CN118061191A - 基于mcd的icf靶微装配机器人虚拟调试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机器人装配调试技术领域，尤其涉及一种基于MCD的ICF靶微装配机器人虚拟调试方法，基于仿真模型中的机械臂运动搭建人机交互画面，监控单元获取机器臂的各运动轴在运动过程中的角度位置并实时显示于输出单元中的输出画面上以完成针对机械臂模型运动数据趋势图的绘制；本发明通过设有规划单元能够快速的判定仿真调试是否合格，在仿真调试不合格的情况下能够快速的重新确定仿真调试不合格的原因，避免了误判的情况产生，节省了原因查找的时间，提高了仿真调试的效率；同时，本发明通过在初步判定仿真调试不合格的情况下，通过各微靶基点轮廓重合度能够精准的二次确定仿真调试是否合格，提高了仿真调试的精准度。
Description
技术领域
本发明涉及机器人装配调试技术领域，尤其涉及一种基于MCD的ICP靶微装配机器人虚拟调试方法。
背景技术
随着科技的不断进步，机器人在制造业、医疗、航空航天等领域中得到越来越广泛的应用。双操作手协调仿真装配系统可实现高精度和高效率的机器手自动化装配。研究基于 MCD设计和开发一种双操作手协调仿真装配系统并对其运动规划进行研究。该装配系统可应用于制造业中的电子、机械、汽车等行业，实现高精度的自动化装配，提高生产效率和产品质量。此外，双操作手协调仿真装配系统还可在医疗领域中得到应用，如手术机器人等。本研究还将探讨该系统在智能制造、工业4.0等方面的应用价值。提高机器人装配技术的自动化、智能化和高效化水平，有助于推动机器人技术的发展，提高我国制造业的竞争力和技术水平。此外，本研究也可为相关领域的科研和产业发展提供有价值的参考和支撑，机器人装配技术可应用在手术机器人，汽车部件装配机器人上。因此，如何提高基于MCD的ICF靶微装配机器人虚拟调试方法的精准度变得非常有意义。
中国专利公开号CN：109814478 B 公开了一种基于iOpenWorks的虚拟调试系统，该发明中PLC与工业机器人系统通过Mudbus TCP进行通信连接，并与工业嵌入式触摸屏接在同一交换机中，仿真模块里构建工作现场的模型与工控设备进行信号交互，模拟真实的工厂制造流程。相对于一般的工厂制造和产品装配等，本系统节省了时间，缩短了现场调试时间；降低了成本，减少现场团队出差时间及差旅费，并且部分设备能够用仿真模型替代；提高了工作质量，同一个团队可以处理所有任务、无任务交接问题、所有可能的检查在启动前即可完成及产品在客户面前将更可靠；降低了风险，在现场调试机器人等设备的时候，操作不慎就会发生意外，办公室调试不存在风险问题。但是该发明没有涉及如何进一步提高调试效率和精准度的问题。
发明内容
为此，本发明提供一种基于MCD的ICF靶微装配机器人虚拟调试方法用以克服现有技术中基于MCD的ICF靶微装配机器人虚拟调试仿真提高虚拟调试精准度的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种基于MCD的ICF靶微装配机器人虚拟调试方法，包括：
获取机械臂虚拟调试方法的总体设计流程；
基于建模单元建立靶微装配仿真模型，并搭建与仿真模型对应的设计流程；
基于仿真模型中的机械臂运动搭建人机交互画面，监控单元获取机器臂的各运动轴在运动过程中的角度位置并将其实时显示于输出单元中的输出画面上以完成针对机械臂模型运动数据趋势图的绘制；
使用规划单元基于所述监控单元获取的所述机械臂在路径运动中各轴转动过程的角度位置信息获取针对机械臂的最优路径规划；
所述规划单元基于装配后微靶和目标靶的相对位置判定仿真调试是否合格，以及，在初步判定仿真调试合格时基于各微靶基点轮廓重合度进行二次判定，或，在判定仿真调试不合格时确定原因；
所述重合度为规划单元中各微靶基点投影的轮廓线和实际各微靶基点的轮廓线中重合线段的长度与实际各微靶基点的轮廓总长度的比值。
进一步地，所述规划单元确定目标靶中两个待装配位置的基点包括第一预设基点和第二预设基点，以及各微靶的基点包括第一装配基点和第二装配基点，根据各对应区域的俯视图建立直角坐标系，根据各基点的坐标位置情况初步判定仿真调试不合格时，基于各微靶基点轮廓重合度二次确定仿真调试是否合格；
以及，所述规划单元判定仿真调试不合格时，基于各微靶两个基点对应之间的平均距离的差值确定仿真调试不合格的原因。
进一步地，所述规划单元初步判定仿真调试不合格时，并且基于各微靶基点轮廓重合度二次确定仿真调试不合格时，判定仿真调试不合格原因为零件的装配角度问题，重新确定装配角度。
进一步地，所述规划单元基于检测各微靶的侧翻数量确定调节方式，其中：
若检测到微靶侧翻一个，所述规划单元针对运输各微靶的传送带的单次运行时长进行调节；
若检测到微靶侧翻两个，所述规划单元针对运输各微靶的传送带的输送速度进行调节。
进一步地，所述规划单元判定仿真调试不合格的情况下，基于各微靶两个基点对应之间的平均距离的差值确定仿真调试不合格的原因，其中：
在确定仿真调试不合格的原因为硬件问题，重新确定检测机械臂运行起点的坐标；
在确定仿真调试不合格的原因为软件问题，重新更换软件。
进一步地，所述规划单元基于抓取位置坐标重新确定检测机械臂运行起点的坐标，其中：
所述规划单元判定仿真调试合格时，重合原因为传送带问题，传送带输送速度导致零件以侧翻的状态被抓取；
所述规划单元判定仿真调试不合格时，不重合原因为抓取问题，传送单次运行时长导致零件待抓取位置发生改变。
进一步地，所述规划单元基于传送带问题针对于存在传送带问题的机械臂对应的传送带的运行速度设有若干调节方式，且各调节方式针对传送带的运行速度调节幅度均不相同。
进一步地，所述规划单元基于抓取问题针对于存在抓取问题的传送带的运行时长设有若干调节方式，且各调节方式针对传送带的运行时长的调节幅度均不相同。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明通过设有规划单元能够快速的判定仿真调试是否合格，节省了时间，提高了仿真调试的效率，本发明在仿真调试不合格的情况下能够快速的重新确定仿真调试不合格的原因，避免了误判的情况的产生，节省了原因查找的时间，提高了仿真调试的效率；同时，本发明通过在初步判定仿真调试不合格的情况下，通过各微靶基点轮廓重合度能够精准的二次确定仿真调试是否合格，提高了仿真调试的精准度，同时，本发明以（Inertial Confinement Fusion，ICF）关键微小型结构件的装配作为研究主体，开展基于 MCD的双操作手协调装配仿真系统设计与运动规划研究。装配机械臂是对应用于车间中机械臂进行一个模型简化，通过 NX MCD 将其模型绘制出来。搭建的模型为具有三个旋转关节的三轴机械臂，其中末端执行机构为吸盘，用于吸取物料。将该机械臂放置于一个工作台上，通过旋转各轴，使机械臂吸盘运动到物料传送带上吸取物料，并将物料运至电路板所在的传送带上方，将其准确的装配进电路板上的小孔内。通过在电脑上搭建双操作手协调装配场景和创建仿真序列，可以大大节省金钱成本和时间成本，同时该工作场景所涉及所有优化过程都可以通过电脑仿真的方式进行，大大提高了系统设计的效率和容错率的同时，提高了靶微装配机器人虚拟调试方法的精准度。
进一步地，本发明确定装配工艺流程可以帮助制造企业规范生产过程，确保每个生产环节都能够按照既定的标准进行操作，从而提高生产效率和质量；通过确定装配工艺流程，制造企业可以减少浪费和重复工作，降低生产成本，提高企业竞争力；在制造过程中，不同的工艺流程会对产品的可靠性和稳定性产生影响，确定合适的装配工艺流程可以提高产品的可靠性和稳定性；通过确定装配工艺流程，制造企业可以建立完善的质量控制和管理体系，及时发现和解决生产过程中的问题，提高产品的质量和稳定性。
进一步地，本发明所述的 HMI人机交互界面共由三个画面组成，他们分别是主画面，监控画面和趋势画面。主界面是初始界面，通过登录和注销按钮登录特定的用户，只有登录了特定的用户以后，才可以通过主界面的跳转按钮，跳转到所登录的用户有权限访问的那个界面，不具备权限的用户不能跳转到需要这个权限才能访问的画面中去，这与现实生活中的情况一致；监控画面是监视组成员才能访问的界面，通过主界面登录用户xiaolin 后，可通过跳转按钮跳转至该界面，并在该界面上获取两个机器手共六个轴的角度情况的实时信息；趋势画面是数据管理组的成员才能访问的界面，通过主界面登录用户xiaowang 后，可通过跳转按钮跳转至该界面，并在该界面上获取两个机器手共六个轴的角度随时间变化的趋势信息；通过以上几个步骤，基于博图 WinCC的机械臂运动 HMI人机交互界面的搭建完成，为后续对协调装配现场的机器手的各轴的角度监控分析提供了条件。
进一步地，本发明所述GA 遗传算法通过 MATLAB 来实现，通过参数的 设置，把机械臂的底座坐标和目标位置坐标输入，得到机器手末端吸盘的两点 间运动的路径规划，完成机械臂的预装配运动，得到从机器手从起始点运动到目标点时，三个旋转轴分别各需转过多少度，从而提高了虚拟调试方法的精准度。
附图说明
图1为本发明微装配机器人虚拟调试方法的步骤流程图；
图2为本发明仿真调试是否合格的判定流程图；
图3为本发明靶微装配机器人虚拟调试的总体流程图；
图4为本发明MCD模型搭建的步骤流程图；
图5为本发明机械人虚拟调试装配流程图；
图6为本发明仿真序列的流程图；
图7为本发明HMI人机交互界面搭建流程图；
图8为本发明基于GA遗传算法的流程图；
图9为本发明NX MCD与MATLAB及博图WinCC的联合仿真调试流程图；
图10为本发明NX MCD 与博图 WinCC 的联合仿真调试流程图；
图11为本发明MATLAB 与 NX 的联合调试仿真调试流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。
需要指出的是，在本实施例中的数据均为通过本发明所述系统在进行本次检测前三个月的历史检测数据以及对应的历史检测结果中综合分析评定得出。本发明所述系统在本次检测前根据前三个月中累计检测的结果综合确定针对本次检测的各项预设的基准参数标准的数值。本领域的技术人员可以理解的是，本发明所述系统针对单项上述参数的确定方式可以为根据数据分布选取占比最高的数值作为预设基准参数、使用加权求和以将求得的数值作为预设基准参数、将各历史数据代入至特定公式并将利用该公式求得的数值作为预设基准参数或其他选取方式，只要满足本发明所述系统能够通过获取的数值明确界定单项判定过程中的不同特定情况即可。
请参阅图1所示，本发明所述靶微装配机器臂虚拟调试的方法步骤流程图；本发明所述靶微装配机器臂虚拟调试方法的步骤包括：
步骤S1，获取机械臂虚拟调试方法的总体设计流程；实施例靶微装配机器臂虚拟调试的总体流程参考图3；
步骤S2，基于建模单元建立靶微装配仿真模型，并搭建与仿真模型对应的设计流程；实施例仿真序列的流程参考图6；
步骤S3，基于仿真模型中的机械臂运动搭建人机交互画面，监控单元获取机械臂的各运动轴在运动过程中的角度位置并将其实时显示于输出单元中的输出画面上以完成针对机械臂模型运动数据趋势图的绘制；
步骤S4，使用规划单元基于所述监控单元获取的所述机械臂在路径运动中各轴转动过程的角度位置信息获取针对机械臂的最优路径规划；
步骤S5，初步模拟，所述规划单元基于装配后微靶和目标靶的相对位置判定仿真调试是否合格，以及，在初步判定合格时基于各微靶基点轮廓 重合度进行二次判定，或，在判定仿真调试不合格时确定原因；
所述重合度为各微靶基点投影的轮廓线和实际各微靶基点的轮廓线中重合线段的长度与实际各微靶基点的轮廓总长度的比值。
请参阅图2所示，其为本发明所述规划单元判定仿真调试是否合格的判定流程图，本发明所述规划单元确定目标靶中两个待装配位置的基点包括第一预设基点和第二预设基点，以及各微靶的基点包括第一装配基点和第二装配基点，根据各对应区域的俯视图建立直角坐标系，根据各基点的坐标位置情况判定仿真调试是否合格，其中：
若两个基点对应之间的平均距离小于等于预设的第一距离基准，所述规划单元判定仿真调试合格；
若两个基点对应之间的平均距离大于预设的第一距离基准小于等于预设的第二距离基准，所述规划单元初步判定仿真调试不合格，基于各微靶基点轮廓重合度二次确定仿真调试是否合格；
若两个基点对应之间的平均距离大于预设的第二距离基准，所述规划单元判定仿真调试不合格，基于各微靶两个基点对应之间的平均距离的差值确定仿真调试不合格的原因。
请参阅图3所示，其为本发明所述靶微装配机器臂虚拟调试的总体流程图，本发明所述基于MCD的ICF靶微装配机器人虚拟调试系统模型，包括：
获取MCD模型的搭建；
获取仿真序列的设计流程；
基于博图WinCC的机械臂运动搭建HMI人机交互界面；
获取MATLAB遗传算法的设计流程；
NX MCD与Matlab及博图WinCC的联合仿真调试。
具体而言，所述获取MCD模型的搭建流程包括，首先需要在MCD中为机器臂，靶微装配件，目标靶，传送带等必须使用的模型建模，然后确定本实施例的协调装配场景的具体装配工艺流程，根据装配工艺流程将前一步所设计出的各种模型进行适当地布局，构成一个完整的双机器手协调仿真装配现场，然后在MCD中的仿真序列功能模块中，创建实现机器手装配运动过程的仿真序列，实现完整的装配过程仿真。
HMI人机交互界面的搭建，主要是通过TIA Portal 创建双操作手装配场景的监控系统。该监控系统包含三个画面，主画面，监控画面和趋势画面。在主画面中，不同的用户可登陆不同的用户账号，不同的用户账号拥有不同的权限，本发明中一共创建了两个用户账号，一个用户只有查看监控画面的权限，另一个用户只有查看趋势画面的权限，只有登录了相应的用户，才能通过主画面的跳转按钮跳转到对应权限的画面。监控画面能实现两个机器手共六个旋转轴的角度位置情况；趋势画面能画出六个旋转轴的角度位置随时间变化的趋势图。
MATLAB遗传算法这一步骤主要是利用MATLAB遗传算法工具箱，代入本发明机器手的各个参数和约束方程，计算出机器手从起始点运动到目标点时，三个旋转轴各需转过的角度，完成机器手从起始点运动到目标点的路径规划计算。
NX MCD与Matlab及博图WinCC的联合仿真调试这一步骤主要分两种方案，一个实施例是通过PLC SIM的通讯方式完成NXMCD与博图的通讯，目的是实现MCD中的角度位置信号在博图WinCC中的实时显示，报警和数据趋势图的绘制。另一个实施例为通过OPC方式，连通MATLAB与MCD，将MATLAB中遗传算法的计算结果直接传递给NX中相应机器手的角度位置信号，从而完成MCD与MATLAB的联合仿真测试，验证遗传算法对于路径优化的贡献。
请参阅图4所示，其为本发明所述MCD模型的搭建，本发明所述MCD模型的搭建流程包括：
本实施例的装配机械臂是对应用于车间中机械臂进行一个模型简化，通过NX MCD将其模型绘制出来；搭建的模型为具有三个旋转关节的三轴机械臂，其中末端执行机构为吸盘，用于吸收物料。将该机械臂放置于一个工作台上，通过旋转各轴，使机械臂吸盘运动到物料传送带上吸取物料，并将物料运至电路板所在的传送带上方，将其准确的装配进电路板上的小孔内。通过在电脑上搭建双操作手协调装配场景和创建仿真序列，可以大大节省金钱成本和时间成本，同时该工作场景所涉及所有优化过程都可以通过电脑仿真的方式进行，大大提高了系统设计的效率和容错率。
MCD模型的搭建
采用NX MCD对装配过程中所需模型进行绘制和构建，先在MCD的草图模块画出各个模型的截面图，再通过拉伸，拔模，挖孔等一系列操作构造出立体模型，最后再给模型添加刚体性质和一定的运动副和各种约束，最终完成所有模型的构建。
机械臂模型设计，首先在NX“基本环境”模块中创建草图，先设置机械臂的尺寸，在平面上画出草图，再通过拉伸，拔模，挖孔等操作完成后机械臂的建模。建模完成后，将NX切换至“机电概念设计模块”，为机械臂各轴添加合适的运动副，如固定副，铰链副，滑动副等，使机械臂成为实体并且能够实际运动起来。
靶微装配件设计，本发明所用的靶微装配件有两种实施方式，一实施方式为方形靶微装配件，另一实施方式为圆柱形靶微装配件。
传送带设计，本发明所用的传送带由简单的二维几何体拉伸而成。
目标靶设计，本发明所用的目标靶由简单的二维几何体拉伸而成。
模型参数，本发明实施例中所采用的四个模型的参数如下表1所示。
表1 模型参数尺寸表
请参阅图5所示，其为本发明所述装配机械臂虚拟调试装配流程，本发明所述装配工艺流程：首先，开启仿真，然后，运输方形靶微装配件和圆形靶微装配件的传送带和运输目标靶的传送带会同时启动，三者会分别将方形靶微装配件和圆形靶微装配件以及目标靶分别运输到三条传送带上的特定位置，以便于机械臂抓取这两个装配件并完成装配，装配件一旦运达目标位置，两个机械臂就会立刻启动前往夹取，其中1号机械臂，即夹取方形靶微装配件的机械臂会先夹取方形靶微装配件并装配到目标靶上，等方形靶微装配件装配完成后，方形机械臂立刻复位，等到方形机械臂复位完成后，夹取着圆形靶微装配件的圆形机械臂才会前往目标位置装配圆形靶微装配件，装配完成后，圆形机械臂同样会复位，两个机械臂均复位后，运输着目标靶的3号传送带会再次开动，将目标靶运走。
请参阅图6所示，其为本发明所述仿真序列的流程图，本发明所述仿真序列设计流程包括：
首先，创建路径约束运动副；然后，完成机械臂从起始点到目标点的点到点的仿真；
再后，基于机械臂在目标点的三个轴的角度情况通过CSV文件格式导出，获取创建仿真序列所需的必要数据；
最后，根据获取的创建仿真序列所述需要的数据，逐个的创建机械臂从抓取装配件到装配装配件，再到复位的三个工艺流程的仿真序列的创建。
具体而言，首先使用路径约束运动副，将方位 0 定位到初始时刻机器手的吸盘中心坐标处，方位 1 定位到靶微装配件目标位置的上方一定距离处，使靶微装配件运动到方位 1 时，不与目标靶发生碰撞。接下来为机器手的两个铰链副和一个柱面副建立位置控制，将铰链副和柱面副全部添加到察看器中，勾上路径约束运动副的方框，开启仿真，机器手运动至方位 1，察看器中将显示三个运动副在方位 1 时的角度和位置情况。按下仿真暂停键，在察看器导出栏中勾选“角度”和“位置”选项，然后再点击导出至 CSV 文件，导出后的 excel 文件。运用路径约束运动副，可以得到机器手运动到任何位置时，它的三个旋转轴的角度位置数据，获得这些数据后，结合前章叙述的整个装配过程的工艺流程，同样按照点到点的方式，可逐个创建仿真序列，通过一个完整的仿真序列流程可完成整个协调装配仿真过程的实现。至此，整个 MCD仿真序列设计部分全部完成，点击开始仿真按钮，机器手将有序地进行整个靶微装配流程。
请参阅图7所示，其为本发明所述HMI人机交互界面搭建流程图，本发明所述HMI人机交互界面搭建流程主要通过 TIA Portal 创建操作手装配场景的监控系统。主要内容包括：博图PLC的创建和与PLCSim Advanced3.0的连接，HMI 精智面板的添加，PLC变量与HMI变量的连接以及WinCC监控画面的搭建。其中：
首先，创建博图项目，添加所需设备；
添加PLC；首先创建一个新的博图项目，添加 PLC1500的 CPU 内核，并配置博图PLC 的相关内部参数，然后打开 PLCSim Advanced V3.0，同样是选择一个 S7-1500 型号的虚拟 PLC，连接方式选择使用 PLCSIM 虚拟以太网卡，为虚拟 PLC 命名然 后再启动虚拟 PLC 的仿真，PLC 虚拟实例成功创建，PLCSim Advanced V3.0 界面中有绿灯亮起，说明虚拟 PLC 创建成功。创建完虚拟 PLC 后，回到博图端，选中博图 PLC，编译，仿真，尝试下载虚拟 PLC仿真模块到博图 PLC上，下载成功，说明博图 PLC创建完成，并且成功连接上了虚拟 PLC。
HMI精智面板的添加；在博图界面，点击添加新设备，添加一个 HMI 精智面板，然后再在网络视图中，通过 PN/IE_1 线将 HMI 精智面板与 PLC 设备连接起来。
然后，HMI变量与PLC变量的连接；MCD 与博图 PLC 通过 PLCSIM Advanced 的方式连接后，MCD 中的角度量仅仅传递给了 PLC 变量，为了使得 MCD 中的角度数据能够实时显示在WinCC监控画面上，还需将 HMI变量与 PLC变量也连接起来，HMI变量与 PLC 变量的映射连接。
再后，获取HMI人机交互界面的构建；博图项目创建完成，并且所需的 PLC 设备与HMI 精智面板也添加，配置完成后，需要在HMI目录下搭建本毕设所需的HMI人机交互界面，以实现对MCD 中的协调装配仿真现场的实时监控。
HMI主界面的构建，本实施例的HMI交互端共有三个界面，主界面是登陆界面，也是初始界面。从主界面可以跳转至另外两个界面。具体而言，HMI主界面由一个用户管理控件，两个蕴含跳转界面函数的按钮，以及一个登陆按钮和一个注销按钮组成。本发明在用户管理界面，添加了两个用户，xiaolin 和 xiaowang，其中用户 xiaolin 属于监视组的成员，有查看监视画面的权限，但没有查看趋势画面的权限；而用户 xiaowang 属于数据管理组的成员，有查看趋势画面的权限，但没有查看监视画面的权限。配置完成后开启仿真，点击登录按钮，用户名输入xiaolin，再输入该用户对应的密码，HMI 就会登陆该用户，只有该用户具有跳转至监控界面的权限，登录用户 xiaowang 的效果与之相仿。
HMI监控画面的构建，本实施例HMI 主界面搭建完成后，在博图项目树下的子目录HMI 下可新建 WinCC监控画面并组态之，根据本设计的需要，监控画面中添加了六个文本域，分别用来监控两个机器手六个旋转轴的角度位置，除此之外，监控画面中还有一个报警控件，后续实验中，当 MCD的机器手的转动角度过大时，报警控件中会出现警示。监控界面中包含回主界面的按钮，所有用户都有这个权限。
HMI趋势画面的搭建，HMI 趋势画面用于对监视画面所记录下来的机器手各轴角度数据做一个记录，由此画面可以读出机器手各轴角度随时间变化的趋势，该界面由一个趋势控件和一个回主界面的控制按钮构成，用户 xiaowang 登陆后，可跳转至此界面，并在此界面读出机器手各轴角度的变化情况。趋势控件关联了六个趋势，分别对应六个轴的角度随时间变化的趋势，每条趋势曲线都用一种特定颜色的曲线来表示并加以区分。
本实施例在博图项目创建完成并且所需的PLC设备与HMI精智面板也添加配置完成后，通过在HMI目录下搭建HMI人机交互界面，以实现对MCD中的协调装配仿真现场的实时监控。
请参阅图8所示，其为本发明所述基于GA遗传算法的流程图，本发明所述基于遗传算法的机械臂最优路径规划，首先对机械臂的动力学进行分析，然后，对遗传算法进行解释说明，最后，把机器手的各项参数和机器手从起始点运动到目标点时应满足的等式约束条件输入MATLAB中，用MATLAB辅助完成 GA 遗传算法的计算，直接得出机器手从起始点运动到目标点时，三个旋转轴各需转过的角度，完成机器手从起始点运动到装配点正上方的路径规划计算。其中：
三轴机械臂运动学分析，把机器臂运动局限在一个二维平面内，相对于三维运动而言，其计算更为简洁，为了方便计算，将在空间内的四轴机械臂投影到 xoy 平面，简化为平面机构，对其进行角度计算。以运输方形靶微装配件的机器手的路径规划为例，在NXMCD中将视图定向到机器手的右视图，每个机器手有两个铰链副，一个柱面副一共三个运动副，即为三轴机器手，三个旋转轴均为绕 Z 轴旋转，因此，可将机器手三个连杆的运动过程投影到 xoy 平面上以简化几何分析过程，本实施例所做的路径规划以装配方形靶微装配件的机器手从初始位姿运动到靶微装配板装配位点正上方的位姿这一路径为例，目的为使用MATLAB中自带的GA遗传算法，计算出在这一特定的运动过程中，机器手三个旋转轴所需运动的角度的绝对值之和的最小值。只要测量出目标初始位置坐标和末位置坐标，目标点坐标以及三个连杆的长度，即可根据上述两个非线性等式约束条件，在 MATLAB 上运用 GA遗传算法求解出三轴运动角度的绝对值之和的最小值。
基于 GA 遗传算法的路径规划，GA遗传算法是最简单的遗传算法，本实施例选取GA 遗传算法作为本发明路径规划所用的工具。
遗传算法的参数设置，本实施例通过使用 Matlab 软件本身具有的遗传算法函数（GA 函数），即遗传算法工具箱来实现遗传算法的编程。在工具箱中，选取群体大小为10000，PC= 0.8, PM= 0.05，适应度函数为：
其中：x（1）表示连杆1转过的角度，x（2）表示连杆 2转过的角度，x（3）表示连杆 3转过的角度。所求得的解即可使机械臂每个旋转轴转过角度的绝对值之和最小，即为与最优路径对应的解。
装配场景的各参数测量，机械臂各个连杆长度分别为Body1=508.4, Body2=208.6, Body3=40。底座的中心位置坐标为（x=2603.4816，y=2464.9174，z=194.50058）。约束条件为机械臂实施例在目标位置的中心坐标与由底座质心坐标推导出的连杆1的定点坐标之差。
MATLAB 遗传算法计算结果，目标位置的中心坐标为（x=2214.9038998249，y=2642.1345828583，z=342.4815299014），底座的中心位置坐标为（x=2603.4816，y=2464.9174，z=194.50058），通过输入机械臂的各个参数，Matlab 程序即可计算出机械臂目标运动到靶微装配板的装配位姿正上方时，每个连杆应转过的角度，规定逆时针为正，顺时针为负，其结果为，机械臂连杆1顺时针转过107.673°， 连杆 2 逆时针转过123.483°，连杆3 顺时针转过118.685°，即可到达目标位置。随着遗传代数的不断增加，目标函数越来越接近最优值，机械臂三个轴的运动角度的绝对值之和也达到最小值。
请参阅图9所示，其为本发明所述NX MCD与MATLAB及博图WinCC的联合仿真调试流程图，本发明所述NX MCD与MATLAB及博图WinCC的联合仿真调试流程包括两个实施例：
第一实施例是NX MCD 与博图 WinCC 的联合仿真调试，通过对 TIA Portal的配置和对NX MCD的调试环境的设置，以 PLC Sim 的方式完成 NX MCD 与博图的通讯，将 MCD中的角度信号传递给博图中的 PLC 信号，然后再经过博图主程序梯形图的编写，完成 PLC信号到 HMI 信号的连接，从而完成 MCD 信号在博图 WinCC 中的实时显示。
另一实施例是MATLAB 与 NX MCD的联合调试仿真，通过 OPC 服务器的方式，连通MATLAB 与 MCD，将 MATLAB 中遗传算法的计算结果直接传递给 NX 中相应的机器手角度信号，从而完成 MCD 与 MATLAB 的联合仿真调试。
请参阅图10所示，其为本发明所述NX MCD 与博图 WinCC 的联合仿真调试流程，本发明所述NX MCD 与博图 WinCC 的联合仿真调试，首先要对 NX MCD 进行内部信号配置，即在 NX MCD 中建立信号适配器并完成内部参数和信号的创建；然后需要做好NX MCD端的调试环境设置，即在外部信号配置端，设置以 PLCSIM Adv 的方式进行通讯；其次则对TIA Portal 进行配置，即建立虚拟 PLC，并在 PLC 中创建输出信号，添加 HMI 精智面板，构建 WinCC 监控画面，把 HMI 变量和 PLC 变量关联起来；最后完成 MCD 与 PLC 的信号映射，编写 PLC 程序，把 PLC 输出传递给 HMI 变量；在 HMI 界面开启仿真，即可完成 NXMCD 与博图 WinCC 端的HMI 人机交互界面的虚拟调试与搭建，实现在博图端对双机器手协调装配仿真系统的两个机器手共六个旋转轴的角度位置情况的实时监控与分析。
NXMCD 内部信号配置，为了与 TIA Portal 进行联调，需要将 NX MCD 设为以PLCSIM Adv 方式与外部信号通讯。NX MCD 外部信号配置除了采用 PLCSIM Adv，还支持采用OPC DA、OPC UA、SHM 方式连接，其中 OPC DA不仅可以连接虚拟 PLC，还可以连接现实中的PLC。本次调试将使用 PLCSIM Advanced 的方式，作为NX MCD 与 TIA Portal 的连接方式，因此需要在 NX MCD 里进行配置。选择相应的虚拟 PLC 实例，这里由 S7-PLCSIMAdvanced V3.0.软件新建的虚拟 PLC名“lwc1500”，确定信号映射方式，通过 NX MCD 里设置的 PLC 信号名与TIAPortal 里的 PLC 变量名一一对应连接，实现 PLC 变量与 NX MCD信号之间的相互传递。
NXMCD 调试环境配置，进行虚拟仿真调试之前需要先运行虚拟PLC (S7-PLCSIMAdvanced V3.0 SP1)，创造虚拟调试环境，使得NX MCD调试环境参数能够进行设置，确定仿真时对应的虚拟 PLC；同时创建信号以及对应的 PLC 信号名，设置信号外部连接，使得仿真时能够与 PLC 信号相连通。
信号适配器创建与关联，在虚拟调试的过程中，NX MCD 里的模型运动完全由信号控制，因此需要在信号适配器中为三轴机械臂的三个旋转轴创建相应的输出信号，将每个轴的位置量通过指派功能指派给刚刚创建好的输出信号，即可将 MCD中的机器手的三个旋转轴的旋转角度数据传送给创建的信号，然后再通过 Plc SimAdvanced 的通方式，传递给博图 WinCC 监控画面。
配置 PLCSIM AdvancedV3.0，PLCSIM AdvancedV3.0 是西门子公司设计的一款高性能的仿真器，它最为突出的优点是不但可以仿真一般的 PLC 编写并操控程序，还可以仿真信息交互。本次虚拟调试由 TIA 博途与PLCSIM AdvancedV3.0通信、PLCSIMAdvancedV3.0与NX MCD 通信，完成NXMCD中的机器人的三个轴的旋转角度在博途 WinCC中的实时显示，实现博图 WinCC对NX MCD 中装配场景的监控。因此，需要利用S7-PLCSIMAdvanced V3.0 搭建并开启虚拟 PLC。因为整个虚拟调试过程都在一台电脑上完成，因此Online Access 只需选择 PLCSIM，输入虚拟 PLC 实例名称为 lwc1500 以及选择 PLC 类型为 S7-1500，点击 Start 完成虚拟PLC 创建；另外一种 Online Access 连接方式为PLCSIM Virtual Ethernet Adapter，且可以设为本地网址，在进行 OPC 通讯时，可以将Online Access 设为该连接方式。
PLC 控制程序设计，PLC（Programmable Logic Controller）控制器循环扫描，从上到下，从左到右，执行符合条件的指令。本文使用梯形图来进行 PLC 程序设计，对三轴机械臂的运动过程中各轴角度情况进行实时监视。本文的梯形图通过顺序控制设计法创建，一共有六个程序段：六个程序段在结构上完全相同，均是利用一个MOVE 模块来将 PLC从MCD 接收到的信号，如 Square1 输入到 MOVE 模块的输入端口，然后输出端口将会把相同的输出值传递给另一个已与同名 HMI 变量关联的 PLC 变量 S1，这是为了使得后续监控用的博图 WinCC 中关联了 HMI 变量的文本域能正确输出 MCD 中的角度信号所编写的程序段。
MCD 与 PLC 的信号映射，在 NX MCD 中创建好了需要传到外部软件去的信号，在PLC 中也创建好了准备接收来自外部软件的 PLC 信号，接下来需要为这两组信号建立一一映射关系。
请参阅图11所示，其为本发明所述MATLAB 与 NX 的联合调试仿真调试流程图，本发明所述MATLAB 与 NX 的联合调试仿真流程包括：
创建OPC变量，本发明通过OPC方式实现MATLAB与NXMCD的通讯， 首先在MatrikonOPC Serve for simulation 上创建三个变量，再将这三个变量添加到MatrikonOPC Explore，这两个步骤创建了三个变量，并放置在了 OPC 服务器上。
MATLAB 变量写入 OPC 服务器，创建完变量后，在 MATLAB 端通过代码实现MATLAB与OPC服务器的连接，再在Simulink模块上搭建一个将 MATLAB的数据写入OPC服务器中已创建变量的仿真环境，在该仿真环境中，MATLAB 通过遗传算法计算出的存有三轴应转角度值的矩阵通过Constant模块从MATLAB工作区导入到 Simulink 模块里，然后这些值再通过 OPC.Write 模块写入OPC变量中。OPC服务器中的变量被MATLAB 写入角度值，NXMCD通过 OPC 方式从 OPC 服务器中读取 MATLAB 计算出的结果数值到三轴角度的位置控制中，过程与上述 NX MCD 与博图的通讯过程一致，唯一不同是在外部信号配置处，需选择OPCDA 方式来和 OPC 服务器进行连接。
遗传算法结果验证，MCD 与 MATLAB 通讯成功后，在 MATLAB 中通过 GA 遗传算法计算机器手在从初始位置运动到目标位置时，三轴角度绝对值之和最小化时的转动量，此转动量值通过 OPC 通讯的方式被传递给 MCD 中控制机器手三个轴运动角度的位置控制变量中。开启 MCD仿真，机器手随之开始运动，在察看器中可以看到，在机器手完成其运动后，吸盘的质心坐标与预期正确位姿的吸盘质心坐标一致，说明遗传算法验证成功，机器手的吸盘正确地运动到了目标位置上，GA 算法算出了正确的角度值。
具体而言，本发明所述规划单元初步判定仿真调试不合格时，基于各微靶基点轮廓重合度二次确定仿真调试是否合格，其中：
若轮廓重合度大于预设的基准，所述规划单元二次确定仿真调试合格，继续运行；
若轮廓重合度小于等于预设的基准，所述规划单元二次确定仿真调试不合格，仿真调试不合格原因为零件的装配角度问题，基于实际输送速度确定原因。
具体而言，所述规划单元基于检测各微靶的侧翻数量确定调节方式，其中：
若检测到微靶侧翻一个，所述规划单元针对运输各微靶的传送带的单次运行时长进行调节；
若检测到微靶侧翻两个，所述规划单元针对运输各微靶的传送带的输送速度进行调节。
具体而言，所述规划单元判定仿真调节不合格的情况下，基于各微靶两个基点对应之间的平均距离的差值确定仿真调试不合格的原因，其中：
若差值小于等于预设的差值基准，所述规划单元确定仿真调试不合格的原因为硬件问题，重新确定检测机械臂运行起点的坐标；
若差值大于预设的差值基准，所述规划单元确定仿真调试不合格的原因为软件问题，重新更换软件。
具体而言，所述规划单元基于抓取位置坐标重新确定检测机械臂运行起点的坐标，其中：
若抓取位置坐标与机械臂运行起点坐标重合，所述规划单元判定仿真调试合格，重合原因为传送带问题，传送带速度导致零件以侧翻的状态被抓取；
若抓取位置坐标与机械臂运行起点坐标不重合，所述规划单元判定仿真调试不合格，不重合原因为抓取问题，传送时长导致零件待抓取位置发生改变。
具体而言，所述规划单元基于传送带问题针对于存在传送带问题的机械臂对应的传送带的输送速度设有若干调节方式，其中：
若速度小于等于预设的第一速度基准，所述规划单元使用速度第一调节系数α1针对与存在传送带问题的机械臂对应的传送带的输送速度调节至对应值；
若速度大于预设的第一速度基准小于等于预设的第二速度基准，所述规划单元使用速度第二调节系数α2针对与存在传送带问题的机械臂对应的传送带的输送速度调节至对应值；
若速度大于预设的第二速度基准，所述规划单元使用速度第三调节系数α3针对与存在传送带问题的机械臂对应的传送带的输送速度调节至对应值；
其中，本发明所采用的调节公式为，V=v×αn，其中，v为调节前预设的传送带的输送速度，V为调节后的传动带的输送速度，n为正整数，αn为预设的速度调节系数，本实施例采用，α1=0.98；α2=0.97；α3=0.96。
具体而言，所述规划单元基于抓取问题针对于存在抓取问题的传送带的单次运行时长设有若干调节方式，其中：
若运行时长小于等于预设的第一时长基准，所述规划单元使用第一时长调节系数β1针对于存在抓取问题的传送带的单次运行时长调节至对应值；
若运行时长大于预设的第一时长基准小于等于预设的第二时长基准，所述规划单元使用第二时长调节系数β2针对于存在抓取问题的传送带的单次运行时长调节至对应值；
若运行时长大于预设的第二时长基准，所述规划单元使用第三时长调节系数β3针对于存在抓取问题的传送带的单次运行时长调节至对应值；
其中，本发明所采用的调节公式为，W=w×βn，其中，w为调节前预设的传送带的单次运行时长，W为调节后的传动带的单次运行时长，n为正整数，βn为预设的时长调节系数，本实施例采用，β1=0.98；β2=0.97；β3=0.96。
具体而言，所述规划单元确定仿真调试不合格的原因为软件问题时，基于各目标靶初始位置和末位位置坐标优化重新确定算法，其中：
;
;
其中，目标靶 AB 的转动角度为θ1，目标靶BC 的转动角度为θ2-θ1，目标靶CD 的转动角度为θ3-θ2，三个轴均为顺时针转动，顺时针转动的角度为负值，设 A 点坐标为(Xa,Ya)；D 点坐标为(Xd,Yd)，则 A,D 之间满足上述约束关系。
具体而言，所述MCD模型的搭建流程包括：
MCD建模的搭建，包括机械臂模型设计，靶微装配件设计，传送带设计，目标靶设计和模型参数设计；
基于已建模型搭建协同装配之前确定协调装配工艺流程；
获取协同装配现场的搭建；
获取仿真序列的路径约束运动副的创建与数据获取和仿真序列的创建。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于MCD的ICF靶微装配机器人虚拟调试方法，其特征在于，包括：
获取机械臂虚拟调试方法的总体设计流程；
基于建模单元建立靶微装配仿真模型，并搭建与仿真模型对应的设计流程；
基于仿真模型中的机械臂运动搭建人机交互画面，监控单元获取机器臂的各运动轴在运动过程中的角度位置并实时显示于输出单元中的输出画面上以完成针对机械臂模型运动数据趋势图的绘制；
使用规划单元基于所述监控单元获取的所述机械臂在路径运动中各轴转动过程的角度位置信息获取针对机械臂的最优路径规划；
所述规划单元基于装配后微靶和目标靶的相对位置判定仿真调试是否合格，以及，在初步判定仿真调试合格时基于各微靶基点轮廓重合度进行二次判定，或，在判定仿真调试不合格时确定原因；
所述重合度为规划单元中各微靶基点投影的轮廓线和实际各微靶基点的轮廓线中重合线段的长度与实际各微靶基点的轮廓总长度的比值。
2.根据权利要求1所述的基于MCD的ICF靶微装配机械人虚拟调试方法，其特征在于，所述规划单元确定目标靶中两个待装配位置的基点包括第一预设基点和第二预设基点，以及各微靶的基点包括第一装配基点和第二装配基点，根据各对应区域的俯视图建立直角坐标系，根据各基点的坐标位置情况初步判定仿真调试不合格时，基于各微靶基点轮廓重合度二次确定仿真调试是否合格；以及，所述规划单元判定仿真调试不合格时，基于各微靶两个基点对应之间的平均距离的差值确定仿真调试不合格的原因。
3.根据权利要求2所述的基于MCD的ICF靶微装配机械人虚拟调试方法，其特征在于，所述规划单元初步判定仿真调试不合格，并且基于各微靶基点轮廓重合度二次确定仿真调试不合格时，判定仿真调试不合格原因为零件的装配角度问题，重新确定装配角度。
4.根据权利要求3所述的基于MCD的ICF靶微装配机械人虚拟调试方法，其特征在于，所述规划单元基于检测各微靶的侧翻数量确定调节方式，其中：
若检测到微靶侧翻一个时，所述规划单元针对运输各微靶的传送带的单次运行时长进行调节；
若检测到微靶侧翻两个时，所述规划单元针对运输各微靶的传送带的输送速度进行调节。
5.根据权利要求4所述的基于MCD的ICF靶微装配机械人虚拟调试方式，其特征在于，所述规划单元判定仿真调试不合格的情况下，基于各微靶两个基点对应之间的平均距离的差值确定仿真调试不合格的原因，其中：
在确定仿真调试不合格的原因为硬件问题时，重新确定检测机械臂运行起点的坐标；
在确定仿真调试不合格的原因为软件问题时，重新更换软件。
6.根据权利要求5所述的基于MCD的ICF靶微装配机械人虚拟调试方法，其特征在于，所述规划单元基于抓取位置坐标重新确定检测机械臂运行起点的坐标，其中：
所述规划单元判定仿真调试合格时，重合原因为传送带问题，传送带输送速度导致零件以侧翻的状态被抓取；
所述规划单元判定仿真调试不合格时，不重合原因为抓取问题，传送单次运行时长导致零件待抓取位置发生改变。
7.根据权利要求6所述的基于MCD的ICF靶微装配机械人虚拟调试方法，其特征在于，所述规划单元基于传送带问题针对与存在传送带问题的机械臂对应的传送带的输送速度设有若干调节方式，且各调节方式针对传送带的输送速度调节幅度均不相同。
8.根据权利要求7所述的基于MCD的ICF靶微装配机械臂人拟调试方法，其特征在于，所述规划单元基于抓取问题针对于存在抓取问题的传送带的单次运行时长设有若干调节方式，且各调节方式针对传送带的运行时长的调节幅度均不相同。
9.根据权利要求8所述的基于MCD的ICF靶微装配机械人虚拟调试方法，其特征在于，所述规划单元确定仿真调试不合格的原因为软件问题时，基于各目标靶初始位置和末位位置坐标优化重新确定算法，其中：
;
;
其中，目标靶 AB 的转动角度为θ1，目标靶BC 的转动角度为θ2-θ1，目标靶CD 的转动角度为θ3-θ2，三个轴均为顺时针转动，顺时针转动的角度为负值，若 A 点坐标为(Xa，Ya)；D 点坐标为(Xd，Yd)，则 A和D 之间满足上述关系。
10.根据权利要求9所述的基于MCD的ICF靶微装配机器人虚拟调试方法，其特征在于，所述MCD模型的搭建流程包括：
MCD建模的搭建，包括机械臂模型设计，靶微装配件设计，传送带设计，目标靶设计和模型参数设计；
基于已建模型搭建协同装配之前确定协调装配工艺流程；
获取协同装配现场的搭建；
获取仿真序列的路径约束运动副的创建与数据获取和仿真序列的创建。
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