王林森，王海霞*，申毅浩，李東亞，程 曉，邱瑾陽(yáng)

（蘇州大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 工學(xué)院，江蘇 蘇州 215300）

引言

市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品需求的多樣化，定制化，促使企業(yè)向自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化方向進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級(jí)。傳統(tǒng)的搬運(yùn)式物流生產(chǎn)模式已不符合現(xiàn)代制造業(yè)的需求，從精益化、自動(dòng)化角度出發(fā)，對(duì)現(xiàn)有中小型企業(yè)的物流生產(chǎn)線進(jìn)行自動(dòng)化改善顯得尤為重要。通過數(shù)字化仿真技術(shù)，為企業(yè)在輸送線設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試過程中提供方案和預(yù)測(cè)，解決輸送線從設(shè)計(jì)到制造全流程的問題，對(duì)企業(yè)提高生產(chǎn)效率、降低人工成本、縮短生產(chǎn)周期具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

數(shù)字化仿真技術(shù)的發(fā)展，促使眾多學(xué)者[1-3]對(duì)數(shù)字化仿真技術(shù)在各行業(yè)應(yīng)用進(jìn)行了廣泛的研究。賈晨輝等[1]研究了數(shù)字化仿真技術(shù)在轎車生產(chǎn)過程中應(yīng)用，提高工藝規(guī)劃質(zhì)量，縮短項(xiàng)目時(shí)間。滕繼東等[4]基于Plant Simulaton 平臺(tái)建立了數(shù)字化沖壓車間仿真平臺(tái)，并利用仿真平臺(tái)，結(jié)合精益理念，解決實(shí)際生產(chǎn)過程中浪費(fèi)現(xiàn)象，提高生產(chǎn)效率。除此之外，數(shù)字化仿真技術(shù)在汽車焊接噴涂[5]、海洋平臺(tái)[6]、航空航天等多個(gè)行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[7-8]，但大多研究者是對(duì)現(xiàn)有的工廠設(shè)備或產(chǎn)線進(jìn)行的改造或升級(jí)，對(duì)新產(chǎn)線設(shè)計(jì)與數(shù)字化工藝研究較少。

本研究針對(duì)實(shí)際玩具生產(chǎn)線需求，設(shè)計(jì)了一整套輸送線，包含傳送部分，升降部分以及頂升部分組成。然后，基于PDPS 軟件，導(dǎo)入整套輸送線三維模型，利用西門子PLCSIM 與PLC 軟件建立整個(gè)輸送線的工藝仿真流程，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證及動(dòng)作流程測(cè)試。

1 產(chǎn)線結(jié)構(gòu)

1.1 傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

基于生產(chǎn)產(chǎn)線需求，設(shè)計(jì)一套自動(dòng)化輸送線，用于運(yùn)送玩具車從裝配成品至倉(cāng)庫(kù)的輸送線。本裝置為雙層輸送線，一層為輸送線對(duì)接生產(chǎn)線裝配完成的成品；二層為輸送線對(duì)接倉(cāng)庫(kù)。由于考慮到傳動(dòng)間距、成本、以及保證傳動(dòng)過程中較為穩(wěn)定傳動(dòng)比，本次傳送方式整體采用帶傳動(dòng)方式。本機(jī)構(gòu)上下層輸送裝置傳動(dòng)形式一致，主要包含零部件有傳送帶、帶輪、輸送線支撐架、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳送軸等主要零件。

輸送帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)布局為電機(jī)放到輸送帶的中間位置，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶輪、傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)皮帶進(jìn)行水平移動(dòng)。

1.2 升降裝置設(shè)計(jì)及校核

升降裝置的作用為帶動(dòng)物料從一層傳送帶末端至二層位置，主要起到提升作用。根據(jù)升降精確性和升降高度要求，升降裝置采用的絲杠螺母副的傳動(dòng)方式進(jìn)行傳動(dòng)，主要包含伺服電機(jī)、軸承、絲杠、螺母副、燕尾型導(dǎo)軌、立柱底座、伸縮式絲杠防護(hù)罩等零部件組成，其具體升降裝置模型見圖1。

圖1 升降裝置

考慮到升降距離過長(zhǎng)，結(jié)合絲杠受力情況，對(duì)絲杠受力進(jìn)行了仿真驗(yàn)證分析，運(yùn)用三維軟件有限元分析，建立絲杠受力模型，給定絲杠受力。結(jié)果表明，絲杠應(yīng)力、位移、應(yīng)變滿足此裝置的使用要求，從理論上對(duì)絲杠承載變形的能力進(jìn)行了驗(yàn)證，圖2 為絲杠有限元仿真分析結(jié)果。

圖2 絲杠有限元分析

1.3 頂升裝置設(shè)計(jì)

頂升裝置位于第二層輸送帶中間位置，作用為把物料頂起，人工檢查物料是否合格，然后裝置下落，物料再隨傳送帶向前運(yùn)行。頂升裝置是由兩個(gè)氣缸，兩個(gè)導(dǎo)桿來控制行程，中間用的是伺服電機(jī)控制轉(zhuǎn)向，此電機(jī)的選是為了能夠可以實(shí)現(xiàn)任意角度的轉(zhuǎn)向以便在后期的檢查中更為精準(zhǔn)，圖3 為頂升裝置設(shè)計(jì)。

圖3 頂升裝置

1.4 三維模型導(dǎo)入PDPS

依據(jù)設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)總裝模型，為保證可以順利導(dǎo)入PDPS 中，在保存三維模型組件的過程中需要注意，文件的格式需要保存為.cojt 的格式文件，再通過PDPS導(dǎo)入整體模型，導(dǎo)入過程中需要定義每個(gè)組件的零件資源類型。

2 建立工藝仿真信號(hào)

輸送線包含傳感器，上下傳送帶，升降以及頂升氣缸等動(dòng)作信號(hào)。對(duì)于頂升氣缸，需要建立兩個(gè)運(yùn)動(dòng)邏輯關(guān)節(jié)，設(shè)定UP 和DOWN 兩個(gè)姿態(tài)，然后生成2個(gè)輸出和2 個(gè)輸入信號(hào)。建立升降臺(tái)的邏輯信號(hào)，此機(jī)構(gòu)創(chuàng)建兩個(gè)姿態(tài)信息，設(shè)定一層和二層兩個(gè)姿態(tài)，點(diǎn)擊創(chuàng)建邏輯塊信號(hào)。建立傳送帶信號(hào)，定義為線性概念機(jī)輸送線，定義傳送對(duì)象。通過自動(dòng)創(chuàng)建邏輯塊的方式，創(chuàng)建輸送線操作和邏輯信號(hào)，邏輯信號(hào)包括開始信號(hào)、停止信號(hào)、更改方向信號(hào)。

傳感器的信號(hào)，本次設(shè)計(jì)考慮采用光電傳感器放置在物料出現(xiàn)位置、物料到達(dá)一層傳送帶末端位置、二層傳送帶到位位置、二層傳送帶中間頂起氣缸位置共4 個(gè)傳感器，傳感器相當(dāng)于是一個(gè)輸入信號(hào)，需要把信號(hào)點(diǎn)連接至各個(gè)邏輯塊中。

為控制物料在PDPS 中生產(chǎn)線模式下可以自動(dòng)出現(xiàn)，創(chuàng)建兩個(gè)非仿真操作流信號(hào)，邏輯塊控制物料出現(xiàn)和消失。在所有動(dòng)作信號(hào)創(chuàng)建完成后，信號(hào)會(huì)在信號(hào)視圖中看到，需要把信號(hào)添加至仿真面板中去，此時(shí)信號(hào)未被賦予地址。通過將PDPS 軟件選項(xiàng)中的PLC 仿真轉(zhuǎn)為CEE 模式，驗(yàn)證所建立的信號(hào)是否正常動(dòng)作。圖4 為仿真面板中信號(hào)。

圖4 邏輯信號(hào)的建立

3 輸送線工藝仿真

3.1 PLC 及電機(jī)選型設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)將采用S7-1500 系列的PLC，運(yùn)行速度和控制軸的能力大大提升，PLC 設(shè)備采用128 個(gè)點(diǎn)位，帶有擴(kuò)展模塊。

為了保證各方面的安全和穩(wěn)定性，伺服電機(jī)在低速傳動(dòng)的場(chǎng)所，運(yùn)行平穩(wěn)而且精度比較高，而步進(jìn)電機(jī)在低速傳動(dòng)的時(shí)候傳動(dòng)容易發(fā)生震動(dòng)，在傳送皮帶的時(shí)候選用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在控制升降機(jī)構(gòu)的時(shí)候采用伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

3.2 PLC 程序設(shè)計(jì)

輸送線動(dòng)作流程為，一層傳送帶帶動(dòng)產(chǎn)品到達(dá)升降機(jī)的底部位置，感應(yīng)電眼接收信號(hào)后帶動(dòng)產(chǎn)品進(jìn)行上升，上升到二層位置將關(guān)閉升降電機(jī)同時(shí)開啟二層輸送帶的電機(jī)，物料離開升降臺(tái)時(shí)，升降臺(tái)電機(jī)反轉(zhuǎn)，到達(dá)一層最初位置等待。產(chǎn)品在二層輸送帶中間位置時(shí)，頂升氣缸動(dòng)作，檢測(cè)完成后，氣缸縮回，物料繼續(xù)在二層傳送帶動(dòng)作，直至傳送帶末端入庫(kù)。根據(jù)動(dòng)作邏輯，對(duì)PLC 動(dòng)作程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)PLC 模塊I/0 點(diǎn)進(jìn)行分配，其分配情況見圖5。

圖5 輸送線的I/O 點(diǎn)位分配表

3.3 輸送線工藝流程仿真

S7-PLCSIM Advanced V3.0 可以用作連接PLC程序和PDPS 工藝仿真工具。首先，使用博圖編程軟件對(duì)PLC 程序進(jìn)行編譯下載，把PLC 程序與PLCSIM連接。其次，在PDPS 與PLC advanced3.0 進(jìn)行連接的時(shí)候，轉(zhuǎn)成PLC 的外部連接，然后選擇PLCSIM 中實(shí)例進(jìn)行連接，再進(jìn)行驗(yàn)證，PDPS 軟件就與PLCSIM連接。

通過工藝流程仿真，實(shí)現(xiàn)一層輸送線運(yùn)送物料至升降裝置，升降動(dòng)作是由傳感器檢測(cè)到信號(hào)之后啟動(dòng)。繼升降臺(tái)到達(dá)位置之后，二層輸送帶啟動(dòng)，帶動(dòng)物料進(jìn)行二層傳動(dòng)，過程中頂升氣缸位置會(huì)進(jìn)行檢測(cè)。PLC 程序與工藝仿真流程見圖6。

圖6 PLC 與PDPS 運(yùn)行測(cè)試

通過工藝運(yùn)行測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，頂升機(jī)構(gòu)有些零部件運(yùn)行過程中有部分干涉，修改三維模型；輸送線運(yùn)送物料過程時(shí)間可以利用工藝流程仿真測(cè)算，能夠計(jì)算出從物料從裝配線至倉(cāng)庫(kù)所需要整體時(shí)間。表明通過對(duì)輸送線進(jìn)行全流程的工藝仿真，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)線在設(shè)計(jì)、制造以及運(yùn)行中的問題，提前針對(duì)這些問題，提出改善方案，使得輸送線正常運(yùn)行過程中不會(huì)出現(xiàn)干涉或者位置調(diào)整的問題，提高產(chǎn)線改造效率，幫助企業(yè)提高生產(chǎn)效益。

4 結(jié)論

本研究基于PDPS 軟件，開展了對(duì)玩具輸送線的設(shè)計(jì)與工藝流程仿真研究，具體分為3 個(gè)部分：

（1） 設(shè)計(jì)輸送線三維模型，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)合理性及機(jī)械機(jī)構(gòu)對(duì)產(chǎn)線布局的優(yōu)化，對(duì)絲杠強(qiáng)度校核。

（2） 創(chuàng)建工藝仿真動(dòng)作信號(hào)，同時(shí)驗(yàn)證動(dòng)作信號(hào)創(chuàng)建完成后的準(zhǔn)確性。

（3） 完成輸送線工藝仿真，建立PLCSIM 與PLC、PDPS 連接，完成PLC 程序控制工藝流程動(dòng)作的仿真運(yùn)行。

通過輸送線工藝仿真，明確工藝流程，盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)階段或者運(yùn)行階段問題，運(yùn)用PDPS 軟件對(duì)其進(jìn)行虛擬驗(yàn)證，使得仿真和實(shí)際運(yùn)行保持一致。PDPS 仿真技術(shù)將會(huì)助力于企業(yè)縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量，優(yōu)化生產(chǎn)流程，為中國(guó)制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供動(dòng)力。