王林森，王海霞*，申毅浩，李東亞，程 曉，邱瑾陽

（蘇州大學應用技術學院 工學院，江蘇 蘇州 215300）

引言

市場對產品需求的多樣化，定制化，促使企業(yè)向自動化、數(shù)字化、智能化方向進行轉型升級。傳統(tǒng)的搬運式物流生產模式已不符合現(xiàn)代制造業(yè)的需求，從精益化、自動化角度出發(fā)，對現(xiàn)有中小型企業(yè)的物流生產線進行自動化改善顯得尤為重要。通過數(shù)字化仿真技術，為企業(yè)在輸送線設計、安裝、調試過程中提供方案和預測，解決輸送線從設計到制造全流程的問題，對企業(yè)提高生產效率、降低人工成本、縮短生產周期具有十分重要的現(xiàn)實意義。

數(shù)字化仿真技術的發(fā)展，促使眾多學者[1-3]對數(shù)字化仿真技術在各行業(yè)應用進行了廣泛的研究。賈晨輝等[1]研究了數(shù)字化仿真技術在轎車生產過程中應用，提高工藝規(guī)劃質量，縮短項目時間。滕繼東等[4]基于Plant Simulaton 平臺建立了數(shù)字化沖壓車間仿真平臺，并利用仿真平臺，結合精益理念，解決實際生產過程中浪費現(xiàn)象，提高生產效率。除此之外，數(shù)字化仿真技術在汽車焊接噴涂[5]、海洋平臺[6]、航空航天等多個行業(yè)得到廣泛應用[7-8]，但大多研究者是對現(xiàn)有的工廠設備或產線進行的改造或升級，對新產線設計與數(shù)字化工藝研究較少。

本研究針對實際玩具生產線需求，設計了一整套輸送線，包含傳送部分，升降部分以及頂升部分組成。然后，基于PDPS 軟件，導入整套輸送線三維模型，利用西門子PLCSIM 與PLC 軟件建立整個輸送線的工藝仿真流程，并進行結構設計驗證及動作流程測試。

1 產線結構

1.1 傳動裝置設計

基于生產產線需求，設計一套自動化輸送線，用于運送玩具車從裝配成品至倉庫的輸送線。本裝置為雙層輸送線，一層為輸送線對接生產線裝配完成的成品；二層為輸送線對接倉庫。由于考慮到傳動間距、成本、以及保證傳動過程中較為穩(wěn)定傳動比，本次傳送方式整體采用帶傳動方式。本機構上下層輸送裝置傳動形式一致，主要包含零部件有傳送帶、帶輪、輸送線支撐架、驅動電機、傳送軸等主要零件。

輸送帶驅動電機布局為電機放到輸送帶的中間位置，利用電機驅動帶輪、傳動軸轉動從而帶動皮帶進行水平移動。

1.2 升降裝置設計及校核

升降裝置的作用為帶動物料從一層傳送帶末端至二層位置，主要起到提升作用。根據(jù)升降精確性和升降高度要求，升降裝置采用的絲杠螺母副的傳動方式進行傳動，主要包含伺服電機、軸承、絲杠、螺母副、燕尾型導軌、立柱底座、伸縮式絲杠防護罩等零部件組成，其具體升降裝置模型見圖1。

圖1 升降裝置

考慮到升降距離過長，結合絲杠受力情況，對絲杠受力進行了仿真驗證分析，運用三維軟件有限元分析，建立絲杠受力模型，給定絲杠受力。結果表明，絲杠應力、位移、應變滿足此裝置的使用要求，從理論上對絲杠承載變形的能力進行了驗證，圖2 為絲杠有限元仿真分析結果。

圖2 絲杠有限元分析

1.3 頂升裝置設計

頂升裝置位于第二層輸送帶中間位置，作用為把物料頂起，人工檢查物料是否合格，然后裝置下落，物料再隨傳送帶向前運行。頂升裝置是由兩個氣缸，兩個導桿來控制行程，中間用的是伺服電機控制轉向，此電機的選是為了能夠可以實現(xiàn)任意角度的轉向以便在后期的檢查中更為精準，圖3 為頂升裝置設計。

圖3 頂升裝置

1.4 三維模型導入PDPS

依據(jù)設計的機構總裝模型，為保證可以順利導入PDPS 中，在保存三維模型組件的過程中需要注意，文件的格式需要保存為.cojt 的格式文件，再通過PDPS導入整體模型，導入過程中需要定義每個組件的零件資源類型。

2 建立工藝仿真信號

輸送線包含傳感器，上下傳送帶，升降以及頂升氣缸等動作信號。對于頂升氣缸，需要建立兩個運動邏輯關節(jié)，設定UP 和DOWN 兩個姿態(tài)，然后生成2個輸出和2 個輸入信號。建立升降臺的邏輯信號，此機構創(chuàng)建兩個姿態(tài)信息，設定一層和二層兩個姿態(tài)，點擊創(chuàng)建邏輯塊信號。建立傳送帶信號，定義為線性概念機輸送線，定義傳送對象。通過自動創(chuàng)建邏輯塊的方式，創(chuàng)建輸送線操作和邏輯信號，邏輯信號包括開始信號、停止信號、更改方向信號。

傳感器的信號，本次設計考慮采用光電傳感器放置在物料出現(xiàn)位置、物料到達一層傳送帶末端位置、二層傳送帶到位位置、二層傳送帶中間頂起氣缸位置共4 個傳感器，傳感器相當于是一個輸入信號，需要把信號點連接至各個邏輯塊中。

為控制物料在PDPS 中生產線模式下可以自動出現(xiàn)，創(chuàng)建兩個非仿真操作流信號，邏輯塊控制物料出現(xiàn)和消失。在所有動作信號創(chuàng)建完成后，信號會在信號視圖中看到，需要把信號添加至仿真面板中去，此時信號未被賦予地址。通過將PDPS 軟件選項中的PLC 仿真轉為CEE 模式，驗證所建立的信號是否正常動作。圖4 為仿真面板中信號。

圖4 邏輯信號的建立

3 輸送線工藝仿真

3.1 PLC 及電機選型設計

本次設計將采用S7-1500 系列的PLC，運行速度和控制軸的能力大大提升，PLC 設備采用128 個點位，帶有擴展模塊。

為了保證各方面的安全和穩(wěn)定性，伺服電機在低速傳動的場所，運行平穩(wěn)而且精度比較高，而步進電機在低速傳動的時候傳動容易發(fā)生震動，在傳送皮帶的時候選用步進電機進行驅動，在控制升降機構的時候采用伺服電機進行驅動。

3.2 PLC 程序設計

輸送線動作流程為，一層傳送帶帶動產品到達升降機的底部位置，感應電眼接收信號后帶動產品進行上升，上升到二層位置將關閉升降電機同時開啟二層輸送帶的電機，物料離開升降臺時，升降臺電機反轉，到達一層最初位置等待。產品在二層輸送帶中間位置時，頂升氣缸動作，檢測完成后，氣缸縮回，物料繼續(xù)在二層傳送帶動作，直至傳送帶末端入庫。根據(jù)動作邏輯，對PLC 動作程序進行設計，對PLC 模塊I/0 點進行分配，其分配情況見圖5。

圖5 輸送線的I/O 點位分配表

3.3 輸送線工藝流程仿真

S7-PLCSIM Advanced V3.0 可以用作連接PLC程序和PDPS 工藝仿真工具。首先，使用博圖編程軟件對PLC 程序進行編譯下載，把PLC 程序與PLCSIM連接。其次，在PDPS 與PLC advanced3.0 進行連接的時候，轉成PLC 的外部連接，然后選擇PLCSIM 中實例進行連接，再進行驗證，PDPS 軟件就與PLCSIM連接。

通過工藝流程仿真，實現(xiàn)一層輸送線運送物料至升降裝置，升降動作是由傳感器檢測到信號之后啟動。繼升降臺到達位置之后，二層輸送帶啟動，帶動物料進行二層傳動，過程中頂升氣缸位置會進行檢測。PLC 程序與工藝仿真流程見圖6。

圖6 PLC 與PDPS 運行測試

通過工藝運行測試中發(fā)現(xiàn)，頂升機構有些零部件運行過程中有部分干涉，修改三維模型；輸送線運送物料過程時間可以利用工藝流程仿真測算，能夠計算出從物料從裝配線至倉庫所需要整體時間。表明通過對輸送線進行全流程的工藝仿真，可以及時發(fā)現(xiàn)產線在設計、制造以及運行中的問題，提前針對這些問題，提出改善方案，使得輸送線正常運行過程中不會出現(xiàn)干涉或者位置調整的問題，提高產線改造效率，幫助企業(yè)提高生產效益。

4 結論

本研究基于PDPS 軟件，開展了對玩具輸送線的設計與工藝流程仿真研究，具體分為3 個部分：

（1） 設計輸送線三維模型，驗證結構合理性及機械機構對產線布局的優(yōu)化，對絲杠強度校核。

（2） 創(chuàng)建工藝仿真動作信號，同時驗證動作信號創(chuàng)建完成后的準確性。

（3） 完成輸送線工藝仿真，建立PLCSIM 與PLC、PDPS 連接，完成PLC 程序控制工藝流程動作的仿真運行。

通過輸送線工藝仿真，明確工藝流程，盡早發(fā)現(xiàn)設計階段或者運行階段問題，運用PDPS 軟件對其進行虛擬驗證，使得仿真和實際運行保持一致。PDPS 仿真技術將會助力于企業(yè)縮短產品開發(fā)周期，提高產品生產質量，優(yōu)化生產流程，為中國制造業(yè)高質量發(fā)展提供動力。