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)實際自動化生產(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)化了自動化產(chǎn)線設(shè)計流程，設(shè)計了集送料、加工、裝配、輸送和分揀功能單元的自動化產(chǎn)線設(shè)備。為同類的自動化生產(chǎn)單元的設(shè)計提供了參考，具有一定的實際工程價值。
關(guān)鍵詞：自動化產(chǎn)線；S71500；虛擬仿真；數(shù)字孿生
為了提高市場競爭中的核心競爭力，各個公司大力培養(yǎng)出尖端的科研技術(shù)人員對自動化生產(chǎn)線進行研發(fā)和更新［1］?；赑LC技術(shù)設(shè)計了集送料、加工、裝配、運輸和識別分揀功能單元的智能生產(chǎn)線。PLC將實時控制設(shè)備的生產(chǎn)，配合氣動機械臂實現(xiàn)物料的加工傳遞，通過數(shù)字化的控制程序，保證了實時信號的傳輸可靠性，做到實體設(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)得以擁有核心競爭力［2］。
1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計
根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)要求和可行性分析，進行模塊化設(shè)計［3］。設(shè)計出如圖1所示的總體系統(tǒng)圖。本設(shè)計共分為兩部分：PLC控制系統(tǒng)和IOA虛擬仿真場景搭建。在IOA虛擬場景中共有傳輸單元、供料單元、加工單元、裝配單元、識別分揀單元五個模塊。
圖1總體系統(tǒng)圖
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
本設(shè)計采用德國西門子S7-1500系列CPU1512作為控制器來控制整個流程，硬件11個輸入繼電器，11個輸出繼電器和4個輔助繼電器。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應(yīng)分配I/O口和功能的部分關(guān)系表，其中，I10.0是整個系統(tǒng)工作的總開關(guān)，I10.1到I10.5系統(tǒng)對物料狀態(tài)，以便對物料進行分揀和出入庫。M0到M3是輔助繼電器，控制氣動機器臂和四軸機器手完成一系列的動作。
表1I/O口分配及功能
圖2控制系統(tǒng)場景布局
3 IOA場景搭建及仿真
3.1 IOA場景搭建
本文主要采用西門子PLC控制與IOA軟件通信，實現(xiàn)自動化的仿真［4］。如圖2所示。通過IOA仿真搭建出總體場景布局圖，傳輸單元、供料單元、加工單元、裝配單元、識別分揀單元五個部分組成。傳輸單元主要由傳送帶構(gòu)成，當運動開始時，傳送帶會自動不停地轉(zhuǎn)動來輸送物料，直到傳感器識別到物品的時候才會停止轉(zhuǎn)動。供料單元是在倉庫送料區(qū)和物料集中區(qū)，上料機將運送過來的物料通過托盤放置到傳送帶上。加工單元是待加工物件到達漫反射傳感器處，傳送帶停止，機器手抓取物件送至數(shù)控機床中，并進行加工等待，待數(shù)控車床加工完畢后，機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落在稱重傳感器上，待稱重傳感器值穩(wěn)定后，系統(tǒng)會將其與標準值進行比較，如果差值在額定范圍之內(nèi)，則為成品，升降機會下降，通過雙皮帶傳送至十字轉(zhuǎn)向處，此時十字轉(zhuǎn)向為X軸運動，將成品送入貨架之中［5］；否則十字轉(zhuǎn)向則會向Y軸運動，將殘次品送入垃圾堆，等待處理。識別分揀單元物料在傳送單元進行上料和集中之后，會在傳送帶上統(tǒng)一進行分揀處理，在傳送帶的末端有傳感器，可以識別物料的類型，并根據(jù)要求的不同進行不同的處理，然后由氣動機器手進行夾取分揀。
3.2 仿真運行及優(yōu)化
為了驗證場景搭建所存在的問題，通過仿真嘗試控制流水線的自動運行，在生產(chǎn)開始時，傳送帶開始運動，物料生成，傳輸單元開始將不同的物料集中到傳送帶上，等待分揀。當傳感器感受到物塊到達指定位置時，傳送帶停止運行，并對物塊的顏色進行判斷，判斷該物塊應(yīng)該運送到哪一條傳送帶上，如圖3所示。
圖3仿真運行場景
機器手下降，凹圓阻攔末端的吸盤氣動，將物塊吸住，準備進行運輸，傳送帶回復(fù)運行。機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。物料進入加工單元后，傳送帶開始運行，機器手準備就緒，當傳送帶末端傳感器接收到物料到達信號后，機器手執(zhí)行夾取動作，將物料放至加工機床內(nèi)處，等待加工完成。待物料加工完成之后，機器手會將物料送至裝配單元，放至在稱重傳感器上進行問題檢測。之后升降臺將會啟動，將物料送至傳送帶上進行入庫。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
為了保證生產(chǎn)單元的功能滿足實際的生產(chǎn)要求，對智能生產(chǎn)線的供料單元、識別分揀單元、傳輸單元、加工單元和裝配單元五個部分控制軟件進行設(shè)計。
4.1 總體程序設(shè)計
程序設(shè)計在西門子自動化控制設(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總體運行流程圖
如圖4所示，按下開始按鈕后，生產(chǎn)線開始啟動，此時，皮帶開始運行，機器手、氣動機器臂以及行走軸開始復(fù)位，當所有設(shè)備處于初始狀態(tài)時，初始化完成標志點亮，產(chǎn)線開始自動運行。生產(chǎn)開始時，傳輸單元皮帶開始運動，上料機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，當物塊到達傳動帶末端，分揀單元中的氣動機器臂開始運動，在設(shè)置好的取料點進行取料，并根據(jù)物料的類型，放置在加工傳送帶或者回收傳送帶。
當物料放置在加工傳送帶時，加工傳送帶開始運動，物料送至待加工處，機器手夾取物料并送入數(shù)控加工中心加工，計時器打開，等待加工完成，此時傳送帶繼續(xù)運行至下一個物料到達，傳送帶停止運行。待加工完成后，機器手將成品夾取至稱重傳感器處，進行判定，判定合格，十字傳送帶X軸運行，將成品入庫；判定為不合格，十字傳送帶Y軸運行，將殘次品送入回收。開始循環(huán)生產(chǎn)。
4.2 生產(chǎn)單元設(shè)計
（1）供料、傳輸單元程序控制
傳送帶的運動，是最基礎(chǔ)的控制，也是自動化流水線的基石。因此在控制傳送帶運動時，需要合理規(guī)劃好傳送帶運動的優(yōu)先級，在檢測物料、夾取物料、加工物料時，要保證傳送帶的靜止，防止出現(xiàn)檢測物體與夾取物體不一致的情況。輸出信號Q11.3和Q11.4來控制運動的上料機，當物料到達上料機時，PLC會發(fā)出上料指令控制氣動上料機，將物塊搬運到傳送帶上。輸入信號I11.6和I11.7，是上料機的氣缸兩端位置處傳感器的信號，當氣缸處于起點或者終點時，會產(chǎn)生不同的信號，以此來判斷此時的上料機位置。部分傳送啟動程序如圖5所示：
圖5部分傳送啟動程序
（2）識別分揀單元控制程序設(shè)計
當傳感器識別了物塊的顏色準備進行分揀時，先將此時的顏色進行反饋。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)計中的位置位置有三個：取料點、加工件放料點、其他物料放料點。在經(jīng)過測量確定了位置數(shù)據(jù)之后，將三個地址存到了DB塊的IOA數(shù)組之中，在使用時，根據(jù)場景需求的不同，利用單軸伺服來控制機器手前往不同的位置。
圖6識別分揀程序
（3）加工單元控制程序設(shè)計
機器手由伺服電機M1、M2、M3控制來保證其靈活地運動到指定的位置。在加工過程中，機器手處于待命狀態(tài)，定時器可以根據(jù)車床加工物料的不同，產(chǎn)生不同時間的定時。輸出變量Q10.5，在運輸時控制機器手的伺服軸使能，使得機器手的位置能夠受控制，如圖7所示。
圖7加工延時程序設(shè)計
5 結(jié)束語
在仿真調(diào)試中，通過對軟件進行測試，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)，可以進行仿真優(yōu)化。本設(shè)計利用IOA虛擬工廠，可以降低實際產(chǎn)線的運行成本，優(yōu)化生產(chǎn)結(jié)構(gòu)。
參考文獻
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［5］王凱.基于數(shù)字孿生的機器人裝配系統(tǒng)實驗研究［D］.銀川：寧夏大學(xué)，2022
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