李俊敏 丁振桓（南京理工大學(xué)紫金學(xué)院，江蘇南京210023）
摘要：利用數(shù)字孿生技術(shù)，以生產(chǎn)流程、設(shè)備和工藝的數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，參照企業(yè)實(shí)際自動(dòng)化生產(chǎn)線。將生產(chǎn)線的主要功能保存完好的前提下，結(jié)合了IOA虛擬仿真軟件，優(yōu)化了自動(dòng)化產(chǎn)線設(shè)計(jì)流程，設(shè)計(jì)了集送料、加工、裝配、輸送和分揀功能單元的自動(dòng)化產(chǎn)線設(shè)備。為同類的自動(dòng)化生產(chǎn)單元的設(shè)計(jì)提供了參考，具有一定的實(shí)際工程價(jià)值。
關(guān)鍵詞：自動(dòng)化產(chǎn)線；S71500；虛擬仿真；數(shù)字孿生
為了提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中的核心競(jìng)爭(zhēng)力，各個(gè)公司大力培養(yǎng)出尖端的科研技術(shù)人員對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)線進(jìn)行研發(fā)和更新［1］?；赑LC技術(shù)設(shè)計(jì)了集送料、加工、裝配、運(yùn)輸和識(shí)別分揀功能單元的智能生產(chǎn)線。PLC將實(shí)時(shí)控制設(shè)備的生產(chǎn)，配合氣動(dòng)機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)物料的加工傳遞，通過(guò)數(shù)字化的控制程序，保證了實(shí)時(shí)信號(hào)的傳輸可靠性，做到實(shí)體設(shè)備與虛擬生產(chǎn)單元相互合作的模擬生產(chǎn)，既縮減了成本，提高了生產(chǎn)效率，又能提前規(guī)劃設(shè)備的需求類型，使得企業(yè)得以擁有核心競(jìng)爭(zhēng)力［2］。
1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)要求和可行性分析，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)［3］。設(shè)計(jì)出如圖1所示的總體系統(tǒng)圖。本設(shè)計(jì)共分為兩部分：PLC控制系統(tǒng)和IOA虛擬仿真場(chǎng)景搭建。在IOA虛擬場(chǎng)景中共有傳輸單元、供料單元、加工單元、裝配單元、識(shí)別分揀單元五個(gè)模塊。
圖1總體系統(tǒng)圖
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)采用德國(guó)西門子S7-1500系列CPU1512作為控制器來(lái)控制整個(gè)流程，硬件11個(gè)輸入繼電器，11個(gè)輸出繼電器和4個(gè)輔助繼電器。在IOA仿真軟件中賦予所需的器件IO地址。表1為控制系統(tǒng)各器件在西門子中對(duì)應(yīng)分配I/O口和功能的部分關(guān)系表，其中，I10.0是整個(gè)系統(tǒng)工作的總開(kāi)關(guān)，I10.1到I10.5系統(tǒng)對(duì)物料狀態(tài)，以便對(duì)物料進(jìn)行分揀和出入庫(kù)。M0到M3是輔助繼電器，控制氣動(dòng)機(jī)器臂和四軸機(jī)器手完成一系列的動(dòng)作。
表1I/O口分配及功能
圖2控制系統(tǒng)場(chǎng)景布局
3 IOA場(chǎng)景搭建及仿真
3.1 IOA場(chǎng)景搭建
本文主要采用西門子PLC控制與IOA軟件通信，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的仿真［4］。如圖2所示。通過(guò)IOA仿真搭建出總體場(chǎng)景布局圖，傳輸單元、供料單元、加工單元、裝配單元、識(shí)別分揀單元五個(gè)部分組成。傳輸單元主要由傳送帶構(gòu)成，當(dāng)運(yùn)動(dòng)開(kāi)始時(shí)，傳送帶會(huì)自動(dòng)不停地轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)輸送物料，直到傳感器識(shí)別到物品的時(shí)候才會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。供料單元是在倉(cāng)庫(kù)送料區(qū)和物料集中區(qū)，上料機(jī)將運(yùn)送過(guò)來(lái)的物料通過(guò)托盤放置到傳送帶上。加工單元是待加工物件到達(dá)漫反射傳感器處，傳送帶停止，機(jī)器手抓取物件送至數(shù)控機(jī)床中，并進(jìn)行加工等待，待數(shù)控車床加工完畢后，機(jī)器手將夾取加工品放置于雙皮帶上。裝配單元加工品在放置于雙皮帶后會(huì)落在稱重傳感器上，待稱重傳感器值穩(wěn)定后，系統(tǒng)會(huì)將其與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，如果差值在額定范圍之內(nèi)，則為成品，升降機(jī)會(huì)下降，通過(guò)雙皮帶傳送至十字轉(zhuǎn)向處，此時(shí)十字轉(zhuǎn)向?yàn)閄軸運(yùn)動(dòng)，將成品送入貨架之中［5］；否則十字轉(zhuǎn)向則會(huì)向Y軸運(yùn)動(dòng)，將殘次品送入垃圾堆，等待處理。識(shí)別分揀單元物料在傳送單元進(jìn)行上料和集中之后，會(huì)在傳送帶上統(tǒng)一進(jìn)行分揀處理，在傳送帶的末端有傳感器，可以識(shí)別物料的類型，并根據(jù)要求的不同進(jìn)行不同的處理，然后由氣動(dòng)機(jī)器手進(jìn)行夾取分揀。
3.2 仿真運(yùn)行及優(yōu)化
為了驗(yàn)證場(chǎng)景搭建所存在的問(wèn)題，通過(guò)仿真嘗試控制流水線的自動(dòng)運(yùn)行，在生產(chǎn)開(kāi)始時(shí)，傳送帶開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，物料生成，傳輸單元開(kāi)始將不同的物料集中到傳送帶上，等待分揀。當(dāng)傳感器感受到物塊到達(dá)指定位置時(shí)，傳送帶停止運(yùn)行，并對(duì)物塊的顏色進(jìn)行判斷，判斷該物塊應(yīng)該運(yùn)送到哪一條傳送帶上，如圖3所示。
圖3仿真運(yùn)行場(chǎng)景
機(jī)器手下降，凹圓阻攔末端的吸盤氣動(dòng)，將物塊吸住，準(zhǔn)備進(jìn)行運(yùn)輸，傳送帶回復(fù)運(yùn)行。機(jī)器手將物料放置在加工傳送帶上，將可加工物料送至加工單元，將不可加工物料放置于回收單元。物料進(jìn)入加工單元后，傳送帶開(kāi)始運(yùn)行，機(jī)器手準(zhǔn)備就緒，當(dāng)傳送帶末端傳感器接收到物料到達(dá)信號(hào)后，機(jī)器手執(zhí)行夾取動(dòng)作，將物料放至加工機(jī)床內(nèi)處，等待加工完成。待物料加工完成之后，機(jī)器手會(huì)將物料送至裝配單元，放至在稱重傳感器上進(jìn)行問(wèn)題檢測(cè)。之后升降臺(tái)將會(huì)啟動(dòng)，將物料送至傳送帶上進(jìn)行入庫(kù)。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
為了保證生產(chǎn)單元的功能滿足實(shí)際的生產(chǎn)要求，對(duì)智能生產(chǎn)線的供料單元、識(shí)別分揀單元、傳輸單元、加工單元和裝配單元五個(gè)部分控制軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。
4.1 總體程序設(shè)計(jì)
程序設(shè)計(jì)在西門子自動(dòng)化控制設(shè)備的通用軟件TIA博途軟件完成。如圖4為系統(tǒng)程序總體流程圖：
圖4總體運(yùn)行流程圖
如圖4所示，按下開(kāi)始按鈕后，生產(chǎn)線開(kāi)始啟動(dòng)，此時(shí)，皮帶開(kāi)始運(yùn)行，機(jī)器手、氣動(dòng)機(jī)器臂以及行走軸開(kāi)始復(fù)位，當(dāng)所有設(shè)備處于初始狀態(tài)時(shí)，初始化完成標(biāo)志點(diǎn)亮，產(chǎn)線開(kāi)始自動(dòng)運(yùn)行。生產(chǎn)開(kāi)始時(shí)，傳輸單元皮帶開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，上料機(jī)將物塊放置于傳送帶上，傳送帶末端傳感器判斷物料是否到位，當(dāng)物塊到達(dá)傳動(dòng)帶末端，分揀單元中的氣動(dòng)機(jī)器臂開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，在設(shè)置好的取料點(diǎn)進(jìn)行取料，并根據(jù)物料的類型，放置在加工傳送帶或者回收傳送帶。
當(dāng)物料放置在加工傳送帶時(shí)，加工傳送帶開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，物料送至待加工處，機(jī)器手夾取物料并送入數(shù)控加工中心加工，計(jì)時(shí)器打開(kāi)，等待加工完成，此時(shí)傳送帶繼續(xù)運(yùn)行至下一個(gè)物料到達(dá)，傳送帶停止運(yùn)行。待加工完成后，機(jī)器手將成品夾取至稱重傳感器處，進(jìn)行判定，判定合格，十字傳送帶X軸運(yùn)行，將成品入庫(kù)；判定為不合格，十字傳送帶Y軸運(yùn)行，將殘次品送入回收。開(kāi)始循環(huán)生產(chǎn)。
4.2 生產(chǎn)單元設(shè)計(jì)
（1）供料、傳輸單元程序控制
傳送帶的運(yùn)動(dòng)，是最基礎(chǔ)的控制，也是自動(dòng)化流水線的基石。因此在控制傳送帶運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要合理規(guī)劃好傳送帶運(yùn)動(dòng)的優(yōu)先級(jí)，在檢測(cè)物料、夾取物料、加工物料時(shí)，要保證傳送帶的靜止，防止出現(xiàn)檢測(cè)物體與夾取物體不一致的情況。輸出信號(hào)Q11.3和Q11.4來(lái)控制運(yùn)動(dòng)的上料機(jī)，當(dāng)物料到達(dá)上料機(jī)時(shí)，PLC會(huì)發(fā)出上料指令控制氣動(dòng)上料機(jī)，將物塊搬運(yùn)到傳送帶上。輸入信號(hào)I11.6和I11.7，是上料機(jī)的氣缸兩端位置處傳感器的信號(hào)，當(dāng)氣缸處于起點(diǎn)或者終點(diǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同的信號(hào)，以此來(lái)判斷此時(shí)的上料機(jī)位置。部分傳送啟動(dòng)程序如圖5所示：
圖5部分傳送啟動(dòng)程序
（2）識(shí)別分揀單元控制程序設(shè)計(jì)
當(dāng)傳感器識(shí)別了物塊的顏色準(zhǔn)備進(jìn)行分揀時(shí)，先將此時(shí)的顏色進(jìn)行反饋。如圖6所示，分揀單元的需要根據(jù)物料的種類不同，將其送至傳送帶的不同位置。設(shè)計(jì)中的位置位置有三個(gè)：取料點(diǎn)、加工件放料點(diǎn)、其他物料放料點(diǎn)。在經(jīng)過(guò)測(cè)量確定了位置數(shù)據(jù)之后，將三個(gè)地址存到了DB塊的IOA數(shù)組之中，在使用時(shí)，根據(jù)場(chǎng)景需求的不同，利用單軸伺服來(lái)控制機(jī)器手前往不同的位置。
圖6識(shí)別分揀程序
（3）加工單元控制程序設(shè)計(jì)
機(jī)器手由伺服電機(jī)M1、M2、M3控制來(lái)保證其靈活地運(yùn)動(dòng)到指定的位置。在加工過(guò)程中，機(jī)器手處于待命狀態(tài)，定時(shí)器可以根據(jù)車床加工物料的不同，產(chǎn)生不同時(shí)間的定時(shí)。輸出變量Q10.5，在運(yùn)輸時(shí)控制機(jī)器手的伺服軸使能，使得機(jī)器手的位置能夠受控制，如圖7所示。
圖7加工延時(shí)程序設(shè)計(jì)
5 結(jié)束語(yǔ)
在仿真調(diào)試中，通過(guò)對(duì)軟件進(jìn)行測(cè)試，所有的物件都被傳送到加工傳送帶上，基本功能均能夠?qū)崿F(xiàn)，可以進(jìn)行仿真優(yōu)化。本設(shè)計(jì)利用IOA虛擬工廠，可以降低實(shí)際產(chǎn)線的運(yùn)行成本，優(yōu)化生產(chǎn)結(jié)構(gòu)。
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