虚拟仿真技术在工业机器人智能制造中运用研究

虚拟仿真技术在工业机器人智能制造中运用研究

梁小龙

佛山科勒有限公司       528137

摘要：虚拟仿真技术在工业机器人智能制造中有着明显的应用优势，推动工业机器人进步。工业机器人的生产制造包括多个复杂环节，本文概括性分析了机械加工生产线的仿真应用，重点从坐标系确定、零部件安装、辅助操作训练、调试路径轨迹、熟悉集成生产线、关联设备设计多方面，研究了虚拟仿真技术在工业机器人智能制造中的应用，并进一步通过仿真模拟实验，验证了虚拟仿真技术的应用效果，希望能够对相关工作提供一定帮助。

关键词：虚拟仿真技术；工业机器人；智能制造

引言：工业自动化控制领域中，工业机器人智能制造是关键一部分。现阶段，工业机器人智能制造研究中，对于设备参数、工艺流程和生产要素等相关制造方法的研究相对完善，以往通过层层反推的方式进行机器人制造，这种方法容易使得各生产要素之间的衔接不够紧密，进而造成工业机器人在实际应用过程中，实用性较差，生产布局不合理等问题，影响工业机器人的运行质量和效率。基于此，为优化工业机器人的实际运行效果，借助虚拟仿真技术，优化智能制造至关重要。

1. 机械加工生产线的仿真应用

工业机械生产加工过程中，包括机床上下料、装配、检测等基本机器人涉及领域。机器人机械加工生产，通常是集以上功能为一体的虚拟仿真自动化生产线，通过上下料工作站、供料工作站、装配工作站和装箱工作站共同组成。在工作站创建过程中，在机器人系统软件中导入仿真模型，对生产线规划设计，并设计机器人坐标系，输入主要数据，设置I/O信号，并进行机器人编程工作，进而确保机器人生产线仿真运行效果。通过机器人的生产线仿真运行，可以促使其完成工业零部件加工工作，并进行材料装配，质量检测、装箱等多种工作，结合机器人等设备的动作流程，进一步规划设计机器人模型动作，调整机器人运动速度等，使其符合设备所设计的生产节奏，确保生产线满足生产工作站要求。

2. 虚拟仿真技术在工业机器人智能制造中的运用
   1. 坐标系确定

工业机器人智能制造时，明确机器人坐标系是前提条件。通过坐标系的确定，可有效明确机器人质心并加以控制，以此确定并调整机器人位置。工业机器人位置的调整和控制，主要通过控制协议完成。为了使得研究效果更加有效，基于工业机器人中以码垛单元作为装置核心，所以，针对码垛单元，在坐标定位时，需要转移机器人尾部控制点至吸盘的尾部，进而为后续编程调试奠定基础，更好地控制机器人。在实际操作期间，刚开始机器人的尾端所处位置并不能确定，其形态也无法明确，但无论其处于何种状态，都可采集不同角度下，关节变化数值信息。所以，在坐标确定中，可基于机器人的运动特点作为原理，明确吸盘的状态和位置信息，在转换矩阵的作用下，对机器人的坐标系进行计算和确定，实践过程如图1：

图1 机器人坐标和工件坐标之间的关系

由上图所示，若机器人末端坐标系原点、底座原点、工具坐标原点分别在E、R、T位置，那么按照其运动特性，可以根据机器人的末端坐标原点、工具坐标原点和底座原点，进行模糊关联矩阵转换，以此确定机器人坐标系。通过四点标定法，明确机器人坐标的工具中心点。在此过程中，主要计算相对机器人坐标系的码垛单元的坐标系关联矩阵，以此确定吸盘的末端位置与形态。此外，始终对准中心点位，并在机器人旁边位置随机选择某个点，使得该点与工具坐标系原点相互重合，不断调整机器人位置形态，记录变化过程中的坐标系原点，以此确定准确的机器人基坐标系[1]。通过以上方法确定机器人坐标系后，就可以获得机器人的中心位置，明确坐标，如此，即可有效根据坐标信息，在生产制造机器人过程中，更加科学准确地进行程序编制，有效在后续应用虚拟仿真技术。

2.2零部件安装

机器人坐标明确后，离线条件下编制机器人程序，对机器人的各关节部位加以确定，安装对应零部件。工业机器人在进行生产运行过程中，对控制操作过程的要求更高。工业机器人系统编程主要分为指令编程或离线编程两种方法。若在实际运行中，在现场采用指令编程方法，往往会使得大量生产时间被占用，在此期间，机器人不能正常运行工作，不能保证生产准确度且影响工作效率。相比于传统的编程指令而言，离线编程具有更多优势，能够有效减少生产停留时间，提高生产效率，即便正处于生产作业环节也可针对后续所要操作的环节进行编程改变和处理等，执行相关任务指令，可以确保机器人继续工作，不影响工作过程的有序进行。并且，在离线编程下，程序员可远离实际生产环境，在更优质的编程环境下开展工作，使得程序更改过程更加便捷高效。编程过程中，使用离线编程软件，链接机器人本身与编程系统，按设计参数标准，设计虚拟控制器参数，并基于此其程序进行开发设计，控制仿真机器人，使其进行合理操作，对零部件的组成和连接信息加以获取，以此确定目前机器人位置和状态，掌握虚拟系统控制情况。

离线编程过程中，需首先创设虚拟仿真系统，科学制造安装零部件，在仿真系统中，对各部件参数加以设计和确定，在控制器的作用下，对机器人相关信号并对执行过程加以控制。其次，按照抓手安装的要求和方法，将机器人虚拟腿部零件安装在机器人模型上，以此为基础，安装机器人外围设备，创设机器人程序。在实际运行控制阶段，仿真机器人运行过程和路径都较为繁杂，因此对应的编程也往往涉及存在复杂逻辑，将其连接不同运行子路径。在智能化工业机器人制造中，可使用针对性编程手段，借助Robot Studio成像软件、离线编程、RAPID应用程序修改器等，以改进并优化应用程序

[2]。当机器人的程序设计并编制完成之后，还可直接在控制器中使用并加载，以此提高其在工业生产中的使用效率。

2.3辅助操作训练

工业机器人在智能制造过程中，其基础操作即为熟练工业技能训练。通过Robot Studio仿真软件系统，构建虚拟机器控制系统，对工业机器人展开虚拟操作培训，并监控工业机器人培训期间的工作流程，以确保工业机器人的机身架完全相同于该软件所提供的展示架，支持生产需要。辅助操作训练过程中，首先支持各项使用功能，包括数据处理、手动处理、操控环境选择等。在工业机器人控制系统内，连接输入输出信号，与对应适配器连接，设计相关数据。利用虚拟仿真控制器，选择相关选项，包括坐标工具、载荷、工件坐标等相关数据信息。其次，提前发现运行期间可能出现的不正当行为，对其进行有效改进，针对机器人本体在操作过程中的实际情况奠定基础，提高工业机器人运行可靠性。结合实际情况，灵活设置机器人生产练习时间，完成单独有效练习。此外，在特定的工作环境下，安排不同的操作技能，提高各环节操作水平，提升机器人的工业判断分析能力。

2.4调试路径轨迹

运用虚拟仿真技术，动态化调试工业机器人路径轨迹，同样可采用Robot Studio软件系统。按照系统的程序规定和设计，构建零件三维模型，生成机器人轨迹线路图，科学调试和校准机器人运行路径。在此过程中，不断更新调整虚拟仿真技术中的Robot Studio生命周期函数，设置科学的运行时间间隔，一般为3s/次，记录相应的调试频率和渲染复杂度，且保证各调试函数之间互不冲突，在一个函数完成后，再进行后另一个函数的运行。在操作环境下，按照机器人的坐标系信息，结合机器人运行轨迹规律，在调试系统的作用下，根据关联设备相关情况，动态设计和调试机器人运行轨迹，保证机器人的行进路径保持围绕旋转轴进行[3]。在实际操作过程中，针对固定轴旋转量，不断改变运行轨迹，可有效调试机器人运行路径轨迹。

2.5熟悉集成生产线

工业机械的生产主要依靠自动化系统的集成作用，其在工业生产中广泛应用。之所以工业应用程序控制更加容易，是因为自动化生产线的应用程序往往在形式与功能上都是独立且特别的。在机器人系统当中，为使得机器人在工业生产中更广泛的应用，在设计制造过程中，根据工业机械的需要和运行特点，生成生产线，基于此，增加运行思维和逻辑理论等，使其在工业生产中可进一步发挥作用。Robot Studio软件包模拟软件包通过目标测试、基础建模等不同操作，并在编程、调试等技术基础上，可模拟不同的操作类型，创建不同作业任务，进一步优化工业编程和配置，保证工业机器人在工业生产中的适配度，使其巧妙操作得以不断完善，使得工业机器及相关设备的影响力不断提高。此外，科学的应用智能组件，可以有效帮助机器人理解系统生产过程，确保在系统运行过程中，发挥其功能特性。

2.6关联设备设计

工业机器人在应用虚拟仿真技术时，构建三维模型是重要环节。工业机器人当中，包含复杂的复制系统和各类型3D模型，如存在于工业机器人底部的装配线，安装代码板、吸盘码垛等，都是三维模型的重要体现，为完成相关操作，还需优化关联设备的设计。利用3D工程设计软件和Robot Studio仿真软件等，可以有效提供建模工具，完成建模操作。对工业机器人的不同特殊配件进行合理安装，更能够实现多种功能服务，优化操作执行过程。建模功能集成，为Robot Studio提供了相应的模仿软件，可以更有利于建模过程。在工业机器人中，安装多类型配件，保证构件特殊性，更有利于执行不同操作，以此满足不同功能需要。在进行工业生产环节时，可以按照实际应用情况，指导工业机器人选择合适的作业工具，完成科学的操作行为。通过建模并优化处理建模过程，使得工业机器人关联设备质量更高，强化工程实践效果，并完善生产流水线作业过程，使得工业机器人的智能化应用更加优化。

2.7仿真模拟实验

为进一步检验工业机器人智能制造中，虚拟仿真技术的应用效果，建立虚拟仿真实验平台，通过搭建控制模型，对机器人路径调试期间的编程数据输出情况进行掌握，控制机器人运行轨迹，以此判断机器人运行过程中的性能特点，并结合机器人变动和行进情况，分析检验虚拟技术的有效性。

由虚拟控制器基于虚拟仿真技术，智能化制造工业机器人，在仿真实验中，虚拟控制器创造仿真环境，模拟机器人操作运行的各项功能，确定机器人参数指标，设计离线编程等功能程序。利用虚拟仿真技术，离线编程机器人，控制机器人在模型中的各种动作完成情况。在实验期间，编制机器人操控程序，重新展示机器人的运行状况，基于此，设计离线编制程序，将其重新输入至机器人中。运用Robot Studio软件，咋实验中，对机器人运行轨迹调整。结合使用MATLAB软件，创设变量并将其在机器人中输入，得到对应的输出变量，将其进行转化，形成MATLAB变量，对两个软件系统关联处理。按照状态变量信息，了解输出变量和简化后的状态变量，并在Robot Studio编辑器中，选择数据选项，一一对应设置状态变量和输出控制，完成实验过程

[4]。

通过以上仿真模拟实验过程，可以获得机器人质心在不同方向上的位移仿真曲线，从示波器看到躯体质心的运动状况，并通过显示的实时数据信息判断实验成果。按照仿真实验结果，机器人在不同运行方向上，运行轨迹的偏离都能控制在0.3cm范围内，由此可见，工业机器人在虚拟仿真技术下，可以有效按照规划的路径进行运动。此外，在不同方向上，机器人躯体中心的偏移基本都能控制在0.5cm范围内。由此可见，机器人运动平衡性较高，控制效果较好，仿真计算结果精准，规划设计合理，工业机器人智能制造中，虚拟仿真技术确实发挥着突出作用。

结论：综上所述，在工业机器人制造过程中，虚拟仿真技术发挥着巨大的作用，对工业生产具有重要的辅助价值。在工业机器人智能制造过程中，运用虚拟仿真技术，可以有效计算工业机器人的坐标系，开发离线运动程序，并有效调试机器人在应用过程中的运行路径，以此提高工业机器人的使用效果。在今后的研究和发展中，还应进一步验证工业机器人制造方案有效性，提升优化虚拟仿真技术的应用设计，将其在工业机器人中更广泛、更优化地应用。

参考文献：

[1]许郢.虚拟仿真技术在工业机器人智能制造中的应用[J].电气传动自动化，2023，45(04):50-53.

[2]杨利静.基于虚拟仿真技术的工业机器人混合式教学模式研究[J].科教文汇，2023，(12):87-90.

[3]王莹，刘伟.虚拟仿真技术在工业机器人电机装配中的应用研究[J].电气传动自动化，2023，45(02):42-45.

[4]贺峰.基于虚拟仿真技术的工业机器人系统开发设计[J].信息与电脑(理论版)，2021，33(21):83-85+94.