黃耀輝

（江蘇長(zhǎng)虹智能裝備股份有限公司，江蘇 鹽城 224051）

0 引言

西門(mén)子機(jī)電概念設(shè)計(jì)軟件NX是一種前沿的機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)系統(tǒng)，支持機(jī)械、電氣和自動(dòng)化多學(xué)科聯(lián)合設(shè)計(jì)與仿真，是“工業(yè)4.0”背景下的新興產(chǎn)品。目前NX機(jī)電一體化概念已在多個(gè)行業(yè)成為研究熱點(diǎn)，如礦山機(jī)械行業(yè)［1］、智能分揀行業(yè)［2］、智能制造行業(yè)［3］等。

汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)通常在總裝車(chē)間和涂裝車(chē)間之間設(shè)置涂裝緩沖區(qū)(PBS），以滿(mǎn)足生產(chǎn)計(jì)劃的隨機(jī)性和不確定性［4］。由于PBS緩沖區(qū)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)運(yùn)行的特殊性通常不利于企業(yè)宣傳、員工培訓(xùn)、仿真調(diào)試，為此本文利用西門(mén)子機(jī)電概念設(shè)計(jì)軟件NX1847設(shè)計(jì)PBS緩沖區(qū)的虛擬仿真模型，通過(guò)NX軟件的配置可以使仿真模型具有實(shí)際物理意義。

1 PBS緩沖區(qū)仿真系統(tǒng)的組成和工作原理

1.1 車(chē)輛PBS緩沖區(qū)仿真系統(tǒng)的組成

車(chē)輛PBS緩沖區(qū)仿真系統(tǒng)如圖1所示，主要由本區(qū)軌道、入庫(kù)車(chē)道、出庫(kù)車(chē)道、移行機(jī)軌道、輥床、水平移行機(jī)、旋轉(zhuǎn)移行機(jī)、汽車(chē)、限位傳感器等部分組成。

注釋1為1條若干輥床組成的本區(qū)軌道，注釋3為車(chē)道(由左到右前3條是入庫(kù)車(chē)道，后6條是出庫(kù)車(chē)道）以及4條供車(chē)道兩側(cè)移行機(jī)移動(dòng)的軌道。每1條入庫(kù)出庫(kù)車(chē)道由9個(gè)輥床組成。在軌道上有3個(gè)可以水平運(yùn)動(dòng)的移行機(jī)(如圖1的注釋2，4，5），另外還有4個(gè)可以順逆時(shí)針90°旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)移行機(jī)(如圖1的注釋6）。為模擬現(xiàn)實(shí)中的效果，該模型在本區(qū)軌道上放置了10輛汽車(chē)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)仿真效果。

圖1 車(chē)輛PBS緩沖區(qū)系統(tǒng)仿真模型

1.2 車(chē)輛PBS緩沖區(qū)系統(tǒng)的工作原理

車(chē)輛PBS緩沖區(qū)的工作原理主要是在輥床運(yùn)動(dòng)的前提下，增加軌道與移行機(jī)，再配合PLC實(shí)現(xiàn)汽車(chē)自動(dòng)出入庫(kù)的功能，輥床的工作流程如圖2所示。

圖2 輥床的工作流程

車(chē)輛PBS緩沖區(qū)系統(tǒng)的主要功能為收到入庫(kù)指令后，本區(qū)輥床電機(jī)啟動(dòng)在本區(qū)的汽車(chē)依次自動(dòng)向前運(yùn)動(dòng)，使得最前面的汽車(chē)到達(dá)移行機(jī)1輥床上，再根據(jù)輸入的入庫(kù)車(chē)道，讓移行機(jī)1上行到所需要的車(chē)道。然后移行機(jī)1輥床電機(jī)運(yùn)動(dòng)使汽車(chē)進(jìn)入軌道，軌道上的各個(gè)輥床電機(jī)依次開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，直到汽車(chē)停止在前方汽車(chē)的后面。完成入庫(kù)操作后，移行機(jī)1自動(dòng)復(fù)位，下行到一號(hào)入庫(kù)車(chē)道停止。收到出庫(kù)指令并根據(jù)輸入的出庫(kù)車(chē)道號(hào)，移行機(jī)3自動(dòng)到達(dá)所要出庫(kù)軌道，然后啟動(dòng)移行機(jī)3輥床電機(jī)讓汽車(chē)移動(dòng)至移行機(jī)3上。移行機(jī)3輥床接近開(kāi)關(guān)到達(dá)后自動(dòng)運(yùn)動(dòng)到指定的出庫(kù)軌道，移行機(jī)輥床電機(jī)反向啟動(dòng)使移行機(jī)3上的汽車(chē)到達(dá)出庫(kù)車(chē)道，然后軌道上的各個(gè)輥床電機(jī)依次反向運(yùn)動(dòng)使汽車(chē)到達(dá)移行機(jī)2。移行機(jī)2再將汽車(chē)移動(dòng)到旋轉(zhuǎn)輥床，通過(guò)旋轉(zhuǎn)輥床的X，Y接近開(kāi)關(guān)使汽車(chē)調(diào)轉(zhuǎn)方向，最終達(dá)到按要求出庫(kù)的目的。

2 PBS緩沖區(qū)模型的建立

車(chē)輛PBS緩沖區(qū)系統(tǒng)在運(yùn)輸車(chē)體時(shí)采用滑橇式輥床自動(dòng)輸送系統(tǒng)，主要由普通輥床、旋轉(zhuǎn)輥床、移行機(jī)、軌道等單元設(shè)備組成。該系統(tǒng)的緩沖區(qū)采用線性緩沖區(qū)，也就是將若干個(gè)輥床組合成一個(gè)車(chē)道，再由幾個(gè)存儲(chǔ)車(chē)道組合成整個(gè)系統(tǒng)。

2.1 輥床的設(shè)計(jì)

車(chē)輛PBS緩沖區(qū)的主要部分是輥床，通過(guò)輥床來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)身的移動(dòng)，輥床底部如圖3所示。

圖3 普通輥床

輥床運(yùn)動(dòng)主要通過(guò)摩擦傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，電機(jī)首先驅(qū)動(dòng)輥床的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，再利用電機(jī)上的同步帶將電機(jī)轉(zhuǎn)移給輥床上的輥輪并讓其旋轉(zhuǎn)。當(dāng)有汽車(chē)經(jīng)過(guò)輥輪時(shí)，由于車(chē)身與輥輪接觸存在摩擦?xí)a(chǎn)生力使車(chē)身作水平運(yùn)動(dòng)。為了使模型變得簡(jiǎn)單，在三維模型中我們用一個(gè)傳輸面來(lái)代替同步帶與輥床電機(jī)，通過(guò)在模型中設(shè)置傳輸面的速度即可代替輥床電機(jī)的轉(zhuǎn)速，設(shè)置傳輸面速度的方向代替輥床電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。在NX中繪制草圖模型，通過(guò)拉伸、組合、裝配等功能將輥床的小零件組裝成整體。NX建立的普通輥床模型如圖4所示。

圖4 普通輥床模型

圖中1表示輥床上面的輥輪；2表示輥床電機(jī)的位置；3表示傳輸面，能夠使車(chē)身在輥床上運(yùn)動(dòng)。

在車(chē)輛PBS緩沖區(qū)模型中除了普通輥床之外還需要旋轉(zhuǎn)輥床改變車(chē)身的方向。旋轉(zhuǎn)輥床是指這個(gè)輥床可以按指定圓周作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的功能。旋轉(zhuǎn)輥床的底部如圖5所示。

圖5 旋轉(zhuǎn)輥床

從圖5中可以看出旋轉(zhuǎn)輥床和普通輥床都有驅(qū)動(dòng)電機(jī)和輥輪等。其基本的運(yùn)動(dòng)方式也是利用摩擦傳動(dòng)原理。但與普通輥床不同的是在旋轉(zhuǎn)輥床底部需要加設(shè)一個(gè)圓形軌道與滾輪，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要供輥床水平運(yùn)動(dòng)的電機(jī)外和一個(gè)能夠使輥床作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電機(jī)。旋轉(zhuǎn)輥床的三維模型如圖6所示。

圖6 旋轉(zhuǎn)輥床模型

圖中1為旋轉(zhuǎn)輥床底部的圓形軌道，供該輥床作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使用；2為輥床上的輥輪；3為水平運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)；4為圓周運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過(guò)該電機(jī)可以控制旋轉(zhuǎn)輥床的旋轉(zhuǎn)速度；5為滾輪，滾輪能夠讓該輥床在指定的圓形軌道上作圓周運(yùn)動(dòng)。

2.2 軌道的設(shè)計(jì)

當(dāng)輥床呈線性排列時(shí)，車(chē)身在輥床上能夠隨著輥床電機(jī)的依次啟動(dòng)而自動(dòng)向前運(yùn)動(dòng)。但移行機(jī)并不能自動(dòng)做橫向運(yùn)動(dòng)，因此需要為移行機(jī)設(shè)置專(zhuān)門(mén)的軌道，從而實(shí)現(xiàn)車(chē)身準(zhǔn)確的出入庫(kù)。軌道的位置分別位于車(chē)道的最前方和最后方。軌道的NX模型如圖7所示。

圖7 軌道模型

圖7中1為1號(hào)軌道；2為2號(hào)軌道。兩個(gè)軌道分別平行放置，兩軌道間的間隔與移行機(jī)底部的兩個(gè)滾輪之間的距離相等，這樣能夠讓移行機(jī)在軌道上更穩(wěn)定地移行。兩個(gè)軌道的長(zhǎng)度與所有車(chē)道的橫向距離相等，確保移行機(jī)在出庫(kù)入庫(kù)操作過(guò)程中能夠到達(dá)任意一條車(chē)道。

2.3 移行機(jī)的設(shè)計(jì)

移行機(jī)與普通輥床相同，主要通過(guò)摩擦傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)輥床運(yùn)動(dòng)。因此在移行機(jī)上也有輥床軸、輥床電機(jī)、同步帶和輥輪。但是與普通輥床所不同，移行機(jī)不僅要在有汽車(chē)經(jīng)過(guò)輥輪時(shí)產(chǎn)生力，使車(chē)身作水平運(yùn)動(dòng)，移行機(jī)本身也需要作水平運(yùn)動(dòng)。因此在移行機(jī)上需要額外增加供移行機(jī)本身水平運(yùn)動(dòng)的電機(jī)。另外，移行機(jī)需要在專(zhuān)門(mén)的平行于輥床的軌道上運(yùn)動(dòng)，還需要在移行機(jī)底部增加4個(gè)輥輪，確保移行機(jī)移動(dòng)過(guò)程中不會(huì)發(fā)生位置偏差。在NX中繪制的移行機(jī)模型如圖8所示。

為了使模型變得簡(jiǎn)易，在三維模型中筆者用一個(gè)簡(jiǎn)易的長(zhǎng)方體代替輥床電機(jī)和供水平運(yùn)動(dòng)的電機(jī)。圖8中1為輥床電機(jī)，主要是供輥床本身的同步帶運(yùn)動(dòng)；2為移行機(jī)的水平移動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)；3為輥輪，設(shè)置在軌道與移行機(jī)之間為了使移行機(jī)在水平移動(dòng)時(shí)能夠更加穩(wěn)定；4為移行機(jī)上的感應(yīng)片，其作用是與各車(chē)道上的接觸開(kāi)關(guān)配合，使移行機(jī)能夠準(zhǔn)確地停在車(chē)道上。

圖8 移行機(jī)模型

3 各類(lèi)傳感器的選擇和裝配

3.1 傳感器的選擇

為檢測(cè)車(chē)輛在輥床、移行機(jī)等不同位置的到位信息，需要在模型中配置接近開(kāi)關(guān)，根據(jù)實(shí)物圖在NX軟件中繪制出接近開(kāi)關(guān)的三維模型，如圖9所示。其中，1為接近開(kāi)關(guān)的感應(yīng)頭，用于產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。

圖9 接近開(kāi)關(guān)模型

3.2 傳感器的裝配

選擇好傳感器之后，在模型中相應(yīng)的位置放置即可。由于本區(qū)輥床、車(chē)道輥床、移行機(jī)上都會(huì)有車(chē)身經(jīng)過(guò)，為了使在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中車(chē)身啟動(dòng)和停止更加準(zhǔn)確，需要在每個(gè)輥床、移行機(jī)的末端放置一個(gè)接近傳感器。輥床上放置的傳感器如圖10所示。

圖10中箭頭處即為傳感器安放處。當(dāng)車(chē)身運(yùn)動(dòng)到輥床上，車(chē)身底部的金屬部分橇體靠近傳感器到一定程度或離開(kāi)傳感器時(shí)，傳感器傳輸給PLC的開(kāi)關(guān)狀態(tài)就會(huì)發(fā)生改變。接近開(kāi)關(guān)的使用如圖11所示，當(dāng)車(chē)身運(yùn)動(dòng)到標(biāo)注處時(shí)，接近傳感器狀態(tài)發(fā)生改變。

圖10 輥床上傳感器的放置

圖11 輥床傳感器的工作示意

另外，在移行機(jī)的末端裝置感應(yīng)片，為了使移行機(jī)能夠準(zhǔn)確地停在相應(yīng)的車(chē)道號(hào)，需要在每條車(chē)道的首段和尾端各放置一個(gè)接近開(kāi)關(guān)，如圖12所示。

圖12 車(chē)道上的傳感器

圖12中箭頭處分別為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)車(chē)道首端的接近開(kāi)關(guān)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用機(jī)電概念一體化設(shè)計(jì)軟件NX設(shè)計(jì)了汽車(chē)生產(chǎn)領(lǐng)域PBS緩沖區(qū)的虛擬仿真模型，分別為普通輥床、旋轉(zhuǎn)輥床、滑行軌道、移行機(jī)、接近開(kāi)關(guān)、汽車(chē)外殼等設(shè)備進(jìn)行仿真建模，并根據(jù)其實(shí)際物理特性進(jìn)行配置，使仿真模型具有與實(shí)物相類(lèi)似的特性。仿真模型基本展現(xiàn)了PBS緩沖區(qū)的結(jié)構(gòu)組成，可為企業(yè)培訓(xùn)、宣傳、調(diào)試提供幫助。后續(xù)亦可通過(guò)OPC通信的方式進(jìn)行輸入輸出映射，與外部真實(shí)的PLC通信，以實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的半實(shí)物仿真。