1、 基于 与 的联合虚拟仿真平台研究吴绍坤，李瑞鹏，侯国琛，王爱玲（河北机电职业技术学院，河北 邢台 ；河北科技工程职业技术大学，河北 邢台 ）摘要：针对复杂的工业现场环境中工业机器人在配合其他控制设备应用时必须在线调试的弊端，使用联合虚拟仿真技术，在 中建立实际生产环境的仿真模型并对机器人离线编程，使用博图软件编写程序下载至虚拟 中，通过虚拟以太网建立连接，进一步还原生产控制方式。该方案脱离实际设备，为工业机器人与 项目的开发提供实验平台，使机器人编程调试环境更加安全灵活，在教学中也可弥补教学设备的不足。关键词：；虚拟仿真；工业机器人中图分类号：，（，；，）：，：；收稿日期：作者简介：吴绍坤（
2、），硕士，研究方向为机器人控制技术、机电一体化技术。引言在现代生产生活中，工业机器人大多不是独立作业的，而是与其他外部控制设备如 协同工作的。而应用于生产的机器人系统大多采用示教再现编程方式，同时示教再现编程在实际生产应用中存在精度靠目测、效率低、需要协调联合调试时间等问题。为提高编程效率，可采用机器人虚拟离线编程，使编程者远离危险的工作环境，改善编程环境，缩短项目开发周期。其基本思想是利用离线仿真技术，构造虚拟机器人及其工作环境；在虚拟模型中引入机器人和场景，同时操作者能够操纵机器人在场景中移动，可以选择不同的观察视角，从不同的侧面观察机器人的运动情况，进行虚拟在线示教；利用虚拟通信技术，实
3、现机器人与其他虚拟 通信，进行数据交换；将编辑好的程序保存在 机上，并传送给机器人控制器。本文以哈尔滨某钢管生产厂需求为出发点，基于六自由度 关节型机器人 与西门子 为研究对象，在 软件中建立机器人夹爪的三维模型，并导入 ，同时在 中构造工业现场生产环境简单模型，使用博图软件编写 程序并下载到 中，最后进行仿真调试。该方法可以为工业现场的编程和调试提供安全灵活的开发环境，提高编程效率，指导现场生产，在一定程度上提高现场操作人员的安全性，减小现场调试的工作量，缩短项目开发周期。同时，该方法可以应用到实际教学中，弥补教学设备不足的缺点，使每位学生都能进行编程调试。建立仿真模型 虚拟仿真软件由 公司
4、开发，属于 软件，能够在各类 工 业 机 器 人 上 使 用，可 以 实 现 导入、自动路径生成、程序编辑器、路径优化、自动分析伸展能力、碰撞检测、在线作业等功能。但是该软人工智能与传感技术电工技术件的建模功能有限，建立复杂模型时需要配合其他三维制图软件才能完成，因此使用 画图软件对机器人末端夹爪工具进行建模，如图所示。将绘制完成的夹爪保存为 格式的文件，以满足导入 的要求。图末端夹爪工具在 软件模型库中首先导入 机器人模型及 标准导轨，随后将绘制好的夹爪工具导入并安装到机器人末端，通过软件中的“创建工具”选项，将夹爪设置为可进行动画运动且被系统识别的工具，同时绘制所需的其他设备模型。钢管生产
5、线整体仿真模型如图所示。图钢管生产线整体仿真模型钢管生产线需要模拟的生产流程为：钢管由上一级生产线运送到机器人左侧的输送辊道上；等待 信号，启动辊道将钢管运送至靠近机器人的某一位置并停止；机器人由 点处开始运动，前往左侧辊道抓取钢管并返回至起始位置，等待 的下一步指令；下达机器人目标 点 位 指 令，总 共 个 目 标 点 位，分 别 为 压 机（）、加热炉（）、压机（）、冷却辊道（）；机器人根据 的指令将钢管放至对应的目标点位辊道上，待加工完毕后，等待完成指令，再将钢管取回放至冷却辊道；最后，机器人回到起始状态，等待下一个工作命令。仿真系统搭建 端环境搭建本次 搭 建 的 平 台 测 试 采
6、 用 的 版 本 为 ，在上述仿真模型的基础上添加所需的 信号，虚拟仿真平台不仅包括 与机器人之间的通信，还要做到动画效果，因此必然要用到 组件。组件的信号也要与机器人的信号相关联，部分信号见表。表机器人信号序号信号名称注释通信双方 程序启动 组件 钢管到位 组件机器人 前往压机 机器人 压机完成 组件机器人 夹爪已闭合 组件机器人 夹爪已打开 组件机器人 到达压机机器人 组件 到达 机器人 夹爪闭合机器人 组件 夹爪打开机器人 组件在 中创建机器人及其他模型工作运行的动态仿真效果，软件中的 组件起到了关键的作用。在 的 中搜索并添加数字量通信组件 。打开机器人工作站逻辑，首先导入刚下载并添加
7、的通信组件，双击该组件对其属性进行设置，如图所示。在 中填写要连接 的 地址，本次设计为 ；是 的机架号，为；是 的 槽 位 号，为；、分别是输入、输出信号的数量；对应 的输入信号地址，对应 的输出信号地址，这里的地址要与 变量中设置的地址一致。工作站逻辑部分仿真连接设计如图所示。图通信组件属性图工作站逻辑设计电工技术人工智能与传感技术 博图端环境搭建新建工程项目并添加对应的 控制器，新建通信所需的 端变量，部分变量见表。表 信号序号信号名称注释地址 启动按钮 前往压机按钮 到达 姿态 程序运行信号 前往压机信号 在博图中修改硬件组态 的 地址（本平台修改为 ），如图所示。随后，启动 ，该软件
8、是西门子推出的一款高功能仿真器，它的显著特点是除了可以仿真一般的 程序外还可以仿真通信，如图所示。设置相关参数，选 择 右 边 的 ，左 侧 的 不 支 持 外 部 网 络 访 问；可以选择以太网或者本地虚拟网卡，即为本地虚拟网卡，是在安装软件时自动安装的网络适配器。打开控制面板网络连接，就是此虚拟网卡。本次仿真实验采用的是本地虚拟网卡，若使用虚拟网卡，则只能在本机进行通信仿真，而使用以太网则可以在局域网内进行仿真通信；为 设置，包括 地址、子网掩码、默认网关及 型号，设置完成后点击 按钮则会生成一个 实例。创建成功后即可开始通信仿真；在 中即为创建成功的 。图 地址图 参数设置系统编程及仿真
9、 程序编写在上述生产模型建立的前提下，软件可进行离线编程。根据钢管处理的流程、信号设计的 组件，可在 中离线开发程序，示教目标点。机器人工作流程主程序如图所示。图机器人主程序 仿真分析通过博图软件将编写好的 程序及硬件组态编译下载至虚拟 中，将程序转至在线并监视，如图所示。在 中点击仿真栏中的播放，进入仿真模式。给定 程序中“”变量一个脉冲，钢管开始由辊道一端运动至接近机器人的一点，钢管到位后，中机器人前往辊道抓取钢管返回至起始位置，等待下一步命令，同时将 标志位置位反馈给 ；随后给定 程序中“”变量一个脉冲，机器人将把钢管放置到压机辊道上，等待压机处理完成后再取回钢管。通过上述测试，可以看出
10、已经成功实现了 与 的联合仿真调试，同时仿真过程中也可以设置碰撞模块，以自动监测并显示程序执行时这些对象是否会发生碰撞，这对以后的实际生产非常有用。图仿真调试（下转第 页）人工智能与传感技术电工技术区域；在背景测试流量下进行页面切换操作。使用 进行上述操作的录制，利用 的屏幕比较功能对切换后页面的个标识区域与标准区域进行对比，完全一致则停止时间记录，作为页面切换的时间，与 配电自动化系统主站功能规范要求的进行对比，最终给出测试结论。测试系统实际运行效果结合该自动测试系统在新型配电主站系统中的测试应用，从自动配置和自动测试两方面来考察运行效果。自动配置过程实际运行效果在该自动测试系统出现前，搭建
11、 个工作站需要实际的工作站机器安装操作系统、配置环境变量、安装和配置应用软件。传统的搭建和配置过程在资源充足的情况下需要个工作日左右的时间才能完成，而且需要的硬件资源庞大。利用该自动测试系统只需要配置好单个典型的云工作站，通过脚本自动更改不同的配置，在半个工作日就可以完成搭建，根据硬件配置只需要台服务器。自动测试过程实际运行效果在该自动测试系统出现前，搭建完成 个工作站后，只能依次点击界面进行测试，无法测试多业务场景或单一业务场景下多次访问情况下服务器的功能和性能。利用该自动测试系统，可以按照编制好的测试用例开展不同业务场景及同一业务场景多次测试，从而更好地考核服务器端的功能和性能。使用自动测
12、试系统测试期间，被测的配电主站服务端出现了系统资源指标不满足要求及同一业务场景下同时测试服务端异常等情况。利用该自动测试系统，测试效率得到显著提高，被测产品质量得到了显著提升。结语本文利用云平台技术搭建多个工作站，对搭建的各工作站的操作系统、环境变量及应用程序进行自动配置，大大节省了多工作站测试环境搭建的时间；在云平台工作站端的每个工作站通过加载自动测试的测试用例，对界面操作及性能进行自动测试。通过上述手段，解决了目前配电自动化主站系统测试环境搭建复杂、缺乏自动测试手段和执行效率较低的问题。随着电力系统大型主站系统业务的需求扩充，工作站的数目要求越来越多，本文介绍的方法已在电力系统的集控站及调
13、控站大型系统中得到应用，也为别的领域的多工作站测试提供了思路。参考文献 配电自动化主站系统功能规范 冯庆东，毛为民配电网自动化技术与工程实例分析北京：中国电力出版社，陈堂，赵祖康，陈星莺，等配电系统及其自动化技术北京：中国电力出版社，费思源大数据技术在配电网中的应用综述中国电机工程学报，（）：陈明恩，战峰一种配电主站系统集成测试架构及方法东北电力技术，（）：（上接第 页）结语本文使用 软件绘制机器人工具三维模型并导入 中，再结合 自身的建模功能建立实际生产环境的仿真模型，同时使用博图软件编写程序下载至虚拟 中，最后两者通过虚拟以太网通信建立连接，进一步还原生产控制方式。通过仿真直观地检查编程结
14、果，并进行人工修正。虚拟仿真生成的工业机器人数据与 程序可以直接 传 输 给 现 场 设 备，便 于 现 场调试。本文设计方案脱离实际设备，可以为企业涉及的工业机器人与 项目的开发提供理论依据和实验平台，为工作人员进行机器人编程和调试提供安全、灵活的环境，利于缩短项目周期。同时，该方法可以应用到实际教学中，弥补教学设备的不足，使每位学生都能进行编程调试。参考文献 郝建豹，许焕彬，林炯南基于 的机器人码垛工作站虚拟仿真设计自动化与信息工程，（）：任丰兰 基于 的自动砌墙系统设计及其仿真电工技术，（）：谢国强，张宝进，任雷 基于 的工业机器人自动上下料控制系统设计电工技术，（）：孙少鹏 工业机器人跨平台仿真系统研究开发 上海：东华大学，吕健安基于 的工业机器人仿真设计研究制造业自动化，（）：电力自动化电工技术
