周寶昌，朱敏茹，謝智陽

（1.河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 河源 517000；2.河源市工業(yè)機器人技術(shù)應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，廣東 河源 517000）

0 引言

Tecnomatix 數(shù)字化制造解決方案軟件能夠在三維虛擬環(huán)境下進行制造工藝過程設(shè)計[1]，通過仿真測試產(chǎn)品生產(chǎn)的可行性，分析驗證新生產(chǎn)線系統(tǒng)的能力并進行優(yōu)化，企業(yè)在生產(chǎn)線規(guī)劃階段就可以發(fā)現(xiàn)潛在的問題并加以解決，從而避免時間和資金的浪費[2]。這對企業(yè)縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低開發(fā)和生產(chǎn)成本、降低決策風(fēng)險都是非常重要的[3]。

利用Process Simulate 軟件進行生產(chǎn)線的模擬，檢測其生產(chǎn)工藝的可行性和可達性，其內(nèi)部設(shè)有虛擬的仿真工具S7-PLCSIM V5.4，可直接在軟件內(nèi)部控制信號進行虛擬仿真，也可以進行外部鏈接，結(jié)合西門子PLC 進行編程控制，實現(xiàn)虛擬自動化產(chǎn)線運行的效果，其操作簡單，實用性強。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本設(shè)計是完成一個印章的組裝、檢測和包裝任務(wù)，模擬印章流水線的生產(chǎn)過程。該印章定制智能生產(chǎn)線由7 個單元組成，分別是倉儲出料、傳送帶、物料加工、產(chǎn)品組裝、產(chǎn)品檢測、產(chǎn)品包裝和倉儲入庫，詳細(xì)工作流程如圖1 所示。

圖1 智能生產(chǎn)工作流程圖

2 工業(yè)生產(chǎn)線的設(shè)計思路

工業(yè)生產(chǎn)線控制設(shè)計是通過機電一體化設(shè)計將Tecnomatix 數(shù)字化制造解決方案嵌入到完成具體的PS 虛擬仿真中，通過虛擬模型來模擬真實的生產(chǎn)。整個仿真過程使用了Process Simulate 軟件、S7-PLCSIM Advanced V5.4 軟件、TIA Portal 軟件進行設(shè)計和仿真[4]。詳細(xì)生產(chǎn)過程如圖2 所示。

圖2 印章定制自動化生產(chǎn)線

3 工業(yè)生產(chǎn)線仿真實現(xiàn)過程

3.1 Process Simulate 虛擬仿真設(shè)計流程

3.1.1 設(shè)置基本對象

（1）運動學(xué)設(shè)置和姿態(tài)設(shè)置，使用姿態(tài)編輯器對模型整體關(guān)節(jié)姿態(tài)進行調(diào)整、保存、編輯，使用姿態(tài)編譯器時必須先設(shè)置過模型的運動學(xué)編輯器，姿態(tài)編輯器會保存用戶設(shè)定好的模型姿態(tài)，再根據(jù)不同情況下可直接變換到設(shè)定姿態(tài)。

（2）創(chuàng)建設(shè)備操作，進行新建復(fù)合、對象流、握爪、非仿真和機器人拾放等操作。

（3）創(chuàng)建物料流，物料流查看器是生產(chǎn)線仿真模式中重要的功能查看器，在標(biāo)準(zhǔn)模式下無法使用，是實現(xiàn)零件物料在生產(chǎn)線仿真過程中的產(chǎn)生、流動、加工的演變過程。

物料流查看器用于顯示消耗零件的工序以及工序之間的物料流鏈接。例如，從操作1 到操作2 的鏈接指示，操作1 使用的部件可用于操作2。即使Operation1 使用的部件通過鏈接到Operation2 傳遞，但未被Operation2 使用，它仍然通過下一個鏈接到Operation3 并可供其使用。這能夠在基于事件的仿真模式（也稱生產(chǎn)線仿真模式）中查看和控制在操作之間傳遞零件的方式。

3.1.2 設(shè)置資源和信號

（1）創(chuàng)建信號，創(chuàng)建設(shè)備起始信號、創(chuàng)建非仿真起始信號、創(chuàng)建機器人起始信號用于仿真。

（2）創(chuàng)建邏輯資源，創(chuàng)建邏輯資源是Process Simulate 中信號處理的重要部分，模型運動學(xué)設(shè)計完成后，通過添邏輯到資源的方式，建立資源內(nèi)部的信號邏輯關(guān)系，邏輯資源包含從公式或公式中的一個或多個指定輸入和輸出派生的已定義邏輯行為。

（3）創(chuàng)建傳感器，創(chuàng)建光電傳感器，使其在對象穿過由傳感器“發(fā)射”的指定光束的路徑時進行檢測。配置光束尺寸以確定對象檢測區(qū)域的長度和寬度?？梢允褂谩凹せ顐鞲衅鳌焙汀巴Ｓ脗鞲衅鳌泵罴せ詈屯Ｓ脗鞲衅鳌鞲衅髟趫D形查看器中顯示為透鏡和黃色檢測光束。

3.1.3 信號映射

信號映射是指將一組信號名稱和參數(shù)替換為另一組信號名稱和參數(shù)的過程，根據(jù)給定的Excel 文件應(yīng)用信號映射和機器人信號進行導(dǎo)入，Excel 文件包含仿真程序中要替換的信號名稱和值，從而實現(xiàn)了信號映射。導(dǎo)入信號是將信號從Excel、CSV 或帶格式文本導(dǎo)入至研究。導(dǎo)入信號的前提是需要在PLC 變量中導(dǎo)出與PS 信號映射的變量。從而實現(xiàn)了仿真軟件和PLC 程序的關(guān)聯(lián)和信號控制。

3.2 程序設(shè)計

3.2.1 設(shè)置IO 分配表

PLC 的輸入和輸出變量分配見表1、表2。

表1 PLC 輸入變量

表2 PLC 輸出變量

3.2.2 PLC 程序的實現(xiàn)

編程部分主要分以下10 部分進行控制，分別是：主程序、函數(shù)塊FB 調(diào)用、初始化、A 物料出庫、B 物料加工、產(chǎn)品組裝、產(chǎn)品檢測、產(chǎn)品包裝、AGV 送料_物料進庫以及軸控制。

（1）主程序：啟停、復(fù)位和停止，整體控制子程序。

（2）函數(shù)塊FB 調(diào)用：設(shè)置軸工藝對象控制指令，利用FB 塊進行多個工藝對象指令的調(diào)用。

（3）初始化：用于將程序仿真中的各類程序進行相應(yīng)復(fù)位控制。

（4）A 物料出庫：當(dāng)物料生成，利用光電傳感器信號作為機器人搬運的啟動信號，從而實現(xiàn)機器1 人搬運往返動作。

（5）B 物料加工：物料到達減材制造單元后，利用光電傳感器信號作為機器人2 的啟動信號，從而實現(xiàn)機器人2 進行章體加工，章柄放置的動作。

（6）產(chǎn)品組裝：利用軸工藝功能塊和光電光電傳感器信號進行印章的沖壓組裝。

（7）產(chǎn)品包裝：利用軸工藝功能塊和光電光電傳感器信號進行印章的放置包裝。

（8）AGV 送料_物料進庫：以光電傳感器信號作為AGV 車的啟動信號和到位信號，從而實現(xiàn)機器人3 運送物料進庫，及AGV 車自主往返運輸?shù)膭幼鳌?/p>

（9）軸控制：軸控制是通過博圖軟件工藝模塊實現(xiàn)對X 軸、Y 軸、Z 軸的位置控制。

最終的HMI 人機交互界面如圖3 所示。

圖3 HMI 界面

4 仿真測試

項目在虛擬仿真設(shè)計、PLC 編程設(shè)計和觸摸屏程序設(shè)計聯(lián)合完成下，通過HMI 界面進行仿真測試。當(dāng)在HMI 界面按“啟動”后，則進行生產(chǎn)線的仿真。具體生產(chǎn)過程有以下5 個步驟：

（1）物料出庫，在HMI 界面按“啟動”后，物料臺上產(chǎn)生供加工的原始物料，并且在HMI 能顯示當(dāng)前物料和機器人到位狀態(tài)。

（2）物料加工，當(dāng)檢測到物料后，傳送帶啟動，到達加工站后，數(shù)控機床處進行章體加工和生產(chǎn)章柄。并且能實時監(jiān)控加工過程，如檢測物料是否到位，數(shù)控機床是否運行，章柄是否產(chǎn)生等信號。具體的物料加工過程和HMI 界面如圖4 所示。

（3）產(chǎn)品組裝，當(dāng)物料加工完成后，則繼續(xù)啟動傳送帶到達“產(chǎn)品組裝”工位上進行組裝印章。能通過沖壓機對章體、章柄進行沖壓完成加工，同時在HMI 能實時檢測到印章組裝過程。具體的組織過程如圖5 所示。

圖5 產(chǎn)品組裝測試

（4）產(chǎn)品檢測，當(dāng)產(chǎn)品組裝完畢后，繼續(xù)啟動傳動帶到“產(chǎn)品檢測”處進行視覺檢測，能通過視覺檢測產(chǎn)品是否合格，同時在HMI 能實時監(jiān)控檢測的過程。

（5）產(chǎn)品包裝，當(dāng)產(chǎn)品通過檢測后，啟動傳送帶到“產(chǎn)品包裝”工位上進行包裝。通過X-Y-Z 軸機器人進行產(chǎn)品的包裝，同時在HMI 可以監(jiān)控到產(chǎn)品包裝過程中的信號和包裝過程的動作。

（6）產(chǎn)品進庫，當(dāng)印章未完成所有工序，則AGV車在傳動帶等待裝車。當(dāng)印章完成所有工序后，則印章到達傳動帶末端，進行AGV 裝車。AGV 車裝車完畢后，則AGV 車將印章移至倉儲旁，當(dāng)機器人檢測到后則進行夾取后進行產(chǎn)品入庫。同時在HMI 能實時監(jiān)控產(chǎn)品入庫的狀態(tài)。

通過以上6 個步驟，印章定制生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)完成測試。通過測試，能完成出料、送料、加工、組裝、檢測、包裝、輸送、入庫等工作單元作為自動生產(chǎn)線的整體設(shè)計。

5 結(jié)語

利用Process Simulate 軟件進行生產(chǎn)過程的仿真，能夠在虛擬環(huán)境中可以真實再現(xiàn)具體的生產(chǎn)過程，而且允許用戶實時調(diào)試參數(shù)來達到生產(chǎn)的最優(yōu)化。通過Process Simulate、西門子PLC、HMI 軟件，模擬了一個印章的流水線生產(chǎn)過程。通過測試，可以有效提高實際生產(chǎn)效率。

本作品設(shè)計以Process Simulate 生產(chǎn)線為基礎(chǔ)，突破傳統(tǒng)思路，通過虛擬模型來模擬真實的生產(chǎn)，在虛擬環(huán)境中進行生產(chǎn)系統(tǒng)的調(diào)試，在最短時間內(nèi)讓生產(chǎn)步入正軌，優(yōu)化改善復(fù)雜的生產(chǎn)線。