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基于ROBOGUIDE平台下仿真环境设计

发表时间：2020/8/5 来源：《基层建设》2020年第10期作者：张广祥

[导读] 摘要：本文是在ROBOGUIDE平台下分别从机器人控制柜、机器人执行机构、到工装数模和外围设备进行设计，从而完机器人加工生产虚拟环境的仿真设计，为编程和系统仿真功能的实现做好充分的准备。

        芜湖职业技术学院安徽省芜湖市 241000
        摘要：本文是在ROBOGUIDE平台下分别从机器人控制柜、机器人执行机构、到工装数模和外围设备进行设计，从而完机器人加工生产虚拟环境的仿真设计，为编程和系统仿真功能的实现做好充分的准备。
        关键词：虚拟环境、仿真；工业机器人
        在ROBOGUIDE平台模拟工厂，通过虚拟环境优化工厂布局并仿真生产过程；在虚拟环境中能真实地模拟生产线的运动，为设计提供可行性的根据，且在计算机上可方便地修改完善设计，实验不同的方案[1]，对生产线进行不断的优化，可以大大减少调试的成本。在虚拟环境中完成研究工作，为智能制造的生产提供新的手段。
        1机器人控制柜设计
        在ROBOGUIDE环境中，Workcell建立完成之后，导入布局机器人的控制柜和机器人基座，在“Cell Browser”里选择障碍物“Obstacle”添加电气设备，打开数据库其中包含了该版本所有已建立的CAD模型，为实用软件的操作者提供便利，在其中找到控制柜（controllers），选择同实训室相同的控制柜型号R-30iB-mate，点击完成配置，导入到虚拟环境中。控制柜的位置不能进入机器人的工作范围。调整好位置之后，锁定控制柜的位置。
        若是机器人工作高度不够则需要底座，同样在“Obstacle”中选择数据库，在数据库中找到“robot-base”里面有着各种各样的底座，可以根据需要自行选择，若是没有适合的底座，那就必须进行建模，或者进行外部导入。ROBOGUIDE软件自身带有建模的功能，但是它只能进行简单模型的建立，大部分的工件模型都需要进行外部导入，若是运行过程中在它的数据库中找不到相应的模型，那么只能通过外部导入才行[2]。可以通过CAD、Pro/E等相关三维建模软件进行建立，再对其进行导入。
        2机器人执行机构设计
        机器人加载完成后，机器人的第六轴处是没有执行机构的，是根据工作需要来进行机器人执行机构的选择，由于本课题研究的数控车床自动上下料的原料是圆柱件，根据它的大小和工作需要选择平行型气动手爪，方便工件的抓取与放置。如图1是手爪安装前后的情况。
        为了使ROBOGUIDE环境中手爪体现出开合状态，需要分别建立手爪的两种状态，打开和闭合。然后将这两种模型导入机器人手爪，导入ROBOGUIDE环境中的模型，只要整体的外观数据准确，实际上别的没有什么太大的影响。将建立好的模型保存成IGS格式后，便可导入虚拟环境中[3]。别的模型建立完成后都要转存为IGS格式，这样在ROBOGUIDE需要调用模型时可以方便快捷的导入软件中。

                                    图1 手爪安装
        加载手爪成功后，手爪放置的方向位置都是随机的，不会在机器人六轴的位置上，需要进行调整。在Location中修改数据，或是直接拖动方向轴，改变旋转角度位置距离到六轴的中间，调整结束锁定手爪的尺寸和位置。
        手爪导入完成后，还需要设置抓取零件的中心点，转到工具坐标系编辑界面。打开位置调整开关，进行调整TCP位置，将TCP位置调整设置在手爪的中间。调整方式有两种一是直接在左侧输入TCP坐标值。二是直接拖动TCP圆球到合适位置，锁定位置，将当前坐标作为TCP坐标。
        3 工装数模设计
        在机器人设置完成后，则需要在虚拟环境中添加数控加工机床、上料架、下料架、毛坯件、产品、围栏。由于虚拟仿真的特殊性，在进行仿真环境布局之前首先要考虑到机器人的工作空间。机器人工作空间是指在机器人正常运行过程中所能达到的区域[4]。所以在虚拟仿真环境中的工装、零件的位置一定在安置在机器人的工作空间之内，并且需要保证设备安全。
        在本研究中是以数控车床CJK6140为载体，作为自动上下料的对象。由于原始数据中提供了数控机床的IGS图，可以直接导入ROBOGUIDE软件中。于是添加数控车床CJK6140模型。首先在“Cell Browser”中找到自动机械“machines”，选择目标文件从外部导入数控车床模型。点击数控车床出现属性框，在界面中调整数控车床的位置。将机器人的工作范围显露出来，将数控车床的工作平台处于机器人的工作范围之内。位置布置完成后锁定数控车床位置。
        接下来进行上料架与下料架的添加布局，在“Cell Browser”中找到“Fixtures”，选择“Single CAD File”从事先建立好的模型文件夹中选择上料架打开，加载到软件中，在“name”中重新命名。将上料台布置在车床的左边，调整它的位置，确保它在机器人的工作范围之内，锁定位置并应用。下料架的导入和上料架的步骤一样，只是将位置设置在机床的右侧，确保在机器人的工作范围之内，锁定位置并应用。
        4外围设备设计
        当机器人、数控车床、上下料架、控制柜等布置完毕后，接下来就需要添加外围设备围栏。在机器人自动运行时为了保证安全，添加围栏是必须的，这样可以有效的规避安全事故，防止外部因素干扰机器人自动运行，同时也保证了机器人与数控车床自动运行中出现事故时不会对周边工作人员造成伤害。
        首先同样在机器人配置界面“Cell Browser”里找到“Obstacle”，添加模型打开数据库，在其中找到“fence”围栏选项。在众多围栏样式中选择“Fence-EXP-H2000-W1000”加载进虚拟界面中。在“Location”中可以输入数值调整围栏位置；或者直接在界面中通过切换视角，显示机器人工作范围来拖动调整位置。这样一片围栏就设置完成了，接下来点击“Obstacle”，在其中找到设置完成的围栏进行粘贴复制，根据需要自行选择围栏的数目，其中复制完成的围栏会重合在一起，直接拖动即可分开，在设置围栏位置时注意将机器人控制柜放在围栏外，设置完成后点击保存。已导入完成的围栏，再进行位置的调整，进行合理布局。
        在ROBOGUIDE环境下进行虚拟仿真环境设计后，进行离线编程仿真运行，来模拟整个数控车床自动上下料的进程，为实际安装人员提供试验平台，并对方案提供可行性的依据，对生产线进行不断的改进，直至达到理想的智能生产线设计方案。
        参考文献：
        [1]黄雪梅.工业机器人虚拟样机系统的研究[J] .计算机仿真. 2003（3）.P56-P57
        [2]闫晓雪.智能水杯底座的设计研究[J]. 山西电子技术.2016（4）. P84—P85
        [3]霍爱清.基于Unity 3D的钻井工程三维动态仿真[J] 西安石油大学学报（自然科学版）2018（6）P79—P83
        [4]丁玮.六自由度经济型工业机器人设计与运动学分析[J] 机床与液压2019（11）P19-P23