崔久好

（山東萊茵科斯特智能科技有限公司,山東 淄博 255000）

1 引言

在物料智能分揀系統(tǒng)集成項目實施過程中，從招標到項目交付需要一定的時間。但實則往往會遇到客戶要求項目提前交付，這樣就要求項目實施方延長正常的工作時間，可效果并不理想，這時Process Simulate軟件的優(yōu)勢就會體現(xiàn)出來。數(shù)字孿生項目工程師只需從機械設(shè)計師那里獲取整個項目的3D模型即可開展項目。當數(shù)字化工程師通過軟件Process Simulate對模型進行設(shè)置后，配合電氣工程師即可對項目進行自動化編程，電氣工程師進行自動化項目PLC程序的編寫，同時數(shù)字化工程師進行機器人程序的編寫。在設(shè)備安裝完畢之前，整個自動化產(chǎn)線的PLC程序、機器人程序已經(jīng)編寫完成。通過Process Simulate虛實聯(lián)調(diào)技術(shù)驗證整個產(chǎn)線設(shè)計方案的可行性，同時設(shè)計方案的高效性得到體現(xiàn)，從而縮短項目交付時間。

2 物料智能分揀系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 機械結(jié)構(gòu)

2.1.1 主要組成部分

物料智能分揀系統(tǒng)的主要組成部分如圖1、圖2所示。

圖1 中物料智能分揀系統(tǒng)主要組成部分：①抓料夾爪；②半成品庫；③成品庫；④料倉A；⑤料倉B；⑥成品組裝區(qū)；⑦傳感器A；⑧傳感器B；⑨深度檢測傳感器C；⑩ABB機器人本體；?運輸皮帶。

圖1 三維俯視圖

圖2中物料智能分揀系統(tǒng)的主要組成部分：①ABB控制器；②西門子1500PLC。

圖2 三維主視圖

2.1.2 工藝流程

此系統(tǒng)在沒有故障的前提下，通過圖2中西門子1500CPU中的PLC程序控制整個系統(tǒng)的自動運行。

當料倉A中的物料被推出時，物料會隨著運輸皮帶運行，經(jīng)過傳感器A、傳感器B和深度檢測傳感器C的檢測，最后在運輸皮帶的末端停止。在此過程中系統(tǒng)程序會判斷出被推出物料材質(zhì)、顏色、物料的型號。現(xiàn)將系統(tǒng)判斷的幾種情況進行匯總說明。

（1）當判斷的結(jié)果有料且物料的型號為公頭物料時，1500CPU給機器人發(fā)移動到成品裝配區(qū)的信號，機器人收到信號后執(zhí)行程序，安裝抓料夾爪。當安裝完夾爪后，機器人移動到運輸皮帶的末端將物料抓取放回到成品組裝區(qū)，之后回到成品組裝區(qū)正上方80 mm處停止，等待系統(tǒng)信號。

（2）當判斷的結(jié)果有料且物料的型號為非公頭物料時，1500CPU給機器人發(fā)送移動到半成品庫的信號，機器人收到此信號執(zhí)行程序，安裝抓料夾爪。當安裝完夾爪后，機器人移動到運輸皮帶的末端將物料抓取放回到半成品庫，之后回到半成品庫正上方100 mm處停止，等待系統(tǒng)信號。

當系統(tǒng)程序經(jīng)過以上兩種情況的判斷且機器人處在等待信號狀態(tài)時，料倉B中物料被推出，物料會隨著運輸皮帶運行，經(jīng)過傳感器A、傳感器B和深度檢測傳感器C的檢測，最后在運輸皮帶的末端停止。在此過程中系統(tǒng)會判斷出被推出物料材質(zhì)、顏色、物料的型號，現(xiàn)將系統(tǒng)判斷的幾種情況進行匯總說明。

（1）當判斷的結(jié)果有料且物料的型號為母頭物料時，1500PLC會給機器人發(fā)出移動到成品組裝區(qū)的信號，機器人收到信號后移動到運輸皮帶的末端將物料抓取放回到成品組裝區(qū)。組裝完成后，1500CPU給機器人發(fā)送移動到成品庫信號，機器人得到信號后將組裝區(qū)的物料按照順序搬運到成品庫，之后回到機器人的原點位置，等待系統(tǒng)信號。

（2）當判斷的結(jié)果有料且物料的型號為非母頭物料時，1500CPU會給機器人發(fā)送移動到半成品庫的信號，機器人移動到運輸皮帶的末端將物料抓取放回到半成品庫，之后回到半成品庫正上方100 mm處停止，等待系統(tǒng)信號。當成品庫或半成品庫放滿物料時，整個物料分揀系統(tǒng)停止。

2.2 Process Simulate設(shè)計

創(chuàng)建智能分揀系統(tǒng)的3D模型并導入到Process Simulate軟件中，根據(jù)工藝流程要求創(chuàng)建運動學設(shè)備、概念機運線和運動設(shè)備有關(guān)信號。

2.2.1 ABB機器人/成品組裝區(qū)設(shè)備運動學創(chuàng)建

ABB機器人/成品組裝區(qū)設(shè)備在整個智能分揀系統(tǒng)中占主導地位，起決定性作用。半成品庫和成品庫物料的搬運、抓料夾爪的安裝和成品的組裝都需要機器人/組裝區(qū)設(shè)備的移動才能實現(xiàn)。因此需根據(jù)功能要求在運動學編輯器中創(chuàng)建正確的運動學，以實現(xiàn)其移動。機器人運動學的創(chuàng)建如圖3所示，成品組裝區(qū)設(shè)備運動學的創(chuàng)建如圖4所示。

圖3 機器人運動學

圖4 成品組裝區(qū)設(shè)備運動學

2.2.2 定義概念機運線

智能分揀系統(tǒng)中料倉A和料倉B中的物料被推出時，由于Process Simulate 14版本中無法定義重力屬性，料倉中的物料無法下落到料倉底部，進而無法被底部傳感器感應(yīng)，會造成PLC程序無法正常運行，從而造成虛擬調(diào)試失真，這樣無法驗證設(shè)計方案的可行性和設(shè)備的可達性，因此軟件必須定義料倉的概念機運線，從而解決虛擬調(diào)試失真問題。定義概念機運線如圖5、圖6所示。

圖5 料倉A機運線設(shè)置

圖6 料倉B機運線設(shè)置

2.2.3 信號創(chuàng)建

在Process Simulate三維模型中，信號用于運動控制和外部1500CPU的信息交互，包括input signal和output signal兩種信號類型。Input signal是外部1500 CPU輸入到Process Simulate模型的信號，output signal則是Process Simulate輸出到外部1500CPU的信號。信號創(chuàng)建完成后才能實現(xiàn)軟件與外部1500CPU之間的信號交互，是完成智能分揀系統(tǒng)虛實聯(lián)調(diào)的必要條件。創(chuàng)建的信號如圖7所示（注：創(chuàng)建的信號名稱可以是中文或英文）。

圖7 信號創(chuàng)建

3 Process Simulate在智能分揀系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 Process Simulate在智能分揀系統(tǒng)中的虛擬調(diào)試

3.1.1 虛擬調(diào)試的目的

利用虛擬PLC控制3D模型動作，可以驗證物料智能分揀系統(tǒng)設(shè)計的有效性、設(shè)備的可達性，減少機械設(shè)計師對三維模型修改次數(shù)和機械和電氣部件的損耗。

通過Process Simulate加載智能分揀系統(tǒng)的3D模型，并創(chuàng)建系統(tǒng)設(shè)備的運動學、概念機運線和外部1500CPU通信訊號等。

3.1.3 虛擬調(diào)試的步驟

（1）通訊設(shè)置

第一步打開PLCSIM Advanced高功能仿真器，然后點擊Start Virtual創(chuàng)建一個項目名，名稱設(shè)置為192.168.0.1（與CPU的IP地址相同），最后點擊Start完成創(chuàng)建。高功能仿真器如圖8所示。

圖8 PLC仿真器

第二步打開Process Simulate軟件，點擊文件→選項→PLC→外部連接→連接設(shè)置→添加→PLCSIM Advanced→創(chuàng)建外部連接→輸入外部連接的名稱XXXX（注：信號查看器中外部連接選擇XXXX）。

第三步打開博圖軟件，選中所創(chuàng)建的項目點右鍵在屬性中勾選“塊編譯時支持仿真”。

1.請家長來學校了解教學情況和學生的學習情況。針對不同層次的學生使用不同的方式請家長參觀學校，對成績良好但思想不太優(yōu)秀的學生說：“你的學習成績是優(yōu)秀的，老師想讓你更優(yōu)秀，老師需要和你的父母討論一些其他方面的問題。”對有一技之長的后進生說：“你擅長體育（音樂、繪畫等），如果你深入學習，然后去上一個更高層次的學校，你將有一個強有力的立足于社會的技能?！焙唵蔚慕逃绞教N涵著一個樸素的教育理念——相信學生，教育學生的全部秘密在于相信學生和解放學生。相信學生、解放學生，首先要賞識學生。

（2）編寫及下載PLC程序

在物料智能分揀系統(tǒng)中，主要是根據(jù)工藝要求實現(xiàn)不同物料的分揀，整個分揀過程中利用機器人的移動實現(xiàn)物料的搬運，利用成品組裝區(qū)的設(shè)備實現(xiàn)物料的壓合從而將物料進行裝配。其過程中首先根據(jù)運動需求定義信號的變量和數(shù)據(jù)類型（見圖9），然后在博圖TIA程序塊中根據(jù)工藝要求編寫PLC程序。

圖9 全局變量

3.2 Process Simulate編寫智能分揀系統(tǒng)程序

真實智能分揀系統(tǒng)裝配完成之前，利用Process Simulate軟件進行機器人離線編程，利用軟件導入三維模型并借助西門子PLC編程軟件實現(xiàn)對分揀系統(tǒng)程序編寫，解決無真實設(shè)備狀態(tài)下的編程，驗證基于Process Simulate在物料智能分揀系統(tǒng)中的高效性。

3.2.1 機器人離線編程

（1）機器人屬性設(shè)置（Robot Properties）

屬性設(shè)置以ABB機器人為例。首先選擇機器人的品牌，這里把Controller選擇為ABB-Rapid,其次把Robot vendor設(shè)置為ABB，最后把Controller version選擇為6.04RW6。只有以上設(shè)置正確了，才能繼續(xù)對機器人進行程序編寫。設(shè)置如圖10所示。

圖10 Robot Properties設(shè)置

（2）設(shè)置機器人配置（ROBOT Setup）

利用Robot Setup對機器人的移動速度、工具坐標系和工件坐標系等進行定義并設(shè)置，為機器人程序編寫做好鋪墊。設(shè)置如圖11所示。

圖11 ROBOT Setup設(shè)置

（3）機器人程序編寫

在Path-Editor的OLP中編寫機器人邏輯程序，利用Operations里面的Add Location By Pick進行點的示教，創(chuàng)建機器人軌跡子程序，如圖12所示。

圖12 程序編寫

（4）機器人程序展示

Process Simulate編寫的程序如圖13所示。通過Program中的Download to Robot將程序下載到真實機器人控制器中。

圖13 機器人程序展示

3.2.2 PLC離線程序編寫

Process Simulate軟件無法進行PLC程序的編寫，但可利用軟件導入智能分揀設(shè)備三維模型，搭建符合PLC程序編寫的條件。借助西門子PLC編程軟件實現(xiàn)對智能分揀系統(tǒng)的程序編寫，解決無真實設(shè)備狀態(tài)下的編程，驗證基于Process Simulate在物料智能分揀系統(tǒng)中的高效性。

4 Process Simulate軟件未來發(fā)展趨勢

隨著西門子工廠數(shù)字化技術(shù)的推廣，越來越多的企業(yè)、學校開始使用Process Simulate軟件?，F(xiàn)代企業(yè)應(yīng)用此軟件較多的領(lǐng)域是汽車主機廠、高科技電子、航空航天、鐵道機車車輛、摩托車、船舶、機床、重型裝備、新能源電池等。此外，國內(nèi)的很多大型車企已經(jīng)開始應(yīng)用此軟件。隨著軟件在智能化、自動化領(lǐng)域的不斷應(yīng)用，越來越多的企業(yè)會應(yīng)用此軟件。現(xiàn)在國內(nèi)很多院校已經(jīng)開設(shè)Process Simulate軟件課程。較早開設(shè)此課程的東莞理工學院，每年為各企業(yè)輸送大量的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用人才。同時隨著校企合作的開展和深度產(chǎn)教融合的實施，校企“1+X生產(chǎn)線數(shù)字化仿真與應(yīng)用”證書的推廣，越來越多的高校應(yīng)用并推廣此軟件。

5 結(jié)語

綜上所述，本文主要闡述了智能分揀系統(tǒng)的組成，介紹了軟件在智能分揀系統(tǒng)中的應(yīng)用，并預測了軟件的發(fā)展趨勢。希望本研究能對從事與該軟件有關(guān)的技術(shù)人員、工程師、技師、學校老師和在校同學等在理論學習和實踐應(yīng)用有一定的借鑒作用。

不過，此軟件也存在一些應(yīng)用不足。以ABB機器人為例，其在現(xiàn)場數(shù)字孿生虛實聯(lián)調(diào)時，Process Simulate軟件無法識別偏移指令（OFFS）,因此一些路徑點無法識別，需要人為確定這些路徑點。此外，機器人在更換不同的工具時會造成TCP的識別錯誤。但是，筆者相信，隨著軟件的迭代升級，軟件中的一些應(yīng)用不足也會得到解決。