郑魁敬，代方园，廉 磊

(燕山大学 a.先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室；b.河北省并联机器人与机电系统实验室，河北 秦皇岛 066004)

0 引言

随着“工业4.0”概念的提出，制造业模式向数字化、智能化转变，虚拟调试技术基于仿真平台对制造系统进行有效监督与控制，帮助技术人员提高设计速度，缩短产品调试时间，降低生产成本，逐渐成为国内外技术人员研究的热点[1-3]。Yong[4]研究了虚拟制造技术在钢铁制造业的应用，Vermaak[5]使用虚拟调试验证了可重新配置的装配系统的新应用，Dennis[6]实现了虚拟调试技术在汽车发动机装配线中的应用，Park[7]研究了一种生产系统的硬件在环仿真，谭俊[8]将虚拟调试应用到汽车覆盖件模具制造行业，王春晓[9]将虚拟调试应用到数控机床领域，朱鸿泰[10]提出利用虚拟调试来解决机构电机选型的新方案。

NX MCD是NX设计软件中一个集机械、电气、自动化设计于一体的全新的机电产品概念设计模块。该模块的仿真平台采用NVIDIA PhysX物理运算引擎，其特有的动力学仿真设计使仿真效果更加接近物理环境。NX MCD附有丰富的自动化接口，支持软件在环和硬件在环的虚拟调试。NX MCD已受到了技术人员的密切关注，邢学快[11]基于NX MCD 对风力发电机和包装流水线进行仿真监控，王俊杰[12]研究了基于NX MCD的机电概念设计与虚拟验证协同。机器人自动化生产系统一般由PLC和机器人控制器进行集成控制，由于NX MCD难以实现机器人驱动仿真，而RobotStudio等机器人专用仿真软件只能实现单一机器人仿真，无法满足机器人自动化生产系统多工位多控制器的一体化联合仿真。

本文以机器人磨削系统为研究对象，首先在NX MCD中创建机器人磨削系统的虚拟模型，添加虚拟模型对应的物理和电气属性；其次根据机器人磨削系统的工作流程，编写控制程序；然后在PC端开发集成控制软件实现PLC系统、机器人系统和OPC服务器的交互和控制；最后用集成控制软件控制机器人磨削系统在NX MCD中进行虚拟调试。

对机器人专用仿真器进行二次开发，通过OPC通讯技术传递机器人关节数据，能够在NX MCD动力学仿真环境下实现机器人自动化生产系统的联合虚拟调试。这一方面解决了现有的机器人专用仿真器不能加载更多自动化单元的问题，另一方面解决了NX MCD中机器人仿真驱动问题，可广泛应用于机器人自动化生产系统的虚拟调试。

1 虚拟调试总体方案

1.1 系统组成

机器人磨削系统采用ABB机器人，安装了六维力传感器和力控制结构，通过力感知和力控制来增强磨削加工的柔顺性。

机器人磨削系统的虚拟调试方案如图1所示，包括3个部分：NX MCD、PLCSIM和Robot Studio。NX MCD定义机电虚拟模型，PLCSIM实现PLC程序，Robot Studio实现机器人程序，通过OPC进行信号传递和数据交互，集成控制软件实现整个系统的过程监控。

图1 机器人磨削系统虚拟调试整体方案

1.2 NX MCD模型定义

在NX MCD中包括两种模型：逻辑模型和机械概念模型。

逻辑模型定义了机器人磨削系统的所有组件，包括机器人磨削加工装置、工件自动化传输装置、工件自动化定位装置、机器人磨削系统配套设施等。

机械概念模型包括几何和物理模型。通过采用依附性命令为逻辑模型的子逻辑添加几何体组件，并依据机器人磨削系统的设计布局装配约束各组件的空间位置，实现对机器人磨削系统几何模型的定义。

物理模型是在几何模型的基础上通过NX MCD命令对各组件添加物理特性、运动学行为和限制。

图2为NX MCD中的机器人磨削系统机械概念模型。图3所示为磨削配套工具组件的结构。

在机械概念模型的基础上，通过添加广义执行器和传感器属性，实现机器人磨削系统虚拟模型的机电融合。

图2 机器人磨削系统机械概念模型示意图

图3 磨削配套工具组件的结构图

2 机器人磨削系统控制程序

机器人磨削系统的控制系统包括ABB机器人控制器IRC5和PLC控制器两部分。在机器人磨削系统的工作过程中，机器人磨削系统信号与机器人控制器信号及PLC控制器信号实时进行交互。

机器人磨削系统的工作流程如图4所示。其中包括机器人磨削系统向机器人控制器和PLC控制器的信号输出，机器人磨削系统接收来自机器人控制器的信号输入，机器人磨削系统接收来自PLC控制器的信号输入。根据图4中的交互信号和逻辑关系可以开发用于ABB机器人控制的RAPID控制程序和用于PLC控制的梯形图程序。

机器人磨削系统中的机器人控制逻辑主要是设定磨削运动执行和输入输出信号。使用RAPID语言编写ABB机器人程序，可以用机器人示教器在线示教编写程序，也可以通过ABB的离线编程软件RobotStudio编写，然后保存成.mod格式的文件下载到ABB机器人控制器。

图4 机器人磨削系统工作流程

机器人磨削系统中的PLC控制逻辑主要包括红外线传感器1触发信号控制程序和红外线传感器2触发信号控制程序。PLC控制程序的输入信号是红外线传感器1和2的触发信号，输出信号是电动夹具1和2的位置信号、电动定位滑块的位置信号和流水线的速度信号。

3 机器人磨削系统集成控制软件

3.1 集成控制实现方式

集成控制软件分为机器人应用程序和OPC客户端应用程序两部分。在PC机上对机器人控制器二次开发，实现对工业机器人的程序控制和运动监控，同时导出机器人的关节运动变量，为实现机器人的虚拟调试做准备。开发OPC客户端实现机器人关节运动变量向OPC服务器的实时传递和对OPC服务器中PLC控制变量的监控和控制。采用RobotStudio软件建立的虚拟IRC5控制器作为ABB机器人软件控制器，选择S7-PLCSIM软件作为PLC软件控制器。

3.2 ABB机器人应用程序

ABB机器人应用程序利用PC SDK进行开发，实现PC端与ABB控制器之间的通讯与控制。PC SDK主要包括以下几个功能域：控制器域、Rapid程序域、运动系统域、I/O系统域、事件日志域、文件系统域，功能域的主要类关系如图5所示。利用这些功能域，构建与之相关的类，建立各个功能域之间的关系。

这些功能域包含了PC端访问机器人控制器的主要API(应用编程接口)。ABB机器人应用程序的具体功能包括连接在线的ABB机器人控制器，获取机器人I/O信号，获取机器人末端的位置、速率、各轴转角、操作模式、坐标等数据信息，远程读取、加载及调用机器人RAPID加工程序等。

图5 PC SDK主要类关系模型图

3.3 OPC通信程序

在PC机上实现对PLC控制器的通讯与控制，采用OPC服务器—OPC客户端的数据通讯方式。OPC服务器一般都兼容PLC的接口，可以实现对PLC程序的信号传递。通过在PC端建立OPC客户端的方式对OPC服务器中的PLC信号进行读取和修改。

OPC客户端开发流程如图6所示，具体步骤为：

(1)首先程序获取计算机IP、名称等信息，然后枚举计算机注册表中的OPC服务器，如果计算机中没有服务器则会弹出报警属性页。

(2)选择要连接的OPC服务器进行连接，如果没有连接成功则继续尝试连接，如果连接成功则默认建立缺省组，也可通过设置组属性建立自定义组，获取该组中的数据项对象。

(3)如果要进行读操作，则程序将获取到的数据项对象显示到已清空的列表中，若进行写操作则需要操作人员选择要改变的变量，并将要写入的数据填入写入编辑框中完成写操作。

(4)读和写操作都完成之后退出程序时，系统断开与OPC服务器的连接并释放资源，完成对与OPC服务器绑定的PLC内部数据的读写，实现PC端对PLC的远程控制功能。

由于NX MCD中没有ABB机器人程序的编译功能，需要在OPC客户端界面建立机器人关节数据传递模块，将ABB机器人应用程序中获取的各关节数据实时传递到OPC服务器中对应的数据项。

图6 OPC客户端总体开发流程

4 机器人磨削系统虚拟调试

4.1 信息交互

实现NX MCD中的机器人磨削系统与控制器进行信息交互，需要在MCD中采用信号适配器命令对机电对象的运行时参数定义输入或输出信号。NX MCD集成有OPC客户端，可以采用OPC服务器的方式作为NX MCD与仿真控制软件的通讯方式。ABB的IRC5控制器自带IRC5 OPC服务器，PLCSIM可通过NetToPLCsim应用程序连接KEP OPC服务器。

4.2 机器人仿真

打开集成控制软件ABB机器人应用程序，连接虚拟控制器，加载在PC端编写并存储的.mod格式的ABB机器人RAPID控制程序。启动程序中的main主例行程序，即可在IRC5虚拟控制器上启动机器人磨削系统的机器人控制程序。ABB机器人应用程序如图7所示。

图7 ABB机器人应用程序界面

4.3 PLC仿真

PLCSIM仿真PLC控制器可以通过NetToPLCsim应用程序连接KEP OPC服务器。在OPC客户端应用程序中选择并连接传递PLC信号的OPC服务器。图8所示为OPC客户端界面，可以远程更改PLC控制信号组的组属性，设置和查看或改变选择的某项PLC控制信号的值。同时在传递关节运动量模块将机器人的关节转动数据量实时传递给OPC服务器。

图8 OPC客户端应用程序界面

4.4 信号映射

在NX MCD集成的OPC客户端中选择IRC5 OPC服务器和传递PLC控制信号和机器人关节转角信号的KEP OPC服务器，并选中对应服务器中的控制信号。应用NX MCD中的信号映射命令将NX MCD机电信号与OPC服务器传递的控制信号建立映射关系。

集成控制软件控制的机器人程序和PLC程序在NX MCD仿真平台上联合虚拟调试，对机器人磨削系统在集成控制系统下的加工过程进行仿真。图9所示为NX MCD中机器人磨削生产单元的虚拟调试的部分过程。通过观察集成控制系统下机器人磨削系统在NX MCD仿真平台上的工作状态，可验证机器人控制程序和PLC程序的正确性，同时也验证了基于NX MCD的机器人生产系统虚拟调试方案的有效性。

(a) 磨削加工前工件传输

(b) 夹具固定工件

(c) 机器人进行磨削工作

(d) 加工完成夹具松开与工件传输 图9 MCD中机器人磨削系统的虚拟调试

4.5 调试验证

机器人磨削实验流程为：将PC机与IRC5控制柜用工业以太网连接，启动磨削机器人并将操作模式调到自动档位。运行集成控制软件的ABB机器人应用程序，连接在线的磨削机器人控制器，将磨削机器人控制程序加载到控制器，启动磨削组件，开始机器人磨削工作。

由于在虚拟调试过程中对控制程序中的错误进行了检查修改，对磨削路径和磨削速度进行了优化提升。机器人磨削实验中，磨削加工一次成功，没有加工异常。磨削运动平稳流畅，无加工死角，磨削工具平缓稳定，磨削表面加工精度达到加工标准。机器人磨削实验结果体现了虚拟调试的应用价值，安全高效提前解决了实际调试过程中将发现的问题，提高了设计编程和生产效率。

5 结论

基于NX MCD的机器人自动化生产系统虚拟调试方法，实现了机器人控制和PLC控制的联合仿真。对机器人仿真器中的关节运动数据提取并通过OPC信息传递模块传送到NX MCD，有效打通了NX MCD中机器人驱动仿真的技术瓶颈。集成控制软件将机器人控制、PLC控制与NX MCD模型无缝结合，指令、信息、数据实时交互。NX MCD动力学仿真环境下的机电软一体化联合仿真高效实现了机器人磨削加工过程的虚拟调试，能够提前发现磨削系统研制过程中PLC控制程序、机器人控制程序和机电零部件模型设计等的错误和异常，避免了实际调试中的许多问题，节约了调试成本，提高了加工安全性，缩短了生产周期，对于多工位多控制器的机器人自动化生产线系统研制和调试具有一定的实用意义和参考价值。