周紅 喻旋 門昊

摘要：以虛擬調(diào)試技術(shù)在新能源汽車電驅(qū)動總成自動生產(chǎn)線項(xiàng)目上的應(yīng)用案例為研究對象，對虛擬調(diào)試技術(shù)的實(shí)施流程及虛擬調(diào)試成果如何在實(shí)際項(xiàng)目中得到更好應(yīng)用的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)分析，充分發(fā)揮虛擬調(diào)試技術(shù)在工業(yè)自動化項(xiàng)目中的技術(shù)優(yōu)勢，從而提高產(chǎn)線建設(shè)效率，降低產(chǎn)線建設(shè)成本。

關(guān)鍵詞：虛擬調(diào)試;柔性化;工業(yè)機(jī)器人;OLP;電驅(qū)動生產(chǎn)線

一、虛擬調(diào)試技術(shù)簡介

虛擬調(diào)試技術(shù)是通過仿真與自動化控制技術(shù)相結(jié)合，在標(biāo)準(zhǔn)的仿真平臺上（以西門子公司的PD/PS軟件為例）運(yùn)行生產(chǎn)線數(shù)字化模型完整的生產(chǎn)制造過程，來提前評估產(chǎn)線布局、產(chǎn)線設(shè)備選型、工藝流程、生產(chǎn)節(jié)拍、安全方案、維修方案等重要技術(shù)內(nèi)容是否符合設(shè)計要求。同時還可以將后期可能共線生產(chǎn)的產(chǎn)品模型導(dǎo)入系統(tǒng)中進(jìn)行分析，提前驗(yàn)證新產(chǎn)品共線生產(chǎn)可行性，提高產(chǎn)線的柔性化生產(chǎn)能力。在產(chǎn)線設(shè)備現(xiàn)場安裝調(diào)試之前就能實(shí)現(xiàn)完整的自動化控制邏輯的調(diào)試及離線程序的生成，大大縮短現(xiàn)場調(diào)試時間，提高項(xiàng)目質(zhì)量和實(shí)施效率。

另外要想將虛擬調(diào)試生成的離線程序?qū)雽?shí)際產(chǎn)線設(shè)備中無需現(xiàn)場調(diào)試或部分微調(diào)就能將產(chǎn)線順利運(yùn)行起來，這就要求線體實(shí)際安裝中硬件選型、電氣連接、安裝位置要與數(shù)模保持高度一致。對于關(guān)鍵工藝設(shè)備設(shè)計上要做到在X/Y/Z三維空間上位置可調(diào)節(jié)，對于工業(yè)機(jī)器人等該類柔性生產(chǎn)設(shè)備可以通過三坐標(biāo)輔助測量或第三方計算軟件實(shí)現(xiàn)相對位置的補(bǔ)償，但前提條件在于設(shè)備安裝誤差在設(shè)計范圍內(nèi)。

虛擬調(diào)試技術(shù)應(yīng)用流程

二、工藝仿真配置

1、工藝仿真配置是指在仿真軟件平臺中建立與將要安裝的電驅(qū)動動力總成裝配線完全一致的3D模型。首先需要在PD模塊中配置詳細(xì)的三維模型和工藝布局，布局中包含生產(chǎn)線所有設(shè)備單元，如涂膠機(jī)、螺絲輸送機(jī)、激光打標(biāo)機(jī)、總成托盤夾具、輸送系統(tǒng)、水電氣布局、圍欄、安全門、鋼結(jié)構(gòu)、光柵掃描儀、機(jī)器人及附屬設(shè)備、各類電器控制柜等。通過模型可以對部分設(shè)備布置的合理性進(jìn)行分析和調(diào)整，同時驗(yàn)證線體設(shè)備維修方案的可行性及各工位安全方案的合理性。通過公式S=KxT+C可對安全設(shè)備中安全光柵、掃描儀的選型和安裝形式進(jìn)行確認(rèn)，達(dá)到安全方案的最優(yōu)化，減少不必要的硬件投入，從而節(jié)約成本。然后在PS模塊中完成全要素的三維動態(tài)仿真，設(shè)計和驗(yàn)證線體在制造過程中的諸多細(xì)節(jié)，包含工藝流、物料流及設(shè)備工作循環(huán)的所有步驟，線體各工位設(shè)備動作順序是否滿足工藝及安全要求，設(shè)備的運(yùn)動軌跡可達(dá)性、負(fù)載能力等是否在設(shè)備能力允許的范圍內(nèi)（如搬運(yùn)機(jī)器人的負(fù)載能力應(yīng)預(yù)留≥15%的冗余，防止后期產(chǎn)品設(shè)計變更需增加抓手重量或產(chǎn)品重量時，機(jī)器人負(fù)載能力不夠而導(dǎo)致設(shè)計變更響應(yīng)的成本大幅增加），并在整個循環(huán)過程中各工位節(jié)拍均勻、設(shè)備動作流暢無干涉。

在電驅(qū)動總成裝配線工藝設(shè)計中，工藝仿真的過程不是一蹴而就的，需要反復(fù)驗(yàn)證和優(yōu)化。工藝仿真的過程也是工藝方案驗(yàn)證的過程，它包含3D方案會簽前期的粗仿真和方案會簽后的精細(xì)仿真兩個階段。前者側(cè)重于方案可行性的驗(yàn)證和展示，后者側(cè)重于各工位工藝細(xì)節(jié)分析和確認(rèn)。

2、程序邏輯配置及離線程序輸出

程序邏輯配置是指在PLC控制信號的作用下，由信號觸發(fā)設(shè)備資源的運(yùn)行，由邏輯運(yùn)算來決定設(shè)備資源運(yùn)行的先后順序。判斷PLC控制信號的合理性，對錯誤和不合理部分進(jìn)行修改和優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)程序邏輯配置的虛擬調(diào)試和驗(yàn)證。驗(yàn)證完成后可導(dǎo)出PLC程序和機(jī)器人離線程序，具體流程見圖3。

（1）創(chuàng)建PLC控制程序：根據(jù)事先規(guī)定的PLC程序標(biāo)準(zhǔn)，離線編制完成PLC程序，導(dǎo)出電驅(qū)動裝配線交互信號清單，將信號添加到PS軟件中。保證導(dǎo)入的信號地址、數(shù)據(jù)類型與PLC一致;

（2）創(chuàng)建反饋信號：根據(jù)各工位設(shè)備控制原理和工藝規(guī)劃，在3D模型的相應(yīng)位置布置傳感器，并賦予傳感器檢測對象、檢測范圍等參數(shù)用于邏輯控制中的信號反饋;

（3）創(chuàng)建邏輯塊：通過在PS軟件的標(biāo)準(zhǔn)功能塊中添加輸入、輸出信號和運(yùn)算公式，給虛擬模型賦予邏輯，在仿真時邏輯塊會根據(jù)PLC程序的輸出信號，通過內(nèi)部功能塊進(jìn)行參數(shù)計算，執(zhí)行相應(yīng)的動作，并給PLC反饋信號。

（4）機(jī)器人項(xiàng)目配置：在PS軟件環(huán)境中，完成機(jī)器人屬性設(shè)置，配置機(jī)器人交互信號，根據(jù)機(jī)器人工藝仿真情況按機(jī)器人程序標(biāo)準(zhǔn)生成OLP（機(jī)器人離線編程）軌跡程序，結(jié)合交互信號和軌跡程序完成機(jī)器人路徑、工作邏輯、干涉區(qū)互鎖情況、服務(wù)程序的驗(yàn)證和優(yōu)化。從而形成完整的機(jī)器人離線項(xiàng)目文件。

（5）輸出離線程序：在PS軟件環(huán)境下通過對電驅(qū)動系統(tǒng)自動生產(chǎn)線各工位的虛擬調(diào)試和反復(fù)優(yōu)化，從而得到可用于控制實(shí)際線體的PLC和機(jī)器人（涂膠機(jī)器人、搬運(yùn)/蓋板裝配機(jī)器人、激光打碼機(jī)器人）離線程序。

3、虛擬調(diào)試成果現(xiàn)場應(yīng)用

想要將虛擬調(diào)試得到的離線程序完美的應(yīng)用到實(shí)際線體中去，理論上需要保證線體安裝布局和設(shè)備相對與數(shù)字模型完全保持一致，但實(shí)際安裝過程是允許存在一定誤差的，可以通過工裝調(diào)整和機(jī)器人的位置補(bǔ)償來匹配。

（1）設(shè)備安裝前測量劃線：在設(shè)備安裝場地滿足土建平整度、強(qiáng)度和承重技術(shù)要求的前提下通過激光測距儀找到設(shè)備安裝區(qū)域的中心點(diǎn)，根據(jù)中心點(diǎn)對線體各工位設(shè)備安裝位置進(jìn)行測量劃線，用于指導(dǎo)設(shè)備安裝落位的定位;

（2）設(shè)備落位安裝：將線體所需安裝的設(shè)備根據(jù)地面劃線情況按順序進(jìn)行落位安裝，并用滿足設(shè)計要求的化學(xué)錨栓或焊接的方式對設(shè)備進(jìn)行固定，設(shè)備在水平方向和垂直方向上的位置偏差需保證在±5mm的誤差范圍;

（3）工裝位置微調(diào)：通過調(diào)整工裝、夾具上提前設(shè)計好的X/Y/Z三維方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)設(shè)備在線體中的相對位置，確保與數(shù)模保持一致;

（4）機(jī)器人位置補(bǔ)償：通過激光三坐標(biāo)測量儀測量與機(jī)器人配套工作的設(shè)備基準(zhǔn)點(diǎn)，建立用戶坐標(biāo)系，在用戶坐標(biāo)系下測量機(jī)器人已知的TCP（工具坐標(biāo)系）的4個位置，并將測量數(shù)據(jù)填入機(jī)器人（以KUKA機(jī)器人為例）專用相對位置計算功能界面中，讓機(jī)器人知道其工具坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系的相對位置關(guān)系（位置補(bǔ)償誤差一般控制在0.5mm范圍內(nèi)，若機(jī)器人顯示位置補(bǔ)償誤差超差，需優(yōu)化測量位置和機(jī)器人姿態(tài)，重新進(jìn)行測量和計算）進(jìn)行軌跡位置自動偏移，從而確保離線程序?qū)牒蟛粫霈F(xiàn)干涉和碰撞;

（5）離線程序?qū)脒\(yùn)行和微調(diào)：以上準(zhǔn)備工作完成后便可以對電驅(qū)動自動生產(chǎn)線PLC和機(jī)器人等所有控制和執(zhí)行設(shè)備開機(jī)通電并導(dǎo)入虛擬調(diào)試生成的離線程序，開始進(jìn)行線體實(shí)物運(yùn)行情況的驗(yàn)證。為了保險起見驗(yàn)證時線體的運(yùn)行速度應(yīng)從3%-100%循序漸進(jìn)的慢慢提速，期間發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)立即停機(jī)分析和優(yōu)化，最終達(dá)到量產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)。

4、虛擬調(diào)試技術(shù)的優(yōu)勢

虛擬調(diào)試技術(shù)在電驅(qū)動總成裝配線項(xiàng)目的應(yīng)用在縮短項(xiàng)目周期、降低項(xiàng)目成本、提高線體擴(kuò)展能力等方面優(yōu)勢明顯。

（1）縮短項(xiàng)目周期：通過虛擬調(diào)試技術(shù)提前對各工序的工藝流程進(jìn)行充分的模擬驗(yàn)證，并提前生成PLC邏輯程序和機(jī)器人OLP程序文件，當(dāng)設(shè)備安裝完成后就能馬上導(dǎo)入程序，將設(shè)備運(yùn)行起來，大大縮短了設(shè)備現(xiàn)場調(diào)試和整改時間;

（2）降低項(xiàng)目成本：通過虛擬調(diào)試技術(shù)可以優(yōu)化線體布局，減少安裝空間和材料的浪費(fèi);通過仿真可以測算出設(shè)備能力要求，從而可以將設(shè)備選型做到最優(yōu)，避免因設(shè)備選型不合理而帶來不必要的成本浪費(fèi)。

（3）提高線體擴(kuò)展能力：當(dāng)線體后期需要多產(chǎn)品共線生產(chǎn)時，可以提前將后期引入的產(chǎn)品數(shù)模導(dǎo)入系統(tǒng)中進(jìn)行仿真，從而將共用工裝、設(shè)備提前做好兼容性設(shè)計和設(shè)備能力預(yù)留，對于一些后期需要新添加的設(shè)備可以提前預(yù)留好相應(yīng)的安裝位置和接口，這樣便大大提高了線體的擴(kuò)展能力和柔性生產(chǎn)能力。

三、結(jié)束語

隨著市場對自動化非標(biāo)生產(chǎn)線數(shù)字化、柔性化和智能化水平的要求越來越高，對自動化非標(biāo)生產(chǎn)項(xiàng)目完成的周期要求越來越短，虛擬調(diào)試技術(shù)可以充分發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢，將大部分的項(xiàng)目工作在虛擬環(huán)境中提前完成，從而縮短項(xiàng)目周期，降低項(xiàng)目成本。

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作者簡介：

周紅（1989—），男，工程師，研究方向：工業(yè)自動化技術(shù)。