飛灰包裝智能產(chǎn)線設(shè)計(jì)與虛擬調(diào)試

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飛灰包裝智能產(chǎn)線設(shè)計(jì)與虛擬調(diào)試

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（南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，南京 211899）

設(shè)計(jì)一種全自動(dòng)飛灰包裝智能產(chǎn)線，旨在為某垃圾焚燒廠的飛灰包裝產(chǎn)線的自動(dòng)化改造項(xiàng)目提供可行性方案。從飛灰包裝的實(shí)際工藝需求出發(fā)，介紹產(chǎn)線總體設(shè)計(jì)和工位布局。針對(duì)噸袋開口裝置和機(jī)器人專用手爪的設(shè)計(jì)與工作原理進(jìn)行介紹。推導(dǎo)理論套袋力公式以指導(dǎo)專用手爪和出灰筒等機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。在產(chǎn)線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)和布局是否能夠無障礙地實(shí)現(xiàn)飛灰包裝的所有工序流程，采用基于NX MCD和虛擬PLC的虛擬調(diào)試的方法，并結(jié)合PLC程序?yàn)檎麄€(gè)包裝產(chǎn)線進(jìn)行工序流程仿真。仿真顯示該產(chǎn)線可以在PLC程序控制下全自動(dòng)地、無障礙地實(shí)現(xiàn)飛灰包裝的11個(gè)工序。產(chǎn)線的6個(gè)工位均可以實(shí)現(xiàn)無人運(yùn)行。可以通過添加開口裝置與機(jī)器人等設(shè)備，改造原有半自動(dòng)的包裝產(chǎn)線，并為原產(chǎn)線解決了大型噸袋的自動(dòng)開口、取袋、套袋的問題。

噸袋包裝；NX MCD；虛擬PLC；智能產(chǎn)線；虛擬調(diào)試

近年來，隨著我國(guó)在可持續(xù)發(fā)展、建設(shè)“美麗中國(guó)”生態(tài)文明等戰(zhàn)略上迅速展開布局，垃圾焚燒業(yè)等環(huán)保產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。傳統(tǒng)的垃圾填埋等垃圾處理方式正逐漸被更清潔的垃圾焚燒處理所替代。對(duì)于垃圾焚燒產(chǎn)線的研究，不但滿足“可持續(xù)產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)”的工業(yè)精神，也體現(xiàn)了面向環(huán)境友好和生態(tài)效益的綠色工業(yè)發(fā)展理念[1]。

垃圾焚燒廠在對(duì)城市垃圾進(jìn)行焚燒處置時(shí)，容易產(chǎn)生惡臭、酸性和致癌氣體[2-3]，并且人工在包裝垃圾的焚后殘余飛灰時(shí)，難以避免地會(huì)發(fā)生漏灰揚(yáng)塵，并吸入含有有毒重金屬和可溶性鹽的有害灰燼[4]，使得現(xiàn)有飛灰打包作業(yè)的勞動(dòng)環(huán)境十分惡劣，因此實(shí)現(xiàn)飛灰自動(dòng)化包裝越來越受到垃圾焚燒行業(yè)與噸袋包裝行業(yè)的重視。

由于噸袋整體為柔性體，且在生產(chǎn)、打捆、運(yùn)輸過程中噸袋經(jīng)過折疊、擠壓會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則變形，難以在自動(dòng)化設(shè)備上進(jìn)行定位、開口和夾緊，因此全自動(dòng)化包裝一般針對(duì)領(lǐng)口整齊的卷制大型噸袋和可碼放整齊的小型編制袋。現(xiàn)階段進(jìn)行噸袋包裝的產(chǎn)線或打包機(jī)仍以半自動(dòng)為主。主要有，上海醫(yī)藥設(shè)計(jì)院[5]設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)出料并稱重的PTA噸袋包裝線，但是需要人工扎套噸袋領(lǐng)口。李相源[6]提出了一種由PLC控制夾袋氣缸自動(dòng)夾緊噸袋并吹氣和出料的噸袋自動(dòng)打包機(jī)，但是仍然需要人工套袋。唐彥昆[7]設(shè)計(jì)了一種卷袋式自動(dòng)噸袋包裝線，并進(jìn)行了電子定量秤給料試驗(yàn)以驗(yàn)證其自動(dòng)稱重模塊。向曉漢[8]研發(fā)了一種一種新型的大袋變量包裝機(jī)，但是并沒有實(shí)現(xiàn)套袋工序的自動(dòng)化。王嵩等[9]通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了不同材質(zhì)噸袋均可以通過真空吸附的方式進(jìn)行開口。王曉花等[10]設(shè)計(jì)了一種具有套袋機(jī)構(gòu)、托包機(jī)構(gòu)和整袋組件的大袋包裝機(jī)。李仲明等[11]設(shè)計(jì)了一種針對(duì)塊狀物料的帶破拱器的料倉(cāng)、分級(jí)振動(dòng)加料和噸袋填實(shí)機(jī)構(gòu)的塊狀物料噸袋包裝機(jī)。姚浩然等[12]設(shè)計(jì)一條可以在噸袋內(nèi)碼垛的生產(chǎn)線。該產(chǎn)線的升降和撐袋裝置對(duì)噸袋的開口與固定提供了一種可行性方案。Datta等[13]提出了一種多功能全自動(dòng)立式顆粒物包裝機(jī)，不過只能針對(duì)小型袋。葉超喜等[14]設(shè)計(jì)了一種包括自動(dòng)進(jìn)料、夾袋、頂升和自動(dòng)鏈板輸送系統(tǒng)的自動(dòng)包裝機(jī)，但是仍然需要通過人工掛袋。張國(guó)全等[15]為小顆粒狀物料噸袋充填機(jī)的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)建立了數(shù)學(xué)模型，并分析了影響噸袋充填機(jī)稱重速度與精度的相關(guān)要素。蘇俊明等[16]研究了一種可計(jì)算料倉(cāng)設(shè)計(jì)額定容量的方法，從噸袋包裝機(jī)料倉(cāng)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，在料倉(cāng)內(nèi)物料量的動(dòng)態(tài)變化情況和穩(wěn)定排料條件等方面建立了數(shù)學(xué)分析模型。

從上述研究可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)前噸袋包裝技術(shù)在主要集中在半自動(dòng)化領(lǐng)域。雖然稱重、充氣和卡緊等工序已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，但是將噸袋開口、取袋、套袋等工序自動(dòng)化的案例較少。因此開口、取袋和套袋自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)噸袋全自動(dòng)化包裝的主要關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。

1 飛灰包裝總線設(shè)計(jì)和布局

1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)

該產(chǎn)線設(shè)計(jì)任務(wù)是全自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)飛灰包裝，實(shí)現(xiàn)無人化運(yùn)行。需實(shí)現(xiàn)的工序流程依次包括卷制噸袋放卷、定位、開口、取袋、套袋、卡緊、充氣、出灰后稱重、整形、熱封、噸袋輸出。

1.2 總體方案設(shè)計(jì)和工位布局

原產(chǎn)線僅包含出灰筒、卡箍、充氣、稱重裝置，僅僅可以完成自動(dòng)出灰、卡緊、充氣和稱重工序。不僅取袋、套袋需要人工操作，而且最容易發(fā)生揚(yáng)塵的封口操作也是由人工扎口完成。原有產(chǎn)線沒有存儲(chǔ)段，因此每包好一袋，叉車就需要來運(yùn)輸一次，這使得物流效率非常低，因此提出了以下3段式的改造方案。總體方案設(shè)計(jì)見圖1。

1.2.1 增設(shè)前段

在原有噸袋包裝機(jī)的前段設(shè)計(jì)了噸袋放卷、開口裝置、六軸機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)放卷、取袋和套袋。在總線的前段，包括噸袋放卷裝置、開口裝置和機(jī)器人等。卷制噸袋相較于傳統(tǒng)的獨(dú)立噸袋減少了人工折疊、打捆產(chǎn)生的不規(guī)則的折痕和皺紋，可以增加定位精準(zhǔn)度和吸附成功率。噸袋卷由氣漲軸和安全卡盤及其放卷步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)放卷，放卷步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以隨著噸袋卷的直徑減少而增速，使得放卷速度始終和皮帶輸送機(jī)保持一致。開口裝置可通過真空吸附的方式打開噸袋領(lǐng)口。開口后由帶專用手爪的機(jī)器人實(shí)現(xiàn)取袋、套袋。

1.2.2 改造中段

使用超聲波封口機(jī)代替原有的人工封口。同時(shí)增加升降機(jī)、整形檔板等裝置輔助封口。在總線中段，包括原有的充氣裝置和增設(shè)的封口裝置等。由于初始噸袋經(jīng)折疊后呈扁平狀，為了方便后續(xù)灌灰，需要通過吹氣工序使得噸袋初步膨脹，因此在總線中段保留原有的充氣裝置和卡箍，卡箍的作用是防止吹氣時(shí)漏氣，此外卡箍還可以避免出灰過程中產(chǎn)生的揚(yáng)塵向外泄露。由于飛灰具有一定的流動(dòng)性，為防止噸袋在灌灰及升降的過程中由于內(nèi)部飛灰流動(dòng)而傾覆，在總線中段設(shè)有整形檔板，為出灰后的噸袋進(jìn)行限位整形。在升降機(jī)和短程皮帶輸送機(jī)之間的設(shè)有稱重裝置，可以為現(xiàn)有灰燼重量進(jìn)行自動(dòng)稱重。出灰后，為給噸袋超聲波封口機(jī)的封口動(dòng)作讓出位置，中段設(shè)有液壓升降機(jī)，噸袋可隨升降機(jī)的下降而下降。封口機(jī)封口之后，升降機(jī)上升。然后，短程皮帶輸送機(jī)和輸出鏈板輸送機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，使得噸袋被輸出到總線后段，以供叉車運(yùn)走。

1.2.3 增設(shè)后段

增設(shè)一條輸出鏈板輸送機(jī)，可供存儲(chǔ)7袋的已灌灰的噸袋。當(dāng)所存儲(chǔ)的噸袋裝滿輸出鏈板輸送機(jī)后可以自動(dòng)通知叉車系統(tǒng)前來清空噸袋。通過集裝化和單元化包裝增加物流效率[17]。

1.2.4 產(chǎn)線工位布局

包裝產(chǎn)線工位布局見圖2，包括自動(dòng)放卷工位、噸袋開口工位、機(jī)器人取袋套袋工位、卡緊—充氣—整形—出灰—熱封工位、輸出工位，各個(gè)無人工位依次向前排列，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化協(xié)作運(yùn)行。為了防止噸袋自動(dòng)化包裝過程中出現(xiàn)中途掉袋等突發(fā)問題，機(jī)器人取袋套袋工位和卡緊—充氣—整形—出灰—熱封工位之間需要預(yù)留一個(gè)人工套袋工位以進(jìn)行人工干預(yù)處理。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在整個(gè)飛灰包裝總線中，噸袋開口裝置和機(jī)器人取袋、套袋所用的專用手爪是機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和技術(shù)難點(diǎn)，因此選取這2個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)介紹。

2.1 開口裝置設(shè)計(jì)

如圖3a所示，開口裝置采用了包括定位輪定位、真空吸附開口并配合以氣動(dòng)夾爪抓袋的總體結(jié)構(gòu)。運(yùn)行時(shí)，皮帶輸送機(jī)將噸袋向前輸送直至觸發(fā)定位啟動(dòng)光電傳感器后停止。接著定位輪氣缸伸出并啟動(dòng)定位輪電機(jī)，將噸袋滾動(dòng)至開口工作臺(tái)上，并利用開口啟動(dòng)光電傳感器精準(zhǔn)定位后關(guān)閉定位輪電機(jī)并退回定位輪氣缸。接著開口手爪座氣缸伸出，并使用真空發(fā)生器在上下手爪座腔內(nèi)形成負(fù)壓，吸附住噸袋領(lǐng)口上下兩側(cè)并縮回開口手爪座氣缸，使得噸袋領(lǐng)口被打開（見圖3b）。同時(shí)手爪座上的氣動(dòng)夾爪氣缸伸出，并帶動(dòng)氣動(dòng)夾爪夾緊噸袋，進(jìn)一步減少噸袋在開口過程中滑脫掉落的可能性。

2.2 專用手爪設(shè)計(jì)

在上述開口階段結(jié)束后，需要由六軸機(jī)器人上的專用手爪進(jìn)行取袋和套袋操作。如圖4所示，專用手爪由手爪基座、手爪大臂、夾緊氣缸、繃緊氣缸，以及夾頭和線軌等輔助零部件組成?？嚲o氣缸的作用是帶動(dòng)夾爪大臂改變噸袋領(lǐng)口形狀。在套袋過程中，繃緊氣缸停止供氣，使得噸袋領(lǐng)口從矩形到圓形的轉(zhuǎn)變過程中，繃緊氣缸缸桿隨領(lǐng)口形狀的變化而被動(dòng)伸出，自動(dòng)減少夾緊點(diǎn)之間的距離。夾緊氣缸的作用是夾住開口后的噸袋領(lǐng)口，防止在取袋、移動(dòng)、套袋過程中噸袋滑落。尤其是在套袋過程中，由于噸袋在從矩形繃成圓形的過程中，領(lǐng)口始終在和套筒外表面存在滑動(dòng)摩擦，加之噸袋重力和空氣阻力，因此不可避免地會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向下阻力，即“套袋力”，這使得噸袋在套袋過程中十分容易滑落。

圖1 飛灰包裝智能產(chǎn)線設(shè)計(jì)

圖2 飛灰包裝智能產(chǎn)線工位布局

圖3 開口動(dòng)作

圖4 專用手爪

如圖5所示，噸袋領(lǐng)口的形狀在機(jī)器人取袋和套袋過程中，雖然其形狀從正方形形態(tài)變成長(zhǎng)方形形態(tài)，最終變成圓形形態(tài)，但是始終有4個(gè)夾緊點(diǎn)被夾住，保證噸袋在每個(gè)階段均被牢靠抓住，使得機(jī)器人移動(dòng)過程中領(lǐng)口形狀固定不變，增加了取套袋的穩(wěn)定性和成功率。

2.2.1 套袋力分析

套袋力的分析對(duì)專用手爪設(shè)計(jì)、機(jī)器人負(fù)載校核、出灰筒的設(shè)計(jì)等方面具有參考意義。由圖5和圖6的領(lǐng)口形狀變化和套袋過程可知，機(jī)器人專用手爪在套袋過程中，噸袋領(lǐng)口存在過渡形態(tài)和圓形形態(tài)這2個(gè)形態(tài)。此過程中的理論套袋力見式（1）—（4）。

(2)

圖6 套袋過程

圖7 過渡形態(tài)時(shí)套袋力分析

式中：fb、ta、ha、h、taz、ft、f、taz的名稱和意義見圖7；為噸袋和出灰口之間的摩擦因數(shù)；θ為套筒相貫線切線與豎直方向的夾角；θ為噸袋領(lǐng)口變形拐點(diǎn)的夾角?？偺状見式（4）。

圖8 理論套袋力Ft隨θi和θj的變化

得出結(jié)論：ft計(jì)算式中并沒有θ，因此套袋摩擦力和相貫線在豎直方向的變化并無關(guān)系；回繃切線法向力豎直分力的反作用阻力taz將隨著θ的增加而增加，因此，套筒相貫線應(yīng)該盡量平滑且尖銳，使得其切線與豎直方向的夾角θ較??；從圖8和式（2）、式（3）可知，θ越接近π時(shí)，套袋摩擦力越大，因此，專用手爪的夾緊氣缸距離應(yīng)盡量設(shè)計(jì)得較遠(yuǎn)，以減少領(lǐng)口繃圓的時(shí)間，加快θ從π開始衰減的速度。

3 飛灰包裝總線的虛擬調(diào)試

在飛灰包裝產(chǎn)線運(yùn)行過程中，各個(gè)工位之間的設(shè)備的運(yùn)行需要比較高的協(xié)作性。各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)、相隔時(shí)間等均可能對(duì)整個(gè)產(chǎn)線的運(yùn)行可行性、效率產(chǎn)生影響，因此在上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成之后，仍需要對(duì)總線進(jìn)行調(diào)試，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除運(yùn)行問題，調(diào)整優(yōu)化設(shè)計(jì)布局。

傳統(tǒng)的通過實(shí)物調(diào)試來驗(yàn)證和優(yōu)化工序流程設(shè)計(jì)和布局設(shè)計(jì)的方法，往往需要大量時(shí)間和成本，因此文中采用虛擬調(diào)試（Virtual Commissioning, VC）的方法進(jìn)行流程仿真。虛擬調(diào)試技術(shù)是當(dāng)前基于信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical Systems, CPS）的概念，進(jìn)行協(xié)同分析和驗(yàn)證生產(chǎn)線或設(shè)備，描述和總結(jié)生產(chǎn)特性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[18-19]。機(jī)電概念設(shè)計(jì)（Mechatronics Concept Designer, MCD）是依托于UG NX軟件平臺(tái)的一款面向多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)與集成仿真的虛擬調(diào)試模塊，也是西門子數(shù)字孿生（Digital Twin, DT）系統(tǒng)的一個(gè)分支[20-21]，可以作為飛灰包裝產(chǎn)線虛擬調(diào)試的平臺(tái)。通過基于MCD的產(chǎn)線虛擬樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和制造階段的緊密閉環(huán)，以及協(xié)同數(shù)據(jù)交互的智能制造模式[22]。

3.1 基于仿真序列的時(shí)序調(diào)試

時(shí)序調(diào)試是指在MCD的仿真序列命令控制下，基于時(shí)間流驅(qū)動(dòng)產(chǎn)線模型的各個(gè)設(shè)備運(yùn)動(dòng)。其目的是為后續(xù)PLC程序編寫、機(jī)器人離線編程提供初始參考數(shù)據(jù)，并且通過仿真產(chǎn)線的運(yùn)行過程來驗(yàn)證機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、產(chǎn)線布局和工序流程規(guī)劃的可行性和合理性。尤其是驗(yàn)證機(jī)器人及其專用手爪的取袋、套袋過程。

在進(jìn)行調(diào)試前需使用NX MCD平臺(tái)下的剛體命令和碰撞體命令為各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件指派實(shí)物屬性、接觸屬性。然后對(duì)應(yīng)各個(gè)具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部件之間建立與相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系一致的運(yùn)動(dòng)副，并為各個(gè)主動(dòng)運(yùn)動(dòng)副添加位置控制、速度控制等控制模式。對(duì)于被動(dòng)運(yùn)動(dòng)副則通過耦合副實(shí)現(xiàn)和主動(dòng)副的聯(lián)動(dòng)控制。

路徑約束運(yùn)動(dòng)副作為上述主運(yùn)動(dòng)副中最關(guān)鍵的運(yùn)動(dòng)副，其可以聯(lián)動(dòng)6個(gè)機(jī)器人關(guān)節(jié)的鉸鏈副和機(jī)器人配重塊、輔助氣缸等部件的鉸鏈副和滑動(dòng)副。在運(yùn)行過程中MCD通過機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)自動(dòng)求解關(guān)節(jié)位置，并驅(qū)動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。該運(yùn)動(dòng)副可以在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)與真實(shí)機(jī)器人相對(duì)一致的運(yùn)動(dòng)。使用該運(yùn)動(dòng)副為機(jī)器人規(guī)劃預(yù)經(jīng)過的路徑及其在各個(gè)路徑位點(diǎn)上的工具（專用手爪）的姿態(tài)，見圖9a。

然后通過仿真序列命令為路徑約束運(yùn)動(dòng)副和所有其他主動(dòng)副的控制模式施加基于時(shí)間順序的驅(qū)動(dòng)并運(yùn)行，使得包括機(jī)器人的各個(gè)裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，見圖9b。在運(yùn)行過程中需要檢查有無碰撞干涉，并且反復(fù)調(diào)試速度、機(jī)器人空間位姿等參數(shù)。直至產(chǎn)線所有機(jī)構(gòu)均能在無阻礙且效率較高的情況下協(xié)作運(yùn)行。經(jīng)過時(shí)序調(diào)試后，部分的關(guān)鍵初始參數(shù)見表1。

3.2 基于數(shù)據(jù)邏輯處理的軟件在環(huán)虛擬調(diào)試

為了實(shí)現(xiàn)飛灰打包產(chǎn)線的虛擬調(diào)試與數(shù)據(jù)邏輯處理相融合，加強(qiáng)仿真和現(xiàn)實(shí)產(chǎn)線的映射關(guān)系，需要在上述時(shí)序調(diào)試過程中建立的運(yùn)動(dòng)關(guān)系、機(jī)器人路徑和調(diào)試參數(shù)等基礎(chǔ)上，結(jié)合自動(dòng)化工程平臺(tái)TIA Portal和虛擬PLC仿真控制器S7–PLCSIM Advanced，通過數(shù)據(jù)交互的方式，實(shí)現(xiàn)軟件在環(huán)（Software in the Loop，SL）模式下的虛擬調(diào)試。

圖9 基于MCD平臺(tái)的時(shí)序虛擬調(diào)試

表1 關(guān)鍵數(shù)據(jù)的時(shí)序調(diào)試結(jié)果

Tab.1 Time sequence commissioning results of pivotal data

圖10 軟件在環(huán)模式下的虛擬調(diào)試

為了模擬真實(shí)機(jī)器人、真實(shí)傳感器和PLC的IO信號(hào)交互數(shù)據(jù)，需要在MCD中通過虛擬傳感的方式將程序需要的數(shù)據(jù)（MCD輸出數(shù)據(jù)）傳給虛擬PLC。其中包括：使用碰撞傳感器模擬光電傳感器，通過位置傳感器將機(jī)器人是否達(dá)到各個(gè)位置點(diǎn)的信號(hào)傳遞給虛擬PLC。同時(shí)在MCD中也需要配置PLC控制信號(hào)（MCD輸入數(shù)據(jù)），如各個(gè)氣缸的控制信號(hào)、各電機(jī)和輸送機(jī)的啟停信號(hào)、機(jī)器人開始取袋信號(hào)等。PLC流程設(shè)計(jì)見圖11。

首先在TIA Portal中根據(jù)上述時(shí)序調(diào)試得出的參數(shù)（即包括表1在內(nèi)的數(shù)據(jù)）設(shè)計(jì)PLC程序，然后通過外部信號(hào)配置和信號(hào)映射命令實(shí)現(xiàn)MCD和PLC程序參數(shù)的映射。運(yùn)行MCD和PLC程序，使得產(chǎn)線中包括機(jī)器人等各機(jī)構(gòu)在虛擬PLC命令下運(yùn)行，見圖12。

在PLC程序的控制下，產(chǎn)線整體調(diào)試運(yùn)行結(jié)果見圖13。運(yùn)行結(jié)果表明：該智能產(chǎn)線可以在PLC程序控制下完成放卷、定位、開口、取袋、套袋等所有工序流程，且過程無阻礙，能夠滿足全自動(dòng)飛灰包裝的工藝需求。

圖11 PLC控制產(chǎn)線工序流程

注：==編程語(yǔ)言里面表示是否等于。

圖12 機(jī)器人在虛擬PLC命令下進(jìn)行套袋操作

圖13 產(chǎn)線在虛擬調(diào)試后執(zhí)行包裝工序流程

4 結(jié)語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)了一種可用于飛灰全自動(dòng)化包裝的智能產(chǎn)線并介紹了產(chǎn)線的總線設(shè)計(jì)和布局。闡述了開口裝置和專用手爪2個(gè)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)思路，并分析了其工作原理、動(dòng)作和理論套袋力。分析結(jié)果表明開口裝置和專用手爪可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開口、自動(dòng)取袋和套袋的功能。

基于NX MCD平臺(tái)和虛擬PLC軟件PLC Advanced對(duì)產(chǎn)線進(jìn)行了時(shí)序調(diào)試和軟件在環(huán)調(diào)試。時(shí)序虛擬調(diào)試的仿真結(jié)果顯示，該產(chǎn)線可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)針對(duì)大型噸袋飛灰包裝的所有工序流程，運(yùn)動(dòng)過程無干涉。軟件在環(huán)調(diào)試的仿真結(jié)果顯示，產(chǎn)線可以通過與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的方式，在PLC程序的控制下準(zhǔn)確運(yùn)行。

[1] 姚君. 可持續(xù)產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J]. 包裝工程, 2020, 41(14): 1-9.

YAO Jun. Sustainable Product System Design[J]. Packaging Engineering, 2020, 41(14): 1-9.

[2] 尹水娥, 丁兆勇, 宋薇, 等. 我國(guó)生活垃圾焚燒廠運(yùn)營(yíng)監(jiān)管分析及建議[J]. 環(huán)境衛(wèi)生工程, 2017, 25(2): 91-93.

YIN Shui-e, DING Zhao-yong, SONG Wei, et al. Analysis and Suggestions on Operation Supervision of MSW Incineration Plant in China[J]. Environmental Sanitation Engineering, 2017, 25(2): 91-93.

[3] 龍梁宇. 生活垃圾焚燒廠對(duì)環(huán)境的影響[J]. 資源節(jié)約與環(huán)保, 2021(5): 125-126.

LONG Liang-yu. Environmental Impact of Domestic Waste Incineration Plants[J]. Resources Economization & Environmental Protection, 2021(5): 125-126.

[4] QUINA M J, BORDADO J C, QUINTA-FERREIRA R M. Treatment and Use of Air Pollution Control Residues from MSW Incineration: An Overview[J]. Waste Management (New York, N Y), 2008, 28(11): 2097-2121.

[5] 姚瑞華. PTA一噸袋包裝線設(shè)計(jì)使用情況介紹[J]. 聚酯工業(yè), 1991, 4(S1): 106-107.

YAO Rui-hua. Design and Application of PTA One-ton Bag Packing Line[J]. Polyester Industry, 1991, 4(S1): 106-107.

[6] 李相源. 噸袋自動(dòng)打包機(jī)技術(shù)介紹[J]. 科技資訊, 2018, 16(34): 115.

LI Xiang-yuan. Introduction of Jumbo bag Automatic Baler Technology[J]. Science & Technology Information, 2018, 16(34): 115.

[7] 唐彥昆. 卷袋式全自動(dòng)噸袋包裝線的研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2020: 70-71.

TANG Yan-kun. Study on the Drum Bag Type Packing Line of Full Automatic Ton Bag[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2020: 70-71.

[8] 向曉漢. 一種新型的大袋變量包裝機(jī)[J]. 包裝工程, 2010, 31(11): 84-86.

XIANG Xiao-han. A Novel Big Bag Variable Packaging Machine[J]. Packaging Engineering, 2010, 31(11): 84-86.

[9] 王嵩, 張秋菊, 陳中杰. 大袋包裝機(jī)真空吸袋裝置吸附能力研究[J]. 包裝工程, 2015, 36(17): 61-66.

WANG Song, ZHANG Qiu-ju, CHEN Zhong-jie. Adsorption Capacity of Vacuum-Sucking Device of Packaging Machine for Heavy-Duty Bags[J]. Packaging Engineering, 2015, 36(17): 61-66.

[10] 王曉花, 丁世云, 張國(guó)全, 等. 大袋包裝機(jī)自動(dòng)套袋裝置設(shè)計(jì)[J]. 包裝與食品機(jī)械, 2010, 28(6): 21-24.

WANG Xiao-hua, DING Shi-yun, ZHANG Guo-quan, et al. Design of Big Bag Packing Machine Automatic Bagging Equipment[J]. Packaging and Food Machinery, 2010, 28(6): 21-24.

[11] 李仲明, 王振新, 陶向東. 非金屬礦大塊物料噸袋包裝機(jī)研制[J]. 非金屬礦, 2005, 28(5): 50-52.

LI Zhong-ming, WANG Zhen-xin, TAO Xiang-dong. Design & Manufacture of Packing-Machine of Lump Material[J]. Non-Metallic Mines, 2005, 28(5): 50-52.

[12] 姚浩然, 李光. 噸袋內(nèi)紙箱碼垛生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)與仿真[J]. 包裝工程, 2021, 42(7): 195-201.

YAO Hao-ran, LI Guang. Design and Research on the Production Line of Stacking Cartons in Ton Bags[J]. Packaging Engineering, 2021, 42(7): 195-201.

[13] DATTA P, MOHI G K, CHANDER J. Multi-Function Automatic Vertical Vffs Pillow Bag Packing Granule Powder Full Auto Packaging Machine[J]. Journal of Laboratory Physicians, 2018, 10(1): 6.

[14] 葉超喜, 孔晨曲, 程亮, 等. 流體顆粒噸袋包裝機(jī)研制[J]. 鹽業(yè)與化工, 2010, 39(6): 36-39.

YE Chao-xi, KONG Chen-qu, CHENG Liang, et al. Design & Manufacture of Jumbo Bagging Machine for Fluid Particle[J]. Journal of Salt and Chemical Industry, 2010, 39(6): 36-39.

[15] 張國(guó)全, 方忠華, 董結(jié), 等. 小顆粒狀物料噸袋充填機(jī)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的研究[J]. 包裝與食品機(jī)械, 2007, 25(1): 1-4.

ZHANG Guo-quan, FANG Zhong-hua, DONG Jie, et al. Study on Dynamic Weighing System Mathematic Model of Little Grainy Material Ton-Bag Filling Machine[J]. Packaging and Food Machinery, 2007, 25(1): 1-4.

[16] 蘇俊明, 李振亮, 李亞, 等. 噸袋包裝機(jī)料倉(cāng)額定容量設(shè)計(jì)計(jì)算方法研究[J]. 包裝工程, 2014, 35(7): 95-100.

SU Jun-ming, LI Zhen-liang, LI Ya, et al. Calculation Methods for Rated Capacity Design of Hopper in Ton Bag Packing Machine[J]. Packaging Engineering, 2014, 35(7): 95-100.

[17] 劉振華, 劉小平, 申曉辰. 論集裝單元化包裝的作用及對(duì)策[J]. 包裝工程, 2014, 35(17): 131-134.

LIU Zhen-hua, LIU Xiao-ping, SHEN Xiao-chen. Discussion on Effects of Integrated and United Packaging and Countermeasures[J]. Packaging Engineering, 2014, 35(17): 131-134.

[18] BENJAMIN I, MICHAEL V. Describing Cyber-physical Systems using Production Characteristics and Methodical Integration into Virtual Commissioning[J]. Procedia CIRP, 2021, 97: 272-277.

[19] ACHIM K, SASKIA W, NICOLAS L, et al. Model Improvement through Real Data Connection For Virtual Commissioning in Ramp-up Management of Scalable Production Systems[J]. Procedia CIRP, 2021, 99: 645-649.

[20] 廉磊. 基于NX MCD的機(jī)器人激光熔覆系統(tǒng)虛擬調(diào)試研究[D]. 秦皇島: 燕山大學(xué), 2020: 2-6.

LIAN Lei. Research on Virtual Commissioning of Robot Laser Cladding System Based on NX MCD[D]. Qinhuangdao: Yanshan University, 2020: 2-6.

[21] 黃海濤. 基于MCD的空心杯線圈成型裝置設(shè)計(jì)研究[D]. 貴陽(yáng): 貴州大學(xué), 2020: 8-18.

HUANG Hai-tao. Design and Research of Coreless Winding Forming Device Based on MCD[D]. Guiyang: Guizhou University, 2020: 8-18.

[22] 李浩, 陶飛, 王昊琪, 等. 基于數(shù)字孿生的復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造一體化開發(fā)框架與關(guān)鍵技術(shù)[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2019, 25(6): 1320-1336.

LI Hao, TAO Fei, WANG Hao-qi, et al. Integration Framework and Key Technologies of Complex Product Design-Manufacturing Based on Digital Twin[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2019, 25(6): 1320-1336.

Design and Virtual Commissioning of Intelligent Production Line of Ash Packaging

ZHANG Yue, FANG Cheng-gang

(School of Mechanical and Power Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 211899, China)

The purpose of this paper is to provide a feasible scheme for the automatic transformation project of ash packaging production line in a waste incineration plant, and design a fully automatic ash packaging intelligent production line. Based on the actual technological requirements of ash packaging, the overall design of production line and the layout of workstations were introduced. The design and working principle of neckline-opening device and robot special chucking claws were introduced. The formula of theoretical hitching-bag force was derived to guide the design of special chucking claws and ash dispensing barrel. On the basis of the structure design of the production line, virtual commissioning method based on NX MCD and virtual PLC was adopted to further verified whether the structure and layout can achieve all the working procedures of ash packaging without obstacles and simulate the working procedures of the whole packaging production line by combining PLC program. The simulation showed that the production line can realize 11 processes of ash packaging under control of PLC program fully-automatically and without boundaries. All 6 workstations of the production line can achieve unmanned operation. The original semi-automatic packaging production line can be modified by adding neckline opening device and robot and other equipment, which can solve the problems of automatic neckline-opening, taking and hitching for large jumbo bags for the original line.

jumbo bag packaging; NX MCD; virtual PLC; intelligent production line; virtual commissioning

TB486

A

1001-3563(2022)11-0226-10

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.11.030

2021–07–08

張?jiān)拢?997—），男，南京工業(yè)大學(xué)碩士生，主攻數(shù)字孿生與智能制造。

方成剛（1974—），男，博士，南京工業(yè)大學(xué)副教授，主要研究方向?yàn)閿?shù)控技術(shù)、智能裝備與控制技術(shù)。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋