基于Roboguide平台的FANUC机器人虚拟现实技术在工业生产中的应用

姚贵昌，段方高，陆宗学，崔世义

（连云港杰瑞模具技术有限公司，江苏 连云港 222006）

0 引言

工业机器人是典型的机电一体化高科技产品，自从1950 年代美国制造第一台机器人以来，机器人技术及其产品发展很快，它对于提高生产自动化水平、劳动生产率和经济效益，保证产品质量，改善劳动条件等方面的作用日益显著。随着劳动力的紧缺，工业机器人代替人力劳动是必然的发展趋势，工业机器人的广泛应用，正在日益改变着人类的生产方式和生活方式［1］。从20 世纪下半叶起，世界机器人工业一直保持着稳步增长的良好势头。据联合国颁布的调查资料显示，2000 年世界机器人工业增长率达到15%左右，一年增加了近10 万台，使世界机器人总拥有量达到75 万台以上，世界机器人市场呈现出日益兴旺的大好态势［1］。

如今，工业机器人已得到了众多领域的应用。工业机器人的种类繁多，有点焊、弧焊机器人、码垛机器人、喷涂机器人、装配机器人、搬运机器人等。工业机器人应用领域有高温应用、测量检测、包装、弧焊、点焊、喷涂、搬运、分拣处理、码垛、填装、机器上下料、冲压、压力铸造、热处理、装配、修缘、抛光、打磨、水切割、等离子切割、激光焊接与切割、压力装配机铆接、粘接与封接等［2］。

目前，FANUC 工业机器人在我国许多领域得到广泛应用，占有中国近三分之一的市场。FANUC 工业机器人种类众多，能够完成绝大部分领域的应用任务。

虚拟现实技术（Virtual Reality Technology）涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域，它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等，使人作为参与者通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用［3］。虚拟现实是一种可视化界面技术，可以有效地建立虚拟环境，这主要集中在两个方面，一是虚拟环境能够精确表示物体的状态模型；二是环境的可视化及渲染。

本文将基于Roboguide为应用平台的基础上，利用虚拟现实技术对FANUC 机器人在工业生产中的应用，通过实例来展示虚拟现实条件下仿真建模的过程。为现场调试人员提供了实验平台，并为方案设计提供了可行性的依据。

1 FANUC ROBOT Roboguide 概述

Roboguide 软件是日本FANUC 公司在自己生产机器人的基础上研究开发的机器人离线编程系统软件。它是围绕一个离线的三维世界进行模拟，在这个三维世界中模拟现实中的机器人和周边设备的布局，通过其中的TP示教，进一步来模拟它的运动轨迹。通过这样的模拟可以验证方案的可行性，同时获得准确的周期时间。Roboguide是一款核心应用软件，还包括搬运、弧焊、喷涂等其他模块。该软件具有FANUC 公司的各种型号机器人的离线仿真及与机器人的通讯等基本功能［4］。

该软件是一种自控软件，它通过使用虚拟机器人控制技术来仿真模拟实际机器人作业的机器人模拟软件，运行于Windows 环境。此软件包括四大模块：建模模块、布局模块、编程模块和仿真模块。

2 Roboguide 建模

Roboguide 是一个为机器人系统的安装和维护设计的离线工具，也是一个被应用在工业领域的在线工具。

2.1 工作环境的建立

Roboguide 可以通过简单的建模功能，建立设计需要的工作环境，它大大减少了为设备和机械等工作环境建模的人力，用最少的时间建立机器人系统合适的环境模型，不需要特别熟悉离线系统，就能很快完成模型的建立。

图1 Roboguide 软件启动

启动Roboguide 后单击工具栏上的“新建”按钮，出现图2 所示界面。根据需要分别顺序填入以下内容：①Process Selection，②Workcell Name，③Robot Creation Method，④Robot Software Version，⑤Robot Application/Tool，⑥Group Robot Model，⑦Additional Motion Groups，⑧Robot Options，⑨Summary，内容如图2 所示。

图2 工作环境的建立

2.2 三维模型的载入

Roboguide 可以加载各类实体对象，这些对象可以分成两部分，一部分是Roboguide 自带的模型，另一部分是可以通过其它三维软件导出的igs 或iges 格式的模型文件。

2.2.1 Roboguide 自带的模型

自带模型库是Roboguide 软件安装自备模型库，此模型库为工程设计者提供了方便，大大缩减了常用模型的设计时间，提高了设计效率。尤其是方案设计阶段，提供了大量的设备模型，简化了设计的过程，通过简单的选择和布局，可得到较好的设计效果，提高了方案设计的效率；在市场经济的今天，也增强了企业的竞争，可把握更多的市场机会。

自带模型库运用具体操作步骤：单击菜单栏上的Cell→Add Fixture→CAD Library 出现如图3 对话框，这里主要加载Roboguide 自带的库模型文件，包括输送带、数控加工中心、各类焊枪、注塑机等。输送带模型库如图4 所示；数控加工中心模型库如图5 所示。

图3 Roboguide 自带的模型库

图4 输送带模型库

图5 数控加工中心模型库

2.2.2 三维软件导出的模型

Roboguide 软件支持兼容三维软件导出igs 格式模型文件。因Roboguide 软件建模功能只能完成简易模型的建立，不能够满足复杂模型建模的需要，所以通过专业的3D 建模设计软件来设计模型，节约了大量的工作量。此兼容功能为工程设计者提供了模型对接的便利。

三维软件导出igs 格式模型文件导入方法的具体操作步骤：单击菜单栏上的Cell→Add Fixture→Single CAD File，出现如图6 所示文件浏览对话框，这里主要加载由其它三维软件如SolidWorks、Pro/E、CATIA、UG 等所导出的igs 格式的三维模型。SolidWorks 软件导出igs 格式文件模型对话框如图7 所示。

2.2.3 Roboguide 的Modeler 功能

Roboguide 软件带有Modeler 模块，能够建立简单的3D 模型。Roboguide 软件建模功能仅为工程设计者提供了简单的模型建模工具。

具体操作步骤：单击菜单栏上的Tools→Modeler→单击新建，出现如图8 所示对话框。

图6 igs 格式模型文件浏览对话框

图7 SolidWorks 软件导出igs 格式文件模型对话框

图8 Roboguide 的Modeler 模块

2.3 模型的布局

Roboguide 环境系统的一个重要作用是离线调试程序，而离线调试最直观有效的方法是在不接触实际机器人及其工作环境的情况下，利用Roboguide 图形仿真技术模拟机器人的作业过程，提供一个与机器人进行交互作用的虚拟环境。这就需要我们把整个机器人系统(包括机器人本体、数控加工中心、工件、配套设备等)的模型按照实际的装配和安装情况在仿真环境下进行布局。其中数控加工中心与机器人本体之间的位置关系对设备安全尤为重要。仿真环境布局如图9 所示。

图9 仿真环境布局

2.4 Roboguide 离线编程

离线编程是Roboguide 环境系统的一个重要作用，离线编程需要以机器人本体、数控加工中心、工件、配套设备等模型按照实际的装配和安装情况在仿真环境下准确布局为前提。只有准确布局，才能建立虚拟现实环境，才能成为离线编程的依据，才能很好地解决壁障问题，这也是多数工程设计者选择Roboguide 的理由。

2.4.1 编辑程序

基于虚拟现实技术的前提，运用虚拟TP 像示教真实机器人一样示教，编辑程序界面如图10 所示。

图10 编辑程序界面

编程举例：

2.4.2 仿真路径

仿真能够得出周期时间、机器人路径，并得到安全确认，仿真确认后可向实际机器人中导入程序，进行真实的试机，如图11 所示。

图11 仿真路线界面

3 实例应用

以铸造领域应用为例，浇铸是将材料在高温下熔化，成液体状态具有一定的流动性能，然后注入型腔内，一般的型腔有砂型、金属型等，在设定的型腔内流动，之后冷却成型，一般用于浇铸的材料选用铸铁。由于浇铸环境的因素和劳动力成本的增加，机器人在铸造领域里得到了广泛的应用。图12 是浇铸机器人在虚拟现实环境下模型与现实的对比。

图13 是压铸铝件的应用，大大降低了劳动强度，解决了环境对工作者的危害，提高了安全性。浇铸机器人的应用对铸造产业的发展具有重要的作用。

图12 浇铸机器人

图13 浇铸铝件的应用

4 结论

本文简述了基于Roboguide 平台的FANUC 机器人虚拟现实技术在工业生产中的应用，通过对Roboguide 平台的应用，降低了调试的成本，提高了调试编程的效率，提高了设计者的设计效率，为方案设计提供了可行性的依据，可以提高企业的市场竞争力，能更好地把握市场机会。

［1］杜志俊.工业机器人的应用及发展趋势［J］.机械工程师，2002（5）：8-10.

［2］国际机械人联合会.世界机器人最新统计数据［J］.机器人技术与应用，2000（6）：12-14.

［3］杨化书，曲新峰.工业机器人技术的应用及发展［J］.黄河水利职业技术学院学报，2004，16（4）：42-43.

［4］李香.基于ROBOGUIDE 的弧焊机器人离线编程系统的研究［D］.天津：天津工业大学，2007.

［5］吴振彪.工业机器人［M］.武汉：华中理工大学出版社，1999.

［6］朱景忠.铝合金浇铸机器人的结构优化研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012

［7］马红斌.ROBOGUIDE 使用手册：弧焊部分基础篇［M］.上海：上海发那科机器人有限公司，2010.