智能制造工業(yè)產線虛擬仿真實驗室建設方案
一、實驗室初步建設方案
（一）實驗室建設清單
| 序號 | 建設內容（產品名稱） | 數(shù)量 | 單位 | 單價（萬元） | 總價（萬元） |
| 1 | 智能制造產線設計與規(guī)劃軟件 | 41 | 點 | 2 | 82 |
| 2 | 電腦鍵鼠套裝 | 41 | 套 | 0.5 | 20.5 |
| 3 | 桌椅套裝 | 41 | 套 | 0.5 | 20.5 |
| 5 | 等等 | ... | ... | ... | ... |
| 合計 | 123 | ||||
智能制造工業(yè)產線虛擬仿真實驗室是集合了機器人模型與生產線規(guī)劃軟件的純軟件一體化教學。采用模塊化設計研發(fā)理念，結合虛擬仿真和物理引擎的尖端技術，專為高等教育學習實踐而特別研發(fā)設計，可以滿足多元化的教學理論內容和實踐工程培訓。以各個智能制造行業(yè)的實際工程案例為原型，還原各種實際工藝模塊，強化了學生在理論和實踐的綜合性能力，同時豐富項目案例經(jīng)驗，成為學生在未來就業(yè)的核心競爭優(yōu)勢。
圖1 智能產線系統(tǒng)建模與仿真實驗室示意圖
（三）實訓室建設內容簡介
1.智能制造產線設計與規(guī)劃軟件
1.1超大模型庫
1.1.1模型的組成
針對自動化方案設計需求，軟件將模型庫橫向分為了8大類，縱向分成了四大行業(yè)，基本上涵蓋了智能產線日常教學所需要的模型，庫內目前模型資產總數(shù)超過28000個，其中包含四六軸機器人1000+ ；模組類機器人2000+ ；加工中心設備1500+ ；標準加工件2000+ ；傳感器800+ ；氣動元件1600+ ；末端執(zhí)行器1000+ 等。
圖1 超大工業(yè)模型庫
其他模件類模型涵蓋了眾多在自動化產線中常使用的各種功能裝置、結構件或執(zhí)行元件。其中供料裝置由供料倉、tray盤上料、振動盤、供料轉臺、彈夾供料機構、供料專機組成；移料裝置由輸送線、過渡機構、提升機、RGV、移載機構組成；工藝裝置由機床類、注塑機、沖床、變位機、激光切割機、折彎機、熱焊機、充磁機、非標工藝組件組成；輔助裝置由輔助工具、框架、控制交互、安全圍欄、存料容器組成；標準件由氣動類、液壓類、電動類、傳動類、傳感器、視覺相機、專用儀器、機械標準件組成；基礎幾何體由塊、鈑金、型材組成，物料由光伏產品原料、泵與電機產品原料、鋰電產品原料、汽車產品原料、3C產品原料、其他產品原料組成；外部件由一些非標類的組件組成。
1.1.2模型的使用
(1)模型搜索：可在搜索輸入框輸入相應的關鍵字，芯工廠軟件模型庫中的每一個模型都添加了相關標簽，在用戶在搜索框中輸入關鍵字后，點擊“搜索”便能夠檢索出相關模型。
圖2 模型搜索
(2)模型篩選：除了模型的搜索外，可通過分類標簽的形式來篩選想要的模型�？牲c選機器人、供料裝置、移料裝置等分類，同時可在屬性中利用規(guī)格參數(shù)進一步篩選，如下圖是對機器人的負載、軸行程、軸轉角、重復定位精度參數(shù)等進行篩選。
圖3 模型篩選
(3)模型標簽：庫中每一個模型的顯示圖片上有收藏、詳情及參數(shù)化等關鍵信息的圖標。用戶可以對某一模型進行收藏、或查看模型的詳細信息。
模型收藏，用戶點擊收藏圖標，顏色保持藍綠色后，即可在已收藏中找到該模型；再次點擊取消收藏。
圖4 模型收藏按鈕
模型詳情，鼠標移動至模型的詳情按鈕上，可顯示模型的詳細信息。模型詳情包含模型名稱，型號，標簽，分類組成，收藏狀態(tài)，詢價接口，規(guī)格參數(shù)，詳情介紹；便于用戶了解模型的具體信息。
圖5 模型詳情界面
1.1.3模型的參數(shù)化
模型參數(shù)化是軟件的一大特色，該類模型可依據(jù)學生的需求，進行外觀，尺寸，型號等多方面的改變，且變化基于實際工藝場景，與市場物料對應；參數(shù)化模型可大大減少用戶選型，替換，格式轉化等繁瑣的步驟，節(jié)約用戶時間成本。在模型庫的各個分類中，都可找到參數(shù)化模型。用戶點擊參數(shù)化，彈出參數(shù)化交互界面，進行設置，場景內模型變?yōu)橛脩羲O置參數(shù)對應的模型。
圖6 參數(shù)化修改按鈕
模型庫中的機器人可以進行參數(shù)化選型，用來適配多變的工業(yè)應用場景，節(jié)省用戶選型時間；完成選型后，搭建仿真得到滿意結果可以直接放入產線進行仿真。下圖為模組機器人的參數(shù)化過程。點擊參數(shù)化按鈕后，可對模組機器人的各個軸行程，方向，模塊規(guī)格做參數(shù)化設計；用戶可以通過拖拉調整模組機器人的各軸行程（步進值為50mm），四方向可選，模組機器人的核心規(guī)格與底座規(guī)格可選，不同負載對應不同規(guī)格，最終根據(jù)不同參數(shù)搭配完成選型。
圖7 參數(shù)化修改界面
模型庫中除機器人可參數(shù)化以外，模件也是可參數(shù)化的，通過不同型材的選擇，不同結構形式的變化，來完成模件的選型，以雙列皮帶線為例，介紹模件參數(shù)化的過程。雙列皮帶線運用連續(xù)或間歇運動來輸送各種輕重不同的物品，在工業(yè)自動化場景中應用廣泛，我們依據(jù)皮帶線制作工藝設計了雙列皮帶線參數(shù)化功能。雙列皮帶線參數(shù)化功能有電機位置，皮帶節(jié)距，帶輪中心距，支架類型，支架數(shù)量，支架長度組成；每個參數(shù)變化與皮帶線生產組裝工藝一一對應。
圖8 雙列皮帶模型參數(shù)化
1.1.4模型的上傳
支持學生將自主創(chuàng)建的模型導入進FSM軟件中進行仿真使用，模型經(jīng)過配置后可實現(xiàn)芯工廠系統(tǒng)庫內模型的全部功能。軟件支持solidworks；max；skp；catia；prt；dwg；3dm；blender；iges；jt；stl；obj；fbx；glb；ply；dae等20余種格式的模型導入。芯工廠FSM軟件同時也支持學生對平移軸、旋轉軸（如軸組、變位機）；標準工業(yè)機器人（如六軸機器人、Scara機器人）；IO類模型（如夾爪、氣缸）等類型模型進行導入a和配置。
圖9 上傳自建模型
1.1.5模型的二次編輯
模型上傳后，后臺將自動對模型進行處理，處理內容包括格式轉化和輕量化，模型將統(tǒng)一被轉化成GLB模型格式，并自動進行輕度輕量化處理。除此之外，仍需要對模型做以下二次處理：
(1)運動關節(jié)點位配置：模型需要經(jīng)過關節(jié)點位的配置后才可以真正具備運動相關屬性，如：旋轉，平移，方向，限位，速度，加速度等。
圖10 運動關節(jié)點位配置頁面
(2)IO控制器配置：IO類型模型在伺服類型的基礎上，再額外增加IO驅動器的配置。
圖11 IO控制器配置頁面
(3)機器人運動學配置：機器人模型的配置支持根據(jù)機器人的官方說明進行運動學參數(shù)配置，以下列舉ABB機器人的配置。
導入ABB官網(wǎng)下載的IRB1100機器人模型，點擊“建立機構或機器人”，選擇對應機器人構型。（模型已事先在個人中心-模型管理處上傳）
圖12 ABB機器人導入頁面
點擊“建立機構或機器人”，選擇對應機器人構型。根據(jù)官網(wǎng)機器人規(guī)格圖進行具體參數(shù)的填寫。
圖13 機器人構建頁面
系統(tǒng)將自動生成并配置完成全部組件和鏈接節(jié)點，此時需要將模型和鏈接節(jié)點進行綁定。
圖14 機器人構建頁面
(4)模型渲染配置：軟件還支持對模型進行材質，顏色，粗糙度，金屬度，貼圖，法線貼圖等進行渲染配置，讓學生可以創(chuàng)造出屬于自己的工業(yè)模型。
圖15 模型渲染界面
圖16 模型色彩渲染
1.2工業(yè)產線搭建
1.2.1模型布局基礎功能
依托豐富的模型庫，在進行方案搭建時能夠迅速在庫內快速搜索到相對應的模型，并且能夠通過參數(shù)化功能快速調整模型尺寸以配備產線，結合陣列、面對齊等智能布局，能夠快速完成方案的搭建。針對傳統(tǒng)方案設計中搭建速度慢的問題，芯工廠集成多種智能搭建功能，包括陣列、面對齊、面貼合.(末端)快速裝配等。
(1)位姿功能：該功能主要用于模型在場景中的移動旋轉，是搭建過程中最基本的操作。
(2)陣列功能：該功能主要實現(xiàn)模型按照一定方式均勻復制分布，目前支持線性陣列和環(huán)形陣列。
(3)測量功能：該功能主要用于幾個模型組裝配合前進行提前的測量，是我們搭建過程中的輔助操作。
面對齊功能：該功能主要用于幾個模型間的配合，是我們搭建過程中最主要的操作。
(5)隱藏/顯示功能：這兩個功能主要用于隱藏顯示坐標系、背景線，是我們搭建過程的輔助操作。
1.2.2模型搭建基礎功能
(1)面貼和功能：該功能主要用于幫助學生快速實現(xiàn)模型之間的貼合，以六軸機器人安裝底座作為示范。
(2)添加坐標系功能：該功能主要用于在模型上新建坐標系并輔助用戶搭建�？蓪δＰ偷捻旤c、邊、面、圓心、原點、包圍框進行新建坐標。并通過法向對齊和捕捉模式輔助坐標系建立。
(3)復制與刪除功能：選中模型并且點擊右鍵的“復制”即可拖出一個相同模型，選中模型并且點擊右鍵的“刪除”即可刪去選中模型。
(4)鎖定功能：選中模型并且點擊右鍵的“鎖定”，該模型包圍框變成黑色，代表完成鎖定。
(5)隱藏功能：選中模型并且點擊右鍵的“隱藏”，即可實現(xiàn)模型的隱藏。
(6)聚焦功能：選中模型并且點擊右鍵的“聚焦”，即可將其聚焦在統(tǒng)一視角下。
(7)綁定與解綁功能：該功能主要用于確定物體的子父級關系。選中模型并且點擊右鍵的“綁定”，立即出現(xiàn)藍色箭頭引導用戶選擇需要綁定的父級模型。想要取消綁定，再次點擊右鍵的“解綁”即可。
(8)組合功能：該功能主要用于實現(xiàn)多模型的統(tǒng)一操作。學生可以框選需要組合在一起的模型，并且點擊右鍵的“組合”。想要取消組合，再次點擊右鍵的“解除組合”即可。
(9)配置IO功能：該功能主要用于配置模型本身的運動屬性。為了實現(xiàn)場景的仿真運動，F(xiàn)SM軟件對大量模型設計運動參數(shù)的配置，包含移料機構的輸送、物料的生成、傳感器的觸發(fā)、頂升機構的頂起等。在模型庫中有I0配置的模型都會I0配置標識。選中模型并且點擊右鍵的“配置IO”，配置IO面板主要由動作和參數(shù)組成。
(10)坐標系功能：在物體表面或者物體外包圍框上建立坐標系后，可對坐標系進行操作。
坐標系功能可分為：刪除坐標系、平移坐標系、對齊坐標系、旋轉坐標系、解綁坐標系等五個功能。
(11)文字輸入功能：軟件支持文字面板的模型，右鍵含有貼字功能。該功能可為產線提供布局、工藝等內容的描述，讓學生交作業(yè)時有更好的說明。
1.3工業(yè)機器人與產線組件的編程
1.3.1示教編程頁面介紹
智能示教編程包括示教、智能編程兩個部分，并且兩個模塊相互關聯(lián)、相互結合。能夠實現(xiàn)：(1)對機器人進行關節(jié)空間或笛卡爾空間的示教，記錄相應點位，生成相關程序，實現(xiàn)仿真；(2)單個機器人快速生成工藝包程序，無需逐個點進行示教、調整位姿，即能實現(xiàn)仿真。
學生可通過示教完成產線的一部分程序編輯，通過智能編程完成工藝程序快速生成，再通過程序添加一系列邏輯(包括循環(huán)、多機器人調度等)進行整條產線的運動調度，實現(xiàn)整條產線多機器人模式下的仿真。
示教編程面板主要分為示教面板、程序面板、變量面板、導出程序四個部分。
(1)示教頁面：
示教速度：代表示教時機械臂移動的速度，可進行手動調動，默認速度為0.30。
復位：復位按鈕，即對機器人執(zhí)行復位置零操作，恢復至未運行的初始狀態(tài)。
顯示軌跡：勾選，可顯示目前程序里機器人的軌跡路徑。默認不勾選。
顯示點位：勾選，可顯示程序里機器人的點位坐標。默認勾選。
XYZ與RX\RY\RZ：在選定的坐標系基準下，機器人的位置與姿態(tài)
用戶坐標：相對于工件或夾具建立的坐標系。建立用戶坐標后，移動或旋轉夾具時無需重新編程。默認用戶坐標系為機器人本身的基坐標。點擊用戶坐標系設置按鈕則進入用戶坐標界面，有選擇節(jié)點、特征點選擇、輸入坐標、修改名稱等操作。
工具坐標：即安裝在機器人末端的工具坐標系。建立工具坐標后，機器人的軌跡需要沿著選定的工具坐標系走。默認工具坐標系為機器人六軸法蘭法向點擊工具設置按鈕則進入工具屬性界面，有選擇節(jié)點、特征點選擇、輸入坐標、修改名稱等操作。
添加笛卡爾路徑點：添加直線運動點(MovL)，示教得到機器人的姿態(tài)后，通過點擊添加笛卡爾路徑點在U3D場景中記錄相應的路徑點。
添加關節(jié)路徑點：添加關節(jié)運動點(MovJ)，示教得到機器人的姿態(tài)后，通過點擊添加關節(jié)路徑點在U3D場景中記錄相應的路徑點。
關節(jié)設置：通過點擊加減符號以及輸入數(shù)值來完成對U3D場景中的機器人示教。關節(jié)與實際機器人的軸-一對應。
拖拽示教：通過拖拽的方式實現(xiàn)示教。點擊“拖拽示教”按鈕后，用戶可用鼠標拖拽關節(jié)和坐標系，進行關節(jié)示教和笛卡爾示教。
捕捉功能：可在場景中直接以模型特征點為機器人空間點，并根據(jù)空間點改變機器人姿態(tài)。進入捕捉功能后，用戶可選擇法向對齊和捕捉類型。法向對齊表示機器人工具坐標系的哪個軸對準特征點Z軸，捕捉類型表示在什么類型上捕捉特征點，包括面，邊，圓心，坐標系等。
(2)程序頁面：機器人的程序面板包含：子程序列表、機器人的快捷指令，程序編輯面板以及相應的動作屬性。子程序為用戶提供了一種整理程序的方式，可進行創(chuàng)建、復制和刪除的操作，同時“CALL”語句可以實現(xiàn)對子程序的調用。在程序編輯面板中可對指令進行增刪改查操作，如下圖所示可進行程序的復制、粘貼、刪除、剪切操作，可通過按住某一行程序進行上下移的，來完成對程序面板上的程序進行調整順序的操作。
動作屬性：下方的動作屬性可對當前軌跡點的各個參數(shù)進行修改。
坐標：若此點為關節(jié)路徑點，則可選擇相應的參考坐標系，對各個關節(jié)的姿態(tài)進行編輯；若此點為笛卡爾路徑點，則可選擇相應的參考坐標系，對當前點的XYZ與RXRYRZ進行編輯修改。
名稱：可對當前軌跡點的名稱進行修改或者自定義。
基坐標：默認是父坐標系，即以機器人底座的中點為坐標原點。
工具：即對工具坐標系進行選擇以及設置。點擊工具設置按鈕則進入工具屬性界面。對工具坐標系進行選擇、選擇基準坐標系、修改名稱等操作。
速度：即機器人軌跡移動至當前軌跡點的速度。
(3)變量頁面：機器人的變量面板，可對程序中的變量進行添加與修改。點擊“+”可對變量進行添加，點擊“刪除”可對選中變量進行刪除。變量類型有int(整數(shù)類型)、float(浮點數(shù)類型)、bool(布爾類型)、string(字符串類型)四種類型。同時可對變量名稱進行編輯，對變量類型進行選擇，對初始值進行手動輸入。
1.3.2編程語句介紹
軟件虛擬編程語句大概分為以下幾類：(1)運動指令；(2)I0指令；(3)通訊指令；(4)邏輯指令；(5)數(shù)學函數(shù)庫；(6)任務指令，以下為其中常用指令介紹，更多指令說明參考《ROCO編程手冊》。目前軟件中的低代碼基礎編程語句一共有9條指令：
PTP：即Mov J，關節(jié)插補指令，機器人的末端中心點從一個位置移動到另一個位置，兩個位置之間的路徑不一定是直線，而是選擇最快的軌道。一般情況下最快的軌道并不是最短的軌道，也就是說并非直線，因機器人軸進行回轉運動，所以曲線軌道比直線軌道進行更快。
LINE：即Mov L，直線插補指令，機器人末端中心點從起點到終點之間的路徑始終保持直線。
MOVC：即Move C，弧線運動指令，機器人未端中心點經(jīng)過由起始點、中間點和結束點組成的圓弧。
IO：進行工具與相對應動作的綁定。在動作屬性中進行工具與相對應動作的選擇。
IF：進行if else 判定的語句，if后（）的內容為真，執(zhí)行if語句，否則執(zhí)行else語句中的內容。點擊if語句后的“+”，對else if 語句進行添加。
WAIT：當變量值為true或false的判定語句，滿足（）后面的語句，則執(zhí)行下列的語句。需要在變量面板上進行初始布爾類型變量值的確定。
ASSIGN：修改變量的操作指令，根據(jù)不同的變量名稱，更換值表達式，值表達式的類型需要與初始設置變量的數(shù)據(jù)類型保持一致。
WHILE：while循環(huán)指令，當while后（）內的值為真時，循環(huán)執(zhí)行while內部語句。
LOOP：loop循環(huán)指令，當loop后（）內為循環(huán)次數(shù)，按次數(shù)循環(huán)執(zhí)行所包含的下方程序。
DELAY：延時指令，在延遲特定時長后，再執(zhí)行delay語句下方的程序。
CALL：調用指令，可在程序中運行子程序內容
1.3.3智能編程功能
傳統(tǒng)示教方法是通過人工移動機器人未端到操作對象關鍵點，通過人工示教的方法記錄編程路徑點，該操作往往需要多次對齊、重復調試，這大大增加了示教的難度，降低了示教的效率。
在應用場景內，用戶在進行機器人編程時，需要逐個示教或者逐個選擇場景中的路徑點，進行程序編輯。對于部分只懂方案搭建，并沒有機器人編程基礎的學生，或者是想要快速生成基礎程序、讓機器人運動起來的用戶來說，過程較為繁瑣。軟件通過智能示教技術、人工智能和代碼自動生成技術，降低了編程門檻，使沒有相關知識的工人或者工藝師，也能直接編程。通過智能示教功能，可通過示教界面控制機器人軸關節(jié)運動，并能實時監(jiān)控當前關節(jié)位置和空間位置信息�？杀M量縮短可靠的機器人運行程序所需的時間，優(yōu)化工作流程，提高工作效率。
(1)上料下料：加工工件通常需要經(jīng)過多道加工工序，將原料從上料/下料機構轉移到上料/下料點，保證加工工件在整個系統(tǒng)中的自然有序流轉，是生產線中最常見的加工工序。智能編程時需要對上料/下料工件、上料/下料的起始點、上料/下料的終點進行設置；
圖1 智能編程-碼垛程序自生成
(2)裝配：常用裝配流程。智能編程時需要對裝配參數(shù)進行設置；
(3)點膠：點膠工藝。智能編程時需要對點膠目標物、點膠軌跡、軌跡特征等參數(shù)進行設置；
圖1 智能編程-點膠程序自生成
焊接：機器人在生產中放置和處理一種或多種材料之間的焊縫。按照焊接工藝方法不同，可分為點焊弧焊等。智能編程時學生可對焊接的類型、焊接軌跡、軌跡特征等參數(shù)進行設置；
圖1 智能編程-雙機焊接程序自生成
(5)打磨：借助粗糙物體(含有較高硬度顆粒的砂紙等)來通過摩擦改變材料表面物理性能的一種加工方法，機器人進行打磨工藝對精確度要求較高。智能編程時對打磨軌跡、打磨角度、打磨間距、最小打磨距離、打磨面等基本打磨參數(shù)進行設置。
1.3.4程序與變量的導出
示教面板上方“導出點位”、“導出程序”“導出I0”按鈕，分別支持對當前點位表、程序、10的導出。
1.4工業(yè)產線的驗證與優(yōu)化
1.4.1產線機器人程序驗證
學生可以將自己寫好的機器人程序復制或者導入到相對應機器人的示教編程頁面，進行程序的驗證，看機器人是否按照自己設想的軌跡進行運動。
1.4.2產線機器人可達性驗證
(1)碰撞檢測：避免運動過程中機器人之間以及執(zhí)行機構與工裝之間發(fā)生碰撞或干涉。開啟碰撞檢測，點擊開始仿真，程序運行期間，對象發(fā)生碰撞時，會出現(xiàn)高亮效果。
(2)奇異點規(guī)避：對運動過程中的各機器人軌跡點進行奇異位型檢查。
(3)可達性檢測：對機器人動作目標任務點進行可達性檢查。
1.4.3產線產能設計與優(yōu)化
(1)多機協(xié)同：以不發(fā)生干涉為基礎，針對多機器人需要協(xié)同作業(yè)的場景，進行協(xié)同作業(yè)規(guī)劃，從而確定多機最優(yōu)軌跡。
(2)過程模擬：對建立好的模型進行流程仿真驗證。邏輯為通過檢測方案是否按照預期的流程進行工作，得出效率參考數(shù)據(jù)。
(3)時序優(yōu)化：對系統(tǒng)整體進行時序仿真，分析系統(tǒng)設備運行效率、瓶頸工位，縮短系統(tǒng)整體作業(yè)時間，提高系統(tǒng)作業(yè)節(jié)拍及效率。
(4)節(jié)拍測算：根據(jù)各執(zhí)行結構時序及邏輯規(guī)劃，綜合計算各工站及生產線體的節(jié)拍效率，為方案設計提供理論依據(jù)。
2.智能制造工業(yè)產線教學案例與實驗指導書
2.1智能制造工業(yè)產線教學案例
圖1 光伏智能制造教學產線
圖2 新能源汽車智能制造教學產線
圖3 鋰電池PACK智能產線
圖4 倉儲立庫智能工廠教學案例
圖5 鈑金搬運智能產線
圖6 車身側焊智能產線
圖7 光伏接線盒智能產線
圖8 鋰電池組裝智能產線
圖9 汽車元寶梁焊接智能產線
圖10 電機組裝智能產線
圖11 新能源汽車裝配焊接智能產線
2.2實驗指導書
2.2.1《智能制造產線設計與規(guī)劃軟件使用說明書》
2.2.2《編程手冊》
