基于數(shù)字孿生的自動化生產(chǎn)線供料機構(gòu)控制研究

摘" 要：為解決傳統(tǒng)生產(chǎn)線自動化改造、升級過程中存在的周期長、成本高、效率低等問題，設(shè)計一種適用于3C生產(chǎn)線的料盤自動供給與疊收裝置，并以此裝置為對象開展針對生產(chǎn)線自動化、智能化的設(shè)計開發(fā)研究。創(chuàng)建料盤自動供給與疊收裝置各部件三維數(shù)字模型，分析料盤自動供給與疊收的工作流程，設(shè)計可視化監(jiān)控與人機交互界面以及整套控制系統(tǒng)。采用數(shù)字孿生平臺對其進行物理屬性的定義和交互信號的設(shè)置，通過虛擬環(huán)境對結(jié)構(gòu)和控制進行仿真驗證，制作料盤自動供給疊收裝置的樣機。實現(xiàn)數(shù)據(jù)連接與交互及可視化操作監(jiān)視，為傳統(tǒng)生產(chǎn)線自動化、智能化改造升級提供思路。

關(guān)鍵詞：供料機構(gòu)；數(shù)字孿生；虛擬調(diào)試；生產(chǎn)線；自動化

中圖分類號：TP23" " " 文獻標志碼：A" " " " " "文章編號：2095-2945（2024）35-0125-05

Abstract： To solve the problems of long cycle， high cost， and low efficiency in the automation transformation and upgrading process of traditional production lines， a tray automatic supply and stacking device suitable for 3C production lines has been designed， and research on the design and development of production line automation and intelligence has been carried out based on this device. A 3D digital model of each component of the automatic supply and stacking device for the material tray was created， and the workflow of automatic supply and stacking of the material tray was analyzed. A complete control system including PLC and HMI interface was designed using TIA Portal. We used the NX MCD platform to define its physical properties and set up interactive signals， and simulated and verified its structure and control through a virtual environment. We also developed a prototype of an automatic feeding and stacking device for material trays. Implemented data connection and interaction， as well as visual operation monitoring， providing ideas for the automation and intelligent transformation and upgrading of traditional production lines.

Keywords： material supply equipment; digital twin; virtual debugging; production line; automation

隨著工業(yè)機器人、互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)等技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)過程越來越趨于自動化、智能化，促進著經(jīng)濟騰飛、生活水平提升的同時，也使勞動力成本越來越高，依靠廉價勞動力發(fā)展起來的傳統(tǒng)制造業(yè)面臨著巨大的危機[1]。如何幫助企業(yè)對傳統(tǒng)生產(chǎn)模式改造升級，實現(xiàn)達到節(jié)約人力成本、保證質(zhì)量、快速投產(chǎn)的目標，是一個具有挑戰(zhàn)性的關(guān)鍵問題。

新一代智能制造系統(tǒng)通過集成人、信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的各自優(yōu)勢，形成自學(xué)習(xí)、自感知、自適應(yīng)、自控制的智能產(chǎn)線、智能車間和智能工廠， 實現(xiàn)產(chǎn)品制造的高質(zhì)、柔性、高效、安全與綠色[2]。數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)運而生，在虛擬空間中創(chuàng)建物理對象的高保真多維虛擬模型，通過孿生融合數(shù)據(jù)以及虛實閉環(huán)交互機制，實現(xiàn)監(jiān)測、仿真、評估、預(yù)測、優(yōu)化和控制等功能服務(wù)[3]，從而被認為是實現(xiàn)信息物理深度融合的有效手段，是實現(xiàn)智能制造的關(guān)鍵使能技術(shù)之一[4]。在智能生產(chǎn)線方面，施佳宏等[5]提出面向生產(chǎn)線仿真的數(shù)字孿生邏輯模型構(gòu)建方法， 從幾何、物理、生產(chǎn)行為和仿真規(guī)則4個維度闡述數(shù)字孿生邏輯模型， 并通過生產(chǎn)線實例仿真驗證了建模方法的有效性。張曉萍等[6]設(shè)計了基于數(shù)字孿生技術(shù)的灌裝生產(chǎn)線動態(tài)模型監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)理瓶、貼標、灌裝、旋蓋和倉儲等生產(chǎn)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集、動態(tài)監(jiān)控和可視化管理。

本文運用數(shù)字孿生技術(shù)，建立自動化生產(chǎn)線供料機構(gòu)的數(shù)字模型，賦予模型各部件機械、物理屬性，根據(jù)3C產(chǎn)品生產(chǎn)線的工作需求，分析與設(shè)計了料盤自動供給與疊收的工作流程，并對其進行運動控制，通過仿真驗證了供料機構(gòu)的功能。通過虛擬環(huán)境仿真驗證，確定最優(yōu)版本后制作了料盤自動供給疊收機構(gòu)樣機。構(gòu)建了料盤自動供給疊收機構(gòu)的數(shù)字孿生系統(tǒng)，對料盤分離、運輸、疊收等區(qū)域的信息進行采集，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)連接與交互及可視化操作監(jiān)視，為傳統(tǒng)生產(chǎn)線改造升級提供設(shè)計思路。

1" 料盤自動供給疊收裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

在工業(yè)生產(chǎn)線尤其是3C產(chǎn)品生產(chǎn)線，完成自動生產(chǎn)關(guān)鍵的一步是自動供料。電子元件物料體積相對較小，大多使用料盤包裝。要實現(xiàn)自動供料需要將整疊料盤按照實際用料情況，一盤一盤有序地移載到傳送帶，輸送到工作區(qū)以備使用，待整盤物料使用完畢后需要對料盤一一進行疊收。自動供料機構(gòu)能夠完成自動上下料操作，減少整條產(chǎn)線等待和處理的時間，減少人工干預(yù)的需求，便于與機器人工作站進行系統(tǒng)集成，提高生產(chǎn)效率，是自動化智能化生產(chǎn)制造過程的重要環(huán)節(jié)之一。

本研究設(shè)計了一種料盤自動供給與疊收裝置，如圖1所示。該裝置包含料盤分離機構(gòu)、料盤疊收機構(gòu)、料盤定位機構(gòu)和料盤運輸機構(gòu)。根據(jù)功能可以分為料盤供給區(qū)、料盤疊收區(qū)、料盤工作區(qū)，裝置各機構(gòu)主要零部件清單見表1。

2" 料盤自動供給疊收裝置的控制

在本供料裝置中運用西門子PLC-1500來控制料盤的自動供給、料盤的往返運輸、料盤的回收疊放。料盤最初是碼放在供給區(qū)域中，通過3只氣缸相互配合完成料盤的分離，分離出的料盤在輸送線的帶動下被運送到工作區(qū)域，由阻擋氣缸和定位氣缸進行定位，為機器人或其他自動拾取機構(gòu)提供物料供給。當料盤中的物料被取完后，空料盤在輸送線的帶動下被運送到回收區(qū)域，在收料阻擋氣缸和收料頂升氣缸的配合下完成空料盤的疊收。為了確保自動生產(chǎn)的安全性，在緊急或斷電情況下保持氣缸動作不變，所有氣缸采用雙電控電磁換向閥。

2.1" 料盤自動供給疊收裝置工作流程分析

料盤自動供給疊收裝置主要應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)線尤其是工業(yè)機器人工作站，將整疊碼放整齊的物料料盤，根據(jù)生產(chǎn)的需求，經(jīng)過高效、準確、連貫的動作，實現(xiàn)物料自動有序的供給以及料盤的回收。此裝置的工作流程可以分為“供”和“收”2條主線。

為完成供料這一功能，如圖2供料部分流程所示，系統(tǒng)啟動后，首先檢測是否有料盤供應(yīng)需求，當接收到料盤供應(yīng)需求信號后，通過感應(yīng)器判斷供應(yīng)端待使用區(qū)域是否有料盤，如果有料盤，料盤頂升氣缸做伸出動作，托料氣缸收回，在輸送線上放置一個料盤后，托料氣缸伸出，料盤頂升氣缸收回，將剩余料盤置于供應(yīng)端待使用區(qū)域。輸送線感應(yīng)到分離出來的單個料盤，啟動電動機正轉(zhuǎn)，料盤輸送至工作區(qū)時，料盤到位感應(yīng)器感應(yīng)到信號制停電機，使料盤準確停在特定區(qū)域。料盤的疊收流程如圖2收料部分流程所示，當料盤內(nèi)的物料使用完畢，發(fā)出料盤收回請求，料盤疊收區(qū)首先判斷是否滿倉，在未滿倉的情況下，定位氣缸收回，到位阻擋氣缸收回，電機反轉(zhuǎn)運行，將空料盤輸送至料盤疊收區(qū)，收料阻擋氣缸升起，將料盤疊收，料盤疊收到位后電機停止，收料頂升氣缸做伸出再收回的動作，阻擋氣缸也收回，將料盤放置于疊收機構(gòu)上，完成料盤的疊收。

2.2" 控制要求

2.2.1" 自動控制系統(tǒng)

供料機構(gòu)一般有自動和手動2種運行模式，當系統(tǒng)處于自動運行模式，通電和氣源接通后，系統(tǒng)有啟動和停止操作開關(guān)。設(shè)置有緊急停止和復(fù)位開關(guān)，當設(shè)備出現(xiàn)故障或者發(fā)生危險行為時，能夠緊急制停。操作人員詳細檢查設(shè)備狀況，在安全的情況下，復(fù)位后設(shè)備才能啟動。

2.2.2" 手動控制系統(tǒng)

手動控制是需要操作人員根據(jù)現(xiàn)場情況，分步驟手動控制完成作業(yè)的模式。在這里，將料盤分離時料盤頂升氣缸、托料氣缸、到位阻擋氣缸的連貫動作合稱為“取料盤”，將料盤回收時到位阻擋氣缸、收料阻擋氣缸、收料頂升氣缸的連貫動作合稱為“收料盤”。因此手動操作可歸納為向前輸送料盤、向后輸送料盤、取料盤和收料盤4個動作。

2.2.3" 工作狀態(tài)監(jiān)測

對傳送帶是前進或者后退，有無料盤，是否物料需求，是否正在取料盤，是否有待回收空料盤，料盤存放處是否滿倉，是否正在收料盤進行實時監(jiān)測。

2.2.4" 信號監(jiān)測

為了準確獲取設(shè)備運行過程中，各個動作、傳感部件的實時信息，需要對其關(guān)鍵信號進行采集和監(jiān)測，比如氣缸活塞是伸出還是收回，各傳感器是否監(jiān)測到相應(yīng)信號等。

2.3" 人機交互界面設(shè)計

在本套裝置中，采用西門子SIMATIC HMI KTP700作為人機交互界面，搭建操作員與控制系統(tǒng)之間進行對話和相互作用的橋梁。與控制要求一一匹配，人機交互界面由自動、手動、工作狀態(tài)、信號4個畫面組成。如圖3（a）自動控制界面除了有啟動、停止操作鍵，還有急停和復(fù)位鍵，以滿足自動運行中突發(fā)狀況的安全處理。圖3（b）手動控制界面，分為對傳送帶的“前進”“后退”操作，和對料盤的“取料盤”“收料盤”操作。圖3（c）工作狀態(tài)監(jiān)測畫面，可以直觀看到傳送帶、料盤供給側(cè)、料盤回收側(cè)的狀態(tài)。圖3（d）信號監(jiān)測畫面，可以詳細獲取各氣缸、傳感器等信號。

3 料盤自動疊收裝置的數(shù)字孿生系統(tǒng)

3.1 數(shù)字孿生系統(tǒng)框架

根據(jù)數(shù)字孿生五維模型的概念[7]，本文設(shè)計了自動生產(chǎn)線供料機構(gòu)數(shù)字孿生系統(tǒng)框架，如圖4所示，主要包括自動供料機構(gòu)的物理實體、數(shù)字模型、孿生數(shù)據(jù)和可視化操作監(jiān)控平臺4個部分。

物理實體是真實的自動供料機構(gòu)樣機，配合機器人工作站完成供料作業(yè)。虛擬模型是自動供料機構(gòu)的數(shù)字模型，與物理實體一一映射，對生產(chǎn)過程實時監(jiān)測與調(diào)控?？梢暬僮鞅O(jiān)控平臺是數(shù)據(jù)驅(qū)動的各類監(jiān)視和控制服務(wù)的集合，能夠接收孿生數(shù)據(jù)并輸出檢測信息，又能夠?qū)⑵脚_的控制信息傳遞給物理實體和數(shù)字模型。孿生數(shù)據(jù)包含了從物理實體、數(shù)字模型和可視化操作監(jiān)控平臺獲取的感知數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)、服務(wù)數(shù)據(jù)以及三者融合迭代衍生的數(shù)據(jù)，來驅(qū)動物理實體、數(shù)字模型、可視化操作監(jiān)控平臺的運行。

3.2" "數(shù)字模型的機電概念屬性

西門子MCD（Mechatronics Concept Designer）在產(chǎn)品開發(fā)的早期階段能夠?qū)?fù)雜的機電系統(tǒng)進行虛擬測試和驗證。在MCD環(huán)境下對料盤、氣缸、傳送帶等與運動相關(guān)的零部件進行機電屬性配置，使其具有與真實物體相同的質(zhì)量、轉(zhuǎn)矩、摩檫力、速度和位置等物理屬性和運動屬性。包含剛體的設(shè)置、碰撞體的設(shè)置、運動副和約束的設(shè)置、執(zhí)行器的設(shè)置[8]等。如表2所示，在該裝置中將各個運動的零部件包括料盤、氣缸活塞、活塞桿以及隨活塞桿一起運動的零部件，疊料機構(gòu)的偏心塊等設(shè)為剛體。料盤的部分面、傳送皮帶表面以及疊料裝置的部分機構(gòu)設(shè)置為碰撞體。各個做往復(fù)直線運動氣缸的活塞設(shè)置移動副。料盤回收機構(gòu)的偏心塊繞中心軸作回轉(zhuǎn)運動，設(shè)置為鉸鏈副。對氣缸活塞桿的移動進行位置控制，將皮帶設(shè)置為傳輸面，并進行速度控制。檢測料盤位置的光電傳感器設(shè)置為碰撞傳感器。主要檢測氣缸活塞位置的磁性傳感器設(shè)置為距離傳感器，并將其指示燈設(shè)置為顯示更改器，當傳感器被激活時觸發(fā)顯示相應(yīng)的顏色。

3.3" 數(shù)據(jù)通信交互

料盤自動供給與疊收裝置的物理實體與虛擬模型之間建立通訊連接，是實現(xiàn)虛實空間信息傳輸與反饋決策的重要環(huán)節(jié)。如圖5所示，料盤自動供給與疊收裝置的物理實體包括機械部件、控制部件、執(zhí)行部件、傳感器部件等，與PLC通過PROFINET的現(xiàn)場總線方式連接，可以兼容工業(yè)以太網(wǎng)及現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)。PLC控制器與HMI的通信方案選擇以太網(wǎng)通信連接，保障作業(yè)人員在HMI中的輸入有效快捷地傳送到控制器中。裝置的數(shù)字孿生模型通過MX MCD中的信號適配器進行信號創(chuàng)建、參數(shù)設(shè)定、公式編輯，進而控制裝置的運行動態(tài)，與控制器通過PLCSIM Advanced通信。

4" 虛擬調(diào)試

采用TIA Portal結(jié)合PLCSIM Advanced和NX MCD的解決方案進行虛擬調(diào)試，創(chuàng)建一個高度真實的模擬環(huán)境，以驗證和優(yōu)化料盤自動供給與疊收裝置的性能。在TIA Portal中配置PLC項目，包括硬件組態(tài)和PLC程序編寫。在NX MCD中建立與PLCSIM Advanced的信號連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和邏輯控制。

啟動仿真，進行自動模式的驗證，按下啟動按鈕，系統(tǒng)首先檢測供給端是否有料盤，在有料盤且有物料需求下，裝置自動做“取料盤”放置于輸送線的動作，輸送至工作區(qū)域觸碰定位開關(guān)后停止，等待整盤物料使用完畢，發(fā)送空料盤回收信號，在料倉未滿的情況下，將料盤輸送至疊收區(qū)，完成自動疊收動作。而手動模式下根據(jù)實際工作狀態(tài)，分別按下“向前”“后退”可以實現(xiàn)料盤輸送，按下“取料盤”，可以觀察到料盤分離后置于輸送線上，按下“收料盤”可以觀察到料盤的自動疊收動作。自動和手動均可完成相應(yīng)工作，同時狀態(tài)檢測和信號檢測能夠準確實時顯示當前情況，仿真界面如圖6所示。通過運行調(diào)試，料盤自動供給與疊收裝置機械結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，無干涉碰撞行為，控制系統(tǒng)符合生產(chǎn)線運行規(guī)律，滿足生產(chǎn)線使用要求。

5" 結(jié)論

本文根據(jù)3C自動化生產(chǎn)線的物料供應(yīng)需求，設(shè)計了一種用于3C自動化生產(chǎn)線的料盤自動供給與疊收裝置，完成了三維數(shù)字模型的構(gòu)建。應(yīng)用TIA Portal軟件設(shè)計了包含PLC和HMI界面的控制系統(tǒng)。采用NX MCD平臺通過虛擬環(huán)境仿真驗證了設(shè)計。得到了如下結(jié)論：

1）數(shù)字孿生技術(shù)在料盤自動供給與疊收裝置的開發(fā)過程中發(fā)揮了重要作用，在虛擬環(huán)境中模擬仿真了物理實體的運行過程，從而在生產(chǎn)制造之前，以較為便捷、高效的方式驗證了機械部件及控制系統(tǒng)的可行性、可靠性。通過這種方式，可以在早期發(fā)現(xiàn)設(shè)計的不足和缺陷，并進行優(yōu)化和測試，再確定最終的設(shè)計版本，不僅縮短了設(shè)備開發(fā)周期，還提高了設(shè)計開發(fā)效率，減少了加工和調(diào)試成本。

2）搭建了自動供料與疊收裝置的數(shù)字孿生模型并與物理模型實現(xiàn)一一映射，對料盤分離、運輸、疊收等區(qū)域的信息進行采集，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)連接與交互及可視化操作監(jiān)視。

3）在新產(chǎn)線建設(shè)或舊產(chǎn)線升級改造規(guī)劃階段，數(shù)字孿生技術(shù)可以根據(jù)生產(chǎn)計劃，實現(xiàn)產(chǎn)線布局規(guī)劃、生產(chǎn)流程分析等，以科學(xué)指導(dǎo)產(chǎn)線方案選擇。在新產(chǎn)線建設(shè)或舊產(chǎn)線升級改造完成后，通過數(shù)字孿生技術(shù)，可以實時監(jiān)控生產(chǎn)線的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并解決問題，降低設(shè)備故障率，減少停機時間，提高生產(chǎn)效率。

參考文獻：

[1] 李廉水，石喜愛，劉軍.中國制造業(yè)40年：智能化進程與展望[J].中國軟科學(xué)，2019（1）：1-9，30.

[2] 周濟，李培根，周艷紅，等.走向新一代智能制造[J].Engineering，2018，4（1）：28-47.

[3] SCHLUSE M， PRIGGEMEYER M， ATORF L， et al. Experimentable digital twins-Streamlining simulation-based systems engineering for industry 4.0[J]. IEEE Transactions on industrial informatics， 2018，14（4）： 1722-1731.

[4] 陶飛，程穎，程江峰，等.數(shù)字孿生車間信息物理融合理論與技術(shù)[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2017，23（8）：1603-1611.

[5] 施佳宏，劉曉軍，劉庭煜，等.面向生產(chǎn)線仿真的數(shù)字孿生邏輯模型構(gòu)建方法[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2022，28（2）：442-454.

[6] 張曉萍，竇金生，宋天麟，等.基于數(shù)字孿生的生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].包裝與食品機械，2022，40（4）：73-78.

[7] 陶飛，劉蔚然，張萌，等.數(shù)字孿生五維模型及十大領(lǐng)域應(yīng)用[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2019，25（1）：1-18.

[8] 馬桂潮.基于數(shù)字孿生技術(shù)的小型自動化生產(chǎn)線機電一體化概念設(shè)計與控制仿真[J].機電信息，2024（12）：52-55.