周紅 喻旋 門昊

摘要：以虛擬調試技術在新能源汽車電驅動總成自動生產線項目上的應用案例為研究對象，對虛擬調試技術的實施流程及虛擬調試成果如何在實際項目中得到更好應用的技術難點進行了詳細分析，充分發(fā)揮虛擬調試技術在工業(yè)自動化項目中的技術優(yōu)勢，從而提高產線建設效率，降低產線建設成本。

關鍵詞：虛擬調試;柔性化;工業(yè)機器人;OLP;電驅動生產線

一、虛擬調試技術簡介

虛擬調試技術是通過仿真與自動化控制技術相結合，在標準的仿真平臺上（以西門子公司的PD/PS軟件為例）運行生產線數(shù)字化模型完整的生產制造過程，來提前評估產線布局、產線設備選型、工藝流程、生產節(jié)拍、安全方案、維修方案等重要技術內容是否符合設計要求。同時還可以將后期可能共線生產的產品模型導入系統(tǒng)中進行分析，提前驗證新產品共線生產可行性，提高產線的柔性化生產能力。在產線設備現(xiàn)場安裝調試之前就能實現(xiàn)完整的自動化控制邏輯的調試及離線程序的生成，大大縮短現(xiàn)場調試時間，提高項目質量和實施效率。

另外要想將虛擬調試生成的離線程序導入實際產線設備中無需現(xiàn)場調試或部分微調就能將產線順利運行起來，這就要求線體實際安裝中硬件選型、電氣連接、安裝位置要與數(shù)模保持高度一致。對于關鍵工藝設備設計上要做到在X/Y/Z三維空間上位置可調節(jié)，對于工業(yè)機器人等該類柔性生產設備可以通過三坐標輔助測量或第三方計算軟件實現(xiàn)相對位置的補償，但前提條件在于設備安裝誤差在設計范圍內。

虛擬調試技術應用流程

二、工藝仿真配置

1、工藝仿真配置是指在仿真軟件平臺中建立與將要安裝的電驅動動力總成裝配線完全一致的3D模型。首先需要在PD模塊中配置詳細的三維模型和工藝布局，布局中包含生產線所有設備單元，如涂膠機、螺絲輸送機、激光打標機、總成托盤夾具、輸送系統(tǒng)、水電氣布局、圍欄、安全門、鋼結構、光柵掃描儀、機器人及附屬設備、各類電器控制柜等。通過模型可以對部分設備布置的合理性進行分析和調整，同時驗證線體設備維修方案的可行性及各工位安全方案的合理性。通過公式S=KxT+C可對安全設備中安全光柵、掃描儀的選型和安裝形式進行確認，達到安全方案的最優(yōu)化，減少不必要的硬件投入，從而節(jié)約成本。然后在PS模塊中完成全要素的三維動態(tài)仿真，設計和驗證線體在制造過程中的諸多細節(jié)，包含工藝流、物料流及設備工作循環(huán)的所有步驟，線體各工位設備動作順序是否滿足工藝及安全要求，設備的運動軌跡可達性、負載能力等是否在設備能力允許的范圍內（如搬運機器人的負載能力應預留≥15%的冗余，防止后期產品設計變更需增加抓手重量或產品重量時，機器人負載能力不夠而導致設計變更響應的成本大幅增加），并在整個循環(huán)過程中各工位節(jié)拍均勻、設備動作流暢無干涉。

在電驅動總成裝配線工藝設計中，工藝仿真的過程不是一蹴而就的，需要反復驗證和優(yōu)化。工藝仿真的過程也是工藝方案驗證的過程，它包含3D方案會簽前期的粗仿真和方案會簽后的精細仿真兩個階段。前者側重于方案可行性的驗證和展示，后者側重于各工位工藝細節(jié)分析和確認。

2、程序邏輯配置及離線程序輸出

程序邏輯配置是指在PLC控制信號的作用下，由信號觸發(fā)設備資源的運行，由邏輯運算來決定設備資源運行的先后順序。判斷PLC控制信號的合理性，對錯誤和不合理部分進行修改和優(yōu)化，從而實現(xiàn)程序邏輯配置的虛擬調試和驗證。驗證完成后可導出PLC程序和機器人離線程序，具體流程見圖3。

（1）創(chuàng)建PLC控制程序：根據(jù)事先規(guī)定的PLC程序標準，離線編制完成PLC程序，導出電驅動裝配線交互信號清單，將信號添加到PS軟件中。保證導入的信號地址、數(shù)據(jù)類型與PLC一致;

（2）創(chuàng)建反饋信號：根據(jù)各工位設備控制原理和工藝規(guī)劃，在3D模型的相應位置布置傳感器，并賦予傳感器檢測對象、檢測范圍等參數(shù)用于邏輯控制中的信號反饋;

（3）創(chuàng)建邏輯塊：通過在PS軟件的標準功能塊中添加輸入、輸出信號和運算公式，給虛擬模型賦予邏輯，在仿真時邏輯塊會根據(jù)PLC程序的輸出信號，通過內部功能塊進行參數(shù)計算，執(zhí)行相應的動作，并給PLC反饋信號。

（4）機器人項目配置：在PS軟件環(huán)境中，完成機器人屬性設置，配置機器人交互信號，根據(jù)機器人工藝仿真情況按機器人程序標準生成OLP（機器人離線編程）軌跡程序，結合交互信號和軌跡程序完成機器人路徑、工作邏輯、干涉區(qū)互鎖情況、服務程序的驗證和優(yōu)化。從而形成完整的機器人離線項目文件。

（5）輸出離線程序：在PS軟件環(huán)境下通過對電驅動系統(tǒng)自動生產線各工位的虛擬調試和反復優(yōu)化，從而得到可用于控制實際線體的PLC和機器人（涂膠機器人、搬運/蓋板裝配機器人、激光打碼機器人）離線程序。

3、虛擬調試成果現(xiàn)場應用

想要將虛擬調試得到的離線程序完美的應用到實際線體中去，理論上需要保證線體安裝布局和設備相對與數(shù)字模型完全保持一致，但實際安裝過程是允許存在一定誤差的，可以通過工裝調整和機器人的位置補償來匹配。

（1）設備安裝前測量劃線：在設備安裝場地滿足土建平整度、強度和承重技術要求的前提下通過激光測距儀找到設備安裝區(qū)域的中心點，根據(jù)中心點對線體各工位設備安裝位置進行測量劃線，用于指導設備安裝落位的定位;

（2）設備落位安裝：將線體所需安裝的設備根據(jù)地面劃線情況按順序進行落位安裝，并用滿足設計要求的化學錨栓或焊接的方式對設備進行固定，設備在水平方向和垂直方向上的位置偏差需保證在±5mm的誤差范圍;

（3）工裝位置微調：通過調整工裝、夾具上提前設計好的X/Y/Z三維方向調節(jié)機構來調節(jié)設備在線體中的相對位置，確保與數(shù)模保持一致;

（4）機器人位置補償：通過激光三坐標測量儀測量與機器人配套工作的設備基準點，建立用戶坐標系，在用戶坐標系下測量機器人已知的TCP（工具坐標系）的4個位置，并將測量數(shù)據(jù)填入機器人（以KUKA機器人為例）專用相對位置計算功能界面中，讓機器人知道其工具坐標系和工件坐標系的相對位置關系（位置補償誤差一般控制在0.5mm范圍內，若機器人顯示位置補償誤差超差，需優(yōu)化測量位置和機器人姿態(tài)，重新進行測量和計算）進行軌跡位置自動偏移，從而確保離線程序導入后不會出現(xiàn)干涉和碰撞;

（5）離線程序導入運行和微調：以上準備工作完成后便可以對電驅動自動生產線PLC和機器人等所有控制和執(zhí)行設備開機通電并導入虛擬調試生成的離線程序，開始進行線體實物運行情況的驗證。為了保險起見驗證時線體的運行速度應從3%-100%循序漸進的慢慢提速，期間發(fā)現(xiàn)問題應立即停機分析和優(yōu)化，最終達到量產運行狀態(tài)。

4、虛擬調試技術的優(yōu)勢

虛擬調試技術在電驅動總成裝配線項目的應用在縮短項目周期、降低項目成本、提高線體擴展能力等方面優(yōu)勢明顯。

（1）縮短項目周期：通過虛擬調試技術提前對各工序的工藝流程進行充分的模擬驗證，并提前生成PLC邏輯程序和機器人OLP程序文件，當設備安裝完成后就能馬上導入程序，將設備運行起來，大大縮短了設備現(xiàn)場調試和整改時間;

（2）降低項目成本：通過虛擬調試技術可以優(yōu)化線體布局，減少安裝空間和材料的浪費;通過仿真可以測算出設備能力要求，從而可以將設備選型做到最優(yōu)，避免因設備選型不合理而帶來不必要的成本浪費。

（3）提高線體擴展能力：當線體后期需要多產品共線生產時，可以提前將后期引入的產品數(shù)模導入系統(tǒng)中進行仿真，從而將共用工裝、設備提前做好兼容性設計和設備能力預留，對于一些后期需要新添加的設備可以提前預留好相應的安裝位置和接口，這樣便大大提高了線體的擴展能力和柔性生產能力。

三、結束語

隨著市場對自動化非標生產線數(shù)字化、柔性化和智能化水平的要求越來越高，對自動化非標生產項目完成的周期要求越來越短，虛擬調試技術可以充分發(fā)揮其技術優(yōu)勢，將大部分的項目工作在虛擬環(huán)境中提前完成，從而縮短項目周期，降低項目成本。

參考文獻：

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作者簡介：

周紅（1989—），男，工程師，研究方向：工業(yè)自動化技術。