数字化赋能企业转型｜机器人仿真与虚拟孪生助力企业降本增效

达索系统基于3DEXPERIENCE（3D体验平台）的机器人仿真与虚拟孪生解决方案，提供了一个集机器人和自动化设备规划与验证为一体的虚拟环境，能够模拟机器人在真实环境中的工作情况，具有逻辑驱动设备技术和集成的真实机器人仿真技术。

通过3D体验平台，机器人工程师可基于三维虚拟环境高效地进行编程、仿真、优化工业机器人的行为和任务。企业可根据专业需要、按需选择，模拟和管理机器人搬运、点焊、弧焊、喷涂等专业应用。通过对机器人进行仿真和离线编程，可以验证设备程序和机器人逻辑，并输出机器人控制器可识别的程序。

3DEXPERIENCE平台提供了一个集成的虚拟环境高效地进行编程、仿真并优化工业机器人的行为和任务，同时所有仿真过程基于统一的三维沉浸式环境完成。平台内包括超过1500多种工业机器人模型和标准焊枪，具备搬运、点焊、弧焊、机加、喷涂、铆接、喷丸等多样性专业作业仿真能力，工程师可以基于特定作业类型非常快速的进行机器人的离线编程和仿真。

图 1 3D体验平台机器人仿真专业

3DEXPERIENCE支持多样化的机器人作业场景模拟，包括多机器人间的协同作业过程，以及定义变位机、传送带等自动化设备以协调机器人加工单元或机器人整线的作业过程。

3DEXPERIENCE同时也支持多行业的机器人作业场景模拟，可以将应用范围拓展至带逻辑控制的多样性自动化作业设备。包括工厂机器人自动化作业线、物流运输系统、大型自动化装备作业系统等。

除了提供丰富的机器人库以支持全球主流机器人品牌外，3D体验平台还提供了完善的机器人自定义功能，帮助工程师快速将机器人适用于各种仿真场景。工程师可直接在机器人模型上自定义复杂零部件，包括附件、刀具、外部轴等；同时平台提供了机器人运动机构定义和高级运动控制器功能，在设置参数的过程中，基于沉浸式环境，工程师可快速示教机器人作业动作和逻辑，以确定机器人是否满足作业规格要求。在定义运动机构的过程中，平台支持集成刚性和柔性两种运动方式，对于柔性运动，则可用于机器人管线包的设置和运动模拟。

工程师通过定义机器人任务，并设置任务间的关联关系来编制复杂机器人作业过程；在编制过程中，基于系统提供的机器人智能示教功能，工程师可动态设置机器人参数、定义机器人运动轨迹，并可定义机器人高级作业逻辑和I/O信号，基于沉浸式虚拟环境体验机器人真实动态作业过程。

图2 机器人示教

同时3D体验平台具备完善的机器人离线编程能力，工程师在机器人作业模拟的过程中可快速进行离线编程，将经过优化和验证的机器人程序传递到车间。平台支持使用高级控制逻辑和I/O程序，支持使用本机的机器人语言工具进行程序编辑，并可结合使用生产运动参数进行程序的转换。3D体验平台支持Fanuc、Kuka、ABB等20余个品牌机器人后置程序的转换，同时支持基于VB.Net定制转换器，大大提高了机器人程序员的编程效率。同时由于将编程工作由生产端提前至虚拟验证端，使得机器人程序准确性和可用性有了质的飞跃，生产周期也大大缩短。

工业机器人作业除了搬运、处理、施工外，以自动化焊接、喷涂、铆接等为主。3DEXPERIENCE平台支持工程师定义机器人专业化作业参数和场景（如定义焊枪类型、设置焊接参数、定义焊缝等），基于针对作业目标的专业化作业要素驱动机器人仿真验证，同时输出离线程序，导入到现场机器人单元使用。

以弧焊为例，3D体验平台支持基于焊接产品的几何设计自动生成弧焊焊接路径，同时焊接路径易于编辑。在定义无干涉焊接路径时，可以综合考虑多个变量，包括关节配置、机器人设备和工作单元布局。工程师除了定义常规的机器人运动轨迹外，可以设置弧焊参数（包括起弧、收弧、摆焊、寻位等参数的设定），而后基于设置好的弧焊参数配置，创建机器人任务，并通过智能示教进行进一步焊接仿真工作。仿真验证完成后进行离线程序输出并发送至现场机器人工位。

其他作业类型，3D体验平台均支持完善的机器人仿真与离线编程功能。如点焊（或钻、铆接），系统支持钻、铆枪以及伺服枪的选择和作业，支持定点操作的夹具点定义，基于焊点快速生成机器人轨迹等。

图3 典型专业机器人仿真与离线编程

在机器人仿真的基础上，3D体验平台支持机器人虚拟联调，提供与PLC和SCADA系统相连接的数字化实时虚拟产线仿真场景，帮助工程师虚拟地执行测试、验证、优化和确认机器人生产活动，支持在生产前进行完整的模拟和验证。通过虚拟联调，工程师可将机器人真实作业场景和虚拟仿真场景连接，用于机器人控制场景和方案的设计，并优化产线布局和优化验证机器人离线程序、节拍和作业路径。

图4 3D体验平台虚拟调试

3D体验平台支持工程师测试和调试所有程序（机器人，夹具，AGV…），验证I/O和HMI运行状态，并通过在虚拟模型中创建临界状态来测试安全性。通过虚拟联调，可验证PLC程序、机器人程序、电气/气动逻辑、生产速率等自动化生产要素。

基于3D体验平台，工程师可进行多PLC的调试作业，包括创建虚拟PLC，连接多品牌实际PLC，软件在环，硬件在环，且系统支持多种程序编程语言、多种PLC通讯协议。同时，3D体验平台支持复杂产线多控制信号联调，包括多级别虚拟调试（设备/工位/产线），以及虚实双向交互控制。

图5 复杂产线多控制信号联调

根据实例验证，通过3DEXPERIENCE平台虚拟联调，企业可显著减少现场调试时间，减少产线搭建时的错误和返工，并提升产线质量和可靠的PLC代码，同时验证多个方案并取得最优解。

虚拟孪生即为物理工厂及其生产过程数字化表达的融合。基于3D体验平台，构建高精度虚拟仿真模型和场景，实现虚拟世界和物理世界一一对应与数据同步，并通过实际连接媒介（PLC、SACADA、IOT...）进行数据通讯，建立虚拟系统与实际系统数据的互联互通与实时联动，此为构建虚拟孪生的数据基础与基本框架。

在此基础上，3DEXPERIENCE平台虚拟孪生可帮助企业在实际投入生产之前即能在虚拟环境中优化、仿真和测试；在生产过程中也可同步优化整个生产流程，最终实现高效的柔性生产、实现快速创新上市，锻造企业持久竞争力。  

  来源：达索系统