譚增欣（上海ABB工程有限公司）

摘?要：伴隨工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展和工業(yè)機(jī)器人的普及，仿真的重要性在自動(dòng)化生產(chǎn)中逐漸被認(rèn)可與重視，仿真軟件的選擇直接影響到項(xiàng)目的質(zhì)量和效率，本文通過兩款常用工業(yè)機(jī)器人仿真軟件的功能研究，并對(duì)其中一款仿真軟件實(shí)際項(xiàng)目操作流程介紹，展示不同仿真軟件的特點(diǎn)，方便用戶在學(xué)習(xí)和工作中選擇合適的仿真軟件。

關(guān)鍵字：工業(yè)自動(dòng)化 仿真作用 仿真軟件特點(diǎn) 仿真一般流程

一、自動(dòng)化生產(chǎn)和仿真技術(shù)的發(fā)展。

隨著數(shù)字化工廠概念的提出，結(jié)合智能制造和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，越來越多的工廠普及并提高自動(dòng)化生產(chǎn)水平，工業(yè)機(jī)器人作為自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)的代表，得到了廣泛地應(yīng)用和發(fā)展，相應(yīng)與之配套的仿真軟件及其功能也越來越多。

二、仿真的作用。

隨著制造業(yè)自動(dòng)化率的提高，生產(chǎn)廠商逐漸地從以前的手工操作或單獨(dú)工作站自動(dòng)化發(fā)展成生產(chǎn)線自動(dòng)化，以往的憑經(jīng)驗(yàn)和機(jī)械設(shè)計(jì)軟件布局已不能適應(yīng)當(dāng)前自動(dòng)化生產(chǎn)水平的需要，仿真的需求越來越大，仿真的必要性也越來越被人們認(rèn)可，仿真在自動(dòng)化生產(chǎn)和制造中占有越來越重要的作用。

1、?夾具設(shè)計(jì)干涉檢查。

仿真可以快速檢查并反饋夾具設(shè)計(jì)階段的干涉情況，大大減少了夾具的修改次數(shù)、縮短了設(shè)計(jì)周期，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間和人力成本，提高夾具設(shè)計(jì)者的工作效率，為項(xiàng)目快速投產(chǎn)奠定基礎(chǔ)，為企業(yè)帶來更多效益。

2、?自動(dòng)化設(shè)備之間的協(xié)作驗(yàn)證。

仿真可以直觀地顯示各個(gè)自動(dòng)化設(shè)備之間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，防止設(shè)備之間相互干涉或無意義的等待，可以提前規(guī)避項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)。

3、?工藝節(jié)拍優(yōu)化。

仿真可以在項(xiàng)目前期提前規(guī)避工藝風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)進(jìn)行工藝調(diào)整，改善工藝操作流程。并且可以直接計(jì)算出幾乎和現(xiàn)場相同的節(jié)拍，方便在項(xiàng)目前期或者項(xiàng)目進(jìn)行時(shí)平衡優(yōu)化節(jié)拍。

4、?方案布局。

仿真可以在項(xiàng)目前期或未啟動(dòng)時(shí)提前確定方案以及場地布局的估算并進(jìn)行調(diào)整，大大降低了項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)和場地的占用，更有效地確認(rèn)方案的可行性，更合理地利用有限的廠房資源，使單位土地產(chǎn)生的價(jià)值提高。

5、?物流規(guī)劃。

仿真可以在前期規(guī)劃好完善的自動(dòng)化生產(chǎn)線物流，合理地布置物流相應(yīng)的運(yùn)輸、儲(chǔ)存、搬運(yùn)、緩存、生產(chǎn)、包裝等區(qū)域，減少后期因?yàn)槲锪鳟a(chǎn)生的影響節(jié)拍甚至停線的問題。

6、?節(jié)省改造時(shí)間。

仿真可以在自動(dòng)化生產(chǎn)線需要改造并且仍在生產(chǎn)時(shí)進(jìn)行仿真，計(jì)算出改造成本和改造時(shí)間，并且在改造項(xiàng)目確定時(shí)可以集中時(shí)間施工改造，大大減少企業(yè)生產(chǎn)線停線的時(shí)間，減少因長時(shí)間停線改造帶來的損失。

7、?人機(jī)工程研究。

仿真可以在前期仿真出操作者的工作狀態(tài)，合理調(diào)整機(jī)械設(shè)備的操作高度、操作環(huán)境、操作者姿態(tài)和重復(fù)動(dòng)作的疲勞損傷度，使人、機(jī)、環(huán)境三要素相互協(xié)調(diào)配合，創(chuàng)造舒適安全的自動(dòng)化生產(chǎn)環(huán)境。

三、兩款仿真軟件的功能研究。

工業(yè)機(jī)器人使用的仿真軟件可簡單分為兩大類：一類是工業(yè)機(jī)器人廠商專用的仿真軟件，例如ABB公司的RobotStudio和YASKAWA公司的Motosim等，這類軟件的基本特點(diǎn)是一般只支持相應(yīng)廠商的機(jī)器人，并且應(yīng)用方面的專一性較強(qiáng)；另一類是通用工業(yè)機(jī)器人仿真軟件，例如Delmia、Robcad和ProcessSimulation等，這類軟件的基本特點(diǎn)是支持所有廠商的機(jī)器人，并且支持所有工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用。

下面就本人工作中經(jīng)驗(yàn)將ABB公司的RobotStudio和西門子公司的ProcessSimulation兩款軟件做出對(duì)比，方便用戶在學(xué)習(xí)和工作中了解和選擇合適自己的軟件：

1、?入門和系統(tǒng)占用。

RobotStudio入門比較簡單，沒有基礎(chǔ)的人員可以通過一周培訓(xùn)或自學(xué)進(jìn)行簡單項(xiàng)目的仿真；RobotStudio還存在虛擬示教器的功能，打開后和現(xiàn)場的示教器樣式功能均完全相同，通過此功能可以熟悉現(xiàn)場調(diào)試方法，也可以通過虛擬示教器遠(yuǎn)程協(xié)助員工現(xiàn)場操作；RobotStudio對(duì)電腦操作系統(tǒng)資源占用比較大，一般超過2G的工作站就會(huì)影響電腦運(yùn)行速度，尤其是仿真SOP運(yùn)行時(shí)，很容易產(chǎn)生電腦慢或者卡住的情況；

ProcessSimulation入門難度比較大，一般沒有基礎(chǔ)的人員至少要半個(gè)月以上培訓(xùn)才能進(jìn)行仿真操作；對(duì)電腦操作系統(tǒng)資源占用比較小，10G的工作站仍然可以流暢運(yùn)行，仿真SOP運(yùn)行時(shí)也不會(huì)有卡頓情況產(chǎn)生。

2、?數(shù)據(jù)導(dǎo)入。

RobotStudio自帶所有ABB機(jī)器人、ABB標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)臺(tái)以及整理好的點(diǎn)焊焊槍、弧焊焊槍等周邊設(shè)備，在需要使用時(shí)可以直接導(dǎo)入；支持幾乎所有3D格式數(shù)據(jù)的直接導(dǎo)入，只需要簡單的將Stp、Carpart、Jt、Wrl等數(shù)據(jù)直接拖到軟件里即可載入，并且載入后數(shù)據(jù)可以直接保存在工作站里，3D源文件移動(dòng)不影響仿真工作站的使用。

ProcessSimulation不帶機(jī)器人或標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備數(shù)據(jù)，需要去相應(yīng)機(jī)器人廠家網(wǎng)站下載，并且需要自己定義設(shè)備屬性；數(shù)據(jù)導(dǎo)入需要借助3D設(shè)計(jì)軟件將格式先轉(zhuǎn)化為Jt、Carpart再轉(zhuǎn)為CO或者COJT才能導(dǎo)入，并且載入數(shù)據(jù)后源文件不能隨意移動(dòng)。

3、?布局調(diào)整。

RobotStudio和ProcessSimulation均能通過設(shè)置具體坐標(biāo)，精確移動(dòng)和簡單移動(dòng)來調(diào)整布局。用戶可以在初期通過鼠標(biāo)簡單移動(dòng)設(shè)備到大致位置后進(jìn)行仿真，仿真過程中可以通過輸入具體坐標(biāo)或者移動(dòng)選項(xiàng)來精確定義最終位置。

4、?機(jī)器人負(fù)載檢測。

RobotStudio在制作機(jī)器人工具時(shí)輸入相應(yīng)的質(zhì)量、慣性等數(shù)據(jù)可以直接在整個(gè)仿真過程中自動(dòng)檢測負(fù)載是否超重。

ProcessSimulation無此功能，需要通過廠商負(fù)載軟件自行計(jì)算，且只能計(jì)算出靜態(tài)負(fù)載。

5、?仿真過程。

RobotStudio需要在布局調(diào)整完成后建立系統(tǒng)，建立系統(tǒng)時(shí)可以選擇和現(xiàn)場一樣的軟件選項(xiàng)，例如Safemove，Worldzone等；

ProcessSimulation不需要建立系統(tǒng)，在導(dǎo)入設(shè)備后可以直接進(jìn)行仿真。

在遇到需要使用非標(biāo)外軸，例如導(dǎo)軌或非標(biāo)轉(zhuǎn)臺(tái)的情況時(shí)，RobotStudio定義外軸難度比較大，同時(shí)需要相應(yīng)的外軸文件支持；

ProcessSimulation定義外軸比較簡單，只需要在modeling命令下定義好機(jī)械裝置后即可直接使用。

在仿真過程中RobotStudio提供了弧焊、激光、沖壓等插件，可以方便的建立焊縫或切割路徑。比如弧焊，對(duì)于圓弧焊縫只需要拾取起弧點(diǎn)、圓弧中點(diǎn)和收弧點(diǎn)即可建立并且自動(dòng)設(shè)置焊槍為標(biāo)準(zhǔn)的焊接姿態(tài)，在和直線焊縫合并的情況下可以方便快速地做出復(fù)雜的焊接路徑，并且支持Movec、Arcc、Cutc等圓弧指令，大大減少了現(xiàn)場的示教點(diǎn)，提高了現(xiàn)場調(diào)試難度和焊接精度。

在后期調(diào)整過程中RobotStudio有按照角度均分點(diǎn)的方向、按照外軸變化均分點(diǎn)或者按照機(jī)器人特定軸角度均分點(diǎn)的方向等實(shí)用功能，并且TCP追蹤功能可以直觀的看到機(jī)器人在示教過程中工具TCP實(shí)際所走的路徑，在和轉(zhuǎn)臺(tái)或者其他機(jī)器人聯(lián)動(dòng)過程中可以方便地調(diào)整復(fù)雜路徑。

干涉區(qū)功能可以直接在軟件里定義各自機(jī)器人的干涉區(qū)防止仿真過程中機(jī)器人和設(shè)備之間產(chǎn)生干涉，定義好的干涉區(qū)可以直接導(dǎo)入現(xiàn)場節(jié)省調(diào)試時(shí)間；如果程序中有接近奇異點(diǎn)的動(dòng)作，可自動(dòng)檢測并發(fā)出報(bào)警。

RobotStudio同樣內(nèi)置了Mulitmove功能，可以由一個(gè)控制器定義一個(gè)機(jī)器人與外軸或者多個(gè)機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，并且在軟件中編程完畢后直接將程序?qū)氍F(xiàn)場機(jī)器人使用。

ProcessSimulation在弧焊、激光等方面只能通過捕捉工件邊緣生成許多個(gè)短線段組成焊縫或者切割路徑，影響后期現(xiàn)場生產(chǎn)的精度，在批量調(diào)整過程點(diǎn)角度時(shí)只有按照初始點(diǎn)和最終點(diǎn)均分以及復(fù)制焊點(diǎn)方向等少量功能；點(diǎn)焊方面只需要定義好焊槍的機(jī)械裝置和動(dòng)作即可進(jìn)行仿真。

6、?仿真反饋。

在仿真需要及時(shí)反饋時(shí)，RobotStudio可以移動(dòng)夾具上一個(gè)L塊或者單獨(dú)的機(jī)械結(jié)構(gòu)來直接驗(yàn)證夾具或焊槍修改思路，效率非常高；

ProcessSimulation只能在modeling模塊下編輯后再載入，比較費(fèi)時(shí)。

導(dǎo)出槍云方面RobotStudio需要通過二次開發(fā)的插件來進(jìn)行；

ProcessSimulation可以直接在工作站里用gun模塊下的命令依次選擇焊槍、TCP和路徑即可導(dǎo)出。

模擬報(bào)告截圖方面RobotStudio需要借助外部工具截圖；

ProcessSimulation內(nèi)置截圖工具。

7、?節(jié)拍核算。

在做好SOP驗(yàn)證節(jié)拍時(shí)RobotStudio由于建有和現(xiàn)場一樣的系統(tǒng)，仿真動(dòng)畫上的節(jié)拍時(shí)間基本上和現(xiàn)場節(jié)拍保持一致；

ProcessSimulation做出的SOP錄像可能會(huì)和現(xiàn)場產(chǎn)生較大的差別，最多可產(chǎn)生10%左右時(shí)間差距。

8、?在線更改。

現(xiàn)場需要更改程序時(shí)可以用電腦網(wǎng)線直接連接機(jī)器人和計(jì)算機(jī)，用RobotStudio在線功能直接修改機(jī)器人中的程序，甚至可以經(jīng)過以太網(wǎng)直接連接進(jìn)行程序，非常方便；

ProcessSimulation需要用U盤拷下導(dǎo)入工作站中修改后再導(dǎo)入驗(yàn)證。

9、?數(shù)據(jù)輸出。

RobotStudio可以直接右鍵輸出layout設(shè)備為dxf、wrl或者stp等格式。ProcessSimulation只能輸出wrl和dxf格式，不能輸出能編輯的3D格式。

RobotStudio提供了類似3D PDF一樣的可旋轉(zhuǎn)視角的SOP錄像文件，不需要安裝任何軟件即可播放，可以在SOP錄像運(yùn)行時(shí)，放大縮小自由轉(zhuǎn)換角度加減速等，方便客戶確認(rèn)項(xiàng)目狀態(tài)。

ProcessSimulation只能固定視角錄像，只能通過播放器暫停或拖放。

RobotStudio仿真程序上傳到軟件rapid運(yùn)行無誤后可以直接導(dǎo)出離線編程OLP文件，現(xiàn)場可以不用修改任何數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入機(jī)器人使用。

ProcessSimulation導(dǎo)出的離線程序之前需要先定義好格式，命令等標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)出后可能仍然需要進(jìn)一步修改程序。

10、人機(jī)工程。

RobotStudio無人機(jī)工程模塊。

ProcessSimulation提供了強(qiáng)大的人機(jī)工程模塊可以仿真出人的動(dòng)作、視角、疲勞程度等，可以提前發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在使用過程中產(chǎn)生的人機(jī)交互問題、設(shè)備在維護(hù)過程中可能產(chǎn)生的問題、員工操作時(shí)舒適度問題等。

四、基于RobotStudio軟件仿真激光切割工作站實(shí)例。

以上兩款仿真軟件對(duì)比為本人多年使用的心得，通過對(duì)比可以看出不同仿真軟件具有各自的優(yōu)點(diǎn)：工業(yè)機(jī)器人廠商的仿真軟件編程簡單、便于入門、界面友好、導(dǎo)入導(dǎo)出數(shù)據(jù)方便；ProcessSimulation軟件功能強(qiáng)大、應(yīng)用較多、對(duì)電腦配置要求較低、可以同時(shí)布置整條生產(chǎn)線。下面就某大型汽車零部件廠的激光切割工作站項(xiàng)目介紹RobotStudio仿真軟件的基本使用方法和仿真的一般過程。

1、仿真前期準(zhǔn)備

考慮到激光切割項(xiàng)目示教點(diǎn)很多，離線調(diào)試修改難度大，并且需要在仿真過程中與客戶多次交流，可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)視角和放大縮小的錄像輸出尤為重要，最終經(jīng)過一番對(duì)比仿真軟件選擇RobotStudio。項(xiàng)目前期需要收集所有有關(guān)仿真的資料，例如方案階段確定下來的激光切割專用機(jī)器人型號(hào)，轉(zhuǎn)臺(tái)的型號(hào)和切割頭的數(shù)模，激光房、排屑機(jī)、冷卻設(shè)備和激光產(chǎn)生器等周邊設(shè)備的數(shù)模等。在收集到所有仿真資料后需要將激光切割槍的3D數(shù)模在RobotStudio中創(chuàng)建工具命令下定義好名稱、重量、慣量、TCP等屬性，使之成為RobotStudio機(jī)器人專用工具。

2、布局設(shè)備，建立系統(tǒng)

將RobotStudio軟件自帶的機(jī)器人、標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)臺(tái)以及收集到的其他設(shè)備插入工作站并移動(dòng)到合適位置，并將已經(jīng)做成專用工具的激光切割槍安裝在機(jī)器人上。從機(jī)器人系統(tǒng)命令下選擇從布局建立系統(tǒng)，依次選擇系統(tǒng)存放位置、RobotWare版本、系統(tǒng)中硬件設(shè)備和機(jī)器人軟件選項(xiàng)。

3、建立工件坐標(biāo)和切割路徑。

創(chuàng)建工件坐標(biāo)并綁定在轉(zhuǎn)臺(tái)上，打開Add-Ins標(biāo)簽下Cutting插件，建立路徑，并在路徑下用從邊創(chuàng)建路徑命令選擇需要切割的路徑，依次調(diào)整好各項(xiàng)屬性后生成一條切割路徑。重復(fù)以上命令生成所有需要切割的路徑并設(shè)置好路徑之間的跳轉(zhuǎn)點(diǎn)。

4、驗(yàn)證生產(chǎn)流程，確定最終布局。

執(zhí)行運(yùn)動(dòng)指令運(yùn)行切割路徑，在運(yùn)動(dòng)過程中反復(fù)優(yōu)化切割路徑，調(diào)整好合適的機(jī)器人TCP速度、Zone值、轉(zhuǎn)臺(tái)角度和切割槍姿態(tài)，同時(shí)保證電纜線折彎角度防止在運(yùn)行過程中折斷；在驗(yàn)證好夾具設(shè)計(jì)無干涉情況和方案節(jié)拍達(dá)標(biāo)后，確定最終布局。

5、數(shù)據(jù)輸出。

右鍵選擇整個(gè)工作站可以將所有設(shè)備布局導(dǎo)出為dxf，方便現(xiàn)場劃線和安裝設(shè)備；仿真報(bào)告可以標(biāo)注工作站里各個(gè)設(shè)備的位置及線纜的安裝方式；仿真錄像可以直觀地演示整個(gè)激光切割工作站的生產(chǎn)流程和節(jié)拍時(shí)間；離線編程程序可以提前完成機(jī)器人調(diào)試工作，直接在現(xiàn)場機(jī)器人倒入程序即可運(yùn)行所有示教點(diǎn)，大大節(jié)省現(xiàn)場調(diào)試時(shí)間和項(xiàng)目成本。

6、現(xiàn)場調(diào)試支持。

由于產(chǎn)品的材料、厚度、需要切割的形狀和大小等影響因素使激光切割現(xiàn)場調(diào)試工藝比較復(fù)雜，需要根據(jù)切割出來的產(chǎn)品反復(fù)修改激光功率、TCP速度、zone值和點(diǎn)的疏密程度等各項(xiàng)參數(shù)，RobotStudio的一鍵備份功能導(dǎo)出程序非常方便。

7、資料整理、項(xiàng)目驗(yàn)收。

在項(xiàng)目后期整理收集好項(xiàng)目交工資料和驗(yàn)收材料，并為未來的項(xiàng)目改造準(zhǔn)備資料。

五、結(jié)語。

在日常工作和學(xué)習(xí)中，空間占地比較小、難以現(xiàn)場示教或者需要快速反饋的弧焊、切割、滾邊等應(yīng)用工作站一般選擇RobotStudio進(jìn)行仿真，而大型點(diǎn)焊、混合生產(chǎn)線則一般用ProcessSimulation進(jìn)行仿真，大家在實(shí)際應(yīng)用過程中不要局限于使用一種軟件，而是需要參照自己的條件或按項(xiàng)目的需要取長補(bǔ)短，選擇合適的仿真軟件來提高自己的仿真水平和項(xiàng)目質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 西門子. 數(shù)字化制造仿真與優(yōu)化[Z]. 2015.3