面向工业4.0的机器人仿真

工业4.0时代的产线将变的越来越柔性化、自动化和智能化,因此,工业机器人的应用也体现出一些新的特点,如越来越智能、更多的人机协作、与其它先进技术的融合等。西门子的机器人仿真软件充分考虑了这些新的特点,不断研发新的解决方案,加速机器人在制造业的应用,并促进机器人产业链和生态系统的发展。本文根据作者在2018年5月16日常州机器人产业峰会上的发言整理而成。

一、工业机器人的应用趋势

图1工业机器人应用的主要行业

根据国际机器人联合会的分析,机器人市场将持续增长,2000年到2025年的复合增长率达到9%,2025年预计市场规模达到670亿美金。在工业机器人应用市场当中,汽车、电子和金属制品是排在前3位的行业(如图1所示),电子行业的增长速度最快。

从机器人技术发展的趋势来看(如图2所示),智能化和协作将是重要的发展方向。在工业4.0时代,工厂和产线将变的越来越自动化、柔性化、数字化、网络化和智能化,因此,对于机器人应用也提出了新的要求,例如:

·机器人将承担越来越多的任务,除了传统的焊接、装配、物料处理,还包括自主移动的机器人来实现物料配送,自动识别装配零件,部分控制生产线等等

·未来人与机器人的协作将越来越多,对安全性也提出了更高的要求

·机器人与数字化双胞胎的结合,包括机器人仿真、软件定义机器人,甚至是机器人理解数字化双胞胎

·机器人与云计算和机器学习的结合,对RaaS和群体学习的支持等

针对这样的市场和技术趋势,西门子持续投资于机器人仿真解决方案的研发,以满足快速发展的机器人应用需求。

图2工业机器人应用的技术趋势

二、西门子机器人仿真解决方案的新进展

西门子从1986年推出第一个机器人仿真软件RobCAD开始,至今已经有30多年了,解决方案涵盖了从工艺规划、机器人编程、仿真和调试的全过程,客户包括全球几乎所有领先的汽车企业,在家电、航空等行业也有所应用。针对未来机器人应用和技术发展趋势,西门子也不断加大投资力度,开发新的机器人仿真解决方案。本文将分享西门子机器人仿真软件在四个方面的进展:

·一是西门子在加速机器人应用方面的解决方案,为了使机器人编程更简单、更直观,我们和ArtiMinds合作,为客户提供模板化的机器人编程、仿真、调试解决方案

·二是西门子在人机协作安全性评估方面的解决方案,随着人和机器人协同的工作场景越来越多,安全性评估也越来越重要

·三是西门子在远程工程协同方面的解决方案,为了提高机器人工程协同效率,我们提供了基于云平台和VR/AR的协同解决方案

·四是西门子机器人仿真与其它新技术的融合,例如与物联网、人工智能、三维打印等技术的结合

2.1面向电子行业的先进机器人仿真

首先介绍西门子如何加速机器人在电子制造业的应用。如前所述,电子制造业是机器人应用增长最快的市场,电子制造业具有以下特征:

·产品配置多,产品生命周期短,产量高,因此需要应用机器人提高柔性和效率,并且需要缩短机器人工程周期

·电子装配主要还是依靠人力,装配的零件往往是弹性零件,例如塑料件、橡胶件、PCB、线束等,零件装配需要考虑尺寸差异和力学特性,机器人应用需要和力反馈或计算机视觉结合

为了加速机器人在电子制造业的应用,西门子和ArtiMinds合作,提供了从机器人工位设计、机器人编程、仿真和调试的全面解决方案。通过把RPS嵌入到ProcessSimulate当中,我们为客户提供了一站式解决方案,而且确保了数据从设计、仿真到调试全过程的一致性。

图3电子行业先进机器人仿真解决方案

该解决方案具有以下特点:

·基于西门子和ArtiMinds解决方案,可以轻松的设计机器人工位,验证机器人的可达性和可能存在的碰撞

·可以轻松的对相对复杂的装配任务,例如内存条插接、多轴孔定位装配等需要力反馈或计算机视觉的任务进行模板化的示教编程和仿真

·既可以进行离线编程,又可以进行现场微调

ArtiMinds是一家德国的高科技公司,主要产品是先进机器人的编程软件。其主要特点是对于力反馈控制任务的编程效率可以提高100倍,生成的机器人脚本可以直接在控制器上运行。

该解决方案的典型应用包括PLC的装配机器人仿真(如图3所示),以及机车系统柔性线束插接的机器人仿真(如图4所示)。

图4机车系统线束插接机器人仿真

2.2人机协作安全性评估

随着协作机器人应用日益广泛,对于人与机器人之间协作的安全性也引起了业界的高度关注。2016年发布的ISO/TS15066描述了人机协作的四种工作场景,并对协作机器人系统的设计要求和规范进行了详细描述。西门子提供的人机协作风险评估解决方案,主要是对特定的制造工艺流程中,人与机器人的协作任务进行仿真和风险评估,以确保企业提供了足够的安全措施,并减少安全问题带来的产线停工。该解决方案的工作流程包括人机协作工位设计、制造工艺规划、机器人工作空间分析、工艺仿真和风险评估(如图5所示)。

图5人机协作安全性评估解决方案

一个典型人机协作场景的风险评估描述如下:

·在此场景中,工人负责PLC的装配,完成装配后,将产品放入测试设备中,机器人根据测试结果进行不同的操作:如果通过测试,就把产品转移到传送带上;如果没有通过测试,就把产品转移到回收箱中

·系统根据人和机器人的操作分别生成工作空间的包络体,然后根据仿真输出风险评估报告,根据机器人接触人体的速度不同把风险分成不同等级

·根据风险评估结果可以进行工位布局、机器手臂配置和操作路径的调整和优化,以确保人机协作安全,并满足产线节拍要求

基于以上仿真技术,可以保证工艺流程符合安全标准,并且降低实物测试的成本,减少产线因安全问题造成停工。

2.3机器人工程远程协作平台

全球化的研发和制造使得远程工程协同的需求越来越迫切,对于机器人工程应用也一样。产线和机器人的设计、仿真可能需要来自不同部门或不同企业的专家进行远程协作。传统的协作方式包括文档、网络会议、面对面会议等,这些协作方式带来的挑战包括协作效率低、差旅成本高等。

因此,西门子推出了支持远程协同的机器人仿真解决方案(如图6所示),支持异地的工程人员基于同一平台和数字模型进行沟通和评审,这一平台还支持虚拟现实技术,使得协同环境更为逼真。

图6机器人仿真工程远程协作平台

西门子已经推出基于虚拟现实的机器人仿真协作环境(如图7所示),使得工程团队可以基于这一环境快速进行工位设计、工艺规划和仿真,并实现异地协同。

图7基于虚拟现实的的协作环境

2.4三维打印机器人仿真

三维打印作为一种极具潜力的制造技术,可以使产品设计、制造工艺和供应链得到优化,甚至改变未来制造业的业务模式,使大规模个性化定制成为可能。

通过机器人技术与三维打印技术的结合,可以利用机器人的灵活性来打印可变尺寸、复杂结构的零件,并取消支撑结构。图8所示的实例集成了Stratasys的三维打印技术以及Siemens工业控制器和机器人仿真软件的能力,提高了零件打印的效率,保证零件打印的质量,使三维打印的工业化成为可能。

图8三维打印机器人仿真

三、打造开放的工业机器人产业生态系统

机器人产业的发展需要一个生态系统,前端要面向不同行业研究各种应用场景,后端要形成完整的包括各种关键技术和零部件的产业链,例如传感器、减速器、控制系统、工具夹具等。

图9面向机器人产业的工业4.0创新中心

西门子通过和机器人行业龙头企业、政府、及相关研究机构合作,共建面向机器人产业的工业4.0创新中心,打造面向机器人产业的公共服务平台,希望达到四个方面的目标:

·促进不同行业的机器人应用,以支持中国制造业的转型升级,并扩大机器人产业规模

·为机器人产业链赋能。通过西门子数字化企业和数字化双胞胎等技术解决方案的应用,促进机器人产业链相关企业的数字化转型,提升机器人产业的研发、制造和服务能力

·促进创新创业。为机器人产业的创业企业和中小微企业提供研发制造工程平台和服务,打造机器人产业生态系统,加速机器人产业发展

·促进业务模式创新。基于工业互联网平台、人工智能和大数据分析技术,实现“机器人即服务”等业务模式创新

面向机器人产业的工业4.0创新中心的建设内容包括4大板块(如图9所示):

·能力中心展示先进机器人企业数字化能力提升的样板,涵盖机器人研发、制造和服务的全价值链

·创新实验室提供机器人企业和产业链可以共享的研发平台和设备,包括机器人、产线和工业互联网等技术领域的实验室

·行业解决方案研究中心研究机器人在不同行业的深化应用,包括汽车、电子、装备制造等行业

·创新孵化中心为创业企业提供需求对接、项目孵化、创业加速等相关服务

作者简介:

王昕:西门子工业软件大中华区咨询总监

郭心:西门子工业软件数字化制造业务发展战略总监

袁晓舟:西门子工业软件资深顾问

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  • 原文链接https://kuaibao.qq.com/s/20180516G1DTBT00?refer=cp_1026
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