張　文

自動化生產(chǎn)線裝配單元三維仿真平臺的構(gòu)建

張文

(新疆石河子職業(yè)技術(shù)學院，新疆 石河子 832099)

為了降低自動化設(shè)備在調(diào)試過程中存在的風險，設(shè)計了一款自動化生產(chǎn)線裝配單元的三維仿真平臺。該三維仿真平臺應(yīng)用PLC作為總體核心控制器，運用CAD建模軟件構(gòu)建直線運動以及旋轉(zhuǎn)運動的三維模型，可以推導出三維模型的運動函數(shù)，并能應(yīng)用“態(tài)神”組態(tài)軟件設(shè)計上位機界面。試驗結(jié)果表明，應(yīng)用該平臺進行仿真模擬作業(yè)可保證整個安裝過程的穩(wěn)定可靠，模擬畫面具有極強的真實感，有著良好的人機交互性，能有效提升設(shè)備運行調(diào)試的安全性。

三維仿真平臺；組態(tài)軟件；PLC；自動化

自動化生產(chǎn)線是機械制造、加工、組裝、分揀等生產(chǎn)環(huán)節(jié)的核心設(shè)備，它的大規(guī)模應(yīng)用是我國機械制造行業(yè)走向現(xiàn)代化的重要標志。由于自動化生產(chǎn)流水線設(shè)備的調(diào)試工作十分復雜，如果在安裝現(xiàn)場進行設(shè)備調(diào)試會存在很大的安全隱患。以組裝自動生產(chǎn)線的一個單元為例，通過運用CAD軟件對其進行3DS建模，以PLC為其核心控制平臺，以“態(tài)神”組態(tài)軟件為仿真基礎(chǔ)，模擬組裝過程的三維運動，可以提前發(fā)現(xiàn)自動化流水線在安裝和運行過程中潛在的問題，并及時作出整改，保障生產(chǎn)線在實際運行過程中的安全[1]。在實際應(yīng)用中，還可以采用力控、MCGS軟件平臺進行仿真。

1　自動化生產(chǎn)平臺以及PLC仿真

隨著自動化生產(chǎn)線在我國工業(yè)生產(chǎn)中的大范圍普及，推進了我國的機械制造、加工產(chǎn)業(yè)向智能化方向發(fā)展。在自動化生產(chǎn)線的安裝調(diào)試過程中，施工程序的設(shè)計是一個非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。施工程序設(shè)計的成功與否將直接關(guān)系到生產(chǎn)線運行的精確度。施工程序的設(shè)計是一項復雜的工作，涉及到機電自動化、工程管理軟件設(shè)計、電子通信技術(shù)等技術(shù)的應(yīng)用。通過三維模擬平臺整理、提取數(shù)據(jù)，再對數(shù)據(jù)進行實時、定期檢驗，并在開始仿真模擬之前對設(shè)備的反饋數(shù)據(jù)進行預先評估，可以為開發(fā)人員提供設(shè)計安裝程序的時序性要求，還可根據(jù)設(shè)計要求對其進行優(yōu)化和完善[2]。目前，設(shè)計施工程序所使用的軟件平臺和自動化軟件編程技術(shù)都已相當成熟，但是PLC軟件的應(yīng)用還處在調(diào)試階段，所以在實際應(yīng)用時，需要花費較長時間進行驗證，精度也無法得到保障。為了縮短自動化制造平臺的搭建時間，可以在自動生產(chǎn)線上運用PLC控制系統(tǒng)的時序性編程建立模型，通過將基于PLC的試驗平臺的模型與理論模型進行對比、驗證，可以大幅縮短三維仿真平臺的搭建時間。在建立單元模型的基礎(chǔ)上，采用PLC時序化程序作為輸入指令，以模塊單元的編程時間為輸出命令，通過建立試驗平臺來獲取指令結(jié)構(gòu)，從而完成模擬平臺模型的建立[3]。

2　自動化生產(chǎn)線裝配單元三維仿真平臺的構(gòu)成

自動化生產(chǎn)線裝配單元三維仿真平臺主要由3DS模型模塊、三維運動仿真系統(tǒng)、PLC運動控制模塊、“態(tài)神”界面設(shè)計等部分構(gòu)成[4]。

(1)3DS模型模塊是指通過CAD軟件創(chuàng)建組裝實物部件的3DS模型，通過直接測量其關(guān)鍵運動部位的尺寸，并選定適當?shù)谋壤龢?gòu)建三維模型。

(2)三維動態(tài)模型系統(tǒng)。在建模過程中，3DS模型對每一個物體的尺寸數(shù)據(jù)都有一種默認基礎(chǔ)，其旋轉(zhuǎn)運動和直線運動也都有了基礎(chǔ)的依據(jù)，而這些基點也是模型系統(tǒng)所設(shè)定。3DS模型可依據(jù)這些基礎(chǔ)，建立裝配單元的運動模型。

(3)PLC運動控制模塊。以Fx系列PLC為運動控制核心，讀入開關(guān)信號和各檢測傳感器信號，輸出運行信號，控制三維模型和換向電磁閥的動作。

(4)“態(tài)神”界面設(shè)計單元。采用“態(tài)神”組軟件為主要實驗工具的上位機界面，該接口可與PLC實現(xiàn)串口通訊，并可在不同方式下實現(xiàn)對各組裝模塊的運行測試[5]。

3DS模型的組裝主要是由落料機關(guān)、回轉(zhuǎn)物料臺和組裝機械單元等構(gòu)成，其作用是把料倉中的零部件嵌入在裝配臺的待組裝工件上。為了確保當3DS模型導入“態(tài)神”組態(tài)軟件時各個動作單元均可以實現(xiàn)自主操作，在構(gòu)建時就必須先把動作單元建立到AutoCAD的各個圖層中。

3　PLC單元結(jié)構(gòu)

許多的存儲器都具備為用戶提供信息輸入和輸出的功能，用戶可以通過PLC的編程方式進行信息的交流。用戶能在PLC中進行數(shù)據(jù)的存貯和寫入，并為具體的編程環(huán)境編寫代碼來完成存儲器的寫入、對比和輸出。根據(jù)PLC自動化流水線模擬平臺的要求將內(nèi)存的核心部分分為等量的存儲結(jié)構(gòu)，并設(shè)置每個結(jié)構(gòu)單元的編碼，從PLC單元中抽取數(shù)據(jù)并設(shè)置對應(yīng)的值[6]。

PLC模擬軟件是一種基于PLC的實時編程技術(shù)平臺，此平臺上的信號交互根據(jù)IPADU規(guī)范進行，以信號的交互式數(shù)據(jù)編碼為基礎(chǔ)，通過硬件系統(tǒng)中的MB/AP報頭、功能代碼、數(shù)據(jù)鏈接等構(gòu)成了整個系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)，負責數(shù)據(jù)的輸入和輸出，確保了信息的準確性。

在仿真平臺PLC信息交互中包含主站設(shè)備客戶端和從站設(shè)備服務(wù)端2個端口。在主站設(shè)備客戶端中，仿真平臺發(fā)出信號請求，通過請求報文的形式傳輸?shù)綇恼驹O(shè)備服務(wù)端，從站端口接受到主站設(shè)備的報文請求，在端口結(jié)構(gòu)內(nèi)進行特定功能碼分析并得出相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)果，數(shù)據(jù)結(jié)果以應(yīng)答報文的形式傳輸?shù)街鞫丝?，主站設(shè)備客戶端結(jié)合報文接受的反饋作出應(yīng)答，完成報文信息從主站設(shè)備到從站設(shè)備的一個循環(huán)。

主站設(shè)備客戶端和從站設(shè)備服務(wù)端是硬件設(shè)備重要的組成結(jié)構(gòu)，仿真平臺的信息交互處理功能可以對接受消息進行逐幀的識別，并對反饋信息進行重新傳輸，確保設(shè)備信息傳遞的時效性[7]。

4　控制程序設(shè)計

按照裝配單元的控制條件，整體裝配單元的數(shù)字量輸入點數(shù)為18點，數(shù)值量輸出點數(shù)為6，由I/O位置的分配表給出；考慮到I/O點數(shù)余量，選用PLC型號為Fx2N一48MR；裝配單元控制進度通過使用軟件的順序功能圖(SFC)實現(xiàn)；順序功能圖把一次完成的操作流程分成了幾個階段，階段間有相應(yīng)的轉(zhuǎn)換要求；程序一旦達到了轉(zhuǎn)換要求就完成階段轉(zhuǎn)換工作；通過分析機件的運動特點，編制裝配單元的控制程序[8]。

5　上位機界面設(shè)計

“態(tài)神”的組態(tài)軟件可以通過創(chuàng)建一個3D模型生成的數(shù)據(jù)控制中心來實現(xiàn)；產(chǎn)品與現(xiàn)場設(shè)備通過I/O設(shè)備進行通信以及對PLC各個接口的數(shù)據(jù)進行讀取；根據(jù)PLC的硬件技術(shù)要求，增加了Fx程序接口的一系列驅(qū)動程序；根據(jù)裝配單位的控制條件、定義變量，建立實時數(shù)據(jù)庫等；將3DS模塊插入到3D窗口中，并將其輸入到3DS中，通過調(diào)整尺寸，就能得到更高的接口，從而建立自動流水線組裝單元的三維仿真和實驗平臺，并與PLC進行通信，完成裝載控制流程。

6　模擬試驗

通過仿真模擬，可以清晰觀察各設(shè)備的運動邏輯前后關(guān)聯(lián)，便于通過傳遞來的消息進行系統(tǒng)故障的處理，從而實現(xiàn)即時監(jiān)控，以達到監(jiān)測生產(chǎn)過程的目的。

在一個單元工作運行失效時，這個單元和之前的全部單元一起運行的設(shè)備都將停止；在接收到解除故障信息后，全部設(shè)備才可以繼續(xù)正常運行。通過采用網(wǎng)絡(luò)通訊的方法，可以將虛擬裝配控制器與實際裝配流水線相匹配，實現(xiàn)了生產(chǎn)線上場景數(shù)據(jù)信息的可視化顯示，并可對生產(chǎn)線的運行情況進行檢測[9]。三維仿真平臺在生產(chǎn)線發(fā)生故障時，會關(guān)停設(shè)備，及時發(fā)出故障報警，并通過數(shù)據(jù)顯示板提示故障狀態(tài)，工作人員只需通過察看數(shù)據(jù)顯示板即可準確定位故障單元，簡化了整個生產(chǎn)組裝線的數(shù)據(jù)信息監(jiān)測過程。三維仿真平臺將模型、數(shù)據(jù)整合在一起，使產(chǎn)品的研發(fā)、設(shè)計、安裝、調(diào)試和維護更加高效。調(diào)試結(jié)果表明，本仿真實驗平臺與PLC通訊良好，確保了組合部與上位機動態(tài)顯示的實時、準確，操作人員只需要操作鼠標，就可以從多個角度觀察仿真模型[10]。

7　結(jié)語

該型三維仿真平臺模擬試驗系統(tǒng)能清晰反映裝配部件的實際運行情況，增強了模擬試驗的直觀性、有效性。該平臺既可作為設(shè)備的監(jiān)控、調(diào)試程序，降低現(xiàn)場設(shè)備正常運行的風險，還能實現(xiàn)設(shè)備同步操作，以完成對設(shè)備的異地同步監(jiān)控[11]。

[1] 付超,王冬越,李鑫鑫,等.自動化生產(chǎn)線柔性制造過程優(yōu)化決策仿真平臺[J].系統(tǒng)仿真學報:1-15[2022-04-28].

[2] 宋甫,周莉,王占學,等.部件三維仿真模型與發(fā)動機循環(huán)參數(shù)分析的耦合方法研究[J].推進技術(shù),2022,43(7): 85-92.

[3] 宋甫,周莉,王占學,等.邊界條件對變循環(huán)發(fā)動機多維度仿真模型的影響研究[J].推進技術(shù),2022,43(9):41-49.

[4] 張曦文,呂瑞強,卜泳,等.基于仿真的飛機導管自動化生產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計與優(yōu)化[J].航空制造技術(shù),2021,64(5):82-88.

[5] 吳衛(wèi)國.船舶管件加工自動化生產(chǎn)線控制與仿真系統(tǒng)研究[J].今日制造與升級,2021(S1):48-50,101.

[6] 段銘哲.汽車門飾條生產(chǎn)線自動化集成系統(tǒng)關(guān)鍵部分的設(shè)計[D].北京:北京化工大學,2020.

[7] 王偉龍.基于數(shù)字化工廠的燃氣熱水器鈑金生產(chǎn)線仿真與優(yōu)化研究[D].長沙:湖南大學,2020.

[8] 張揚,姜開宇,李玉山.基于MATLABGUI的自動化生產(chǎn)線聯(lián)合仿真監(jiān)測及數(shù)據(jù)處理[J].模具制造,2020,20(6): 30-35.

[9] 張昊.一種電子封裝行業(yè)自動化生產(chǎn)線建模與仿真方法的研究[D].西安:西安電子科技大學,2020.

[10] 化振謙,黨三磊,黃友朋,等.基于三維仿真的工業(yè)自動化生產(chǎn)線實時監(jiān)控的研究與應(yīng)用[J].機電工程技術(shù),2019, 48(12):70-72,198.

[11] 蔣慶磊,聶永濤,郇新.基于RobotStudio的工業(yè)機器人自動化生產(chǎn)線仿真的研究[J].汽車實用技術(shù),2019(18): 177-179,198.

Construction of 3D simulation platform for assembly unit of automatic production line

ZHANG Wen

(Xinjiang Shihezi vocational and technical college, Shihezi, Xinjiang 832099, China)

In order to reduce the risk of automatic equipment debugging, a 3D simulation platform of assembly unit was designed for automatic production line. The 3D simulation platform uses PLC as the overall core controller, and CAD modeling software to build the 3D model of linear motion and rotational motion, which can deduce the motion function of the 3D model, and use the "state God" configuration software to design the upper computer interface. The test results show that the application of the platform in the simulation operation can ensure the stability and reliability of the whole installation process. The simulation picture has a strong sense of reality and a good man-machine interaction. It can effectively improve the safety of equipment operation and debugging.

3D simulation platform, configuration software, PLC, automation

TP391

A

2096–8736(2022)05–0036–03

張文，女，山西省忻州市，大學本科，助教，主要研究方向為自動化仿真與模擬。

責任編輯：張亦弛

英文編輯：唐琦軍