田國(guó)柱,丁 潔

(寧夏天地奔牛鏈條有限公司，寧夏 石嘴山 753001)

0 引言

工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線成套設(shè)備已成為自動(dòng)化裝備的主流及未來的發(fā)展方向，在國(guó)內(nèi)外許多領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用[1-2]。機(jī)器人虛擬仿真對(duì)生產(chǎn)線中各元素、生產(chǎn)過程等進(jìn)行模擬，可有效降低生產(chǎn)成本、安全風(fēng)險(xiǎn)等。通過模擬仿真分析預(yù)判生產(chǎn)中的各種事件，及時(shí)修整工序流程，完成復(fù)雜的生產(chǎn)任務(wù)，使自動(dòng)化生產(chǎn)線成為智能化生產(chǎn)線，本文涉及的礦用制鏈生產(chǎn)線因工序流程過于復(fù)雜，歷經(jīng)數(shù)年研制才能成功。

當(dāng)前，多機(jī)器人生產(chǎn)線仿真研究中多以機(jī)器人間I/O端口進(jìn)行少量通訊，機(jī)器人承擔(dān)生產(chǎn)工序流程較少，未能真正體現(xiàn)多機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)作，難以在復(fù)雜工序流程的自動(dòng)化成套設(shè)備上推廣應(yīng)用。

通過RobotStudio建立多機(jī)器人和多臺(tái)專用加工設(shè)備的自動(dòng)化仿真制鏈生產(chǎn)線，模擬現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)環(huán)境及生產(chǎn)過程，直觀查找出多機(jī)器人最佳組合方案及機(jī)器人與加工設(shè)備間的協(xié)調(diào)控制，探尋出智能化的生產(chǎn)工序流程，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。

1 搭建仿真平臺(tái)

1.1 多機(jī)器人仿真應(yīng)用

機(jī)器人系統(tǒng)是自動(dòng)生產(chǎn)線的核心組成部分，是加工零件在各加工設(shè)備間流轉(zhuǎn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，單臺(tái)機(jī)器人仿真工作站，根據(jù)事先安排好的作用任務(wù)進(jìn)行重復(fù)、機(jī)械的運(yùn)動(dòng)[3]，多臺(tái)機(jī)器人工作站的仿真是在單臺(tái)機(jī)器人仿真基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，機(jī)器人可以有獨(dú)立的控制系統(tǒng)，也可以為多機(jī)系統(tǒng)，即一個(gè)控制系統(tǒng)控制多臺(tái)機(jī)器人[4-5]。制鏈生產(chǎn)線中采用四臺(tái)機(jī)器人對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行仿真，首先將所需的四臺(tái)機(jī)器人分別導(dǎo)入到工作站中，按布局位置分別進(jìn)行擺放，然后為機(jī)器人創(chuàng)建控制系統(tǒng)，因布局及設(shè)計(jì)安全多方面因素，機(jī)器人1、機(jī)器人2、機(jī)器人3共用一個(gè)控制系統(tǒng)，三臺(tái)機(jī)器人基于一個(gè)控制中心，之間協(xié)調(diào)運(yùn)作由控制系統(tǒng)計(jì)算、通信實(shí)現(xiàn)，使各個(gè)相應(yīng)的工作信號(hào)的相互通訊達(dá)到同步；機(jī)器人4單獨(dú)使用一個(gè)控制系統(tǒng)。因此在仿真系統(tǒng)中只有兩個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)，機(jī)器人系統(tǒng)1包含機(jī)器人4程序及I/O系統(tǒng)配置，機(jī)器人系統(tǒng)2包含機(jī)器人1、機(jī)器人2、機(jī)器人3三臺(tái)機(jī)器人的程序及I/O系統(tǒng)配置。

1.2 機(jī)械設(shè)備的仿真應(yīng)用

機(jī)械設(shè)備用于完成某一功能，是自動(dòng)化生產(chǎn)線中重要的組成部分，各機(jī)械設(shè)備的動(dòng)態(tài)效果對(duì)整個(gè)工作站起著關(guān)鍵的作用[6]，對(duì)產(chǎn)品加工時(shí)序及展示效果有著直接的影響，機(jī)械設(shè)備通常有著復(fù)雜的組合動(dòng)作及機(jī)構(gòu)來完成特定的工作任務(wù)。運(yùn)用SolidWorks軟件建立生產(chǎn)線的三維實(shí)體模型，設(shè)備的固定部件可直接導(dǎo)入到工作站中，活動(dòng)部件使用RobotStudio創(chuàng)建機(jī)械裝置功能實(shí)現(xiàn)各裝置的往復(fù)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并設(shè)置適當(dāng)?shù)淖藨B(tài)位置，對(duì)于運(yùn)動(dòng)中需要搬運(yùn)產(chǎn)品的機(jī)械裝置(如機(jī)器人夾爪、轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械手)增加工具數(shù)據(jù)以便實(shí)現(xiàn)抓取動(dòng)作，機(jī)械裝置設(shè)置好后再安裝于固定部件上。一套設(shè)備可以有多個(gè)機(jī)械裝置，使用Smart組件功能分別實(shí)現(xiàn)各設(shè)備成為獨(dú)立的運(yùn)行系統(tǒng)。本任務(wù)中包含上料架、加熱機(jī)、轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械手、編鏈機(jī)、閃光對(duì)焊機(jī)、去刺機(jī)、料箱轉(zhuǎn)盤多套設(shè)備組件，分別對(duì)各設(shè)備組件逐一進(jìn)行仿真調(diào)試，并預(yù)留有一定數(shù)量的I/O端口，用于后期和其他系統(tǒng)或組件進(jìn)行通信。

2 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 生產(chǎn)線的基本流程

制鏈生產(chǎn)線流程：上料架前端生成棒料，棒料運(yùn)動(dòng)到上料架末端時(shí)停止，機(jī)器人4抓取棒料送入加熱機(jī)進(jìn)行加熱，加熱后的棒料經(jīng)加熱機(jī)落料機(jī)構(gòu)送出，轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械手夾持棒料送入編鏈機(jī)編結(jié)成鏈環(huán)，機(jī)器人1從編鏈機(jī)取出鏈環(huán)放置在閃光焊機(jī)內(nèi)進(jìn)行焊接，機(jī)器人2將焊接后的鏈環(huán)送入去刺機(jī)去除焊接處的毛刺，機(jī)器人3將去除毛刺后的鏈環(huán)取出送入編鏈機(jī)與新送入的棒料編結(jié)的鏈環(huán)進(jìn)行串接如圖1所示。

圖1 制鏈生產(chǎn)線流程圖

2.2 機(jī)器人編程

機(jī)器人系統(tǒng)1中只有機(jī)器人4一臺(tái)機(jī)器人，在上料架和加熱機(jī)之間搬運(yùn)棒料，控制程序相對(duì)簡(jiǎn)單。機(jī)器人系統(tǒng)2中有三臺(tái)機(jī)器人，機(jī)器人1在編鏈機(jī)和閃光焊機(jī)之間搬運(yùn)鏈環(huán)，機(jī)器人2在閃光焊機(jī)和去刺機(jī)之間搬運(yùn)鏈環(huán)，機(jī)器人3在去刺機(jī)和編鏈機(jī)之間搬運(yùn)鏈環(huán)，機(jī)器人1、機(jī)器人2、機(jī)器人3在工位間移動(dòng)時(shí)還需保持同步，鏈環(huán)編結(jié)組成后鏈條落入料箱轉(zhuǎn)盤，料箱轉(zhuǎn)盤亦需隨同機(jī)器人保持同步轉(zhuǎn)動(dòng)。三臺(tái)機(jī)器人共用一個(gè)控制器時(shí)，三臺(tái)機(jī)器人程序指針為同步移動(dòng)，如何實(shí)現(xiàn)協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)是通過機(jī)器人程序來實(shí)現(xiàn)的。

三臺(tái)機(jī)器人程序控制流程相似，以機(jī)器人1程序?yàn)槔?，首先定義三臺(tái)機(jī)器人為同步工作站可變量及同步點(diǎn)位，通過模擬或?qū)崣C(jī)相配合方法對(duì)工件坐標(biāo)系、工具坐標(biāo)、抓取放置點(diǎn)位進(jìn)行設(shè)定，然后設(shè)置初始化子程序：用以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、信號(hào)、原點(diǎn)復(fù)位、中斷設(shè)置等功能，最后利用循環(huán)指令進(jìn)入工作程序，工作程序中調(diào)用四條子程序：機(jī)器人1在編鏈機(jī)處抓取鏈環(huán)子程序，機(jī)器人1向閃光焊機(jī)移動(dòng)子程序，機(jī)器人1在閃光焊機(jī)處放置鏈環(huán)子程序，機(jī)器人1向編鏈機(jī)移動(dòng)子程序，其中機(jī)器人1移動(dòng)子程序中需利用WaitSyncTask命令判斷機(jī)器人2、機(jī)器人3達(dá)到同步點(diǎn)位，實(shí)現(xiàn)同步移動(dòng)，并適當(dāng)增加延時(shí)指令以避免CPU超負(fù)荷[7]。

2.3 系統(tǒng)間信號(hào)連接

真實(shí)的生產(chǎn)線以PLC作為中央控制系統(tǒng)，將PLC與機(jī)器人等設(shè)備I/O板進(jìn)行連接，采用Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線，接收并處理機(jī)床、上下料裝置和工業(yè)機(jī)器人等發(fā)送來的信號(hào)，仿真生產(chǎn)線中，Smart組件此時(shí)可以看成PLC用來模擬數(shù)據(jù)通信[8-9]。各設(shè)備通過Smart組件功能實(shí)現(xiàn)每個(gè)單獨(dú)組件的控制，各組件設(shè)有I/O端口，再通過機(jī)器人控制系統(tǒng)與設(shè)備組件之間、設(shè)備組件與設(shè)備組件間的I/O端口信號(hào)進(jìn)行連接以實(shí)現(xiàn)整個(gè)模擬工作站仿真運(yùn)行。

制鏈生產(chǎn)線工作站部分邏輯圖如圖2所示。機(jī)器人系統(tǒng)2輸入信號(hào)diR1intoBendMachine與編鏈機(jī)組件輸出信號(hào)do_ok連接，編鏈機(jī)組件運(yùn)行發(fā)出do_ok信號(hào)給機(jī)器人1允許其進(jìn)入編鏈機(jī)，機(jī)器人1進(jìn)入編鏈機(jī)，到達(dá)位置后發(fā)出doR1inBendMachine信號(hào)，連接編鏈機(jī)組件信號(hào)di_2，編鏈機(jī)組件等待機(jī)器人1離開后繼續(xù)動(dòng)作；機(jī)器人系統(tǒng)2輸出信號(hào)doGrip_R1與機(jī)器人1夾爪組件輸入信號(hào)di_close連接，機(jī)器人1夾爪組件di_close接收到信號(hào)后控制機(jī)器人1夾爪拾取、放置鏈環(huán)；機(jī)器人系統(tǒng)2輸出信號(hào)doR1atLeavePos與料箱轉(zhuǎn)盤組件輸入信號(hào)di_start連接，料箱轉(zhuǎn)盤組件di_start接收到信號(hào)后控制料箱轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)120°，與機(jī)器人1保持同步動(dòng)作。其他機(jī)器人及設(shè)備組件設(shè)置連接方法相同。

圖2 制鏈生產(chǎn)線工作站部分邏輯圖

3 仿真效果分析

3.1 圖像效果展示

為了模擬復(fù)雜的實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)，需要對(duì)仿真工作站進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整：在制鏈生產(chǎn)線周圍架設(shè)安全保護(hù)圍欄，模擬人員闖入護(hù)欄后的流程控制；加工產(chǎn)品鏈條為多個(gè)鏈環(huán)組成，在自然環(huán)境下因重力會(huì)呈現(xiàn)下垂?fàn)顟B(tài)，在仿真工作站中可通過安裝于機(jī)器人夾爪上的傳感器對(duì)鏈環(huán)位置進(jìn)行調(diào)整以實(shí)現(xiàn)鏈條下垂?fàn)顟B(tài)，模擬鏈環(huán)增加時(shí)機(jī)器人載荷的變化；閃光焊機(jī)焊接鏈環(huán)時(shí)有熔融的金屬液滴四處飛濺[10]，可通過Smart組件隨機(jī)數(shù)Random改變液滴基準(zhǔn)方向復(fù)制出大量液體進(jìn)行線性移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)火花飛濺，模擬飛濺防護(hù)流程；異常狀態(tài)的流程處理的模擬，比如機(jī)器人夾爪夾空、鏈環(huán)焊口朝向，斷環(huán)重接等問題；制鏈生產(chǎn)線起始加工狀態(tài)為一個(gè)鏈環(huán)，逐漸串接增加鏈環(huán)數(shù)量，形成三條鏈條同時(shí)處于加工狀態(tài)，生產(chǎn)線各設(shè)備從順序生產(chǎn)變?yōu)橥瑫r(shí)加工，生產(chǎn)的鏈條長(zhǎng)度到達(dá)規(guī)定數(shù)量后不再編入新的鏈環(huán)，遞序退出，仿真模擬效果如圖3所示。

圖3 制鏈生產(chǎn)線仿真模擬效果圖

3.2 生產(chǎn)線仿真分析

通過改變機(jī)器人程序控制機(jī)器人進(jìn)入加工設(shè)備子程序及移動(dòng)子程序的條件，針對(duì)各項(xiàng)事件分別編寫處理子程序，調(diào)整Smart組件邏輯關(guān)系及I/O端口連接，逐一進(jìn)行模擬測(cè)試，從動(dòng)畫仿真中發(fā)現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤并進(jìn)行糾正，將可能預(yù)料到問題或生產(chǎn)中出現(xiàn)的實(shí)際問題一一解決，收集數(shù)據(jù)形成“產(chǎn)生式系統(tǒng)”，探尋智能化的工序生產(chǎn)流程。最后對(duì)機(jī)器人仿真中的生產(chǎn)線進(jìn)行軌跡規(guī)劃、生產(chǎn)節(jié)拍調(diào)整、碰撞檢測(cè)等。

對(duì)模擬仿真后的工序流程進(jìn)行實(shí)機(jī)測(cè)試表明一個(gè)控制系統(tǒng)控制多臺(tái)機(jī)器人時(shí)，遇暫停、碰撞、人員闖入等突發(fā)事件時(shí)可實(shí)現(xiàn)同一時(shí)間停止，重新啟動(dòng)后自動(dòng)進(jìn)入同步狀態(tài)，帶有智能化流程控制的PLC程序及機(jī)器人程序可以實(shí)現(xiàn)工序流程的自適應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜生產(chǎn)線的安全生產(chǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本制鏈生產(chǎn)線仿真平臺(tái)是在真實(shí)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，模擬整條生產(chǎn)線進(jìn)行仿真。在仿真中，通過多機(jī)器人控制系統(tǒng)、各設(shè)備Smart設(shè)計(jì)、I/O通訊，模擬實(shí)際生產(chǎn)中復(fù)雜環(huán)境下的生產(chǎn)過程，離線編寫機(jī)器人程序，規(guī)劃設(shè)備步序，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線所涉及的產(chǎn)品、工具、設(shè)備、人員互聯(lián)互通，數(shù)據(jù)的整合與交換，制造全流程的狀態(tài)預(yù)知和優(yōu)化，為實(shí)際生產(chǎn)線設(shè)計(jì)、調(diào)試、改造提供理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提高生產(chǎn)線匹配率和成功率，減少調(diào)試成本，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。