張　文

自動(dòng)化生產(chǎn)線裝配單元三維仿真平臺(tái)的構(gòu)建

張文

(新疆石河子職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 石河子 832099)

為了降低自動(dòng)化設(shè)備在調(diào)試過程中存在的風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)了一款自動(dòng)化生產(chǎn)線裝配單元的三維仿真平臺(tái)。該三維仿真平臺(tái)應(yīng)用PLC作為總體核心控制器，運(yùn)用CAD建模軟件構(gòu)建直線運(yùn)動(dòng)以及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的三維模型，可以推導(dǎo)出三維模型的運(yùn)動(dòng)函數(shù)，并能應(yīng)用“態(tài)神”組態(tài)軟件設(shè)計(jì)上位機(jī)界面。試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用該平臺(tái)進(jìn)行仿真模擬作業(yè)可保證整個(gè)安裝過程的穩(wěn)定可靠，模擬畫面具有極強(qiáng)的真實(shí)感，有著良好的人機(jī)交互性，能有效提升設(shè)備運(yùn)行調(diào)試的安全性。

三維仿真平臺(tái)；組態(tài)軟件；PLC；自動(dòng)化

自動(dòng)化生產(chǎn)線是機(jī)械制造、加工、組裝、分揀等生產(chǎn)環(huán)節(jié)的核心設(shè)備，它的大規(guī)模應(yīng)用是我國機(jī)械制造行業(yè)走向現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。由于自動(dòng)化生產(chǎn)流水線設(shè)備的調(diào)試工作十分復(fù)雜，如果在安裝現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行設(shè)備調(diào)試會(huì)存在很大的安全隱患。以組裝自動(dòng)生產(chǎn)線的一個(gè)單元為例，通過運(yùn)用CAD軟件對(duì)其進(jìn)行3DS建模，以PLC為其核心控制平臺(tái)，以“態(tài)神”組態(tài)軟件為仿真基礎(chǔ)，模擬組裝過程的三維運(yùn)動(dòng)，可以提前發(fā)現(xiàn)自動(dòng)化流水線在安裝和運(yùn)行過程中潛在的問題，并及時(shí)作出整改，保障生產(chǎn)線在實(shí)際運(yùn)行過程中的安全[1]。在實(shí)際應(yīng)用中，還可以采用力控、MCGS軟件平臺(tái)進(jìn)行仿真。

1　自動(dòng)化生產(chǎn)平臺(tái)以及PLC仿真

隨著自動(dòng)化生產(chǎn)線在我國工業(yè)生產(chǎn)中的大范圍普及，推進(jìn)了我國的機(jī)械制造、加工產(chǎn)業(yè)向智能化方向發(fā)展。在自動(dòng)化生產(chǎn)線的安裝調(diào)試過程中，施工程序的設(shè)計(jì)是一個(gè)非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。施工程序設(shè)計(jì)的成功與否將直接關(guān)系到生產(chǎn)線運(yùn)行的精確度。施工程序的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，涉及到機(jī)電自動(dòng)化、工程管理軟件設(shè)計(jì)、電子通信技術(shù)等技術(shù)的應(yīng)用。通過三維模擬平臺(tái)整理、提取數(shù)據(jù)，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、定期檢驗(yàn)，并在開始仿真模擬之前對(duì)設(shè)備的反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)先評(píng)估，可以為開發(fā)人員提供設(shè)計(jì)安裝程序的時(shí)序性要求，還可根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化和完善[2]。目前，設(shè)計(jì)施工程序所使用的軟件平臺(tái)和自動(dòng)化軟件編程技術(shù)都已相當(dāng)成熟，但是PLC軟件的應(yīng)用還處在調(diào)試階段，所以在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要花費(fèi)較長時(shí)間進(jìn)行驗(yàn)證，精度也無法得到保障。為了縮短自動(dòng)化制造平臺(tái)的搭建時(shí)間，可以在自動(dòng)生產(chǎn)線上運(yùn)用PLC控制系統(tǒng)的時(shí)序性編程建立模型，通過將基于PLC的試驗(yàn)平臺(tái)的模型與理論模型進(jìn)行對(duì)比、驗(yàn)證，可以大幅縮短三維仿真平臺(tái)的搭建時(shí)間。在建立單元模型的基礎(chǔ)上，采用PLC時(shí)序化程序作為輸入指令，以模塊單元的編程時(shí)間為輸出命令，通過建立試驗(yàn)平臺(tái)來獲取指令結(jié)構(gòu)，從而完成模擬平臺(tái)模型的建立[3]。

2　自動(dòng)化生產(chǎn)線裝配單元三維仿真平臺(tái)的構(gòu)成

自動(dòng)化生產(chǎn)線裝配單元三維仿真平臺(tái)主要由3DS模型模塊、三維運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)、PLC運(yùn)動(dòng)控制模塊、“態(tài)神”界面設(shè)計(jì)等部分構(gòu)成[4]。

(1)3DS模型模塊是指通過CAD軟件創(chuàng)建組裝實(shí)物部件的3DS模型，通過直接測(cè)量其關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)部位的尺寸，并選定適當(dāng)?shù)谋壤龢?gòu)建三維模型。

(2)三維動(dòng)態(tài)模型系統(tǒng)。在建模過程中，3DS模型對(duì)每一個(gè)物體的尺寸數(shù)據(jù)都有一種默認(rèn)基礎(chǔ)，其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)也都有了基礎(chǔ)的依據(jù)，而這些基點(diǎn)也是模型系統(tǒng)所設(shè)定。3DS模型可依據(jù)這些基礎(chǔ)，建立裝配單元的運(yùn)動(dòng)模型。

(3)PLC運(yùn)動(dòng)控制模塊。以Fx系列PLC為運(yùn)動(dòng)控制核心，讀入開關(guān)信號(hào)和各檢測(cè)傳感器信號(hào)，輸出運(yùn)行信號(hào)，控制三維模型和換向電磁閥的動(dòng)作。

(4)“態(tài)神”界面設(shè)計(jì)單元。采用“態(tài)神”組軟件為主要實(shí)驗(yàn)工具的上位機(jī)界面，該接口可與PLC實(shí)現(xiàn)串口通訊，并可在不同方式下實(shí)現(xiàn)對(duì)各組裝模塊的運(yùn)行測(cè)試[5]。

3DS模型的組裝主要是由落料機(jī)關(guān)、回轉(zhuǎn)物料臺(tái)和組裝機(jī)械單元等構(gòu)成，其作用是把料倉中的零部件嵌入在裝配臺(tái)的待組裝工件上。為了確保當(dāng)3DS模型導(dǎo)入“態(tài)神”組態(tài)軟件時(shí)各個(gè)動(dòng)作單元均可以實(shí)現(xiàn)自主操作，在構(gòu)建時(shí)就必須先把動(dòng)作單元建立到AutoCAD的各個(gè)圖層中。

3　PLC單元結(jié)構(gòu)

許多的存儲(chǔ)器都具備為用戶提供信息輸入和輸出的功能，用戶可以通過PLC的編程方式進(jìn)行信息的交流。用戶能在PLC中進(jìn)行數(shù)據(jù)的存貯和寫入，并為具體的編程環(huán)境編寫代碼來完成存儲(chǔ)器的寫入、對(duì)比和輸出。根據(jù)PLC自動(dòng)化流水線模擬平臺(tái)的要求將內(nèi)存的核心部分分為等量的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，并設(shè)置每個(gè)結(jié)構(gòu)單元的編碼，從PLC單元中抽取數(shù)據(jù)并設(shè)置對(duì)應(yīng)的值[6]。

PLC模擬軟件是一種基于PLC的實(shí)時(shí)編程技術(shù)平臺(tái)，此平臺(tái)上的信號(hào)交互根據(jù)IPADU規(guī)范進(jìn)行，以信號(hào)的交互式數(shù)據(jù)編碼為基礎(chǔ)，通過硬件系統(tǒng)中的MB/AP報(bào)頭、功能代碼、數(shù)據(jù)鏈接等構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的輸入和輸出，確保了信息的準(zhǔn)確性。

在仿真平臺(tái)PLC信息交互中包含主站設(shè)備客戶端和從站設(shè)備服務(wù)端2個(gè)端口。在主站設(shè)備客戶端中，仿真平臺(tái)發(fā)出信號(hào)請(qǐng)求，通過請(qǐng)求報(bào)文的形式傳輸?shù)綇恼驹O(shè)備服務(wù)端，從站端口接受到主站設(shè)備的報(bào)文請(qǐng)求，在端口結(jié)構(gòu)內(nèi)進(jìn)行特定功能碼分析并得出相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)果，數(shù)據(jù)結(jié)果以應(yīng)答報(bào)文的形式傳輸?shù)街鞫丝?，主站設(shè)備客戶端結(jié)合報(bào)文接受的反饋?zhàn)鞒鰬?yīng)答，完成報(bào)文信息從主站設(shè)備到從站設(shè)備的一個(gè)循環(huán)。

主站設(shè)備客戶端和從站設(shè)備服務(wù)端是硬件設(shè)備重要的組成結(jié)構(gòu)，仿真平臺(tái)的信息交互處理功能可以對(duì)接受消息進(jìn)行逐幀的識(shí)別，并對(duì)反饋信息進(jìn)行重新傳輸，確保設(shè)備信息傳遞的時(shí)效性[7]。

4　控制程序設(shè)計(jì)

按照裝配單元的控制條件，整體裝配單元的數(shù)字量輸入點(diǎn)數(shù)為18點(diǎn)，數(shù)值量輸出點(diǎn)數(shù)為6，由I/O位置的分配表給出；考慮到I/O點(diǎn)數(shù)余量，選用PLC型號(hào)為Fx2N一48MR；裝配單元控制進(jìn)度通過使用軟件的順序功能圖(SFC)實(shí)現(xiàn)；順序功能圖把一次完成的操作流程分成了幾個(gè)階段，階段間有相應(yīng)的轉(zhuǎn)換要求；程序一旦達(dá)到了轉(zhuǎn)換要求就完成階段轉(zhuǎn)換工作；通過分析機(jī)件的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，編制裝配單元的控制程序[8]。

5　上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

“態(tài)神”的組態(tài)軟件可以通過創(chuàng)建一個(gè)3D模型生成的數(shù)據(jù)控制中心來實(shí)現(xiàn)；產(chǎn)品與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過I/O設(shè)備進(jìn)行通信以及對(duì)PLC各個(gè)接口的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取；根據(jù)PLC的硬件技術(shù)要求，增加了Fx程序接口的一系列驅(qū)動(dòng)程序；根據(jù)裝配單位的控制條件、定義變量，建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫等；將3DS模塊插入到3D窗口中，并將其輸入到3DS中，通過調(diào)整尺寸，就能得到更高的接口，從而建立自動(dòng)流水線組裝單元的三維仿真和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并與PLC進(jìn)行通信，完成裝載控制流程。

6　模擬試驗(yàn)

通過仿真模擬，可以清晰觀察各設(shè)備的運(yùn)動(dòng)邏輯前后關(guān)聯(lián)，便于通過傳遞來的消息進(jìn)行系統(tǒng)故障的處理，從而實(shí)現(xiàn)即時(shí)監(jiān)控，以達(dá)到監(jiān)測(cè)生產(chǎn)過程的目的。

在一個(gè)單元工作運(yùn)行失效時(shí)，這個(gè)單元和之前的全部單元一起運(yùn)行的設(shè)備都將停止；在接收到解除故障信息后，全部設(shè)備才可以繼續(xù)正常運(yùn)行。通過采用網(wǎng)絡(luò)通訊的方法，可以將虛擬裝配控制器與實(shí)際裝配流水線相匹配，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線上場(chǎng)景數(shù)據(jù)信息的可視化顯示，并可對(duì)生產(chǎn)線的運(yùn)行情況進(jìn)行檢測(cè)[9]。三維仿真平臺(tái)在生產(chǎn)線發(fā)生故障時(shí)，會(huì)關(guān)停設(shè)備，及時(shí)發(fā)出故障報(bào)警，并通過數(shù)據(jù)顯示板提示故障狀態(tài)，工作人員只需通過察看數(shù)據(jù)顯示板即可準(zhǔn)確定位故障單元，簡化了整個(gè)生產(chǎn)組裝線的數(shù)據(jù)信息監(jiān)測(cè)過程。三維仿真平臺(tái)將模型、數(shù)據(jù)整合在一起，使產(chǎn)品的研發(fā)、設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試和維護(hù)更加高效。調(diào)試結(jié)果表明，本仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與PLC通訊良好，確保了組合部與上位機(jī)動(dòng)態(tài)顯示的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確，操作人員只需要操作鼠標(biāo)，就可以從多個(gè)角度觀察仿真模型[10]。

7　結(jié)語

該型三維仿真平臺(tái)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)能清晰反映裝配部件的實(shí)際運(yùn)行情況，增強(qiáng)了模擬試驗(yàn)的直觀性、有效性。該平臺(tái)既可作為設(shè)備的監(jiān)控、調(diào)試程序，降低現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備正常運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，還能實(shí)現(xiàn)設(shè)備同步操作，以完成對(duì)設(shè)備的異地同步監(jiān)控[11]。

[1] 付超,王冬越,李鑫鑫,等.自動(dòng)化生產(chǎn)線柔性制造過程優(yōu)化決策仿真平臺(tái)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào):1-15[2022-04-28].

[2] 宋甫,周莉,王占學(xué),等.部件三維仿真模型與發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)參數(shù)分析的耦合方法研究[J].推進(jìn)技術(shù),2022,43(7): 85-92.

[3] 宋甫,周莉,王占學(xué),等.邊界條件對(duì)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)多維度仿真模型的影響研究[J].推進(jìn)技術(shù),2022,43(9):41-49.

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[11] 蔣慶磊,聶永濤,郇新.基于RobotStudio的工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線仿真的研究[J].汽車實(shí)用技術(shù),2019(18): 177-179,198.

Construction of 3D simulation platform for assembly unit of automatic production line

ZHANG Wen

(Xinjiang Shihezi vocational and technical college, Shihezi, Xinjiang 832099, China)

In order to reduce the risk of automatic equipment debugging, a 3D simulation platform of assembly unit was designed for automatic production line. The 3D simulation platform uses PLC as the overall core controller, and CAD modeling software to build the 3D model of linear motion and rotational motion, which can deduce the motion function of the 3D model, and use the "state God" configuration software to design the upper computer interface. The test results show that the application of the platform in the simulation operation can ensure the stability and reliability of the whole installation process. The simulation picture has a strong sense of reality and a good man-machine interaction. It can effectively improve the safety of equipment operation and debugging.

3D simulation platform, configuration software, PLC, automation

TP391

A

2096–8736(2022)05–0036–03

張文，女，山西省忻州市，大學(xué)本科，助教，主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)化仿真與模擬。

責(zé)任編輯：張亦弛

英文編輯：唐琦軍