張德福，蔡延光

（廣州理工學(xué)院智能制造與電氣工程學(xué)院，廣州 510540）

0 引言

在很多機(jī)器人集成運(yùn)用生產(chǎn)線設(shè)計(jì)中傳感器得到廣泛應(yīng)用，運(yùn)用視覺傳感器預(yù)處理中的圖像增強(qiáng)主要用于解決因圖像獲取過程中存在各種不確定因素易導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降或退化等問題，改善圖像視覺效果[1-3]。

傳統(tǒng)的設(shè)備故障維護(hù)方式已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)階段工業(yè)機(jī)器人集成智能化程度，必須不斷加強(qiáng)研究工業(yè)機(jī)器人使用過程中的智能故障預(yù)測(cè)方法，通過實(shí)時(shí)獲取機(jī)器人的健康狀態(tài)，提前開展相關(guān)維護(hù)管理措施，保證工作機(jī)器人的穩(wěn)定作業(yè)，降低故障概率。

利用數(shù)字孿生技術(shù)和信息物理融合的方法，通過數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)通信，設(shè)計(jì)了虛擬模型與工業(yè)機(jī)器人協(xié)同作業(yè)，采用邊-云協(xié)同和深度學(xué)習(xí)方法建立了算法框架，通過群組聚類分析能夠快速檢測(cè)出故障[4-6]。

光纖傳感器是由電介質(zhì)材料石英制成，是一種電絕緣、耐腐蝕的傳輸媒質(zhì)，因此它具有安全可靠性高、工作壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，光纖傳感器傳輸?shù)氖枪庑盘?hào)，所以其抗電磁干擾能力強(qiáng)，能夠適用于溫差較大、環(huán)境惡劣的地方[7]。

自動(dòng)化生產(chǎn)逐步向智能化生產(chǎn)方向發(fā)展中，傳感器靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性變化決定了信號(hào)傳送的準(zhǔn)確性，因此分析、掌握和控制生產(chǎn)過程中傳感器的線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性等各個(gè)參數(shù)數(shù)據(jù)變化，是設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)關(guān)鍵[8]。

上述研究中對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)沒有具體案例來(lái)說明實(shí)際應(yīng)用作用，對(duì)傳感器的檢測(cè)沒有通用具體方法。本文意在利用數(shù)字孿生技術(shù)和軟件檢測(cè)傳感器技術(shù)對(duì)PVC 板材裝配產(chǎn)線建模模擬仿真和對(duì)傳感器特性進(jìn)行檢測(cè)，是減少機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)誤差、提高檢測(cè)控制系統(tǒng)功能，保證生產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)拍無(wú)誤銜接的必要措施。

1 PVC板材自動(dòng)組裝工藝流程分析

1.1 裝訂要求

三合一PVC 板材組裝自動(dòng)化生產(chǎn)線是完成2 張PVC板材正反面裝訂在鋁合金骨架上，2 張PVC 板材要與骨架四周及中間的3根橫梁進(jìn)行裝訂。

1.2 工藝流程順序

根據(jù)裝訂要求確定工藝流程為：上龍骨框架；上PVC 板；鎖螺釘；翻面；上PVC 板；鎖螺釘；下料碼垛。工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程

2 PVC板材自動(dòng)組裝生產(chǎn)線總體設(shè)計(jì)

根據(jù)PVC板材組裝生產(chǎn)線裝訂工藝要求，整體生產(chǎn)線分為4個(gè)模塊：輕鋼龍骨上料模組、上板及打螺釘模組、翻轉(zhuǎn)輸送機(jī)、下料碼垛模組?？傮w生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用美云智數(shù)數(shù)字孿生工業(yè)軟件平臺(tái)建模仿真，如圖2所示。

圖2 PVC板材組裝自動(dòng)化生產(chǎn)線總體結(jié)構(gòu)

各模塊作用介紹如下。

（1）輕鋼龍骨上料模組

輕鋼龍骨上料模組包括可對(duì)中定位滾筒線、龍骨組裝臺(tái)。工人把組裝好框架放于輸送線上，滾筒線對(duì)中機(jī)構(gòu)將龍骨定位好，滾筒線將工件送至螺釘機(jī)處，如圖3所示。

圖3 輕鋼龍骨上料模組

（2）上板及打螺釘模組

上板及打螺釘模組在產(chǎn)線上共設(shè)置兩套，一套用于正面PVC 板上板組裝打螺釘，一套用于反正PVC 板上板組裝打螺釘。

人工將PVC 板上料，機(jī)器人運(yùn)用真空吸盤將PVC 板逐個(gè)拆垛，放到二次定位臺(tái)后再吸取PVC 板放入滾筒線上的限位合板機(jī)構(gòu)，當(dāng)限位合板后，自動(dòng)鎖螺絲機(jī)上的兩組打螺釘機(jī)構(gòu)按設(shè)定進(jìn)行打螺釘，將PVC 板固定在龍骨上，如圖4所示。

圖4 上板及打螺釘模組

（3）自動(dòng)鎖螺絲機(jī)

自動(dòng)鎖螺絲機(jī)與滾筒線融合一體，配合限位合板機(jī)構(gòu)工作，限位合板采用兩邊固定兩邊活動(dòng)方式將龍骨及PVC板限位合好并壓緊。

安裝在XY伺服行走機(jī)構(gòu)上的電批及螺絲機(jī)按設(shè)定對(duì)合好的PVC板打螺釘以固定在龍骨上，如圖5所示。

圖5 自動(dòng)鎖螺絲機(jī)

（4）翻轉(zhuǎn)輸送機(jī)

翻轉(zhuǎn)輸送機(jī)是用于兩套正反面上板及打螺釘模組間的墻體模塊進(jìn)行翻面，將未組裝PVC 板面翻到上面，并輸送到上板打螺釘模組的機(jī)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 翻轉(zhuǎn)輸送機(jī)

（5）碼垛模組

墻體模塊下料碼垛模組是將墻體模塊成品從產(chǎn)線下料并碼垛的模組。墻體模塊輸送到尾端的定位阻擋工裝前停好，機(jī)器人抓手抓取成品并放在滾筒碼垛位上進(jìn)行碼垛，如圖7所示。

圖7 碼垛模組

3 傳感器分布及檢測(cè)

3.1 檢測(cè)系統(tǒng)介紹

3.1.1 測(cè)試系統(tǒng)基本參數(shù)

該測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)的硬件環(huán)境：CPU為i3-8100，內(nèi)存容量為8 GB，顯卡為GTX 1050TI，操作系統(tǒng)為Windows所有系統(tǒng)，該軟件的運(yùn)行平臺(tái)/操作系統(tǒng)為Windows 所有系統(tǒng)，編程語(yǔ)言為C語(yǔ)言，源程序量9 443行。

3.1.2 檢測(cè)系統(tǒng)功能

測(cè)試軟件系統(tǒng)是測(cè)試生產(chǎn)線工藝流程中各環(huán)節(jié)傳感器的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，可以實(shí)現(xiàn)溫度、濕度、壓力、力、力矩、位移、振動(dòng)等物理量的顯示、記錄、越限監(jiān)控、報(bào)表生成、數(shù)據(jù)通信、信號(hào)變送以及流量累計(jì)等功能。系統(tǒng)并會(huì)對(duì)隨時(shí)產(chǎn)生的日常工作進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，對(duì)相應(yīng)的信息進(jìn)行存儲(chǔ)，控制數(shù)據(jù)合理性、合法性，動(dòng)態(tài)地為管理提供可靠的依據(jù)，為相關(guān)工作提供有效的數(shù)據(jù)，顯示界面如圖8～9所示。

圖8 顯示界面

圖9 參數(shù)設(shè)置

3.2 PVC板材生產(chǎn)線傳感器分布

在PVC 板材生產(chǎn)線流程中在各個(gè)環(huán)節(jié)安裝有不同類型的傳感器，對(duì)位置、速度、角度和壓力等外界信號(hào)采集和輸出控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)姿態(tài)，使各模塊銜接符合生產(chǎn)節(jié)拍和加工質(zhì)量要求。

3.2.1 輕鋼龍骨上料模組檢測(cè)

這個(gè)環(huán)節(jié)在輸送機(jī)的邊緣安裝有4個(gè)氣動(dòng)缸和4個(gè)光電傳感器，當(dāng)輕鋼龍骨上料在輸送機(jī)上，4 個(gè)光電傳感器檢測(cè)采集到鋼龍骨后將信號(hào)傳給PLC，PLC 輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)電磁換向閥[9]，氣動(dòng)活塞桿伸出，將輕鋼龍骨擺正處在輸送機(jī)的中線上，擺正后活塞桿收回。

3.2.2 打螺釘模組檢測(cè)

首先，PVC 板材第二次定位臺(tái)上目的在于使氣動(dòng)機(jī)械手準(zhǔn)確吸附板材，重復(fù)定位精度符合機(jī)器人重復(fù)定位精度，保證真空吸附機(jī)器人上料到龍骨架位置準(zhǔn)確，龍骨架輸送到打螺釘模組后四周要對(duì)中合板限位，打螺釘模組后端安裝有位置傳感器，檢測(cè)到龍骨架到位后輸送機(jī)停止，每邊安裝有2 組氣動(dòng)缸，氣缸活塞桿伸出后將龍骨架和PVC 板材對(duì)齊擺正，同時(shí)在壓力控制閥進(jìn)氣口安裝有壓力傳感器，控制負(fù)載大小，一是對(duì)板材夾緊對(duì)中，再就是不至于損壞板材或板材錯(cuò)位。

3.2.3 自動(dòng)鎖螺絲機(jī)檢測(cè)

自動(dòng)鎖螺絲機(jī)是3 個(gè)自由度的橫梁式機(jī)器人，機(jī)器人已經(jīng)內(nèi)置并設(shè)定固定裝訂位置的運(yùn)行程序，在射釘槍側(cè)面安裝有90°互相平行于側(cè)面的距離傳感器，會(huì)自動(dòng)檢測(cè)到射釘槍到PVC板材邊緣的距離，使X、Y軸的坐標(biāo)確定裝訂點(diǎn)的坐標(biāo)位置，Z軸安裝有測(cè)量深度距離傳感器控制Z軸上的移動(dòng)距離。這些傳感器主要采集信號(hào)來(lái)控制3 自由度坐標(biāo)式機(jī)器人在XYZ軸3 個(gè)方向的移動(dòng)距離，到達(dá)準(zhǔn)確裝訂的目的，如果傳感器出現(xiàn)超前或滯后傳遞信號(hào)，都會(huì)使裝訂深度和距離不同。

3.2.4 翻轉(zhuǎn)輸送機(jī)檢測(cè)

在翻轉(zhuǎn)輸送機(jī)傳動(dòng)軸上安裝角度傳感器，檢測(cè)翻轉(zhuǎn)輸送機(jī)翻轉(zhuǎn)角度，翻轉(zhuǎn)機(jī)旋轉(zhuǎn)180°，在翻轉(zhuǎn)機(jī)的左端裝有位置傳感器，檢測(cè)龍骨架和PVC 板材已經(jīng)到達(dá)端部，把信號(hào)傳給PLC后輸出驅(qū)動(dòng)接觸器閉合使翻轉(zhuǎn)電機(jī)啟動(dòng)，如果翻轉(zhuǎn)角度大于或小于180°都會(huì)使板材卡在翻轉(zhuǎn)輸送機(jī)內(nèi)，不能輸送到下一個(gè)環(huán)節(jié)。

4 系統(tǒng)測(cè)試與運(yùn)行

系統(tǒng)測(cè)試與運(yùn)行目的在于調(diào)試各模塊工作狀態(tài)是否符合設(shè)計(jì)要求和各模塊之間協(xié)作情況，主要檢測(cè)分析傳感器靈敏度、直線度和分辨率等技術(shù)參數(shù)是否符合設(shè)備設(shè)計(jì)信號(hào)要求，這些技術(shù)參數(shù)影響PLC 梯形圖掃描程序準(zhǔn)確性、影響驅(qū)動(dòng)裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)是準(zhǔn)確否正常工作，所以檢測(cè)傳感器靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性是信號(hào)采集重要的指標(biāo)。

該系統(tǒng)中對(duì)傳感器數(shù)據(jù)采樣采用均值濾波算法對(duì)傳感器數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行分析原理是以該實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)周圍快速采集的10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)取平均操作，然后替代該數(shù)據(jù)，均值濾波又稱為“算數(shù)均值濾波”，是指把離散信號(hào)的M個(gè)采樣值的平均值作為輸出，其公式為:

M在實(shí)際應(yīng)用中可以是任意數(shù)字，是一個(gè)控制均值濾波波紋幅度增強(qiáng)保真度以及抑制噪聲的參數(shù)。圖10所示為壓力傳感器經(jīng)過均值算法處理后，數(shù)據(jù)擾動(dòng)被明顯優(yōu)化，使得軟件處理后的運(yùn)動(dòng)控制數(shù)據(jù)更加平穩(wěn)，降低了系統(tǒng)的擾動(dòng)。

圖10 傳感器數(shù)據(jù)處理

4.1 輕鋼龍骨上料模組光電傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

當(dāng)前，在工業(yè)領(lǐng)域中機(jī)械加工生產(chǎn)通常將光電傳感器應(yīng)用在整個(gè)機(jī)械加工過程，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)床驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)以及軸承系統(tǒng)等各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制管理工作。根據(jù)光電傳感器的檢測(cè)結(jié)果，有針對(duì)性地對(duì)各項(xiàng)生產(chǎn)工件進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，不斷提高工件產(chǎn)品的加工精度。

光電傳感器廣泛應(yīng)用于物料檢測(cè)、位置檢測(cè)、目標(biāo)識(shí)別和機(jī)器人控制等領(lǐng)域，主要由光源、光電元件、增強(qiáng)電路、信號(hào)處理電路和控制電路等部分組成[9-10]。主要測(cè)量光電傳感器的靈敏度、線性度、分辨率、響應(yīng)時(shí)間、工作距離等基本參數(shù)，選用光電傳感器型號(hào)和技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

表1 EE-SPY312反射式光電傳感器技術(shù)參數(shù)表

4 組紅外測(cè)距傳感器檢測(cè)到龍骨后會(huì)有步驟提示，當(dāng)傳感器正確檢測(cè)到龍骨處于定位位置時(shí)，傳感器返回值狀態(tài)發(fā)生變化后，PLC獲取信號(hào)后經(jīng)由485上傳數(shù)據(jù)至軟件上位機(jī)顯示狀態(tài)如圖11 所示，1 個(gè)傳感器檢測(cè)到顯示step1，4個(gè)全部定位成功后顯示step4，當(dāng)對(duì)應(yīng)傳感器處于灰色時(shí)標(biāo)識(shí)定位異常，整個(gè)系統(tǒng)將無(wú)法進(jìn)入下一步驟。

圖11 反射式光電傳感器顯示定位步驟

4.2 打螺釘模組壓力傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

FSR402/FSR400/FSR406/FSR408 壓力類型力敏傳感器，技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 壓力類型力敏傳感器技術(shù)參數(shù)

壓力傳感器檢測(cè)XY兩軸壓力，PLC 實(shí)時(shí)獲取壓力傳感器數(shù)據(jù)后，經(jīng)由485上傳數(shù)據(jù)至上位機(jī)軟件進(jìn)行處理，確保在精準(zhǔn)定位的同時(shí)不損壞設(shè)備，壓力值設(shè)定范圍為650～700 g，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)Y軸壓力處于正常區(qū)間時(shí)對(duì)應(yīng)step1、step2會(huì)在系統(tǒng)中給與提示，測(cè)試值如圖12所示。

圖12 力敏傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)

4.3 自動(dòng)鎖螺絲機(jī)電磁式測(cè)距傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

在電氣和機(jī)械的惡劣環(huán)境中，對(duì)附近物體的線性或旋轉(zhuǎn)位置的非接觸式傳感是一種常見的系統(tǒng)要求，包括基于霍爾效應(yīng)的傳感器、磁約束效應(yīng)和磁耦合[11-12]。HPG-M08-02ED3 電磁感應(yīng)傳感器技術(shù)參數(shù)如表3 所示，利用電磁感應(yīng)檢測(cè)距離2 mm接近傳感器。磁感應(yīng)傳感器的常見位置錯(cuò)誤是磁感應(yīng)傳感器的安裝位置離開送料氣缸尾部或頭部[13-14]；如果磁感應(yīng)傳感器的安裝位置離開送料氣缸尾部，則磁感應(yīng)傳感器無(wú)法檢測(cè)活塞的位置，將導(dǎo)致內(nèi)部的舌簧開關(guān)不能閉合[15-16]。

表3 HPG-M08-02ED3電磁感應(yīng)傳感器技術(shù)參數(shù)

數(shù)據(jù)顯示測(cè)試值，當(dāng)XYZ三軸磁定位傳感器設(shè)定的參數(shù)產(chǎn)生信號(hào)變化時(shí)，軟件系統(tǒng)將檢測(cè)到位置數(shù)據(jù)，當(dāng)三位傳感器數(shù)據(jù)符合設(shè)定值3 mm 時(shí)，系統(tǒng)開始固定螺絲，否則將繼續(xù)控制機(jī)械臂調(diào)整位置，為避免損壞工件，機(jī)械限位距離為1 mm，如圖13所示。

圖13 電磁式測(cè)距傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)

4.4 翻轉(zhuǎn)輸送機(jī)角度傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

角度傳感器的常見類型，包括旋轉(zhuǎn)電位器、霍爾傳感器、光學(xué)編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器和MEMS 角度傳感器[17-18]。MK380A系列標(biāo)準(zhǔn)型角度傳感器技術(shù)參數(shù)如表4所示。

表4 MK380A系列標(biāo)準(zhǔn)型角度傳感器技術(shù)參數(shù)

當(dāng)姿態(tài)角度傳感器檢測(cè)值沒有達(dá)到180°時(shí)，系統(tǒng)繼續(xù)翻轉(zhuǎn)，當(dāng)滿足180°時(shí)系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行下一步，系統(tǒng)中軟件模塊指針由紅色變?yōu)榫G色，測(cè)試值如圖14所示。

圖14 角度傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)

經(jīng)過測(cè)試傳感器各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)指標(biāo)，與原始傳感器參數(shù)特征和參數(shù)特征比較，如果出現(xiàn)參數(shù)值偏差太大影響生產(chǎn)線檢測(cè)信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)化和輸出，導(dǎo)致設(shè)備各環(huán)節(jié)銜接動(dòng)作提前或延遲，就要及時(shí)更換[19-20]。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)“三合一PVC 板材組裝自動(dòng)化生產(chǎn)線”采用數(shù)字孿生技術(shù)建模仿真使生產(chǎn)線設(shè)備布置和傳感器分布合理，按照三合一PVC 板材生產(chǎn)工藝流程組成4個(gè)模組，通過數(shù)字孿生技術(shù)把虛擬和現(xiàn)實(shí)有機(jī)地實(shí)現(xiàn)，減少設(shè)計(jì)誤差和設(shè)計(jì)時(shí)間，通過模擬仿真降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。各個(gè)模組銜接傳動(dòng)環(huán)節(jié)都安裝有不同類型的傳感器，對(duì)速度、位置、角度和壓力進(jìn)行模擬量信號(hào)采集、轉(zhuǎn)化和輸出，采用傳感器測(cè)試軟件實(shí)時(shí)檢測(cè)監(jiān)控各個(gè)環(huán)節(jié)傳感器的特性，通過實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)正確性和監(jiān)控檢測(cè)的準(zhǔn)確性，為設(shè)備維修提供準(zhǔn)確技術(shù)數(shù)據(jù)，保證了生產(chǎn)線節(jié)拍準(zhǔn)確性，減少設(shè)備故障，提高生產(chǎn)效益。