虚拟仿真技术在机器人生产线设计中的应用

文/郝建豹 曹银华 谭华旭 林子其

[导语]

虚拟仿真技术（virtual reality，VR）是中国制造业转型升级不可或缺的支撑技术。本文介绍了国内外虚拟仿真软件适用情况，阐述了基于RobotStudio在机械加工、小家电加工、陶瓷产品生产、砚台生产的虚拟仿真生产线案例，以及基于TECNOMATIX构建的智能制造虚拟仿真生产线，同时对广东交通职业技术学院基于虚拟仿真建设的工业4.0智能制造生产线的架构、工序等情况进行了详细说明，最后对虚拟仿真技术的发展进行了展望。

随着工业机器人技术、智能控制技术、网络技术的发展，以及劳动力短缺、用工成本的提升，建设并应用基于多工业机器人的自动化生产线已成为一种趋势。但目前企业设计或升级机器人生产线时，通常根据已有工艺流程、设备参数、生产效率等生产要素，采取从底层往顶层反推的方法进行设计，忽略了各生产要素之间生产流程的衔接问题，最终导致设备布局不合理及设计生产线的目标缺乏数据依托。

机器人自动化生产线尤其是目前提出的工业4.0智能化生产线建设普遍存在资金投入大、生产线规划比较困难、生产工艺复杂、现场调试工作量大以及工艺及制造流程、生产目标评估困难等问题。虚拟仿真技术，就是用一个具有多源信息融合的交互式三维动态实景和实体行为的计算机系统模仿另一个真实系统的技术。利用机器人生产线的虚拟仿真，可在顶层设计时验证生产线规划方案的可行性，在仿真环境中进一步完成生产线的规划，并通过动态模拟生产线的运行过程预测生产线的运行状态，验证设备布局的合理性，分析设备利用率、预测生产目标、评估生产效率，并为实体生产线的具体实施、运行、优化等提供依据。

虚拟仿真软件发展现状分析

虚拟仿真技术经历了实物和物理效应仿真阶段、模拟仿真阶段。数字仿真阶段和虚拟仿真阶段，国外在虚拟仿真技术研究方面起步于20世纪80年代，并逐步研发出适用于机器人及其生产线的仿真软件，如德国 KUKA机器人的SimPro、 Siemens的Tecnomatix，瑞典 ABB 机器人 的RobotStudio，日 本YASKAWA机 器 人 的MotoSim EG、FANUC 机器人的 RoboGuide，法国达索的DELMIA，加拿大的Robot Master及RoboDK，意 大利的Robomove等。这些仿真软件中大多支持多品牌机器人仿真，其中仅支持单个工作站离线编程与仿真的主要有Robot Master、SimPro等，适用于机器人生产线仿真的主要有Tecnomatix、RobotStudio等。

我国机器人仿真软件起步较晚，目前还在快速发展中。其中，华航唯实的RobotArt可支持四大家族（ABB、KUKA、FANUC、YASKA WA）机器人、KEBA系列机器人以及国内品牌（如广数机器人）等单工作站离线编程与仿真，暂不适用于多机器人生产线仿真。

基于RobotStudio软件在机械加工等生产线仿真应用

RobotStudio仿真软件是工业机器人生产商中开发比较完善的一款，可在Windows系统环境中离线快速生成路径轨迹、路径优化，并可进行轨迹跟踪，生成的机器人RAPID程序可通过网络或U盘直接下载到实际机器人系统中，可显著缩短编程、调试时间；另外，该软件还可以进行碰撞检测、机器人TCP轨迹跟踪以及运行情况的报警。但是该软件三维建模功能有待进一步提升，复杂模型如机床等需要其他CAD 软件（如SolidWorks、UG等）建成3D模型后再导入。

1.机械加工生产线中的仿真应用

机械加工生产线包含了机床上下料、装配、检测等工业机器人最常用的领域。图1所示的机器人机械加工生产线，是一条集机器人机床上下料、装配、装箱于一体的虚拟仿真自动化生产线。机械加工仿真生产线主要有机器人上下料工作站（上下料机器人ABB IRB1410 1台，加工中心2台）、装配工作站（机器人IRB9101台）、装箱工作站（IRB140机器人1台）、供料工作站以及管理工作站等组成。构建生产线时首先利用SolidWorks等三维软件设计好机器人上下料工作站及其他工作站的三维仿真模型；其次在RobotStudio软件中创建工作站，导入建好的仿真模型到RobotStudio软件中完成生产线布局工作，并设定工具坐标系、工件坐标系等关键数据，设置I/O信号，设计SMART组件；最后离线编制机器人程序等，可实现机器人生产线的仿真运行。

机械加工仿真生产线可完成复杂轴类零件的加工，和加工质量的检测、机器人装配、装箱等；根据仿真时机器人和机床等设备的动作流程，对机器人和机床等模型进行动作设计及运动规划，进一步根据设备设计的生产节拍要求调整机器人运动速度，使生产线各站生产节拍满足设计要求；通过分析机器人运行速度、轨迹等仿真结果，最终得出优化设计方案。

图1 机器人机械加工虚拟仿真生产线

2.小家电加工生产线中的仿真应用

小型家电加工工艺比较复杂，机器人在其中完成的功能较多。以热水壶体部分生产为例，本文构建了热水壶体自动化生产线虚拟仿真系统，主要由管理工作站、供料工作站、成型工作站、压铸工作站、焊接工作站、 AGV（aut omated guided vehicle）智能小车等组成，如图2所示。

图2 热水壶体生产虚拟仿真生产线

壶体生产的数量由人工设定，启动系统后，无需人工参与，经工业机器人及自动化装置完成如取料、壶体成型、冲压等一系列工序，加工好的壶体由AGV智能小车运到立体仓库。

3.陶瓷产品生产线中的仿真应用

瓷器作为中国的象征与标志，在智能制造趋势下也被赋予了新的生命与使命，通过“互联网+”工业机器人和图形图像处理技术等，陶瓷制作可以满足用户的个性化需求，做到了私人定制，减少了大量人力费用。应用SolidWorks和RobotStudio软件设计的陶瓷盘类虚拟仿真生产线，其仿真系统主要由真空供料和压饼工作站、压膜工作站、干燥工作站、打磨工作站、喷釉工作站、印章工作站、电烧窑等组成，如图3所示。

图3 陶瓷盘类虚拟仿真生产线

通过冲压装置对陶泥塑形，将以前的自然风干转换为机器风干模式，使其更加符合现代高速发展的信息时代要求；通过机器人将模具取出，减少劳动力；通过雕刻、打磨、喷釉环节，可以将通过互联网收集到的客户的创意雕刻和色彩图案经过数据化处理之后导入例行程序，生产出具有客户个性化的现代艺术产品；最后通过印章、码垛、烧制，生产出符合要求的产品。

4.砚台制作生产线中的仿真应用

中国具有众多的手工业，传承 需要创新，砚台制作便是其中之一。工业机器人既能把砚台的传统手工解放出来，又能传承和延续砚台的生命和使命，使砚台的生产实现自动化，减轻人的劳动强度、减少粉尘等对人体的伤害。广东交通职业技术学院学生科技创新作品——基于RobotStudio软件的砚台生产虚拟仿真生产线，获得全国工业机器人虚拟仿真大赛一等奖。该仿真生产线由原石成型工作站、设计雕刻工作站、粗精打磨工作站、水洗上蜡工作站、码盘入库工作站等组成，具体如图4所示。

图4 砚台生产加工虚拟仿真生产线

其工艺流程为将粗糙的毛坯原石材按照工艺要求切割成符合要求的成型产品，并利用机器人进行雕刻，随后进行整个砚台的先粗后精打磨，接着将打磨后的砚台放入水洗机进行自动喷水和自动搓洗，并将水洗好的砚台放进打蜡机进行打蜡，最后通过机器人在砚台表面加一层硬蜡，并将其送至产检及包装车间，从而完成整个加工流程。

基于TECNOMATIX在智能制造生产线中的仿真应用

西门子公司的TECNOMATIX是一个集基本工序操作、单个工作站、整条生产线、工厂等进行设计、仿真和优化的集成计算机环境，可实现工业机器人及其外围设备三维运动的3D可视化，可对仿真单元和机器人及手动任务的设置和编程进行测试、校验和优化。以广东交通职业技术学院建立的工 业4.0智能制造生产线为例，在建立实体生产线之前基于西门子NX12.0系统平台完成所有设备1:1 3D模型，并通过TECNOMATIX中的Plant Simulation进行布局，具体如图5所示，通过生产流程、工艺流程、物流输送策略的分析和优化，确保项目顺利进行并减少投资浪费。完成生产线仿真设计后，利用Process Simulate进行生产线仿真，确保真实生产线落实前做好一切生产可行性模拟、调试和工艺仿真，并将机器人动作程序、物流程序提前做好，当设备落地安装后可直接下载程序进行调试生产。

基于TECNOMATIX完成模型构建、仿真调试等工作后，可以搭建智能制造自动化产线，具体如图6所示。该生产线可实现自动化数据采集、自动化生产、自动化信息交换、自动化物流、自动化仓储。实践证明，利用虚拟仿真技术可节约真实生产线调试时间，降低调试设备和操作人员人身安全风险等。

工业4.0智能制造自动化生产线应用的机器人品牌包含FUNAC机器人、ABB机器人、KUKA机器人、YASKAWA机器人，具体可划分为智能加工工作站、机器人激光切割工作站、机器人上下料工作站、机器人装配工作站、机器人打磨抛光工作站、SCARA机器人激光打标工作站、MES系统、智能立体仓库、智能物流(AGV)、RFID系统、手机下单系统、工业交换机和总控系统等，具体组成如图7所示。

图5 工业4.0智能制造仿真生产线

图6 工业4.0智能制造实体生产线

图7 智能制造实体生产线结构组成

智能加工工作站为工件底座机床加工、测量、搬运工站，所用到的机器人型号为FANUC M-20iA六轴机器人，主要工作为通过地轨的传动辅助，将工件底座从中转台的托盘搬运至数控机床定位夹具进行二次定位，待机床加工完成后，将工件底座搬运至测量工位进行测量，随后将工件底座送回托盘，即完成该工站的工作。

托盘搬运工站所用到的机器人型号为ABB IRB 1410六轴机器人，主要工作分为3种情况：第一种情况为AGV智能小车将托盘送至机器人吸取点，机器人将托盘吸取至视觉拍照中转台进行二次定位；第二种情况为工件底座加工完成后放回托盘，机器人将托盘吸取至传送带进行后续加工；第三种情况为工件整体加工处理完成后托盘回流至传送带托盘吸取点，机器人将托盘吸取放置回AGV智能小车处等待入库。

机器人激光切割工作站所用到的机器人型号为KUKA KR10 R1420，主要工作是从传送带流水线抓取工件至氧焰激光口，通过机器人轨迹编程最终切割出预设图案。

机器人装配工作站所用到的机器人型号为FUNAC M-10iA六轴机器人，主要工作是从传送带流水线抓取工件至打磨设备进行抛光打磨。

SCARA机器人激光打标工作站所用到的机器人型号为ABB IRB 910SC四轴机器人，主要工作是从传送带流水线夹取工件底座至激光标刻镜头焦点处进行激光标刻，并在标刻处预设内容。

机器人装配工作站所用到的机器人型号为MOTOMAN-MH12六轴机器人，主要工作是从传送带流水线夹取工件装配至工件底座。

该智能制造生产线的各个机器人工作站均由外部自动控制，即通过主控柜的主控PLC进行信号中转，实现机器人在制造加工过程中自动启动、自动暂停、自动报警、自动停止等功能；同时通过SCADA系统与生产制造执行系统（MES）的数据采集与控制指令下达，对设备、生产、加工工程等进行仿真，并实现智能生产线的虚实联动。

该智能制造生产线能够实现手机订单下达、MES订单分配、按需加工、智能生产、智能出库等功能，能够让客户真实体验先进的智能加工技术，具体实施工艺流程如图8所示。

图8 工业4.0智能产线下单、排产流程

虚拟仿真技术应用展望

虚拟仿真技术是中国制造业转型升级不可或缺的支撑技术。目前超级计算机技术、人工智能、云机器人已经得到快速发展，但是许多机器人厂商、集成商的仿真系统对其他品牌的兼容性比较差、价格比较昂贵，应尽可能统一标准，完善更多机器人品牌兼容性，提高其开放程度，降低企业使用成本，使企业在设计或升级生产线时从顶层设计成为常态。另外为满足未来大数据时代下智能生产线、智能工厂的模拟仿真使用需求，虚拟仿真包含的多源、多学科融合技术仍待进一步提升，也需要探索新技术。

未来随着虚拟仿真技术的提升，有望将设计、测试、优化和验证等工作效率进一步提升。虚拟仿真技术的运用将以更高的效率、更低的成本为智能生产线、智能工厂的设计赋予无限可能。