張 揚，姜開宇，李玉山

大連理工大學(xué)（遼寧大連 116024）

1 引言

隨著我國制造業(yè)的快速發(fā)展，越來越多的制造企業(yè)開始積極推進“智能制造”，逐漸向“智能工廠”轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級[1]。在智能工廠環(huán)境下，自動化裝配生產(chǎn)線在企業(yè)制造過程中占據(jù)著越來越重要的位置，廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶、汽車、家電等行業(yè)。圍繞企業(yè)生產(chǎn)高質(zhì)量、高效率、以及智能化需求，生產(chǎn)線的安全性、可靠性就成為企業(yè)保持強力競爭力的關(guān)鍵，其中最重要的一環(huán)就是生產(chǎn)線設(shè)備機構(gòu)的故障診斷排除，有效的故障風(fēng)險把控可以避免生產(chǎn)線陷入癱瘓，所以針對生產(chǎn)線設(shè)備機構(gòu)的運行狀態(tài)監(jiān)測以及定期維護是十分必要的[2]。相對于人工現(xiàn)場監(jiān)測，計算機仿真監(jiān)測技術(shù)是實現(xiàn)自動化生產(chǎn)線運行動態(tài)分析與監(jiān)測的更直觀有效的方法[3]，本文以企業(yè)某廚衛(wèi)產(chǎn)品自動化裝配生產(chǎn)線為對象，利用計算機仿真監(jiān)測技術(shù)，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與虛擬樣機動態(tài)仿真相結(jié)合，搭建針對自動化生產(chǎn)線的聯(lián)合仿真監(jiān)測平臺，實現(xiàn)線上設(shè)備機構(gòu)運行動態(tài)的可視化，并結(jié)合數(shù)據(jù)處理技術(shù)分析設(shè)備故障信息，對潛在的異常情況作出預(yù)判。

為了降低工作人員勞動強度，提高工作效率，針對聯(lián)合仿真監(jiān)測及數(shù)據(jù)處理平臺，利用Matlab GUI設(shè)計用戶交互界面，旨在為用戶提供一個簡潔高效的仿真計算平臺[4]，通過該界面可以輕松實現(xiàn)聯(lián)合仿真和數(shù)據(jù)處理，為生產(chǎn)線的高效運行提供支撐。

2 生產(chǎn)線仿真監(jiān)測系統(tǒng)功能與架構(gòu)

該廚衛(wèi)產(chǎn)品自動化裝配生產(chǎn)線上某個工位裝配單元如圖1所示，本工作單元主要任務(wù)是對產(chǎn)品從不同的方位進行擋圈、降噪板、集油槽3個零件的安裝與固定。以安裝降噪板為例，其上料機構(gòu)采用直角坐標(biāo)三軸機械手，由末端的氣動手爪抓取工件，當(dāng)托盤搭載產(chǎn)品傳送至指定裝配位置，由機械手從貨架拾取降噪板轉(zhuǎn)運并定位在產(chǎn)品殼體上，再利用上螺釘機構(gòu)在降噪板處依次打4顆螺釘，然后收回機械手，托盤返回傳輸線，流向下一工序。

圖1 擋圈、降噪板、集油槽裝配工位模型

2.1 生產(chǎn)線仿真監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

針對該生產(chǎn)線所建立的仿真監(jiān)測系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場設(shè)備層、數(shù)據(jù)層、仿真監(jiān)測層，如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)線仿真監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

（1）現(xiàn)場設(shè)備層由生產(chǎn)線上的工作單元以及信號采集用的各類傳感器等組成，主要針對各工作單元機械臂的位移、速度等設(shè)備運行狀態(tài)信息進行采集并傳輸至現(xiàn)場數(shù)據(jù)資源庫。

（2）數(shù)據(jù)層由數(shù)據(jù)庫與工作空間兩部分組成，數(shù)據(jù)庫部分主要完成對現(xiàn)場設(shè)備層所采集數(shù)據(jù)的存儲，并建立專門的設(shè)備機構(gòu)運行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，便于后期數(shù)據(jù)查詢以及異常狀態(tài)數(shù)據(jù)的比對。工作空間部分用于保存整個平臺所涉及的虛擬樣機模型文件、仿真數(shù)據(jù)、結(jié)果文件等。

（3）仿真監(jiān)測層由工作單元虛擬樣機、控制系統(tǒng)模型以及現(xiàn)場計算機組成。分別用Adams建立虛擬樣機模型，用MATLAB/Simulink模塊建立控制系統(tǒng)模型，通過搭建數(shù)據(jù)層與虛擬樣機之間的數(shù)據(jù)通道[5～7]，實現(xiàn)樣機模型對現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)信息的可視化，便于工作人員對設(shè)備機構(gòu)運行狀態(tài)進行監(jiān)測。當(dāng)機構(gòu)發(fā)生干涉、碰撞等異常狀況時，工作人員通過分析運行數(shù)據(jù)來確定機構(gòu)之間的定位誤差以及相關(guān)零部件的變形損傷程度，判斷故障發(fā)生原因，完成對設(shè)備的檢修和零部件的更換。此外，通過與設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的比對，分析數(shù)據(jù)走勢來預(yù)測可能發(fā)生的故障，保障生產(chǎn)線的有效運轉(zhuǎn)。

2.2 生產(chǎn)線仿真監(jiān)測系統(tǒng)GUI集成

MATLAB作為一款商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，除了提供簡單高效的編程語言，還為用戶提供圖形界面設(shè)計功能以及優(yōu)秀的數(shù)據(jù)處理能力[4]。為了提高工作效率，在滿足系統(tǒng)功能需求的基礎(chǔ)上，利用MATLAB圖形用戶界面（GUI）將仿真監(jiān)測系統(tǒng)集成于用戶界面，主界面如圖3所示，主要分為兩大模塊：生產(chǎn)線機構(gòu)聯(lián)合仿真和數(shù)據(jù)處理，前者主要實現(xiàn)生產(chǎn)線單元機構(gòu)的聯(lián)合仿真功能，后者主要實現(xiàn)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)以及仿真數(shù)據(jù)的分析處理。

圖3 系統(tǒng)主界面

3 工作單元聯(lián)合仿真監(jiān)測系統(tǒng)搭建

3.1 Adams機械系統(tǒng)模型建立

首先以圖1中安裝降噪板工藝流程為例，在SolidWorks中建立機構(gòu)模型，簡化之后導(dǎo)入Adams，并定義各零部件的材料、質(zhì)量、顏色等屬性，以及各關(guān)節(jié)之間的約束、驅(qū)動和零部件之間的接觸，該單元機構(gòu)虛擬樣機模型如圖4所示。

圖4 降噪板裝配機構(gòu)樣機模型

現(xiàn)場設(shè)備層通過機械臂上的傳感器，以及氣動手爪的極限檢測功能，完成對各關(guān)節(jié)的位移信號采集并作為系統(tǒng)的輸入。該虛擬樣機共有3個機械臂關(guān)節(jié)：X、Y、Z軸，以及兩個氣動手爪關(guān)節(jié)，分別對應(yīng)系統(tǒng)的5個輸入狀態(tài)變量，利用VARVAL函數(shù)將其分別關(guān)聯(lián)到樣機模型對應(yīng)的驅(qū)動中，輸出狀態(tài)變量可以根據(jù)監(jiān)測需要來進行定義。然后利用Adams/Control模塊建立數(shù)據(jù)通道，并在MATLAB中運行adams_sys命令獲取機械子系統(tǒng)模型，如圖5所示，其中MSC Software模塊主要用于Adams與Simulink模塊的數(shù)據(jù)交換參數(shù)的設(shè)置[7～9]。

圖5 聯(lián)合仿真系統(tǒng)-機械子系統(tǒng)

3.2 MATLAB/Simulink控制系統(tǒng)模型建立

虛擬樣機控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)讀取，并將其作為系統(tǒng)的輸入，實現(xiàn)機構(gòu)運行狀態(tài)的還原過程，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。首先，MATLAB通過編程將數(shù)據(jù)庫或者Excel表格中的指定數(shù)據(jù)讀取至工作空間，并轉(zhuǎn)換為時間戳加仿真數(shù)據(jù)的形式，然后利用From WorkSpace模塊實現(xiàn)從工作空間讀取數(shù)據(jù)至仿真控制系統(tǒng)，采用adams_sub模塊將其作為虛擬樣機的輸入，從而實現(xiàn)該機構(gòu)的聯(lián)合仿真。

圖6 聯(lián)合仿真控制系統(tǒng)框圖

3.3 聯(lián)合仿真監(jiān)測及數(shù)據(jù)處理功能GUI集成

3.3.1 聯(lián)合仿真監(jiān)測功能GUI集成

工作單元聯(lián)合仿真監(jiān)測系統(tǒng)用戶界面，即系統(tǒng)二級界面，如圖7所示，首先選擇裝配單元（例：安裝降噪板），系統(tǒng)運行相應(yīng)的接口文件并彈出Simulink控制系統(tǒng)框圖，讀取指定現(xiàn)場數(shù)據(jù)后點擊“啟動”按鈕開始仿真監(jiān)測，便可以通過Adams從不同方向觀察機構(gòu)運行狀態(tài)，同時輸出窗口可以即時顯示系統(tǒng)輸出量的變化情況，點擊“保存結(jié)果”按鈕可以對結(jié)果數(shù)據(jù)、圖像進行保存。

圖7 系統(tǒng)二級界面-生產(chǎn)線機構(gòu)聯(lián)合仿真

3.3.2 聯(lián)合仿真數(shù)據(jù)處理GUI集成

數(shù)據(jù)處理用戶界面如圖8所示，該模塊針對生產(chǎn)線裝配過程中機構(gòu)發(fā)生干涉、碰撞等情況，進行定位誤差分析。首先選擇監(jiān)測機構(gòu)并導(dǎo)入所需數(shù)據(jù)，與設(shè)備正常運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)作對比并繪圖，系統(tǒng)會提醒用戶發(fā)生定位偏離的關(guān)節(jié)并在“偏離量”區(qū)域顯示具體偏離值，即定位誤差。點擊“保存結(jié)果”按鈕，生成質(zhì)量結(jié)果文件，為工作人員提供參考依據(jù)。

圖8 系統(tǒng)二級界面-生產(chǎn)線機構(gòu)定位誤差分析

4 工作單元聯(lián)合仿真監(jiān)測結(jié)果分析

針對該廚衛(wèi)產(chǎn)品自動化生產(chǎn)線已經(jīng)建立聯(lián)合仿真監(jiān)測及數(shù)據(jù)處理平臺，以安裝降噪板過程為例，正常情況下，降噪板定位準(zhǔn)確，與箱體穩(wěn)定貼合，驅(qū)動軸的位移變化曲線如圖9所示。

圖9 驅(qū)動軸位移變化曲線

該曲線顯示手爪1、手爪2在10s處縱坐標(biāo)值不再變化，表明降噪板被頂緊至箱體內(nèi)表面。為了驗證貼合的可靠性，獲取降噪板與箱體表面之間的接觸力曲線，如圖10所示，0～10s之間接觸力為0N，表明降噪板在貼緊前未發(fā)生干涉，到達10s之后，降噪板與箱體左右內(nèi)表面產(chǎn)生了45～60N的接觸力，保證兩者之間的緊靠貼合。

當(dāng)機械臂定位出現(xiàn)偏差時，可能會出現(xiàn)機械臂、箱體、降噪板之間的干涉，從而導(dǎo)致機械臂精度降低，關(guān)鍵構(gòu)件產(chǎn)生損傷變形。如圖11所示，降噪板與箱體之間產(chǎn)生了比較大的作用力，可以獲取如圖12a所示的降噪板與箱體左側(cè)內(nèi)表面接觸力曲線，整個過程接觸力幾乎為0，表明兩者之間沒有良好的貼合，使得上螺釘工作難以進行；如圖12b所示，降噪板與箱體右側(cè)內(nèi)表面接觸力高達2,500N，嚴(yán)重損害機械臂以及氣動手爪的使用壽命，造成零件和箱體的變形損傷；在X軸方向上接觸力為0N，在Y、Z軸方向上均產(chǎn)生了1,750N左右的力，由此可以初步判斷機械手在Y軸和Z軸產(chǎn)生了一定的定位誤差，導(dǎo)致機械手與左側(cè)箱體表面的距離超出氣動手爪行程，右側(cè)則產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的沖擊。

圖10 降噪板與箱體內(nèi)表面接觸力曲線

圖11 降噪板與箱體內(nèi)表面作用力

圖12 降噪板與箱體內(nèi)表面接觸力曲線

為了獲取機械手具體的定位誤差，可以借助數(shù)據(jù)處理模塊，如圖13所示。首先分析機構(gòu)選擇“安裝降噪板”，然后點擊“讀取數(shù)據(jù)”按鈕，打開本地文件夾，將Excel中指定的現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)。

圖13 數(shù)據(jù)導(dǎo)入

在繪圖模塊，選擇系統(tǒng)所有輸入變量對應(yīng)的機械臂和關(guān)節(jié)，即“ALL”選項，與設(shè)備正常運轉(zhuǎn)情況下的數(shù)據(jù)進行對比并繪圖，如圖14所示。結(jié)果表明：機械臂在Z軸負方向偏離4.5mm，在Y軸的負方向偏離1.71mm，最終導(dǎo)致降噪板出現(xiàn)較為嚴(yán)重的定位誤差，使機械手、零件以及箱體出現(xiàn)不同程度的損傷。

圖14 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

點擊“保存結(jié)果”按鈕，系統(tǒng)生成如圖15所示的“質(zhì)量結(jié)果文件”，將定位誤差等信息匯總在指定文檔中，工作人員依據(jù)該文檔及時對機械臂進行調(diào)整并保證定位精度，同時更換損傷零件并保證足夠的庫存量，避免出現(xiàn)無零件可換的情況，從而保證自動化生產(chǎn)線的有效運轉(zhuǎn)，提高故障診斷效率，保證生產(chǎn)質(zhì)量。

圖15 質(zhì)量結(jié)果文件

5 結(jié)束語

根據(jù)目前越來越多的制造企業(yè)積極向智能制造轉(zhuǎn)型升級的趨勢，以及對于技術(shù)創(chuàng)新、提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品性能等需求，本文針對某廚衛(wèi)產(chǎn)品自動化裝配生產(chǎn)線機構(gòu)運行狀態(tài)監(jiān)測、定位精度檢測等問題，利用ADAMS與Matlab/Simulink搭建生產(chǎn)線單元機構(gòu)的聯(lián)合仿真監(jiān)測平臺，實現(xiàn)了虛擬樣機對于現(xiàn)場機構(gòu)運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的可視化。通過對機構(gòu)運行狀態(tài)的監(jiān)測以及位移、受力等數(shù)據(jù)分析處理，確定了定位誤差并進行故障診斷，為工作人員進行故障排除和預(yù)判提供了可靠依據(jù)，保證生產(chǎn)線的正常運行?；贛atlab GUI將聯(lián)合仿真監(jiān)測和數(shù)據(jù)處理兩個模塊集成于用戶界面，在滿足系統(tǒng)功能需求的同時，使操作更加簡潔方便，提高仿真和數(shù)據(jù)處理效率，為企業(yè)智能制造升級提供有力的支撐。