文/郝建豹 曹銀華 譚華旭 林子其

[導(dǎo)語(yǔ)]

虛擬仿真技術(shù)（virtual reality，VR）是中國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)不可或缺的支撐技術(shù)。本文介紹了國(guó)內(nèi)外虛擬仿真軟件適用情況，闡述了基于RobotStudio在機(jī)械加工、小家電加工、陶瓷產(chǎn)品生產(chǎn)、硯臺(tái)生產(chǎn)的虛擬仿真生產(chǎn)線案例，以及基于TECNOMATIX構(gòu)建的智能制造虛擬仿真生產(chǎn)線，同時(shí)對(duì)廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院基于虛擬仿真建設(shè)的工業(yè)4.0智能制造生產(chǎn)線的架構(gòu)、工序等情況進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，最后對(duì)虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、智能控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，以及勞動(dòng)力短缺、用工成本的提升，建設(shè)并應(yīng)用基于多工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)化生產(chǎn)線已成為一種趨勢(shì)。但目前企業(yè)設(shè)計(jì)或升級(jí)機(jī)器人生產(chǎn)線時(shí)，通常根據(jù)已有工藝流程、設(shè)備參數(shù)、生產(chǎn)效率等生產(chǎn)要素，采取從底層往頂層反推的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，忽略了各生產(chǎn)要素之間生產(chǎn)流程的銜接問(wèn)題，最終導(dǎo)致設(shè)備布局不合理及設(shè)計(jì)生產(chǎn)線的目標(biāo)缺乏數(shù)據(jù)依托。

機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線尤其是目前提出的工業(yè)4.0智能化生產(chǎn)線建設(shè)普遍存在資金投入大、生產(chǎn)線規(guī)劃比較困難、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作量大以及工藝及制造流程、生產(chǎn)目標(biāo)評(píng)估困難等問(wèn)題。虛擬仿真技術(shù)，就是用一個(gè)具有多源信息融合的交互式三維動(dòng)態(tài)實(shí)景和實(shí)體行為的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模仿另一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)。利用機(jī)器人生產(chǎn)線的虛擬仿真，可在頂層設(shè)計(jì)時(shí)驗(yàn)證生產(chǎn)線規(guī)劃方案的可行性，在仿真環(huán)境中進(jìn)一步完成生產(chǎn)線的規(guī)劃，并通過(guò)動(dòng)態(tài)模擬生產(chǎn)線的運(yùn)行過(guò)程預(yù)測(cè)生產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài)，驗(yàn)證設(shè)備布局的合理性，分析設(shè)備利用率、預(yù)測(cè)生產(chǎn)目標(biāo)、評(píng)估生產(chǎn)效率，并為實(shí)體生產(chǎn)線的具體實(shí)施、運(yùn)行、優(yōu)化等提供依據(jù)。

虛擬仿真軟件發(fā)展現(xiàn)狀分析

虛擬仿真技術(shù)經(jīng)歷了實(shí)物和物理效應(yīng)仿真階段、模擬仿真階段。數(shù)字仿真階段和虛擬仿真階段，國(guó)外在虛擬仿真技術(shù)研究方面起步于20世紀(jì)80年代，并逐步研發(fā)出適用于機(jī)器人及其生產(chǎn)線的仿真軟件，如德國(guó) KUKA機(jī)器人的SimPro、 Siemens的Tecnomatix，瑞典 ABB 機(jī)器人 的RobotStudio，日 本YASKAWA機(jī) 器 人 的MotoSim EG、FANUC 機(jī)器人的 RoboGuide，法國(guó)達(dá)索的DELMIA，加拿大的Robot Master及RoboDK，意 大利的Robomove等。這些仿真軟件中大多支持多品牌機(jī)器人仿真，其中僅支持單個(gè)工作站離線編程與仿真的主要有Robot Master、SimPro等，適用于機(jī)器人生產(chǎn)線仿真的主要有Tecnomatix、RobotStudio等。

我國(guó)機(jī)器人仿真軟件起步較晚，目前還在快速發(fā)展中。其中，華航唯實(shí)的RobotArt可支持四大家族（ABB、KUKA、FANUC、YASKA WA）機(jī)器人、KEBA系列機(jī)器人以及國(guó)內(nèi)品牌（如廣數(shù)機(jī)器人）等單工作站離線編程與仿真，暫不適用于多機(jī)器人生產(chǎn)線仿真。

基于RobotStudio軟件在機(jī)械加工等生產(chǎn)線仿真應(yīng)用

RobotStudio仿真軟件是工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)商中開(kāi)發(fā)比較完善的一款，可在Windows系統(tǒng)環(huán)境中離線快速生成路徑軌跡、路徑優(yōu)化，并可進(jìn)行軌跡跟蹤，生成的機(jī)器人RAPID程序可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)或U盤(pán)直接下載到實(shí)際機(jī)器人系統(tǒng)中，可顯著縮短編程、調(diào)試時(shí)間；另外，該軟件還可以進(jìn)行碰撞檢測(cè)、機(jī)器人TCP軌跡跟蹤以及運(yùn)行情況的報(bào)警。但是該軟件三維建模功能有待進(jìn)一步提升，復(fù)雜模型如機(jī)床等需要其他CAD 軟件（如SolidWorks、UG等）建成3D模型后再導(dǎo)入。

1.機(jī)械加工生產(chǎn)線中的仿真應(yīng)用

機(jī)械加工生產(chǎn)線包含了機(jī)床上下料、裝配、檢測(cè)等工業(yè)機(jī)器人最常用的領(lǐng)域。圖1所示的機(jī)器人機(jī)械加工生產(chǎn)線，是一條集機(jī)器人機(jī)床上下料、裝配、裝箱于一體的虛擬仿真自動(dòng)化生產(chǎn)線。機(jī)械加工仿真生產(chǎn)線主要有機(jī)器人上下料工作站（上下料機(jī)器人ABB IRB1410 1臺(tái)，加工中心2臺(tái)）、裝配工作站（機(jī)器人IRB9101臺(tái)）、裝箱工作站（IRB140機(jī)器人1臺(tái)）、供料工作站以及管理工作站等組成。構(gòu)建生產(chǎn)線時(shí)首先利用SolidWorks等三維軟件設(shè)計(jì)好機(jī)器人上下料工作站及其他工作站的三維仿真模型；其次在RobotStudio軟件中創(chuàng)建工作站，導(dǎo)入建好的仿真模型到RobotStudio軟件中完成生產(chǎn)線布局工作，并設(shè)定工具坐標(biāo)系、工件坐標(biāo)系等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，設(shè)置I/O信號(hào)，設(shè)計(jì)SMART組件；最后離線編制機(jī)器人程序等，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人生產(chǎn)線的仿真運(yùn)行。

機(jī)械加工仿真生產(chǎn)線可完成復(fù)雜軸類零件的加工，和加工質(zhì)量的檢測(cè)、機(jī)器人裝配、裝箱等；根據(jù)仿真時(shí)機(jī)器人和機(jī)床等設(shè)備的動(dòng)作流程，對(duì)機(jī)器人和機(jī)床等模型進(jìn)行動(dòng)作設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，進(jìn)一步根據(jù)設(shè)備設(shè)計(jì)的生產(chǎn)節(jié)拍要求調(diào)整機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度，使生產(chǎn)線各站生產(chǎn)節(jié)拍滿足設(shè)計(jì)要求；通過(guò)分析機(jī)器人運(yùn)行速度、軌跡等仿真結(jié)果，最終得出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

圖1 機(jī)器人機(jī)械加工虛擬仿真生產(chǎn)線

2.小家電加工生產(chǎn)線中的仿真應(yīng)用

小型家電加工工藝比較復(fù)雜，機(jī)器人在其中完成的功能較多。以熱水壺體部分生產(chǎn)為例，本文構(gòu)建了熱水壺體自動(dòng)化生產(chǎn)線虛擬仿真系統(tǒng)，主要由管理工作站、供料工作站、成型工作站、壓鑄工作站、焊接工作站、 AGV（aut omated guided vehicle）智能小車等組成，如圖2所示。

圖2 熱水壺體生產(chǎn)虛擬仿真生產(chǎn)線

壺體生產(chǎn)的數(shù)量由人工設(shè)定，啟動(dòng)系統(tǒng)后，無(wú)需人工參與，經(jīng)工業(yè)機(jī)器人及自動(dòng)化裝置完成如取料、壺體成型、沖壓等一系列工序，加工好的壺體由AGV智能小車運(yùn)到立體倉(cāng)庫(kù)。

3.陶瓷產(chǎn)品生產(chǎn)線中的仿真應(yīng)用

瓷器作為中國(guó)的象征與標(biāo)志，在智能制造趨勢(shì)下也被賦予了新的生命與使命，通過(guò)“互聯(lián)網(wǎng)+”工業(yè)機(jī)器人和圖形圖像處理技術(shù)等，陶瓷制作可以滿足用戶的個(gè)性化需求，做到了私人定制，減少了大量人力費(fèi)用。應(yīng)用SolidWorks和RobotStudio軟件設(shè)計(jì)的陶瓷盤(pán)類虛擬仿真生產(chǎn)線，其仿真系統(tǒng)主要由真空供料和壓餅工作站、壓膜工作站、干燥工作站、打磨工作站、噴釉工作站、印章工作站、電燒窯等組成，如圖3所示。

圖3 陶瓷盤(pán)類虛擬仿真生產(chǎn)線

通過(guò)沖壓裝置對(duì)陶泥塑形，將以前的自然風(fēng)干轉(zhuǎn)換為機(jī)器風(fēng)干模式，使其更加符合現(xiàn)代高速發(fā)展的信息時(shí)代要求；通過(guò)機(jī)器人將模具取出，減少勞動(dòng)力；通過(guò)雕刻、打磨、噴釉環(huán)節(jié)，可以將通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)收集到的客戶的創(chuàng)意雕刻和色彩圖案經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)化處理之后導(dǎo)入例行程序，生產(chǎn)出具有客戶個(gè)性化的現(xiàn)代藝術(shù)產(chǎn)品；最后通過(guò)印章、碼垛、燒制，生產(chǎn)出符合要求的產(chǎn)品。

4.硯臺(tái)制作生產(chǎn)線中的仿真應(yīng)用

中國(guó)具有眾多的手工業(yè)，傳承 需要?jiǎng)?chuàng)新，硯臺(tái)制作便是其中之一。工業(yè)機(jī)器人既能把硯臺(tái)的傳統(tǒng)手工解放出來(lái)，又能傳承和延續(xù)硯臺(tái)的生命和使命，使硯臺(tái)的生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，減輕人的勞動(dòng)強(qiáng)度、減少粉塵等對(duì)人體的傷害。廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生科技創(chuàng)新作品——基于RobotStudio軟件的硯臺(tái)生產(chǎn)虛擬仿真生產(chǎn)線，獲得全國(guó)工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真大賽一等獎(jiǎng)。該仿真生產(chǎn)線由原石成型工作站、設(shè)計(jì)雕刻工作站、粗精打磨工作站、水洗上蠟工作站、碼盤(pán)入庫(kù)工作站等組成，具體如圖4所示。

圖4 硯臺(tái)生產(chǎn)加工虛擬仿真生產(chǎn)線

其工藝流程為將粗糙的毛坯原石材按照工藝要求切割成符合要求的成型產(chǎn)品，并利用機(jī)器人進(jìn)行雕刻，隨后進(jìn)行整個(gè)硯臺(tái)的先粗后精打磨，接著將打磨后的硯臺(tái)放入水洗機(jī)進(jìn)行自動(dòng)噴水和自動(dòng)搓洗，并將水洗好的硯臺(tái)放進(jìn)打蠟機(jī)進(jìn)行打蠟，最后通過(guò)機(jī)器人在硯臺(tái)表面加一層硬蠟，并將其送至產(chǎn)檢及包裝車間，從而完成整個(gè)加工流程。

基于TECNOMATIX在智能制造生產(chǎn)線中的仿真應(yīng)用

西門子公司的TECNOMATIX是一個(gè)集基本工序操作、單個(gè)工作站、整條生產(chǎn)線、工廠等進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真和優(yōu)化的集成計(jì)算機(jī)環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人及其外圍設(shè)備三維運(yùn)動(dòng)的3D可視化，可對(duì)仿真單元和機(jī)器人及手動(dòng)任務(wù)的設(shè)置和編程進(jìn)行測(cè)試、校驗(yàn)和優(yōu)化。以廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院建立的工 業(yè)4.0智能制造生產(chǎn)線為例，在建立實(shí)體生產(chǎn)線之前基于西門子NX12.0系統(tǒng)平臺(tái)完成所有設(shè)備1:1 3D模型，并通過(guò)TECNOMATIX中的Plant Simulation進(jìn)行布局，具體如圖5所示，通過(guò)生產(chǎn)流程、工藝流程、物流輸送策略的分析和優(yōu)化，確保項(xiàng)目順利進(jìn)行并減少投資浪費(fèi)。完成生產(chǎn)線仿真設(shè)計(jì)后，利用Process Simulate進(jìn)行生產(chǎn)線仿真，確保真實(shí)生產(chǎn)線落實(shí)前做好一切生產(chǎn)可行性模擬、調(diào)試和工藝仿真，并將機(jī)器人動(dòng)作程序、物流程序提前做好，當(dāng)設(shè)備落地安裝后可直接下載程序進(jìn)行調(diào)試生產(chǎn)。

基于TECNOMATIX完成模型構(gòu)建、仿真調(diào)試等工作后，可以搭建智能制造自動(dòng)化產(chǎn)線，具體如圖6所示。該生產(chǎn)線可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)化生產(chǎn)、自動(dòng)化信息交換、自動(dòng)化物流、自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)。實(shí)踐證明，利用虛擬仿真技術(shù)可節(jié)約真實(shí)生產(chǎn)線調(diào)試時(shí)間，降低調(diào)試設(shè)備和操作人員人身安全風(fēng)險(xiǎn)等。

工業(yè)4.0智能制造自動(dòng)化生產(chǎn)線應(yīng)用的機(jī)器人品牌包含F(xiàn)UNAC機(jī)器人、ABB機(jī)器人、KUKA機(jī)器人、YASKAWA機(jī)器人，具體可劃分為智能加工工作站、機(jī)器人激光切割工作站、機(jī)器人上下料工作站、機(jī)器人裝配工作站、機(jī)器人打磨拋光工作站、SCARA機(jī)器人激光打標(biāo)工作站、MES系統(tǒng)、智能立體倉(cāng)庫(kù)、智能物流(AGV)、RFID系統(tǒng)、手機(jī)下單系統(tǒng)、工業(yè)交換機(jī)和總控系統(tǒng)等，具體組成如圖7所示。

圖5 工業(yè)4.0智能制造仿真生產(chǎn)線

圖6 工業(yè)4.0智能制造實(shí)體生產(chǎn)線

圖7 智能制造實(shí)體生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)組成

智能加工工作站為工件底座機(jī)床加工、測(cè)量、搬運(yùn)工站，所用到的機(jī)器人型號(hào)為FANUC M-20iA六軸機(jī)器人，主要工作為通過(guò)地軌的傳動(dòng)輔助，將工件底座從中轉(zhuǎn)臺(tái)的托盤(pán)搬運(yùn)至數(shù)控機(jī)床定位夾具進(jìn)行二次定位，待機(jī)床加工完成后，將工件底座搬運(yùn)至測(cè)量工位進(jìn)行測(cè)量，隨后將工件底座送回托盤(pán)，即完成該工站的工作。

托盤(pán)搬運(yùn)工站所用到的機(jī)器人型號(hào)為ABB IRB 1410六軸機(jī)器人，主要工作分為3種情況：第一種情況為AGV智能小車將托盤(pán)送至機(jī)器人吸取點(diǎn)，機(jī)器人將托盤(pán)吸取至視覺(jué)拍照中轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行二次定位；第二種情況為工件底座加工完成后放回托盤(pán)，機(jī)器人將托盤(pán)吸取至傳送帶進(jìn)行后續(xù)加工；第三種情況為工件整體加工處理完成后托盤(pán)回流至傳送帶托盤(pán)吸取點(diǎn)，機(jī)器人將托盤(pán)吸取放置回AGV智能小車處等待入庫(kù)。

機(jī)器人激光切割工作站所用到的機(jī)器人型號(hào)為KUKA KR10 R1420，主要工作是從傳送帶流水線抓取工件至氧焰激光口，通過(guò)機(jī)器人軌跡編程最終切割出預(yù)設(shè)圖案。

機(jī)器人裝配工作站所用到的機(jī)器人型號(hào)為FUNAC M-10iA六軸機(jī)器人，主要工作是從傳送帶流水線抓取工件至打磨設(shè)備進(jìn)行拋光打磨。

SCARA機(jī)器人激光打標(biāo)工作站所用到的機(jī)器人型號(hào)為ABB IRB 910SC四軸機(jī)器人，主要工作是從傳送帶流水線夾取工件底座至激光標(biāo)刻鏡頭焦點(diǎn)處進(jìn)行激光標(biāo)刻，并在標(biāo)刻處預(yù)設(shè)內(nèi)容。

機(jī)器人裝配工作站所用到的機(jī)器人型號(hào)為MOTOMAN-MH12六軸機(jī)器人，主要工作是從傳送帶流水線夾取工件裝配至工件底座。

該智能制造生產(chǎn)線的各個(gè)機(jī)器人工作站均由外部自動(dòng)控制，即通過(guò)主控柜的主控PLC進(jìn)行信號(hào)中轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在制造加工過(guò)程中自動(dòng)啟動(dòng)、自動(dòng)暫停、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)停止等功能；同時(shí)通過(guò)SCADA系統(tǒng)與生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的數(shù)據(jù)采集與控制指令下達(dá)，對(duì)設(shè)備、生產(chǎn)、加工工程等進(jìn)行仿真，并實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)線的虛實(shí)聯(lián)動(dòng)。

該智能制造生產(chǎn)線能夠?qū)崿F(xiàn)手機(jī)訂單下達(dá)、MES訂單分配、按需加工、智能生產(chǎn)、智能出庫(kù)等功能，能夠讓客戶真實(shí)體驗(yàn)先進(jìn)的智能加工技術(shù)，具體實(shí)施工藝流程如圖8所示。

圖8 工業(yè)4.0智能產(chǎn)線下單、排產(chǎn)流程

虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用展望

虛擬仿真技術(shù)是中國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)不可或缺的支撐技術(shù)。目前超級(jí)計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能、云機(jī)器人已經(jīng)得到快速發(fā)展，但是許多機(jī)器人廠商、集成商的仿真系統(tǒng)對(duì)其他品牌的兼容性比較差、價(jià)格比較昂貴，應(yīng)盡可能統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，完善更多機(jī)器人品牌兼容性，提高其開(kāi)放程度，降低企業(yè)使用成本，使企業(yè)在設(shè)計(jì)或升級(jí)生產(chǎn)線時(shí)從頂層設(shè)計(jì)成為常態(tài)。另外為滿足未來(lái)大數(shù)據(jù)時(shí)代下智能生產(chǎn)線、智能工廠的模擬仿真使用需求，虛擬仿真包含的多源、多學(xué)科融合技術(shù)仍待進(jìn)一步提升，也需要探索新技術(shù)。

未來(lái)隨著虛擬仿真技術(shù)的提升，有望將設(shè)計(jì)、測(cè)試、優(yōu)化和驗(yàn)證等工作效率進(jìn)一步提升。虛擬仿真技術(shù)的運(yùn)用將以更高的效率、更低的成本為智能生產(chǎn)線、智能工廠的設(shè)計(jì)賦予無(wú)限可能。