趙亞飛 魏全躍 賴 韜

（浙江中智鯨工智能裝備有限公司，嘉興 314000）

數(shù)控加工和工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用提高了企業(yè)生產(chǎn)的智能化水平。但是，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床的聯(lián)調(diào)聯(lián)試需要耗費(fèi)大量時(shí)間，且存在一定的安全隱患。利用計(jì)算機(jī)軟件仿真模擬機(jī)器人的動(dòng)作、軌跡和程序并進(jìn)行驗(yàn)證，能夠有效縮短自動(dòng)化上下料設(shè)備的調(diào)試時(shí)間[1-3]。

智慧工廠建造（Smart Factory Builder，SFB）是一款三維智能制造數(shù)字化設(shè)計(jì)仿真軟件，集成了可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）仿真、機(jī)器人仿真和智能工廠仿真等功能。該軟件基于自帶的元素模型庫(kù)，能夠通過拖拽快速搭建仿真工程模型，并進(jìn)行虛擬調(diào)試和仿真。軟件中的虛擬模型具有與真實(shí)設(shè)備相同的特性和接口，因此可以在軟件中導(dǎo)入真實(shí)設(shè)備的PLC 程序、機(jī)器人程序和機(jī)床數(shù)控程序，驅(qū)動(dòng)虛擬設(shè)備運(yùn)行，并利用力學(xué)物理引擎模塊在虛擬場(chǎng)景中調(diào)試和驗(yàn)證工程的可靠性。

1 建立機(jī)器人與SFB 軟件的通信

在SFB 軟件中進(jìn)行仿真模擬，需要建立機(jī)器人控制器與軟件的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)兩者間的通信，確保軟件能夠調(diào)用機(jī)器人程序，并驅(qū)動(dòng)虛擬機(jī)器人進(jìn)行仿真模擬。機(jī)器人與SFB 軟件之間的通信采用在工業(yè)控制領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛的Modbus-TCP 協(xié)議[4-5]。

2 設(shè)置數(shù)控機(jī)床與機(jī)器人的通信

在自動(dòng)上下料過程中，要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床之間的交互。數(shù)控機(jī)床需要通過控制自動(dòng)夾具和機(jī)床門的啟閉來配合機(jī)器人上下料。數(shù)控機(jī)床與機(jī)器人系統(tǒng)的通信內(nèi)容，如圖1 所示。

圖1 數(shù)控機(jī)床與機(jī)器人系統(tǒng)的通信內(nèi)容

圖1 中，機(jī)器人向數(shù)控機(jī)床發(fā)出“WorkStart=1”的啟動(dòng)指令信號(hào)，在發(fā)出1 s 內(nèi)可撤銷此信號(hào)。加工完成后，數(shù)控機(jī)床向機(jī)器人發(fā)出“WorkFinish=1”指令信號(hào)，表示機(jī)器人可以在機(jī)床上進(jìn)行上下料操作。機(jī)器人采用“FixCtrol”信號(hào)控制機(jī)床夾具。機(jī)器人可以通過“FixStatu”指令信號(hào)隨時(shí)讀取機(jī)床夾具的狀態(tài)，如果夾具出現(xiàn)異常則會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。機(jī)器人通過“DoorCtorl”指令信號(hào)控制機(jī)床門的開關(guān)。部分?jǐn)?shù)控機(jī)床可以自動(dòng)啟閉，無須機(jī)器人管理。機(jī)床通過“DoorStatu”信號(hào)反饋數(shù)控機(jī)床門的狀態(tài)，數(shù)控門打開后，機(jī)器人方可進(jìn)行操作。若機(jī)器人異常，則可以通過“Malarm”信號(hào)使其停止操作。

3 SFB 仿真模型導(dǎo)入

SFB 軟件不僅內(nèi)置了大量工業(yè)設(shè)備模型，而且具備模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能，能夠建立模型庫(kù)中沒有的非標(biāo)設(shè)備的三維模型，并賦予其運(yùn)動(dòng)參數(shù)。SFB 軟件能夠讀取step、stp、obj 和stl 等格式的三維模型文件。在SFB 軟件中導(dǎo)入計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）軟件模型，如圖2 所示。

圖2 在SFB 軟件中導(dǎo)入CAD 軟件模型

數(shù)控加工上下料的機(jī)器人末端安裝有2 個(gè)夾爪，能夠同時(shí)夾持2 個(gè)工件。數(shù)控加工上下料場(chǎng)景的流程如下：機(jī)器人先在上料工位上用夾爪1 抓取1 個(gè)待加工的毛坯件，待機(jī)床加工完畢打開門后，進(jìn)入機(jī)床內(nèi)用夾爪2 取下加工完成的工件，然后旋轉(zhuǎn)180°將毛坯件裝在機(jī)床夾具上，最后退出機(jī)床。在SFB 軟件中，根據(jù)該場(chǎng)景搭建的數(shù)控加工自動(dòng)化上下料模型，如圖3所示。

圖3 數(shù)控加工站自動(dòng)上下料的虛擬模型

4 通信參數(shù)設(shè)置

4.1 數(shù)據(jù)映射

數(shù)據(jù)映射指將虛擬的PLC 輸入輸出點(diǎn)與設(shè)備信號(hào)索引一一對(duì)應(yīng)，通過PLC 的Modbus 通信協(xié)議，設(shè)定以太網(wǎng)或串口號(hào)實(shí)現(xiàn)通信。通信互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（Internet Protocol，IP）地址、端口號(hào)和串口號(hào)必須與PLC 上的配對(duì)。

4.2 端口連接

建立機(jī)器人數(shù)據(jù)映射，設(shè)置模型端口，將SFB軟件中的模型與機(jī)器人建立連接。在機(jī)器人上下料過程中，端口有3 類：第1 類是開關(guān)量，如數(shù)控機(jī)床的開關(guān)門信號(hào)；第2 類是數(shù)字量，如線軌位置設(shè)定量；第3 類是浮點(diǎn)量，如機(jī)器人關(guān)節(jié)信號(hào)。

4.3 信號(hào)連接圖設(shè)置

數(shù)據(jù)映射設(shè)置完成后，將虛擬的機(jī)器人關(guān)節(jié)、數(shù)控機(jī)床、接駁臺(tái)和自動(dòng)夾具等設(shè)備的輸入、輸出信號(hào)與上下料的接口連接。通過虛擬按鍵驅(qū)動(dòng)機(jī)器人和其他虛擬設(shè)備，完成自動(dòng)化上下料，如圖4 所示。

圖4 虛擬設(shè)備間的信號(hào)連接圖設(shè)置

5 程序?qū)肱c運(yùn)行測(cè)試

導(dǎo)入機(jī)器人動(dòng)作程序后，點(diǎn)擊SFB 軟件中的“運(yùn)行”按鈕開始仿真。在SFB 虛擬設(shè)備頁(yè)面啟動(dòng)虛擬示教器，在示教模式下點(diǎn)擊“使能”按鈕，并切換到“再現(xiàn)”模式，運(yùn)行程序。點(diǎn)擊SFB 場(chǎng)景中的“啟動(dòng)”按鈕，機(jī)器人開始運(yùn)行。

仿真動(dòng)作如下：機(jī)器人首先運(yùn)行至接駁臺(tái)1，用夾爪夾取毛坯工件；其次，在機(jī)床門打開后，機(jī)器人將工件放置在機(jī)床的三爪卡盤上，待卡盤夾緊后松開夾手；再次，機(jī)器人運(yùn)行到機(jī)床門外，機(jī)床門關(guān)閉，機(jī)床啟動(dòng)加工；最后，待加工完成機(jī)床門打開后，機(jī)器人夾取成品工件，并運(yùn)行至接駁臺(tái)2 的位置，放置成品工件。

6 結(jié)語(yǔ)

通過SFB 軟件進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了機(jī)器人程序的正確性，能夠有效節(jié)約實(shí)際生產(chǎn)調(diào)試的時(shí)間和成本。此外，該軟件可以用于員工培訓(xùn)。未來，該虛擬仿真技術(shù)將會(huì)在智能制造領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。