智能工廠虛擬模擬解決方案

1工業機器人發展背景

隨著科學技術的不斷發展，工業機器人已成為柔性製造系統（FMS）、自動化工廠（FA）、計算機集成製造系統（CIMS）的自動化工具。廣泛採用工業機器人，不僅可提高產品的質量與數量，而且對保障人身安全，改善勞動環境，減輕勞動強度，提高勞動生產率，節約原材料消耗以及降低生產成本，對促進我國製造業的崛起，有著十分重要的意義。2012年以來，國家和地方各級政府不斷推出各種政策，積極推動工業機器人行業的發展。

表1國家推動工業機器人發展政策列表

得益於行業長期的積累和政府的支持，工業機器人行業進入一個迅猛發展的階段，工業機器人每年新安裝數量由2005年的4500台增長到2014年的5.6萬台，不到10年的時間增加了10倍。從2013年開始我國年度新安裝的工業機器人數量超過了日本和韓國，成為全球最大的工業機器人市場。但與全球主要國家相比，我國製造業工業機器人密度仍然很低，2013年中國工業機器人密度僅為30台/萬名產業工人，不足全球平均水平的一半，與工業自動化程度較高的韓國（437台/萬名產業工人）、日本（323台/萬名產業工人）和德國（282台/萬名產業工人）相比差距更大。國內工業機器人市場仍有巨大潛力。未來，據有關專家估計，我國工業機器人市場價值在2020年將達2000億的規模，2025年達7200～180000億。

中國工業機器人市場近年來表現持續強勁，市場容量不斷擴大。工業機器人熱潮帶動了機器人產業園的興建，產業的發展急需大量高素質、高級技能型專門人才，人才短缺已經成為產業發展的瓶頸。

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工業機器人應用不僅需要機器人專業知識、一般學科知識與特定領域知識的深度融合，更需要大量成功的工業典型案例經驗。目前的當務之急，是大量培養掌握機器人系統知識並能與各行業工藝要求相結合的應用工程人才，幫助用戶解決工業機器人在應用過程中的實際問題。

目前國內開設工業機器人應用方面專業的職業院校甚少，從事工業機器人現場編程、機器人自動線維護、工業機器人安裝調試等崗位的人員主要來自對電氣自動化技術、機電一體化等專業畢業生的二次培訓。目前具有培訓工業機器人應用人才的機構主要有機器人廠家、部分工業機器人系統集成商，培訓數量有限。

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伴隨著工業機器人熱的另外一個隱憂也隨之浮出水面，那就是工業機器人應用工程師的人才荒。一台工業機器人能否投入到生產當中去，以及能發揮多大的作用，取決於生產工藝的複雜性、產品的多樣性還有周邊設施的配套程度，而解決這些問題卻需要3到5名相關的操作維護和集成應用人才。當前，工業機器人在汽車製造以外的一般工業領域的應用需求快速增長，而相應的人才儲備數量和質量卻捉襟見肘。

工業機器人應用（系統集成）是典型的多學科交叉融合的行業，目前的當務之急，是大量培養掌握機器人系統知識並能與各行業工藝要求相結合的應用工程人才，幫助用戶解決機器人在應用過程中的實際問題，取得實效，以此開拓機器人市場。操作機器人的技術人員，是目前企業中最缺的技術工人。企業把工業機器人買回來以後，想要把標準的機器人變成一台可以投入生產的專用自動化設備，就需要機器人應用工程師結合生產工藝和工件的類型，通過手動示教編程並結合周邊的輔助設施，才能使機器人完成特定的任務。

虛擬模擬（Virtual Simulation）是智能製造領域的一門新興技術，通過CAD/CAM/CAE等技術將產品信息集成到計算機提供的可視化虛擬環境，在實際產品製造之前實現產品的模擬、分析與優化過程。智能工廠虛擬模擬是智能製造的重要環節，可應用於生產線節拍控制分析、機器人運動控制、動力學分析、軌跡和路徑規劃離線編程、機器人與工作環境的相互作用等方面。隨著目前智能數字化製造及工業4.0等先進位造技術的發展，智能工廠虛擬模擬也成為圍繞產品生命周期管理（PLM）的整個數字化設計、驗證及製造環境的重要組成部分。研究與開發機器人智能工廠虛擬模擬系統，可以在虛擬環境中完成以上諸方面的研究工作，為智能製造的發展提供新的手段。

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智能工廠虛擬模擬技術涉及多個系統的運動學與動力學建模理論及其技術實現，是基於數字和運動控制建模、模擬、信息管理、互動式用戶界面和虛擬現實的綜合應用技術。在智能工廠設計的初始概念階段就可以對整個系統進行完整的分析，觀察並試驗各組件的相互運動情況。通過系統虛擬模擬軟體在相應虛擬環境中真實地模擬生產線的運動和節拍，在計算機上可方便地修改設計缺陷，模擬不同的布局方案，對生產線系統進行不斷的改進，直至獲得最優的智能生產線設計方案。

虛擬模擬的設計方法體現出並行工程的概念和思想，是今後智能製造技術的發展方向，與傳統方法相比具有諸多優勢，即在智能工廠設計初期即確定關鍵的參數、更新產品開發過程、縮短開發周期、降低成本和提高產品質量。智能工廠虛擬模擬的關鍵技術包括以下幾個方面：

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智能工廠虛擬模擬解決方案涉及到多方面的技術，虛擬模擬執行環境需要在不同的系統間進行轉換，其集成性包括以下幾點：

l導入在CAD中建立的機器人與生產線組件的三維模型，加入機器人運動學與動力學分析演算法。

l虛擬模擬中的工作流程節拍、機器人與外部活動組件的配合、機器人工作空間可達性等數據傳遞給數據分析模塊，軌跡和路徑規劃的拓撲數據傳遞給離線編程模塊，處理後的分析結果回傳給虛擬模擬進行驗證。

l生產線PLC、機器人控制系統、I/O的信號等數據上傳，與虛擬模擬系統進行集成。

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通常一個智能工廠的組件大約在5萬到10萬個（不含重複組件），大量重複使用的模型經過參數化處理並形成組件庫，可以更快捷地變更組件和規劃布局，大幅減少工程師用於CAD建模和籌劃運動演算法的時間。

機器人智能工廠虛擬模擬提供了良好的模型顯示環境，使操作者有高真實性的沉浸感。由於具有可視化方面的優勢，在布局規划過程中工程師團隊可互動式探索智能工廠的功能，充分將自身的經驗和能力結合到計算機的虛擬模擬設計過程中。

(1)提供機器人模擬研究的集成系統和數字化機器人設計、驗證環境

機器人虛擬模擬系統提供包含數字化建模、可視化的運動過程實現、運動學分析、控制系統模擬在內的統一數據平台，使各部分之間的模擬及分析結果及時、高效率地互相加以利用，提供數字化的研究環境。

(2)構成數字化虛擬製造環境的有機組成部分

工業機器人是製造系統中的基本工作單元，機器人虛擬模擬系統能夠有效融入上一層次的數字化加工製造環境，滿足虛擬製造環境中機器人工作單元上層的生產線模擬、數字化工廠要求，構成數字化機器人生產線的基礎與有機組成部分。

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離線編程的效果是通過虛擬模擬來驗證的，離線調試程序最直觀有效的方法是在不接觸實際機器人及其工作環境的情況下，利用虛擬模擬技術模擬機器人的作業過程，提供一個與機器人進行交互作用的虛擬環境，將機器人模擬的結果以圖形的形式顯示出來，直觀地顯示出機器人的運動狀況，從而可以得到從數據曲線或數據本身難以分析出來的許多重要信息。智能工廠的離線編程系統非常複雜，並非只對一個組件單元的機器人單體做軌跡路徑規劃，通常一條生產線由多個機器人、工裝夾具上下料系統、輸送機、AGV、操作人員等有機構成，這些組件的運動都需要編程，每個組件編程後還需要互相建立通信聯接，這樣才能讓整個智能工廠有序運轉起來，智能工廠虛擬模擬能模擬所有組件的運動，對離線編程模塊進行數據反饋，找出不匹配的因子加以修正。

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(1)採用高水平的三維CAD建模軟體如CATIA、Pro/E、UGS及SolidWorks等都可以建立高逼真度的虛擬模擬模型，但對於機器人智能工廠虛擬模擬系統來說這些CAD模型數據都有先天的缺陷，最重要的問題就是數據格式龐大，一個智能工廠通常由5萬個以上組件組成，如果採用CAD軟體設計的模型進行堆積，大部分智能工廠的數據就已經超出了計算機的硬體極限。VisualOne智能工廠虛擬模擬系統是一個極受歡迎並且易於使用的3D模擬設計軟體，其數據格式短小精悍，非常適合建立智能工廠虛擬模擬系統的幾何模型。VisualOne建立的龐大的智能工廠虛擬模擬系統的組件庫，集合了來自全球各個國家的模型資源，形成了一個很廣闊的組件平台，對於非標的模型還可以通過導入CAD模型建立獨有的模型庫。(2)智能工廠虛擬模擬系統的開發工具要建立樣機的運動學、動力學研究等必需的詳盡而正確的模型，需耗費大量時間和精力。目前可通過建立簡單的幾何模型或從外部CAD軟體導人已建立完畢的機器人幾何模型，再由系統提供運動學、動力學等方面的模擬功能，即可建立智能工廠虛擬模擬設計與優化環境，並具有完善的模擬結果數據處理能力。

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智能工廠虛擬模擬技術對於智能製造非常重要，該項技術的研究和開發，一方面拓展了虛擬模擬技術的研究與應用範圍，同時在虛擬環境下對機器人產品的設計與分析也是今後數字化設計、製造的發展方向。在智能工廠構建中通過應用虛擬模擬技術，可使工程師在計算機上就能分析與優化生產過程，有效地進行智能工廠系統評估，在工廠建設之前提供最優化的設計方案。

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智能工廠虛擬模擬實訓基地主要由智能製造規劃型模擬、在線模擬與離線模擬等三部份組成，是依託虛擬現實、多媒體、人機交互、資料庫和網路通信等技術，主要涉及高危或極端的環境、不可及或不可逆的操作、高成本、高消耗、大型或綜合訓練等領域，旨在提升高職院校學生創新精神和實踐能力，讓學生在虛擬模擬的環境中學習工業機器人的基本操作與編程。在學生進入工業機器人系統優化學習階段，提供學生優化方案設計的平台。

VisualOne是國際領先的全方位工業智能製造虛擬模擬系統。將工業機器人、電氣及周邊設備進行三維虛擬模擬，根據用戶需求快速地建立智能生產線的模擬模擬並進行工程規劃、工程驗證、工藝分析、邏輯驗證等工作，整合物流、人機工程及物理模擬模擬功能，幫助企業在研發前期進行產能確認，成功提升行業競爭力。

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VisualOne擁有全世界34個機器人品牌的1800多組機器人模型及AGV、數控機床、輸送機等模擬模型且還在不斷增加，賽德科技自主研發的實訓教學案例模擬組件，以工業應用典型案例為基礎，將大量真實的智能工廠的規劃案例轉化為教學資源，包含工業機器人運動控制編程、離線模擬編程、PLC模擬驗證等核心教學內容，並實現了模擬程序直接導出至工業機器人中進行終端驗證。

VisualOne具有以下特點：

l品牌眾多，組件豐富

VisualOne提供了全世界34個機器人品牌的1800多組工業機器人虛擬模擬組件，並提供對應的運動模擬與效果渲染，可根據工程需求選擇相對應的組件進行設計。

l人機工程模擬功能

VisualOne把人、機、環境系統作為模擬對象，充分考慮人和機器的特徵與功能，合理分配人和機器承擔的操作職能，使之相互協調配合，達到生產和工作的最佳效果。

l物理模擬功能

VisualOne可以創建包含物理規律的虛擬環境，能模擬模擬現實生活中的物理現象，如：重力、彈性碰撞等。模擬運動物體所具有的密度、質量、速度、加速度、旋轉角速度、衝量等各種現實的物理動力學屬性。在發生碰撞、摩擦、受力的運動模擬中，不同的動力學屬性能得到不同的運動效果。

l操作靈活，使用便捷

VisualOne通過簡單的拖曳操作即可輕鬆布局，可以快速進行複雜的大型智能工廠或智能生產線的虛擬模擬設計。

l優化設計，海量模擬

VisualOne優化了虛擬模擬模式，可同時提供上百台加工中心、工業機器人及物流線的海量模擬數據操作。

l模擬驗證，虛擬調試

在工業應用中，通常使用可編程式控制制器（PLC）實現機器人周邊設備的自動運行。在PLC程序編寫中的PLC邏輯驗證問題，多數PLC邏輯驗證軟體只是單純對PLC程序本身的邏輯關係進行驗證，缺失PLC程序與設備綜合運用時的邏輯關係驗證，即PLC程序是否能正確地驅動設備完成相應的控制功能。

VisualOne提供三維模擬場景的PLC驗證功能，直接連接PLC程序或通過OPC伺服器進行連接，即可使用PLC程序控制模擬場景進行三維虛擬驗證，從而解決了PLC程序功能和控制功能不匹配的問題；調用VisualOne標準模型庫的設備三維模型，可快速搭建驗證所需的三維虛擬場景，也可直接導入CAD軟體建立的三維模型，建立獨有模型庫進行PLC邏輯關係驗證。

l布局優化功能，統計和報告工具

VisualOne擁有智能布局優化功能，通過各個環節的數據導出進行對比，尋找出更優化的工廠布局方案。實時的統計和報告工具，可以方便快速地比較不同參數布局方案的成本效益分析、單機設備分析、全線產能分析。