數(shù)字孿生與傳感器測試技術在PVC板材裝配產(chǎn)線的應用

張德福，蔡延光

（廣州理工學院智能制造與電氣工程學院，廣州 510540）

0 引言

在很多機器人集成運用生產(chǎn)線設計中傳感器得到廣泛應用，運用視覺傳感器預處理中的圖像增強主要用于解決因圖像獲取過程中存在各種不確定因素易導致圖像質(zhì)量下降或退化等問題，改善圖像視覺效果[1-3]。

傳統(tǒng)的設備故障維護方式已經(jīng)不能適應現(xiàn)階段工業(yè)機器人集成智能化程度，必須不斷加強研究工業(yè)機器人使用過程中的智能故障預測方法，通過實時獲取機器人的健康狀態(tài)，提前開展相關維護管理措施，保證工作機器人的穩(wěn)定作業(yè)，降低故障概率。

利用數(shù)字孿生技術和信息物理融合的方法，通過數(shù)據(jù)采集和實時通信，設計了虛擬模型與工業(yè)機器人協(xié)同作業(yè)，采用邊-云協(xié)同和深度學習方法建立了算法框架，通過群組聚類分析能夠快速檢測出故障[4-6]。

光纖傳感器是由電介質(zhì)材料石英制成，是一種電絕緣、耐腐蝕的傳輸媒質(zhì)，因此它具有安全可靠性高、工作壽命長的優(yōu)點，光纖傳感器傳輸?shù)氖枪庑盘?，所以其抗電磁干擾能力強，能夠適用于溫差較大、環(huán)境惡劣的地方[7]。

自動化生產(chǎn)逐步向智能化生產(chǎn)方向發(fā)展中，傳感器靜態(tài)特性和動態(tài)特性變化決定了信號傳送的準確性，因此分析、掌握和控制生產(chǎn)過程中傳感器的線性度、靈敏度、遲滯、重復性等各個參數(shù)數(shù)據(jù)變化，是設備實現(xiàn)智能化生產(chǎn)關鍵[8]。

上述研究中對數(shù)字孿生技術沒有具體案例來說明實際應用作用，對傳感器的檢測沒有通用具體方法。本文意在利用數(shù)字孿生技術和軟件檢測傳感器技術對PVC 板材裝配產(chǎn)線建模模擬仿真和對傳感器特性進行檢測，是減少機械傳動設計誤差、提高檢測控制系統(tǒng)功能，保證生產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)拍無誤銜接的必要措施。

1 PVC板材自動組裝工藝流程分析

1.1 裝訂要求

三合一PVC 板材組裝自動化生產(chǎn)線是完成2 張PVC板材正反面裝訂在鋁合金骨架上，2 張PVC 板材要與骨架四周及中間的3根橫梁進行裝訂。

1.2 工藝流程順序

根據(jù)裝訂要求確定工藝流程為：上龍骨框架；上PVC 板；鎖螺釘；翻面；上PVC 板；鎖螺釘；下料碼垛。工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程

2 PVC板材自動組裝生產(chǎn)線總體設計

根據(jù)PVC板材組裝生產(chǎn)線裝訂工藝要求，整體生產(chǎn)線分為4個模塊：輕鋼龍骨上料模組、上板及打螺釘模組、翻轉(zhuǎn)輸送機、下料碼垛模組?？傮w生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)設計采用美云智數(shù)數(shù)字孿生工業(yè)軟件平臺建模仿真，如圖2所示。

圖2 PVC板材組裝自動化生產(chǎn)線總體結(jié)構(gòu)

各模塊作用介紹如下。

（1）輕鋼龍骨上料模組

輕鋼龍骨上料模組包括可對中定位滾筒線、龍骨組裝臺。工人把組裝好框架放于輸送線上，滾筒線對中機構(gòu)將龍骨定位好，滾筒線將工件送至螺釘機處，如圖3所示。

圖3 輕鋼龍骨上料模組

（2）上板及打螺釘模組

上板及打螺釘模組在產(chǎn)線上共設置兩套，一套用于正面PVC 板上板組裝打螺釘，一套用于反正PVC 板上板組裝打螺釘。

人工將PVC 板上料，機器人運用真空吸盤將PVC 板逐個拆垛，放到二次定位臺后再吸取PVC 板放入滾筒線上的限位合板機構(gòu)，當限位合板后，自動鎖螺絲機上的兩組打螺釘機構(gòu)按設定進行打螺釘，將PVC 板固定在龍骨上，如圖4所示。

圖4 上板及打螺釘模組

（3）自動鎖螺絲機

自動鎖螺絲機與滾筒線融合一體，配合限位合板機構(gòu)工作，限位合板采用兩邊固定兩邊活動方式將龍骨及PVC板限位合好并壓緊。

安裝在XY伺服行走機構(gòu)上的電批及螺絲機按設定對合好的PVC板打螺釘以固定在龍骨上，如圖5所示。

圖5 自動鎖螺絲機

（4）翻轉(zhuǎn)輸送機

翻轉(zhuǎn)輸送機是用于兩套正反面上板及打螺釘模組間的墻體模塊進行翻面，將未組裝PVC 板面翻到上面，并輸送到上板打螺釘模組的機構(gòu)，如圖6所示。

圖6 翻轉(zhuǎn)輸送機

（5）碼垛模組

墻體模塊下料碼垛模組是將墻體模塊成品從產(chǎn)線下料并碼垛的模組。墻體模塊輸送到尾端的定位阻擋工裝前停好，機器人抓手抓取成品并放在滾筒碼垛位上進行碼垛，如圖7所示。

圖7 碼垛模組

3 傳感器分布及檢測

3.1 檢測系統(tǒng)介紹

3.1.1 測試系統(tǒng)基本參數(shù)

該測試系統(tǒng)開發(fā)的硬件環(huán)境：CPU為i3-8100，內(nèi)存容量為8 GB，顯卡為GTX 1050TI，操作系統(tǒng)為Windows所有系統(tǒng)，該軟件的運行平臺/操作系統(tǒng)為Windows 所有系統(tǒng)，編程語言為C語言，源程序量9 443行。

3.1.2 檢測系統(tǒng)功能

測試軟件系統(tǒng)是測試生產(chǎn)線工藝流程中各環(huán)節(jié)傳感器的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，可以實現(xiàn)溫度、濕度、壓力、力、力矩、位移、振動等物理量的顯示、記錄、越限監(jiān)控、報表生成、數(shù)據(jù)通信、信號變送以及流量累計等功能。系統(tǒng)并會對隨時產(chǎn)生的日常工作進行實時記錄，對相應的信息進行存儲，控制數(shù)據(jù)合理性、合法性，動態(tài)地為管理提供可靠的依據(jù)，為相關工作提供有效的數(shù)據(jù)，顯示界面如圖8～9所示。

圖8 顯示界面

圖9 參數(shù)設置

3.2 PVC板材生產(chǎn)線傳感器分布

在PVC 板材生產(chǎn)線流程中在各個環(huán)節(jié)安裝有不同類型的傳感器，對位置、速度、角度和壓力等外界信號采集和輸出控制執(zhí)行機構(gòu)姿態(tài)，使各模塊銜接符合生產(chǎn)節(jié)拍和加工質(zhì)量要求。

3.2.1 輕鋼龍骨上料模組檢測

這個環(huán)節(jié)在輸送機的邊緣安裝有4個氣動缸和4個光電傳感器，當輕鋼龍骨上料在輸送機上，4 個光電傳感器檢測采集到鋼龍骨后將信號傳給PLC，PLC 輸出信號驅(qū)動氣動電磁換向閥[9]，氣動活塞桿伸出，將輕鋼龍骨擺正處在輸送機的中線上，擺正后活塞桿收回。

3.2.2 打螺釘模組檢測

首先，PVC 板材第二次定位臺上目的在于使氣動機械手準確吸附板材，重復定位精度符合機器人重復定位精度，保證真空吸附機器人上料到龍骨架位置準確，龍骨架輸送到打螺釘模組后四周要對中合板限位，打螺釘模組后端安裝有位置傳感器，檢測到龍骨架到位后輸送機停止，每邊安裝有2 組氣動缸，氣缸活塞桿伸出后將龍骨架和PVC 板材對齊擺正，同時在壓力控制閥進氣口安裝有壓力傳感器，控制負載大小，一是對板材夾緊對中，再就是不至于損壞板材或板材錯位。

3.2.3 自動鎖螺絲機檢測

自動鎖螺絲機是3 個自由度的橫梁式機器人，機器人已經(jīng)內(nèi)置并設定固定裝訂位置的運行程序，在射釘槍側(cè)面安裝有90°互相平行于側(cè)面的距離傳感器，會自動檢測到射釘槍到PVC板材邊緣的距離，使X、Y軸的坐標確定裝訂點的坐標位置，Z軸安裝有測量深度距離傳感器控制Z軸上的移動距離。這些傳感器主要采集信號來控制3 自由度坐標式機器人在XYZ軸3 個方向的移動距離，到達準確裝訂的目的，如果傳感器出現(xiàn)超前或滯后傳遞信號，都會使裝訂深度和距離不同。

3.2.4 翻轉(zhuǎn)輸送機檢測

在翻轉(zhuǎn)輸送機傳動軸上安裝角度傳感器，檢測翻轉(zhuǎn)輸送機翻轉(zhuǎn)角度，翻轉(zhuǎn)機旋轉(zhuǎn)180°，在翻轉(zhuǎn)機的左端裝有位置傳感器，檢測龍骨架和PVC 板材已經(jīng)到達端部，把信號傳給PLC后輸出驅(qū)動接觸器閉合使翻轉(zhuǎn)電機啟動，如果翻轉(zhuǎn)角度大于或小于180°都會使板材卡在翻轉(zhuǎn)輸送機內(nèi)，不能輸送到下一個環(huán)節(jié)。

4 系統(tǒng)測試與運行

系統(tǒng)測試與運行目的在于調(diào)試各模塊工作狀態(tài)是否符合設計要求和各模塊之間協(xié)作情況，主要檢測分析傳感器靈敏度、直線度和分辨率等技術參數(shù)是否符合設備設計信號要求，這些技術參數(shù)影響PLC 梯形圖掃描程序準確性、影響驅(qū)動裝置和執(zhí)行機構(gòu)是準確否正常工作，所以檢測傳感器靜態(tài)特性和動態(tài)特性是信號采集重要的指標。

該系統(tǒng)中對傳感器數(shù)據(jù)采樣采用均值濾波算法對傳感器數(shù)據(jù)樣本進行分析原理是以該實時數(shù)據(jù)周圍快速采集的10個數(shù)據(jù)點取平均操作，然后替代該數(shù)據(jù)，均值濾波又稱為“算數(shù)均值濾波”，是指把離散信號的M個采樣值的平均值作為輸出，其公式為:

M在實際應用中可以是任意數(shù)字，是一個控制均值濾波波紋幅度增強保真度以及抑制噪聲的參數(shù)。圖10所示為壓力傳感器經(jīng)過均值算法處理后，數(shù)據(jù)擾動被明顯優(yōu)化，使得軟件處理后的運動控制數(shù)據(jù)更加平穩(wěn)，降低了系統(tǒng)的擾動。

圖10 傳感器數(shù)據(jù)處理

4.1 輕鋼龍骨上料模組光電傳感器檢測數(shù)據(jù)分析

當前，在工業(yè)領域中機械加工生產(chǎn)通常將光電傳感器應用在整個機械加工過程，能夠?qū)崿F(xiàn)對機床驅(qū)動系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)以及軸承系統(tǒng)等各項運行數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測控制管理工作。根據(jù)光電傳感器的檢測結(jié)果，有針對性地對各項生產(chǎn)工件進行優(yōu)化調(diào)整，不斷提高工件產(chǎn)品的加工精度。

光電傳感器廣泛應用于物料檢測、位置檢測、目標識別和機器人控制等領域，主要由光源、光電元件、增強電路、信號處理電路和控制電路等部分組成[9-10]。主要測量光電傳感器的靈敏度、線性度、分辨率、響應時間、工作距離等基本參數(shù)，選用光電傳感器型號和技術參數(shù)，如表1所示。

表1 EE-SPY312反射式光電傳感器技術參數(shù)表

4 組紅外測距傳感器檢測到龍骨后會有步驟提示，當傳感器正確檢測到龍骨處于定位位置時，傳感器返回值狀態(tài)發(fā)生變化后，PLC獲取信號后經(jīng)由485上傳數(shù)據(jù)至軟件上位機顯示狀態(tài)如圖11 所示，1 個傳感器檢測到顯示step1，4個全部定位成功后顯示step4，當對應傳感器處于灰色時標識定位異常，整個系統(tǒng)將無法進入下一步驟。

圖11 反射式光電傳感器顯示定位步驟

4.2 打螺釘模組壓力傳感器檢測數(shù)據(jù)分析

FSR402/FSR400/FSR406/FSR408 壓力類型力敏傳感器，技術參數(shù)如表2所示。

表2 壓力類型力敏傳感器技術參數(shù)

壓力傳感器檢測XY兩軸壓力，PLC 實時獲取壓力傳感器數(shù)據(jù)后，經(jīng)由485上傳數(shù)據(jù)至上位機軟件進行處理，確保在精準定位的同時不損壞設備，壓力值設定范圍為650～700 g，系統(tǒng)運行時Y軸壓力處于正常區(qū)間時對應step1、step2會在系統(tǒng)中給與提示，測試值如圖12所示。

圖12 力敏傳感器測試數(shù)據(jù)

4.3 自動鎖螺絲機電磁式測距傳感器檢測數(shù)據(jù)分析

在電氣和機械的惡劣環(huán)境中，對附近物體的線性或旋轉(zhuǎn)位置的非接觸式傳感是一種常見的系統(tǒng)要求，包括基于霍爾效應的傳感器、磁約束效應和磁耦合[11-12]。HPG-M08-02ED3 電磁感應傳感器技術參數(shù)如表3 所示，利用電磁感應檢測距離2 mm接近傳感器。磁感應傳感器的常見位置錯誤是磁感應傳感器的安裝位置離開送料氣缸尾部或頭部[13-14]；如果磁感應傳感器的安裝位置離開送料氣缸尾部，則磁感應傳感器無法檢測活塞的位置，將導致內(nèi)部的舌簧開關不能閉合[15-16]。

表3 HPG-M08-02ED3電磁感應傳感器技術參數(shù)

數(shù)據(jù)顯示測試值，當XYZ三軸磁定位傳感器設定的參數(shù)產(chǎn)生信號變化時，軟件系統(tǒng)將檢測到位置數(shù)據(jù)，當三位傳感器數(shù)據(jù)符合設定值3 mm 時，系統(tǒng)開始固定螺絲，否則將繼續(xù)控制機械臂調(diào)整位置，為避免損壞工件，機械限位距離為1 mm，如圖13所示。

圖13 電磁式測距傳感器檢測數(shù)據(jù)

4.4 翻轉(zhuǎn)輸送機角度傳感器檢測數(shù)據(jù)分析

角度傳感器的常見類型，包括旋轉(zhuǎn)電位器、霍爾傳感器、光學編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器和MEMS 角度傳感器[17-18]。MK380A系列標準型角度傳感器技術參數(shù)如表4所示。

表4 MK380A系列標準型角度傳感器技術參數(shù)

當姿態(tài)角度傳感器檢測值沒有達到180°時，系統(tǒng)繼續(xù)翻轉(zhuǎn)，當滿足180°時系統(tǒng)繼續(xù)進行下一步，系統(tǒng)中軟件模塊指針由紅色變?yōu)榫G色，測試值如圖14所示。

圖14 角度傳感器檢測數(shù)據(jù)

經(jīng)過測試傳感器各項技術參數(shù)指標，與原始傳感器參數(shù)特征和參數(shù)特征比較，如果出現(xiàn)參數(shù)值偏差太大影響生產(chǎn)線檢測信號的采集、轉(zhuǎn)化和輸出，導致設備各環(huán)節(jié)銜接動作提前或延遲，就要及時更換[19-20]。

5 結(jié)束語

本文對“三合一PVC 板材組裝自動化生產(chǎn)線”采用數(shù)字孿生技術建模仿真使生產(chǎn)線設備布置和傳感器分布合理，按照三合一PVC 板材生產(chǎn)工藝流程組成4個模組，通過數(shù)字孿生技術把虛擬和現(xiàn)實有機地實現(xiàn)，減少設計誤差和設計時間，通過模擬仿真降低設計風險。各個模組銜接傳動環(huán)節(jié)都安裝有不同類型的傳感器，對速度、位置、角度和壓力進行模擬量信號采集、轉(zhuǎn)化和輸出，采用傳感器測試軟件實時檢測監(jiān)控各個環(huán)節(jié)傳感器的特性，通過實際生產(chǎn)驗證了設計正確性和監(jiān)控檢測的準確性，為設備維修提供準確技術數(shù)據(jù)，保證了生產(chǎn)線節(jié)拍準確性，減少設備故障，提高生產(chǎn)效益。