基于數(shù)字孿生技術(shù)的小型自動(dòng)化生產(chǎn)線機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)與控制仿真

0引言

隨著制造業(yè)的智能發(fā)展,機(jī)電產(chǎn)品的復(fù)雜化使設(shè)計(jì)難度和調(diào)試難度逐步提高,研發(fā)生產(chǎn)周期也越來越長(zhǎng)。缺少創(chuàng)新性的難題一直制約著企業(yè)的發(fā)展,限制了企業(yè)在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。通常情況下,復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的建設(shè)投資大、周期長(zhǎng)、自動(dòng)化控制邏輯復(fù)雜、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的難度與工作量非常大。如果能在投產(chǎn)前期,越早發(fā)現(xiàn)問題,整改的成本就會(huì)越低,因此有必要在機(jī)電設(shè)備正式生產(chǎn)、安裝和調(diào)試之前,在虛擬環(huán)境中進(jìn)行模擬調(diào)試,解決機(jī)電產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、干涉、PLC邏輯控制等問題。數(shù)字孿生技術(shù)為解決此類難題提供了方便。

數(shù)字孿生是基于工業(yè)生產(chǎn)數(shù)字化的新概念,是在數(shù)字虛體空間中,以數(shù)字化方式為物理對(duì)象創(chuàng)建虛擬模型,模擬物理空間中實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為特征,從而實(shí)現(xiàn)“虛—實(shí)”之間的精確映射,最終能夠在生產(chǎn)實(shí)踐中,從測(cè)試、開發(fā)、工藝及運(yùn)行維護(hù)等角度,打破現(xiàn)實(shí)與虛擬之間的藩籬,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期內(nèi)的生產(chǎn)、管理、連接等高度數(shù)字化及模塊化的新技術(shù)。

1數(shù)字孿生與機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)

構(gòu)建數(shù)字孿生的前提是工程的數(shù)字化,Siemens NX MCD,即機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì),打破了平臺(tái)之間的界限,改變了傳統(tǒng)的機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)模式,它提供了多學(xué)科、多部門的信息互聯(lián)綜合技術(shù),可以被用來模擬機(jī)電一體化系統(tǒng)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。

1.1機(jī)電一體化的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)

以機(jī)電設(shè)備研發(fā)流程為例,傳統(tǒng)調(diào)試過程經(jīng)歷了概念設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、液壓/電氣設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)等,最后才能進(jìn)行設(shè)備調(diào)試。該過程涉及三維機(jī)械模型設(shè)計(jì)、電液氣驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、執(zhí)行器與傳感器選擇、電氣輸入/輸出(I/0)資源配置以及PLC編程等?？梢钥闯?該研發(fā)流程屬于串行流程,這不僅消耗了大量的時(shí)間,也抬高了研發(fā)成本。并且,在實(shí)物調(diào)試階段,如果出現(xiàn)變更,則會(huì)消耗更多的研發(fā)時(shí)間和費(fèi)用。這會(huì)使整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有成本高、周期長(zhǎng)的缺點(diǎn),且不能與詳細(xì)設(shè)計(jì)并行工作,也不能及時(shí)修改概念設(shè)計(jì)的意圖。

1.2 基于NXMCD的機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)邏輯

從功能出發(fā)進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)的理念:在需求階段,建立需求模型;在概念設(shè)計(jì)階段,建立機(jī)電一體化的功能模型;在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段,根據(jù)功能模型最終形成產(chǎn)品的裝盤、軟件和布局模型。其最顯著的特征是能夠并行展開工程實(shí)施進(jìn)程,大大地節(jié)省了時(shí)間、材料和管理上的消耗。

1.3數(shù)字孿生與機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)

依托TC平臺(tái)和CAD產(chǎn)品工程解決方案,任何機(jī)械三維模型的裝配、建模、研發(fā)、數(shù)據(jù)整理、集成等功能均得到了有力保障。在此基礎(chǔ)上,借助于NXMCD 創(chuàng)建機(jī)電一體化模型,對(duì)包含多體物理場(chǎng)以及通常存在于機(jī)電一體化產(chǎn)品中的自動(dòng)化相關(guān)行為概念進(jìn)行3D建模和仿真'可以實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，達(dá)成機(jī)械、電氣、傳感器、執(zhí)行器以及伺服運(yùn)動(dòng)控制等多學(xué)科之間的協(xié)同融合^[1]。

2 小型自動(dòng)化生產(chǎn)線應(yīng)用案例

本文以小型自動(dòng)化生產(chǎn)線為例,詳細(xì)說明如何進(jìn)行NXMCD機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)與TIA博途程序編寫，使其能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)線的虛擬調(diào)試與仿真。該小型自動(dòng)化生產(chǎn)線由操作控制單元、出料與傳送單元、裝配與倉儲(chǔ)單元組成，各單元分布如圖1所示。

本案例首先為NXMCD的機(jī)電概念設(shè)計(jì),然后編寫TIA博途控制程序,再進(jìn)行虛擬設(shè)備生產(chǎn)工藝過程仿真與調(diào)試,能夠?qū)崿F(xiàn)所需控制工藝要求。工作流程如圖2所示。

2.1 NXMCD機(jī)電概念設(shè)計(jì)任務(wù)

在小型自動(dòng)化生產(chǎn)線初始平臺(tái)上按照給定的平面布局圖樣,調(diào)用資源中的各個(gè)部件文件,完成模型裝配。

完成NX MCD裝配后,根據(jù)工作流程和相關(guān)參數(shù),針對(duì)設(shè)備進(jìn)行物理特性設(shè)置;根據(jù)相關(guān)電氣接線原理設(shè)置信號(hào)接口,與PLC的I/O形成數(shù)據(jù)變量交互,實(shí)現(xiàn)與PLC通信以及行為控制。

傳送帶和氣缸行程參數(shù)如下:

1)傳送帶。傳送帶實(shí)際線速度的算法:傳送帶變頻器輸出頻率乘以電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速再除以50 Hz得到當(dāng)前電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速;當(dāng)前電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速除以減速器比是減速器輸出轉(zhuǎn)速,也就是帶輪轉(zhuǎn)速;乘以帶輪直徑(滾筒直徑+傳送帶厚度×2)乘以圓周率(π)就是每分鐘傳送帶的速度;再除以60等于傳送帶的每秒線速度。公式如下:

NXMCD中傳送帶速度=電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速/50HZ×傳送帶變頻輸出頻率/速比×帶輪直徑·Π/60

其中,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min;滾筒直徑30 mm;傳送帶厚度2 mm;速比10^[2]。

2)氣缸行程。Z軸氣缸行程:50 mm;Z軸緩沖器行程:10 mm;夾具雙邊行程:12 mm;出料氣缸行程:50mm;退料氣缸行程:60mm;裝配臺(tái)氣缸行程:10mm。

2.2TIA博途編程

2.2.1HMI界面組態(tài)

HMI啟動(dòng)后,視圖窗口進(jìn)入開機(jī)界面,點(diǎn)擊任意處,系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)控制界面,該界面應(yīng)包含如圖3所示的信息與功能。單擊“開機(jī)界面”“手動(dòng)控制界面” 或“狀態(tài)監(jiān)控界面”都能跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的界面。

手動(dòng)控制界面應(yīng)包含如圖4所示的信息與功能,單擊“開機(jī)界面”“自動(dòng)控制界面”或“狀態(tài)監(jiān)控界面”都能跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的界面。

狀態(tài)監(jiān)控界面應(yīng)包含如圖5所示的信息與功能,單擊“開機(jī)界面”“自動(dòng)控制界面”或“手動(dòng)控制界面”都能跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的界面。

2.2.2控制工藝要求

1)手動(dòng)功能:將自動(dòng)/手動(dòng)開關(guān)打在手動(dòng)檔位,手動(dòng)功能生效,手動(dòng)控制界面的按鈕生效,按下對(duì)應(yīng)的操作按鈕,做出相應(yīng)的動(dòng)作。

2)自動(dòng)功能:將自動(dòng)/手動(dòng)開關(guān)打在自動(dòng)檔位,自動(dòng)功能生效,此時(shí)手動(dòng)功能失效。

(1)原點(diǎn)檢測(cè)。上電后,系統(tǒng)首先檢查各工作站是否處于初始狀態(tài)。初始狀態(tài)是指:傳送帶兩端傳感器無工件,出料氣缸處于后限位,退料氣缸處于前限位,X軸與Y軸處于原點(diǎn),Z軸氣缸處于上限位,裝配臺(tái)氣缸處于上限位,夾具處于夾緊狀態(tài)。

若上述任意條件不滿足,系統(tǒng)均不能啟動(dòng)。

(2)參數(shù)設(shè)定。上電后,系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)傳送帶的速度、X/Y軸伺服運(yùn)行的速度進(jìn)行默認(rèn)速度設(shè)置,默認(rèn)速度均為50 mm/S,用戶可在自動(dòng)控制界面進(jìn)行速度修改。

(3)系統(tǒng)缺料檢測(cè)。系統(tǒng)上電后處于停機(jī)狀態(tài),按下啟動(dòng)按鈕,若系統(tǒng)處于初始狀態(tài),且料倉有料,則系統(tǒng)啟動(dòng)。若料倉中缺料,則系統(tǒng)進(jìn)入為期10 S的待加料狀態(tài);在10 S內(nèi)若有工件放入,則系統(tǒng)啟動(dòng);若10 S內(nèi)未放入工件,則系統(tǒng)停機(jī)。

(4)出料與傳送。系統(tǒng)啟動(dòng)后,料倉有料傳感器觸發(fā),等待0.5S后出料氣缸將電動(dòng)機(jī)蓋送出至傳送帶;電動(dòng)機(jī)蓋送至傳送帶上后,觸發(fā)傳送帶右側(cè)傳感器,等待0.5 S,傳送帶按設(shè)定的參數(shù)前行,并途經(jīng)姿態(tài)識(shí)別、材質(zhì)和顏色傳感器識(shí)別區(qū)域,電動(dòng)機(jī)蓋送至傳送帶末端后,傳送帶停止。

(5)姿態(tài)識(shí)別。傳送帶運(yùn)行途中途徑姿態(tài)識(shí)別傳感器,若是正向電動(dòng)機(jī)蓋則系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行;若是反向電動(dòng)機(jī)蓋則傳送帶運(yùn)行至退料氣缸工作區(qū)時(shí),傳送帶停止,退料氣缸將反向電動(dòng)機(jī)蓋收入退料槽,等待0.5S,退料氣缸回到原位,隨后系統(tǒng)返回缺料檢測(cè)結(jié)果。

(6)顏色與材質(zhì)識(shí)別。傳送帶運(yùn)行后段經(jīng)過顏色識(shí)別傳感器和材質(zhì)識(shí)別傳感器,若是黑色金屬電動(dòng)機(jī)蓋則裝配至對(duì)應(yīng)黑色和金屬材質(zhì)的電動(dòng)機(jī),若是白色金屬電動(dòng)機(jī)蓋則裝配至對(duì)應(yīng)白色和金屬材質(zhì)的電動(dòng)機(jī),若是白色塑料電動(dòng)機(jī)蓋則裝配至對(duì)應(yīng)白色和塑料材質(zhì)的電動(dòng)機(jī)。

(7)裝配。電動(dòng)機(jī)蓋到達(dá)傳送帶末端,絲桿模組將電動(dòng)機(jī)蓋搬運(yùn)至裝配臺(tái)上方,Z軸氣缸下降,將電動(dòng)機(jī)蓋裝配在電動(dòng)機(jī)上,夾具松開,完成裝配。

(8)倉儲(chǔ)。裝配完成后,裝配臺(tái)氣缸上升,夾具夾緊裝配完成的電動(dòng)機(jī),Z軸氣缸上升,絲桿模組將裝配完成的電動(dòng)機(jī)搬運(yùn)至倉儲(chǔ)單元。至此一個(gè)周期完成,系統(tǒng)執(zhí)行下一個(gè)周期。

3)停止功能。按下停止按鈕,系統(tǒng)發(fā)出停止運(yùn)行指令,完成當(dāng)前周期工作后,所有的機(jī)構(gòu)回到初始狀態(tài),系統(tǒng)停機(jī)。

4)急停功能。自動(dòng)運(yùn)行過程中,按下急停按鈕,系統(tǒng)立刻停機(jī),此時(shí)按啟動(dòng)按鈕,系統(tǒng)無法啟動(dòng)。

5)復(fù)位功能。松開急停按鈕,按下復(fù)位按鈕,所有的機(jī)械機(jī)構(gòu)回到初始狀態(tài)。

6)指示燈功能。當(dāng)系統(tǒng)不工作時(shí),紅燈常亮;當(dāng)系統(tǒng)缺料時(shí),黃燈以1 Hz速度閃爍;當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),綠燈常亮。

2.3虛擬平臺(tái)與虛擬PLC的虛擬調(diào)試

小型 自動(dòng)化生產(chǎn)線數(shù)字孿生將硬件平臺(tái)模型化,仿真硬件平臺(tái)的電氣信號(hào)輸入、輸出,設(shè)置模型缸體物理屬性與運(yùn)動(dòng)副,使虛擬平臺(tái)與真實(shí)硬件平臺(tái)一樣均有物理屬性。虛擬平臺(tái)與虛擬PLC的虛擬調(diào)試需要完成以下設(shè)置:

1)虛擬調(diào)試通信設(shè)置。

(1)將PLC下載至PLCSIM Advanced中。

(2)在MCD軟件中將下載至PLCSIM Advanced 中的PLC程序變量與MCD參數(shù)信號(hào)連接映射。

2)虛擬PLC程序進(jìn)行驗(yàn)證。

(1)啟動(dòng)觸摸屏仿真。

(2)啟動(dòng)MCD仿真。

(3)在虛擬平臺(tái)中添加工件物料。

(4)啟動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行,驗(yàn)證PLC程序的可靠性和穩(wěn)定性。

(5)仿真運(yùn)行并保存仿真文件。

3 結(jié)束語

基于數(shù)字孿生技術(shù)在MCD平臺(tái)上完成小型自動(dòng)化生產(chǎn)線的機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì),并借用MCD平臺(tái)的多系統(tǒng)集成、概念建模及模擬仿真、知識(shí)重用等優(yōu)勢(shì),完全打破了現(xiàn)有的機(jī)電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的模式,對(duì)指導(dǎo)企業(yè)設(shè)計(jì)方式的改革、加快企業(yè)的研發(fā)速度、增強(qiáng)部門之間的協(xié)同具有一定的實(shí)際意義。

[參考文獻(xiàn)]

[1]黃誠,梁偉東.生產(chǎn)線數(shù)字化仿真與調(diào)試(NXMCD)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2022.

[2]孟慶波.生產(chǎn)線數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真(NXMCD)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2020.

2024年第12期第14篇