虛實(shí)一體化汽車裝配氣動(dòng)實(shí)訓(xùn)模型設(shè)計(jì)

王益軍

摘 要：本文遵循實(shí)際企業(yè)汽車裝配生產(chǎn)線工作流程，以實(shí)體汽車簡(jiǎn)化模型為主體，設(shè)計(jì)了一套虛實(shí)一體化汽車裝配氣動(dòng)模型，硬件包括PLC控制系統(tǒng)、觸摸屏人機(jī)界面、氣動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)裝置、氣動(dòng)機(jī)械手、檢測(cè)分揀系統(tǒng)等，通過上位機(jī)仿真軟件編程實(shí)現(xiàn)裝配動(dòng)作，3DVIA實(shí)現(xiàn)虛擬動(dòng)作展示，完成實(shí)際汽車裝配及汽車裝配自動(dòng)線調(diào)試培訓(xùn)課程。

關(guān)鍵詞：PLC；柔性制造單元；3DVIA

一、緒論

當(dāng)前汽制生產(chǎn)制造正向全自動(dòng)、智能控制、網(wǎng)絡(luò)化、創(chuàng)新化方向發(fā)展，氣動(dòng)技術(shù)正向高質(zhì)量、高精度、高速度、小型化、輕量化、復(fù)合集成化及節(jié)能環(huán)保等的方向快速發(fā)展。目前市場(chǎng)上大多數(shù)職業(yè)類學(xué)校的自動(dòng)化教學(xué)設(shè)備往往是以單一課程為目標(biāo)設(shè)計(jì)的，不能滿足柔性生產(chǎn)線從業(yè)人員培養(yǎng)的需求。因此，開發(fā)一套貼近實(shí)際具有“高仿真”針對(duì)性強(qiáng)的汽車裝配虛實(shí)一體的柔性生產(chǎn)線教學(xué)設(shè)備顯得十分重要。

本文研究的自動(dòng)柔性生產(chǎn)線教學(xué)設(shè)備采用工作單元的模式，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)的汽車裝配仿真系統(tǒng)為學(xué)員提供一種結(jié)構(gòu)化的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，加快學(xué)習(xí)進(jìn)程的手段，是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)活動(dòng)的有益補(bǔ)充。

二、汽車裝配氣動(dòng)實(shí)訓(xùn)臺(tái)的總體設(shè)計(jì)

汽車裝配氣動(dòng)實(shí)訓(xùn)臺(tái)裝配產(chǎn)品采用自制仿貨車外形產(chǎn)品，自動(dòng)化裝夾簡(jiǎn)便，且能真實(shí)體現(xiàn)車體裝配過程，各設(shè)備小型化，但與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用設(shè)備結(jié)構(gòu)與控制基本一致。共分為五部分，分別為基礎(chǔ)底盤、輪胎、驅(qū)動(dòng)體、駕駛艙、車體貨箱，以基礎(chǔ)底盤為基體，分別進(jìn)行其余四項(xiàng)部件裝配作業(yè)。

為了能夠在該教學(xué)設(shè)備上模擬出一個(gè)與實(shí)際生產(chǎn)十分相似的操作過程，在設(shè)計(jì)時(shí)盡量縮小同實(shí)際柔性生產(chǎn)線在結(jié)構(gòu)與功能方面的差距。整機(jī)分五部分主要裝配工序組成，為減少不必要重復(fù)工序，后輪輪胎初始狀態(tài)時(shí)預(yù)先安裝在底盤上，裝配過程中，只進(jìn)行前輪輪胎裝配。

（1）汽車裝配生產(chǎn)線的工作過程和相關(guān)的技術(shù)進(jìn)行研究，研究汽車裝配生產(chǎn)線總體模塊設(shè)計(jì)。

（2）汽車零部件檢測(cè)與分揀單元設(shè)計(jì)及模擬。

（3） 裝配輸送線系統(tǒng)單元設(shè)計(jì)及模擬。

（4）輪胎裝配單元單元設(shè)計(jì)及模擬。

（5）汽車主驅(qū)動(dòng)體裝配單元單元設(shè)計(jì)及模擬。

（6）3DVIA展示模塊設(shè)計(jì)。

三、汽車裝配氣動(dòng)實(shí)訓(xùn)臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)是汽車裝配氣動(dòng)實(shí)訓(xùn)臺(tái)的重要組成部分，主要負(fù)責(zé)整個(gè)教學(xué)設(shè)備各個(gè)單元數(shù)據(jù)的接受和處理并向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送信號(hào)。根據(jù)功能需求，采用PLC作為主要控制模塊，實(shí)現(xiàn)該設(shè)備的各單元的順序和邏輯控制。為了更好的體現(xiàn)該設(shè)備的柔性化，每個(gè)功能單元都配置了可編程控制器等控制設(shè)備，每個(gè)單元都能夠獨(dú)立的作為一個(gè)平臺(tái)使用。在單元之間的通信方面，采用 RS485 串行通信組成控制網(wǎng)絡(luò)，工作單元之間 PLC通過RS485串行通信實(shí)現(xiàn)相互數(shù)據(jù)交換。

（1）PLC選型。市面上比較常見的 PLC 品牌有三菱、西門子以及國(guó)產(chǎn)的匯川等，本文中以三菱 PLC為例。通過對(duì)被控對(duì)象中各種輸入輸出進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以計(jì)算出大約所需的 I/O 點(diǎn)數(shù)，在此基礎(chǔ)上留出 10%左右的裕量作為擴(kuò)展用。

（2）信號(hào)連接方式?？紤]不同需求，設(shè)計(jì)了兩種不同的 I/O連接方式：固定連接和自主連接。固定連接是指設(shè)備的輸入信號(hào)以及輸出信號(hào)按照 I/O分配表連接，使用者應(yīng)根據(jù)I/O分配表來編寫PLC程序，不需要進(jìn)行額外的接線。自主連接是指使用者根據(jù)自己的意愿設(shè)計(jì)I/O分配表并編程，需要進(jìn)行PLC的輸入輸出繼電器與外部電路的連接。

（3） PLC網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。本設(shè)備各功能單元之間通過 485串行通信實(shí)現(xiàn)分布式互聯(lián)，具體通信模式取決于采用的PLC 品牌以及類型。三菱PLC一般采用N：N網(wǎng)絡(luò)通信，該種通信方式一般用于小型的數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)。

2.氣動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣動(dòng)技術(shù)是利用空氣具有可壓縮的特性，將壓縮空氣作為傳遞動(dòng)力的介質(zhì)，并通過氣缸、換向閥、電磁閥等元件構(gòu)成控制回路，使氣動(dòng)元件按照所需邏輯要求工作。由于氣動(dòng)技術(shù)具備高效、輕量化、清潔等優(yōu)點(diǎn)，氣動(dòng)技術(shù)與 PLC 結(jié)合在各種自動(dòng)化生產(chǎn)線的應(yīng)用具有廣闊的發(fā)展前景。

四、虛擬仿真裝配線構(gòu)建研究

1.面向?qū)ο蟮姆抡娼７椒?/p>

模型是對(duì)系統(tǒng)的抽象，生產(chǎn)線仿真建模是虛擬仿真的核心和基礎(chǔ)。 裝配線仿真模型中的基本單元是對(duì)象，它不僅能用數(shù)據(jù)描述對(duì)象的狀態(tài)或?qū)傩?，還具有改變對(duì)象狀態(tài)的操作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與操作的結(jié)合，從結(jié)構(gòu)、幾何外觀、功能、信息和控制方面“復(fù)現(xiàn)”裝配線中的設(shè)備和流動(dòng)產(chǎn)品（PART），因此，對(duì)象模型是構(gòu)成裝配線仿真的基礎(chǔ)。

為了表征系統(tǒng)中對(duì)象之間的相互關(guān)系，復(fù)現(xiàn)生產(chǎn)線的工藝流程，要建立對(duì)象之間的相互關(guān)系模型。因此，從刻畫裝配線結(jié)構(gòu)、幾何外觀、功能、信息和控制的角度考慮，本文將資源對(duì)象類模型劃分為五種子模型： 對(duì)象幾何模型、對(duì)象運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、對(duì)象行為模型、對(duì)象相互關(guān)系模型、對(duì)象層次結(jié)構(gòu)模型， 在上述幾種子模型中，對(duì)象層次結(jié)構(gòu)模型和對(duì)象相互關(guān)系模型涉及的是對(duì)象之間的關(guān)系，其中前者是對(duì)象之間的靜態(tài)結(jié)構(gòu)關(guān)系，后者則用于描述對(duì)象之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。

2.汽車裝配線實(shí)訓(xùn)臺(tái)的建模仿真

本文采用仿真開發(fā)平臺(tái) 3DVIA，3DVIA Composer是 3DVIA Composer 解決方案的核心產(chǎn)品。作為一種桌面應(yīng)用程序，可用于直接從 3D 數(shù)字產(chǎn)品數(shù)據(jù)創(chuàng)建產(chǎn)品文檔內(nèi)容。

3DVIA Sync是一種自動(dòng)化工具，該工具可關(guān)聯(lián) 3DVIA Composer 生成的內(nèi)容與 3DCAD 數(shù)據(jù)。元數(shù)據(jù)、幾何圖形或產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中的更改可以在 3DVIA Composer 生成的內(nèi)容中自動(dòng)進(jìn)行更新，從而確保文檔的準(zhǔn)確性和一致性。3DVIA Composer 允許創(chuàng)建樣式和智能視圖，后兩者可應(yīng)用于任何內(nèi)容以確保視覺效果的一致性。

五、結(jié)語

本文針對(duì)目前典型柔性生產(chǎn)線的工作原理及結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了細(xì)致的學(xué)習(xí)，并參考了國(guó)內(nèi)主要自動(dòng)化教學(xué)設(shè)備廠商在柔性生產(chǎn)線方面的最新成果，將職業(yè)院校學(xué)生所需要掌握的機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)課程融入其中，設(shè)計(jì)了一款適合高職院校自動(dòng)化專業(yè)課程實(shí)訓(xùn)、考核鑒定的教學(xué)設(shè)備。系統(tǒng)包括多個(gè)柔性制造單元，能根據(jù)汽車模型大小等變化迅速進(jìn)行調(diào)整，以適宜于多品種、中小批量裝配生產(chǎn)及管理理念。通過先虛擬后實(shí)操，直觀形象，可操控性好，適用于學(xué)校及一些培訓(xùn)機(jī)構(gòu)對(duì)學(xué)生進(jìn)行汽車裝配技能訓(xùn)練及汽車裝配生產(chǎn)線調(diào)試技能訓(xùn)練。

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