船舶管子加工智能生產(chǎn)線(xiàn)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

廖良闖

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一六所，江蘇連云港 222000）

0 引言

目前已有不少關(guān)于仿真技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用實(shí)例，鑒于當(dāng)前智能產(chǎn)線(xiàn)的復(fù)雜程度越來(lái)越高，系統(tǒng)環(huán)境要求也千變?nèi)f化。有的特定產(chǎn)線(xiàn)不滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)人工調(diào)試的要求，這種情況下需要利用虛擬設(shè)計(jì)和可視化技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)非現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)線(xiàn)的整體規(guī)劃和控制策略設(shè)計(jì)驗(yàn)證。加強(qiáng)生產(chǎn)線(xiàn)虛擬設(shè)計(jì)和可視化系統(tǒng)研究，提升大型自動(dòng)化產(chǎn)線(xiàn)的開(kāi)發(fā)能力，使其有能力勝任在航天、兵器、汽車(chē)、新能源等特種領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)需求，屬于機(jī)器人產(chǎn)業(yè)自身發(fā)展需求。

虛擬調(diào)試作為數(shù)字孿生應(yīng)用場(chǎng)景之一，針對(duì)各行各業(yè)有著較為深刻的應(yīng)用指導(dǎo)作用。但是將虛擬調(diào)試用在制造業(yè)中，國(guó)內(nèi)外的研究起步較晚。所謂虛擬調(diào)試是在整個(gè)制造過(guò)程之前以數(shù)字孿生技術(shù)針對(duì)所設(shè)計(jì)制造的裝備進(jìn)行調(diào)試，達(dá)到最早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題進(jìn)而解決問(wèn)題的目的，既節(jié)約成本，又加快裝備建設(shè)速度。通過(guò)模擬真實(shí)環(huán)境下的統(tǒng)一虛擬樣機(jī)模型，為設(shè)計(jì)者提供一個(gè)高度可視化的融合分析仿真、協(xié)同互動(dòng)、設(shè)計(jì)評(píng)估、總體布局、裝配驗(yàn)證、虛擬訓(xùn)練、產(chǎn)品性能靜動(dòng)態(tài)展示等功能的平臺(tái)環(huán)境，從而提升產(chǎn)品質(zhì)量，縮短交付周期，降低設(shè)計(jì)修改和測(cè)試費(fèi)用。

開(kāi)發(fā)自動(dòng)化產(chǎn)線(xiàn)的虛擬設(shè)計(jì)和可視化軟件平臺(tái)，有助于提升自動(dòng)化產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能力。本文基于Visual Components與倍福PLC，設(shè)計(jì)搭建船舶直管加工線(xiàn)的虛擬產(chǎn)線(xiàn)及數(shù)字孿生設(shè)計(jì)，并后續(xù)推廣到其他產(chǎn)線(xiàn)的研發(fā)過(guò)程中。

1 船舶直管加工工藝流程

管件加工生產(chǎn)的工藝步驟主要包括：首先管件在立體倉(cāng)庫(kù)完成入庫(kù)等工序，生產(chǎn)任務(wù)啟動(dòng)時(shí)立體倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)完成管件的出庫(kù)。管件進(jìn)入自動(dòng)物流系統(tǒng)，實(shí)時(shí)測(cè)量管徑并在高效定長(zhǎng)切坡一體機(jī)完成管件的下料，管件經(jīng)過(guò)打磨，在自動(dòng)貼標(biāo)設(shè)備處完成貼標(biāo)，之后進(jìn)入組對(duì)焊接工位。上下料機(jī)器人將法蘭從法蘭庫(kù)中取出，送至打碼工位打碼，之后進(jìn)行法蘭與管件的組對(duì)與焊接。最后進(jìn)行管件裝配的一系列工藝過(guò)程。船舶管子管件在工位間以及工位內(nèi)部的流轉(zhuǎn)由物流系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。柔性管加生產(chǎn)線(xiàn)工藝流程如圖1所示。

圖1 柔性管加生產(chǎn)線(xiàn)系統(tǒng)工藝流程圖

2 基于VC軟件的三維模型導(dǎo)入及處理

圖2為導(dǎo)入到VC中的組對(duì)焊接平臺(tái)模型，對(duì)各部分模型依情況選取不同的輕量化方式，孔洞較多部分使用去除孔洞的方式，特征不明顯部分采用柱化或塊化等方式進(jìn)行修改。

圖2 模型的導(dǎo)入

將各個(gè)設(shè)備單獨(dú)保存在VC的本地模型庫(kù)中，方便產(chǎn)線(xiàn)搭建時(shí)直接調(diào)用。從模型庫(kù)選取設(shè)備，按調(diào)研結(jié)果搭建虛擬產(chǎn)線(xiàn)。導(dǎo)入后虛擬產(chǎn)線(xiàn)見(jiàn)圖3。

圖3 虛擬產(chǎn)線(xiàn)

3 自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的虛擬仿真和可視化平臺(tái)搭建

3.1 基于VC的可視化平臺(tái)搭建

船舶建造系統(tǒng)仿真的主要目標(biāo)是：檢測(cè)與評(píng)估生產(chǎn)計(jì)劃的可行性與準(zhǔn)確性；優(yōu)化車(chē)間生產(chǎn)資源（設(shè)備、人員、吊車(chē)等）的配置；優(yōu)化車(chē)間的生產(chǎn)工藝流程；確定最恰當(dāng)?shù)脑O(shè)備運(yùn)行參數(shù)，使生產(chǎn)緩沖區(qū)的容量最優(yōu)等。以直管加工典型流程為基礎(chǔ)，建立直管加工的虛擬產(chǎn)線(xiàn)。并同時(shí)搭建組對(duì)焊接平臺(tái)，作為平臺(tái)的實(shí)物產(chǎn)線(xiàn)，與虛擬組對(duì)焊接平臺(tái)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線(xiàn)關(guān)鍵工位的數(shù)字孿生。在可視化平臺(tái)中，由PLC作為虛擬產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)控制整個(gè)流程。結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 可視化平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

PLC的流程控制由3個(gè)部分組成：一是立庫(kù)工位的半實(shí)物仿真，由PLC控制每一個(gè)虛擬電機(jī)，驗(yàn)證控制邏輯；二是切割工位、打磨工位、貼標(biāo)工位的純虛擬仿真，PLC僅獲得虛擬工件是否到達(dá)虛擬工位，起到下達(dá)開(kāi)始命令的作用；三是組對(duì)焊接平臺(tái)的數(shù)字孿生系統(tǒng)，由PLC控制并讀取實(shí)物組對(duì)焊接工作站，將其各項(xiàng)參數(shù)傳遞給VC，使VC中的虛擬組對(duì)焊接工作站實(shí)時(shí)映射實(shí)物動(dòng)作。流程圖如圖5所示。

圖5 PLC程序流程圖

在直管加工虛擬產(chǎn)線(xiàn)中，立體倉(cāng)庫(kù)采用半實(shí)物仿真方式，如圖5所示，由人機(jī)交互界面輸入管子參數(shù)，PLC計(jì)算相應(yīng)的庫(kù)位，執(zhí)行相應(yīng)的出/入庫(kù)程序，控制VC中虛擬立體倉(cāng)庫(kù)的伺服電機(jī)的開(kāi)關(guān)與行程，VC僅根據(jù)PLC程序的數(shù)據(jù)，執(zhí)行伺服電機(jī)對(duì)應(yīng)動(dòng)作節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)/旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)以低成本方式仿真程序流程，驗(yàn)證其可靠性并進(jìn)行優(yōu)化。

圖6 立庫(kù)的半實(shí)物仿真

立庫(kù)PLC-VC流程中，PLC與VC的交互信號(hào)均使用變量，由VC中作變量匹配后，可使VC與PLC綁定的變量實(shí)時(shí)同步，延遲不高于10 ms，如圖7所示。

圖7 VC與PLC的變量匹配

3.2 組對(duì)焊接站數(shù)字孿生功能

圖8為機(jī)器人與VC的數(shù)字孿生，為實(shí)現(xiàn)組對(duì)焊接站中的機(jī)器人與VC的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，使機(jī)器人的動(dòng)作可實(shí)時(shí)反饋到VC的虛擬產(chǎn)線(xiàn)中的機(jī)器人上，使用PLC讀取機(jī)器人各個(gè)軸的參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳至VC中。VC利用這些數(shù)據(jù)，以程序腳本驅(qū)動(dòng)虛擬設(shè)備的仿真伺服電機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生。

圖8 機(jī)器人與VC的數(shù)字孿生

使用VC中的腳本程序驅(qū)動(dòng)機(jī)器人模型，設(shè)置變量控制機(jī)器人模型每個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)量。同時(shí)由 PLC讀取實(shí)物機(jī)器人的伺服電機(jī)編碼器值，VC與該P(yáng)LC作變量鏈接，實(shí)時(shí)刷新VC腳本中的控制運(yùn)動(dòng)量的變量，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生。

在組對(duì)焊接站工位采用數(shù)字孿生，由PLC采集機(jī)器人各電機(jī)軸數(shù)據(jù)，并采用上文所述方式作變量匹配。經(jīng)測(cè)試延遲在5 ms以?xún)?nèi)，效果良好。

4 結(jié)論

建立船舶管子加工智能生產(chǎn)線(xiàn)需要集成多種先進(jìn)智能制造技術(shù)，需建立流水線(xiàn)動(dòng)作庫(kù)，在組對(duì)焊接過(guò)程中需對(duì)工件進(jìn)行定位，對(duì)焊縫進(jìn)行跟蹤。以離線(xiàn)編程系統(tǒng)為主導(dǎo)，調(diào)研各關(guān)鍵模塊，形成智能流水線(xiàn)應(yīng)用于生產(chǎn)中，能大大改善勞動(dòng)環(huán)境，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)效率。

建立船舶管子加工智能生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)不僅可在VC軟件中虛擬管子加工的生產(chǎn)過(guò)程，還可直觀觀察生產(chǎn)線(xiàn)的各工位工作的具體情況，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線(xiàn)的智能化，提高生產(chǎn)效率。同時(shí)VC軟件具有模型輕量化技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)大型產(chǎn)線(xiàn)的仿真需求。