和數(shù)控車床的三維模型。建立完成之后就可以開始進行ROBOGUIDE軟件的配置，開始建立Workcell工作單元，在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)機器人自動上下料的過程。

2.1? 工件模型設計

根據(jù)生產(chǎn)需要利用PRO/E對毛坯件、半成品、成品件進行建模，毛坯件為長度85 mm，直徑50 mm，質量為3.0 kg的圓柱形狀結構。由于在設計上，材料毛坯件以及成品件都采用旋轉體結構，需要從兩端對其進行加工，其中從右端進行鏜孔，從左端對其進行溝槽;為了達到加工的精度要求，需進行二次深加工。為了便于裝夾，優(yōu)先選擇需要先加工鏜孔的那一端，加工完成后再加工零件的另一端，加工所要的工件模型，如圖2所示。

2.2? 上下料架臺模型設計

機器人上下料架臺，用帶滾輪的架子來輸送零件。總體分布，零件整齊排列在正方形架子上。上下料操作臺架為非標準工件，根據(jù)實際需要的尺寸進行加工組裝制造。9個零件排列為三行三列，零件相互間隔約為50 mm。而放置零件的架子初步定為長寬都為500 mm，高度根據(jù)實際需要進行修改。為了使零件在工作架臺上固定，不發(fā)生位移，則在其兩端設置擋板;左側擋板為工裝板，則根據(jù)零件分布位置打通孔，右側擋板則設置為底板厚度為15 mm，圓孔的內徑比零部件尺寸略大一點，采用螺栓在四周將工裝板進行固定在底板上?？梢杂行г黾硬僮骷芘_的利用度，當加工不同的零部件時可以根據(jù)需要，直接調換加工擋板，提高工作效率，對機器人上下料架臺進行三維建模如圖3所示。

上下料架擺放零件的平面運用拉伸指令建立，并在其上作為草繪平面建立圓孔拉伸切除材料，支架同樣拉伸建立，運用陣列將支架放置完成。上下料架的支撐柱采用工業(yè)鋁型材（歐標）40系列，完全可以承載得住零件的重量。其鋁型材的橫截面如圖4所示。該鋁型材長度可以根據(jù)自身需要進行截斷，再進行組裝。該架子底部安裝四個輪子，便于運送毛坯件和成品件。輪子選擇萬向輪CMJZ50-N，腳輪直徑50 mm，最大承載重量為75 kg。

2.3? 機器人手爪模型設計

機器人手爪是機器人關鍵零部件之一，用來夾持工件或操作工件，其性能的好壞很大程度上決定了機器人的工作性能，是工業(yè)機器人與外部環(huán)境相互作用的最后環(huán)節(jié)和執(zhí)行部件。平行型氣動手爪，可以反復開合，能夠牢固抓取圓柱件;平行型手爪結構運動靈活，體積較小，方便抓取工件，加工零件通常是圓柱體結構，放置在水平操作面上。利用PRO/E拉伸指令建立模型，其三維設計模型如圖5所示，不需要建立手爪的內部結構。對手抓的模型多余材料進行切割，設計完成后，導入ROBOGUIDE軟件環(huán)境中。

機器人的手爪為了能夠成功夾取零部件，還需要在手爪上安裝外部手臂。該手爪的外部手臂模型，分別安裝在手爪的兩側，兩者之間的間距符合夾取零件的要求。機器人手抓的外部手臂是手爪配件之一，在ROBOGUIDE軟件中可根據(jù)實際需要選擇合適的外部手臂進行安裝。

為了使ROBOGUIDE環(huán)境中手爪體現(xiàn)出開合狀態(tài)，需要分別建立手爪打開和閉合的兩種狀態(tài)。然后將這兩種模型機器人手爪，導入ROBOGUIDE環(huán)境中并加載在末端執(zhí)行機構上，要求整體的外觀數(shù)據(jù)準確。將建立好的模型導入虛擬環(huán)境中。

2.4? 建立Workcell工作單元

在系統(tǒng)中完成部件和零件建模后，新建New Cell工作單元。根據(jù)工業(yè)機器人上下料功能需要，從機器人配置界面中選擇搬運指令系統(tǒng)軟件，對工業(yè)機器人和零部件選型，并在環(huán)境中建立相應模型，在系統(tǒng)軟件中對工業(yè)機器人以及零部件進行構建，同時進行系統(tǒng)的備份。本文采用的工業(yè)機器人型號為發(fā)那科FANUC M-20iA，為滿足虛擬工廠功能的需要，不僅可以實現(xiàn)機器人對工件的搬運，還可以對機器人增加附加軸實現(xiàn)其弧焊、噴漆、切割等較復雜的功能。在六軸上再添加輔助軸，則需要進行附加軸運動組設置;編碼系統(tǒng)和PC接口根據(jù)需要分別選擇R796和R641，建立完成之后進入信息系統(tǒng)畫面。

3? ROBOGUIDE下虛擬工廠環(huán)境設計

虛擬工廠中將所建立的模型導入系統(tǒng)，為進行虛擬環(huán)境的規(guī)劃布局做準備，并規(guī)劃機器人運行的軌跡使機器人運行程序的編寫能夠順利完成，最后要在整個虛擬工廠數(shù)控車床自動上下料的虛擬環(huán)境下，對整個虛擬工廠是否能夠正常運行進行系統(tǒng)仿真，來驗證程序的可行性。

3.1? 導入工裝設計模型

在ROBOGUIDE虛擬環(huán)境中添加數(shù)控加工機床、上料架、下料架、毛坯件、產(chǎn)品、圍欄。由于虛擬仿真的特殊性，在進行仿真環(huán)境布局之前首先要考慮到機器人的工作空間。機器人工作空間是指在機器人正常運行過程中所能達到的區(qū)域[3]。所以在虛擬仿真環(huán)境中的工裝、零件的位置一定要安置在機器人的工作空間之內，并且需要保證設備安全。

以數(shù)控車床CJK6140為載體，作為虛擬環(huán)境自動上下料的對象。該機床具備加工各種形狀復雜零件的能力，幾乎適用所有類型零件地生產(chǎn)。按照設備的布局，在界面中調整數(shù)控車床的位置。將機器人的工作范圍顯露出來，將數(shù)控車床的工作平臺處于機器人的工作范圍之內。位置布置完成后鎖定數(shù)控車床位置，使其在機器人的工作范圍之內，鎖定位置并應用。毛坯件和成品件導入到工作平臺，上下料工作架臺屬性框中出現(xiàn)毛坯件和成品件選項，在上料工作架臺選擇毛坯件，下料工作架臺選擇成品件，分別進行應用，完成模型的導入設計。

3.2? 導入外圍設備

當機器人、數(shù)控車床、上下料架、控制柜等布置完畢后，接下來就需要添加外圍設備圍欄。在機器人自動運行時為了保證安全，添加圍欄是必須的，這樣可以有效的規(guī)避安全事故，防止外部因素干擾機器人自動運行，同時也保證了機器人與數(shù)控車床自動運行中出現(xiàn)事故時不會對周邊工作人員造成傷害[4]。

在“Fence-EXP-H2000-W1000”加載進虛擬界面，按照要求設計調整圍欄位置;根據(jù)需要自行選擇圍欄的數(shù)目，在設置圍欄位置時注意將機器人控制柜放在圍欄外，如圖6所示。

在ROBOGUIDE環(huán)境下進行虛擬仿真環(huán)境設計后，進行離線編程仿真運行，來模擬整個數(shù)控車床自動上下料的進程，為實際工廠生產(chǎn)線安裝人員提供試驗平臺，并對方案提供可行性論證的依據(jù)，對生產(chǎn)線進行不斷的優(yōu)化改進[5]，直至達到理想的智能生產(chǎn)線設計方案。

4? 結? 論

本文基于Roboguide平臺下虛擬現(xiàn)實技術在生產(chǎn)應用中的研究，通過建立工作單元New Cell，利用PRO/E對工件、上下料架臺和工業(yè)機器人夾爪進行三維建模設計，導入虛擬仿真系統(tǒng)，并對整體的生產(chǎn)加工環(huán)境和電氣控制設備進行總體設計布局。通過對工業(yè)機器人編程和仿真設計，合理規(guī)劃機器人運動軌跡，使整個設備之間在生產(chǎn)過程中不發(fā)生碰撞，保障人身和設備安全，并實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)功能。通過采用虛擬技術對工業(yè)機器人生產(chǎn)加工進行仿真設計，有效模擬工廠真實加工制造的過程，不僅提高了生產(chǎn)操作者和編程人員的安全性，極大程度上降低了生產(chǎn)成本和工人勞動強度，而且改善了生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境，提高生產(chǎn)效率，提高工件的生產(chǎn)加工精度，保證產(chǎn)品質量，提高企業(yè)競爭力，對工廠生產(chǎn)制造具有重要的實際指導意義。

參考文獻：

[1] 陳政君.噴霧機設計中的三維數(shù)模應用 [J].北京農業(yè)，2013（18）：175.

[2] 霍愛清，李少輝，李浩平.基于Unity 3D的鉆井工程三維動態(tài)仿真 [J].西安石油大學學報（自然科學版），2018，33（6）：79-83.

[3] 丁瑋，張冰蔚，孟慶員，等.六自由度經(jīng)濟型工業(yè)機器人設計與運動學分析 [J].機床與液壓，2019，47（11）：19-23.

[4] 宋琳，劉煒，曾耀華，等.基于Roboguide的商用車門框機器人焊接的設計與仿真 [J].汽車零部件，2018（8）：47-52.

[5] 張廣祥.ROBOGUIDE環(huán)境下虛擬工廠的仿真研究 [J].科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力，2020（8）：58-60.

作者簡介：張廣祥（1982—），男，漢族，安徽亳州人，碩士研究生，講師，研究方向：自動化控制。