張 鳴

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

0 引言

隨著中國(guó)制造2025 計(jì)劃的實(shí)施，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信和人工智能等新興技術(shù)在制造業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。信息化與先進(jìn)制造技術(shù)的深度融合成為新一輪工業(yè)革命的重要驅(qū)動(dòng)力。智能化工廠是實(shí)現(xiàn)智能制造的必由之路，而智能化生產(chǎn)線又是實(shí)現(xiàn)工廠智能化的基礎(chǔ)。 智能生產(chǎn)線利用了數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化技術(shù)，具有運(yùn)行可靠、生產(chǎn)效率較高的特點(diǎn)，正得到越來越廣泛的應(yīng)用。但是，智能生產(chǎn)線的建設(shè)投資大、周期長(zhǎng)、自動(dòng)化控制邏輯復(fù)雜、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的難度高、工作量極大。 如果在生產(chǎn)線正式生產(chǎn)、安裝和調(diào)試之前，在虛擬環(huán)境中對(duì)其進(jìn)行仿真調(diào)試，可以加快機(jī)器的調(diào)試速度， 避免計(jì)劃外機(jī)械行為造成的故障和損壞發(fā)生，從而有效地降低風(fēng)險(xiǎn)和成本［1］。

原始的虛擬仿真調(diào)試是在三維仿真軟件中設(shè)計(jì)出相應(yīng)的智能設(shè)備，并搭建虛擬生產(chǎn)線布局，對(duì)智能生產(chǎn)線進(jìn)行仿真，驗(yàn)證成功后，再進(jìn)行實(shí)際智能生產(chǎn)線的搭建。該方法設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線，物理空間和信息空間相互獨(dú)立，數(shù)據(jù)傳遞存在滯后性，虛實(shí)空間無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互和融合， 不能實(shí)時(shí)地展示智能設(shè)備的加工過程。

數(shù)字孿生（Digital Twin，簡(jiǎn)稱DT）又稱作數(shù)字雙胞胎，是基于工業(yè)生產(chǎn)數(shù)字化的新概念，它是在數(shù)字虛擬空間中， 以數(shù)字化方式為物理對(duì)象創(chuàng)建虛擬模型， 模擬物理空間中實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為特征，從而達(dá)到“虛—實(shí)”之間的精確映射，最終能夠在生產(chǎn)實(shí)踐中，從測(cè)試、開發(fā)、工藝及運(yùn)行維護(hù)等角度，打破現(xiàn)實(shí)與虛擬之間的藩籬， 實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期內(nèi)的生產(chǎn)、管理、連接等高度數(shù)字化及模塊化的新技術(shù)［2］。 筆者試以智能生產(chǎn)線中的輸送檢測(cè)搬運(yùn)單元為例， 探討如何采用數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)智能生產(chǎn)線系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)，搭建虛擬的調(diào)試系統(tǒng)，以期為智能虛擬生產(chǎn)線的控制提供參考。

1 數(shù)字孿生技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

1.1 能夠降低創(chuàng)新設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)

數(shù)字孿生技術(shù)可以優(yōu)化產(chǎn)品生產(chǎn)節(jié)拍。 利用仿真模型對(duì)操作員進(jìn)行培訓(xùn)， 在虛擬環(huán)境中調(diào)整控制程序，從而降低運(yùn)行時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 能夠縮短產(chǎn)品調(diào)試時(shí)間，減少設(shè)計(jì)成本

利用數(shù)字孿生技術(shù)， 電氣自動(dòng)化工程師可以盡早介入項(xiàng)目。 在設(shè)計(jì)階段， 調(diào)整機(jī)械設(shè)計(jì)和電氣設(shè)計(jì)，根據(jù)所需要的產(chǎn)品性能，優(yōu)化產(chǎn)品選型和控制程序，從而縮短產(chǎn)品的調(diào)試時(shí)間，減少設(shè)計(jì)成本。

1.3 能夠成為數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)施工具

數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)施， 需要借助一系列專業(yè)軟件，把相關(guān)的專業(yè)知識(shí)集成為一個(gè)數(shù)據(jù)模型，這些軟件能夠在產(chǎn)品全生命周期管理平臺(tái)的協(xié)作下完成不同技術(shù)的集成，以實(shí)現(xiàn)不同人員的協(xié)作。常用數(shù)字化生產(chǎn)軟件包括以下幾種。

1.3.1 西門子產(chǎn)品全生命周期管理 （Product Live Cycle Management，簡(jiǎn)稱PLM）軟件

西門子PLM 軟件涉及產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，即：從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到生產(chǎn)規(guī)劃過程，直至實(shí)際生產(chǎn)和服務(wù)等。 該軟件和完全集成自動(dòng)化（Totally Integrated Automation，簡(jiǎn)稱TIA）軟件能夠在統(tǒng)一的產(chǎn)品全生命周期管理數(shù)據(jù)平臺(tái) （Teamcenter， 簡(jiǎn)稱TC）的協(xié)作下，完成不同技術(shù)的集成，實(shí)現(xiàn)不同人員的協(xié)作，也可以根據(jù)需要將供應(yīng)商納入平臺(tái)中，以實(shí)現(xiàn)價(jià)值鏈數(shù)據(jù)的整合。

1.3.2 西門子博途（Totally Integrated Automation，簡(jiǎn)稱TIA）軟件

TIA 是全集成自動(dòng)化軟件的簡(jiǎn)稱。 它是采用統(tǒng)一的工程組態(tài)和軟件項(xiàng)目環(huán)境的自動(dòng)化軟件， 幾乎適用于所有自動(dòng)化任務(wù)。 TIA 軟件可在同一環(huán)境中組態(tài)西門子的所有可編程控制器、 人機(jī)界面和驅(qū)動(dòng)裝置。在控制器、驅(qū)動(dòng)裝置和人機(jī)界面之間建立通信時(shí)共享任務(wù)，可大大降低連接和組態(tài)成本。借助這一全新的工程技術(shù)軟件平臺(tái)，用戶能夠快速、直觀地開發(fā)和調(diào)試自動(dòng)化系統(tǒng)。

1.3.3 西門子NX 軟件

西門子 NX 軟件是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)／制造／工程（CAD／CAM／CAE）套件，可針對(duì)產(chǎn)品開發(fā)提供詳細(xì)的三維模型。機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)（Mechatronics Concept Designer，簡(jiǎn)稱MCD）是NX 的一個(gè)套件，它能夠?yàn)楣こ處熖摂M創(chuàng)建、 模擬和測(cè)試產(chǎn)品的和產(chǎn)品生產(chǎn)所需的機(jī)器設(shè)備等提供仿真支持。

2 基于數(shù)字孿生技術(shù)的智能生產(chǎn)線數(shù)字化設(shè)計(jì)

2.1 智能生產(chǎn)線中產(chǎn)品輸送檢測(cè)搬運(yùn)單元的功能及其生產(chǎn)工藝流程

本文探討的智能生產(chǎn)線由輸送檢測(cè)搬運(yùn)單元、安全系統(tǒng)、貼標(biāo)單元和智能倉(cāng)庫(kù)等多個(gè)工作站構(gòu)成。輸送檢測(cè)搬運(yùn)單元是該智能生產(chǎn)線的第一部分，主要用于物料的檢測(cè)和搬運(yùn)。 輸送檢測(cè)搬運(yùn)單元主要由工作臺(tái)面、輸送模塊、搬運(yùn)模塊、工位模塊、IO 模塊按鈕盒等組成，其外觀如圖1 所示。

工作臺(tái)面由工業(yè)鋁型材桌架、 桌面和腳輪等組成；輸送模塊由2 條板鏈輸送線、物料頂升和阻擋氣缸組成；搬運(yùn)模塊由鋼結(jié)構(gòu)支架連接無(wú)桿氣缸、氣動(dòng)滑臺(tái)和氣動(dòng)手爪組成， 負(fù)責(zé)物料托盤在2 條輸送線間的搬運(yùn)； 工位模塊的LED 屏用于顯示該工位信息， 顯示有3 種顏色；IO 模塊由現(xiàn)場(chǎng)總線輸入輸出和安裝板組成， 使用現(xiàn)場(chǎng)總線輸入輸出模塊可以節(jié)省布線，節(jié)省安裝空間，方便維護(hù)，減少停工成本。該單元具體生產(chǎn)工藝流程如圖2 所示。

圖2 輸送檢測(cè)搬運(yùn)單元工藝流程圖Fig.2 Process flow diagram of transport detection handling unit

2.2 設(shè)計(jì)流程

構(gòu)建數(shù)字孿生模型的前提是工程的數(shù)字化。 數(shù)字孿生指1 個(gè)智能生產(chǎn)線在沒有建造之前， 先完成數(shù)字模型的建造， 再在虛擬空間中對(duì)該模型進(jìn)行仿真和模擬，并將真實(shí)參數(shù)傳給實(shí)際工廠，用于生產(chǎn)線的建設(shè)。在生產(chǎn)線建成之后的日常運(yùn)行和維護(hù)中，二者可以繼續(xù)進(jìn)行信息交互。

西門子NX 軟件是一個(gè)由西門子PLM 部門開發(fā)的數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)， 它支持產(chǎn)品開發(fā)的全過程。機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)MCD 是西門子NX 軟件的一個(gè)重要數(shù)字化工具應(yīng)用模塊， 也是數(shù)字孿生技術(shù)中的基石， 可用于交互式設(shè)計(jì)和模擬機(jī)電系統(tǒng)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。 它融合了機(jī)械、電氣、流體和自動(dòng)化等多學(xué)科知識(shí)， 是一種將機(jī)器創(chuàng)建過程轉(zhuǎn)變?yōu)楦咝C(jī)電一體化設(shè)計(jì)方法的解決方案， 可以用來模擬機(jī)電一體化系統(tǒng)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。 NX MCD 平臺(tái)上智能生產(chǎn)線數(shù)字化設(shè)計(jì)及虛擬調(diào)試流程如圖3 所示。

圖3 基于數(shù)字孿生技術(shù)的智能生產(chǎn)線數(shù)字化設(shè)計(jì)流程圖Fig.3 Digital design flow chart of intelligent production line based on digital twin technology

2.3 創(chuàng)建數(shù)字孿生設(shè)備模型庫(kù)

多維建模技術(shù)是面向數(shù)字孿生的智能生產(chǎn)線設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)， 它能在虛擬設(shè)備模型中真實(shí)地反映物理實(shí)體。 應(yīng)用該技術(shù)建模， 分為以下3 個(gè)步驟：（1）按照加工要求選取加工設(shè)備，對(duì)設(shè)備進(jìn)行幾何建模和數(shù)字孿生模型的構(gòu)建；（2）將復(fù)雜的智能設(shè)備分解成多個(gè)組件， 分別對(duì)多個(gè)組件進(jìn)行建模和裝配；（3）將技術(shù)設(shè)計(jì)好的數(shù)字孿生設(shè)備模型導(dǎo)入模型庫(kù)， 同時(shí)將各項(xiàng)參數(shù)儲(chǔ)存在孿生數(shù)據(jù)中， 之后設(shè)計(jì)人員可以在NX MCD 平臺(tái)中導(dǎo)入模型，進(jìn)行智能生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)布局。 設(shè)計(jì)的輸送檢測(cè)搬運(yùn)單元模型如圖4 所示［3］。

圖4 輸送檢測(cè)搬運(yùn)單元設(shè)備模型庫(kù)Fig.4 Equipment model base of transport detection handling unit

2.4 在NX MCD 平臺(tái)中搭建數(shù)字孿生系統(tǒng)的3個(gè)基礎(chǔ)模型

2.4.1 物理模型的搭建

在NX MCD 平臺(tái)中，基本機(jī)電對(duì)象是給三維模型設(shè)置物理屬性， 使模型能夠仿真真實(shí)世界的物理特性。在NX 中，導(dǎo)入輸送檢測(cè)搬運(yùn)單元智能生產(chǎn)線的三維數(shù)字模型，根據(jù)實(shí)體生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝配，根據(jù)生產(chǎn)線的功能需求定義基本機(jī)電對(duì)象： 剛體和碰撞體。剛體是指在運(yùn)動(dòng)中和受力作用后，形狀和大小不變，而且內(nèi)部各點(diǎn)的相對(duì)位置不變的物體。絕對(duì)剛體實(shí)際上是不存在的，只是一種理想模型，在NX軟件中， 只有定義了剛體， 才會(huì)使構(gòu)建的模型具有“運(yùn)動(dòng)”屬性，受物理引擎影響，否則，該模型永遠(yuǎn)是一個(gè)靜止的模型。輸送檢測(cè)搬運(yùn)單元中的物料、擋料氣缸、頂料氣缸、夾爪升降氣缸和滑臺(tái)以及夾爪都是靜止的模型，需將其設(shè)置為剛體并賦予相關(guān)屬性。碰撞體是物理組件的一類， 只有把它添加到幾何對(duì)象上，才能觸發(fā)碰撞。 該單元中的物料和擋料氣缸、頂料氣缸存在接觸碰撞，所以將三者都設(shè)置為碰撞體，并賦予相關(guān)屬性。 左右夾爪和物料之間也存在接觸碰撞，所以也將其都設(shè)置為碰撞體并賦予相關(guān)屬性。工作臺(tái)面上的8 個(gè)擋頭和物料，也有接觸碰撞，因此也將其都設(shè)置為碰撞體；2 條輸送線都和物料產(chǎn)生接觸碰撞，所以2 個(gè)傳送面都要設(shè)置為碰撞體。具體基本機(jī)電對(duì)象設(shè)置如圖5 所示。

圖5 智能生產(chǎn)線物理模型的搭建Fig.5 Physical model construction of intelligent production line

2.4.2 運(yùn)動(dòng)模型的搭建

每個(gè)機(jī)構(gòu)都有自身的運(yùn)動(dòng)學(xué)屬性， 不同的運(yùn)動(dòng)學(xué)屬性決定了不同的運(yùn)動(dòng)方式。 在NX MCD 平臺(tái)中，需要分析不同機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方式，并給它們賦予相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)屬性。然后，根據(jù)實(shí)體的運(yùn)動(dòng)過程和自由度，設(shè)置運(yùn)動(dòng)副，根據(jù)運(yùn)動(dòng)需求，設(shè)置氣缸的位置控制和速度控制等執(zhí)行器［4］。 （1）頂料氣缸設(shè)置。 在智能生產(chǎn)線工作過程中， 頂料氣缸按照伸出和縮回的位置進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)。 所以， 將頂料氣缸設(shè)置為滑動(dòng)副，并根據(jù)工藝要求，設(shè)置相應(yīng)的目標(biāo)位置（伸出位置為36 mm，縮回位置為0 mm）。（2）滑臺(tái)氣缸設(shè)置。在智能生產(chǎn)線工作過程中， 滑臺(tái)氣缸按照工藝要求將從一條輸送線滑動(dòng)到另一條輸送線， 進(jìn)行左右運(yùn)動(dòng)。 所以，將滑臺(tái)氣缸設(shè)置為滑動(dòng)副，并根據(jù)工藝要求設(shè)置相應(yīng)的目標(biāo)位置（最左側(cè)位置為340 mm，縮回位置為0 mm）。 （3）爪升降氣缸設(shè)置。 在智能生產(chǎn)線工作過程中， 升降氣缸按照上升和下降的位置進(jìn)行平移運(yùn)動(dòng)。所以將升降氣缸設(shè)置為滑動(dòng)副，并根據(jù)工藝要求設(shè)置相應(yīng)的目標(biāo)位置（抬起位置為40 mm，落下位置為0 mm）。 （4）擋料氣缸設(shè)置。 在智能生產(chǎn)線工作過程中， 擋料氣缸按照伸出和縮回的位置進(jìn)行平移運(yùn)動(dòng)。 所以，將擋料氣缸設(shè)置為滑動(dòng)副，并根據(jù)工藝要求設(shè)置相應(yīng)的目標(biāo)位置 （伸出位置為36 mm，縮回位置為0 mm）。 （5）左右夾爪設(shè)置。 在智能生產(chǎn)線工作過程中， 左右夾爪都要夾緊物料向內(nèi)進(jìn)行平移運(yùn)動(dòng)。 因此，將左右夾爪設(shè)置為滑動(dòng)副，并根據(jù)工藝要求設(shè)置相應(yīng)的目標(biāo)位置 （夾緊位置為10 mm，松開位置為0 mm）。 （6）輸送帶的設(shè)置。 輸送檢測(cè)搬運(yùn)單元中的搬運(yùn)組件和輸送檢測(cè)搬運(yùn)單元工作臺(tái)之間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)， 而搬運(yùn)組件的左右運(yùn)動(dòng)無(wú)法確定精準(zhǔn)的位置， 所以將其設(shè)置為兩點(diǎn)之間平移滑動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副。 該滑動(dòng)副的軸以30 mm／s 的預(yù)設(shè)速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。 （7）齒輪耦合副的設(shè)置。 2 個(gè)夾爪之間存在相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可以將其設(shè)置為齒輪副。 （8）操作控制單元設(shè)置。 操控面板上有手動(dòng)／自動(dòng)切換旋鈕、啟動(dòng)按鈕、停止按鈕、急停按鈕、復(fù)位按鈕，設(shè)置為滑動(dòng)副和彈簧阻尼器； 急停按鈕額外設(shè)置柱面副和固定副。 運(yùn)動(dòng)模型的搭建如圖6 所示。

圖6 智能生產(chǎn)線運(yùn)動(dòng)模型的搭建Fig.6 Motion model construction of intelligent production line

2.4.3 電氣模型的搭建

智能生產(chǎn)線的虛擬仿真如何到達(dá)指定位置并停止呢？這需要根據(jù)機(jī)電反饋的信息來設(shè)置傳感器。距離傳感器用來檢測(cè)范圍內(nèi)是否有物體， 同時(shí)測(cè)量從傳感器到被測(cè)物體的距離。通過測(cè)量值可以停止、觸發(fā)“操作”或者“執(zhí)行機(jī)構(gòu)”［1］。 該工作站需要設(shè)置入料檢測(cè)點(diǎn)、出料檢測(cè)點(diǎn)、料盤入口、料盤出口4 個(gè)碰撞傳感器。（1）入料檢測(cè)點(diǎn)。該測(cè)點(diǎn)用于判斷上料點(diǎn)是否有料放置。 在NX MCD 平臺(tái)中，選擇傳感器的檢測(cè)方向， 并將其測(cè)量范圍的開口角度設(shè)置為0°。該角度會(huì)以測(cè)量點(diǎn)為中心，向上、下、左、右4 個(gè)方向展開。 以指定點(diǎn)為起點(diǎn)的最遠(yuǎn)測(cè)量范圍設(shè)置為8 mm。（2）出料檢測(cè)點(diǎn)。該檢測(cè)點(diǎn)用于判斷物料是否到達(dá)出料位置。 在NX MCD 平臺(tái)中，選擇傳感器的檢測(cè)方向，將其測(cè)量范圍的開口角度設(shè)置為0°，并將以指定點(diǎn)為起點(diǎn)的最遠(yuǎn)測(cè)量范圍設(shè)置為8 mm。 （3）料盤入口。 該檢測(cè)點(diǎn)用于判斷料盤是否到達(dá)入口位置。 在NX MCD 平臺(tái)中，選擇傳感器的檢測(cè)方向，將其測(cè)量范圍的開口角度設(shè)置為0 度， 并將以指定點(diǎn)為起點(diǎn)的最遠(yuǎn)測(cè)量范圍設(shè)置為20 mm。 （4） 料盤出口。 該檢測(cè)點(diǎn)用于判斷料盤是否到達(dá)出口位置。 在NX MCD 平臺(tái)中。選擇傳感器的檢測(cè)方向，將其測(cè)量范圍的開口角度設(shè)置為0 度， 并將以指定點(diǎn)為起點(diǎn)的最遠(yuǎn)測(cè)量范圍設(shè)置為50 mm。

為了檢測(cè)氣缸的位置， 設(shè)置MCD 中的限位開關(guān)。 此開關(guān)與現(xiàn)實(shí)中直接干涉運(yùn)動(dòng)的硬限位不同，它在超限時(shí)，只會(huì)輸出一個(gè)超限信號(hào)，并可以定義上限值或下限值。當(dāng)運(yùn)行時(shí)，參數(shù)值超過上限或下限時(shí)，限位開關(guān)輸出為true。 該工作站有頂料和推料氣缸、夾爪升降和夾爪4 個(gè)氣缸，設(shè)置4 個(gè)限位開關(guān)。 （1）頂料氣缸上升到位，推薦啟用上限值為－0.1 mm，下降到位，推薦下限值為－35.5 mm。 （2）滑臺(tái)氣缸向左到位，推薦啟用上限值為339 mm，向右到位，推薦下限值為0.1 mm。 （3）夾爪升降氣缸下降到位，推薦啟用上限值為39.5 mm，上升到位，推薦下限值為0.1 mm。 （4）夾爪夾緊到位，推薦啟用上限值為9.9 mm，松開到位，推薦下限值為0.1 mm。（5）擋料氣缸上升到位，推薦啟用上限值為－0.1 mm，下降到位，推薦下限值為－35.5 mm。

電氣模型的搭建如圖7 所示。

圖7 智能生產(chǎn)線電氣模型的搭建Fig.7 Electrical model construction of intelligent production line

3 基于數(shù)字孿生技術(shù)的智能生產(chǎn)線數(shù)字化虛擬調(diào)試（軟在環(huán)）

基于數(shù)字孿生技術(shù)的智能生產(chǎn)線的虛擬調(diào)試有硬件在環(huán)和軟件在環(huán)兩種方式。 硬件在環(huán)虛擬調(diào)試指控制部分用可編程控制器PLC， 機(jī)械部分使用虛擬三維模型，在“虛—實(shí)”結(jié)合的閉環(huán)反饋回路中，進(jìn)行程序編輯與驗(yàn)證。 軟件在環(huán)虛擬調(diào)試指控制部分與機(jī)械部分均采用虛擬部件，在虛擬PLC 及其程序控制下組成的“虛—虛”結(jié)合閉環(huán)反饋回路中，進(jìn)行程序編輯與調(diào)試。 本智能生產(chǎn)線的虛擬調(diào)試主要介紹軟在環(huán)虛擬調(diào)試的方法。

3.1 軟在環(huán)虛擬調(diào)試流程

虛擬調(diào)試系統(tǒng)包含了PLC、TIA Portal V16 博圖軟件、Siemens PLCSIM Advanced 仿真軟件，運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)以及NX MCD 下的虛擬部件。 2 個(gè)軟件可以在同一臺(tái)電腦中虛擬仿真， 也可能分別在2 臺(tái)電腦中通過網(wǎng)線連接進(jìn)行虛擬調(diào)試， 具體調(diào)試流程如圖8所示［5］。

圖8 軟在環(huán)虛擬調(diào)試流程圖Fig.8 Flow chart of SIL virtual debugging

3.2 外部PLC 信號(hào)的提取

要實(shí)現(xiàn)虛擬PLC 及其程序控制下的虛擬仿真與調(diào)試，必須先提取外部PLC 程序中的所有變量信號(hào)。 具體操作步驟如下：（1）在博圖軟件中打開事先編寫好的檢測(cè)輸送單元項(xiàng)目程序， 設(shè)置PLC 的屬性， 使其能夠與建立的模型遠(yuǎn)程對(duì)象進(jìn)行通信訪問且支持仿真。（2）設(shè)置CPU 的連接機(jī)制，使其允許來自遠(yuǎn)程對(duì)象的PUT／GET 通信訪問。 （3）將事先編寫好的控制程序及變量表下載到PLCSIM Advances中，并運(yùn)行PLCSIM 開始仿真［6］。 （4）打開NX MCD軟件， 選擇外部信號(hào)配置， 選擇服務(wù)器為PLCSIM Adv 之后，就看到NX 軟件已經(jīng)和仿真的PLC 相連。（5）點(diǎn)擊“更新標(biāo)記”按鈕后，系統(tǒng)會(huì)將PLC 中的變量讀取過來，勾選需要映射的PLC 信號(hào)，點(diǎn)擊確定即可。

3.3 智能生產(chǎn)線自動(dòng)化模型的搭建（MCD 信號(hào)的創(chuàng)建）

在NX MCD 平臺(tái)中， 創(chuàng)建用來控制MCD 運(yùn)動(dòng)模型運(yùn)動(dòng)輸入信號(hào)及接受傳感器數(shù)據(jù)的MCD 輸出信號(hào)， 并通過公式關(guān)將MCD 信號(hào)與傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)起來。

打開NX 軟件，選擇“信號(hào)適配器”。 為了項(xiàng)目的清晰簡(jiǎn)潔， 通常會(huì)建立2 個(gè)信號(hào)適配器，1 個(gè)用于存放輸出信號(hào)，另1 個(gè)用于存放輸入信號(hào)。建立好MCD信號(hào)后，將它與對(duì)應(yīng)的模型參數(shù)進(jìn)行綁定，實(shí)現(xiàn)信號(hào)控制模型動(dòng)作的目標(biāo)。MCD 輸出信號(hào)的對(duì)應(yīng)參數(shù)為：OUT 物料入料口、出料口、料盤入口、料盤出口。 MCD輸入信號(hào)的對(duì)應(yīng)參數(shù)為：INT 擋料氣缸、頂料氣缸、滑臺(tái)氣缸、夾爪升降氣缸、夾爪夾緊和松開。

當(dāng)外部PLC 氣缸線圈發(fā)出信號(hào)時(shí)，MCD 運(yùn)動(dòng)模型中的氣缸就會(huì)按照設(shè)置的位置動(dòng)作。

將MCD 信號(hào)與傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)起來的執(zhí)行機(jī)構(gòu)公式為：

（1）搬運(yùn)組件的速度參數(shù)。

IF（INT 同步帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)使能＝1 ＆ INT 同步帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)方向＝1） THEN （30） ELSE IF （INT 同步帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)使能＝1 ＆ INT 同步帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)方向＝0） THEN（－30）

（2）夾爪升降氣缸的位置參數(shù)。

IF（INT 升降氣缸＝1） THEN （40） ELSE （0）（3）頂料氣缸的位置參數(shù)。

IF （INT 頂料氣缸伸出線圈＝1） THEN （0）ELSE （－36）

（4）擋料氣缸的位置參數(shù)。

IF （INT 擋料氣缸伸出線圈＝1） THEN （0）ELSE （－36）

（5）滑臺(tái)氣缸的位置參數(shù)。

IF （INT 滑臺(tái)氣缸伸出線圈＝1） THEN （340）ELSE （0）

（6）夾爪的位置參數(shù)。

IF （INT 夾爪伸出線圈＝1 ＆ 夾爪縮回線圈＝0）THEN （10） ELSE （0）

3.4 連接MCD 信號(hào)與外部PLC 信號(hào)（信號(hào)映射）

在NX MCD 軟件中， 對(duì)建立的MCD 信號(hào)和PLCSIM 服務(wù)器中的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)映射，即可以自由選擇要在MCD 中控制的信號(hào)以及要從外部控制的信號(hào)， 完成信號(hào)映射，PLC 的控制信號(hào)與NX 的機(jī)械部分“虛—虛”結(jié)合，就可以實(shí)現(xiàn)軟在環(huán)的虛擬調(diào)試。

3.5 軟在環(huán)虛擬調(diào)試

在TIA Portal V16 軟件環(huán)境下，將編譯的程序下載給下位機(jī)PLC， 并開啟Siemens PLCSIM Advanced 仿真調(diào)試模式；開啟NX MCD 軟件，建立和PLCSIM Advanced 的網(wǎng)絡(luò)連接，在NX MCD 軟件中點(diǎn)擊播放，將系統(tǒng)模型中控制面板的手動(dòng)／自動(dòng)按鈕切換到自動(dòng)模式， 觀察搭建的輸送檢測(cè)搬運(yùn)單元仿真模型是否在PLC 程序控制下按照工藝流程工作。

首先檢查設(shè)備上有無(wú)料盤或者其他雜物， 如果有，先清理干凈，再檢查按鈕盒急停是否松開。 如未松開，須即時(shí)松開。 然后，觀察指示燈是否為紅燈閃爍。如果是，重新檢測(cè)上面步驟。在保證所有氣缸都在起始位置之后，按下啟動(dòng)按鈕，并觀察指示燈是否變成綠色（表示一切正常）。如果一切正常，在入料口放置料盤， 并觀看NX 仿真畫面輸送帶是否開始啟動(dòng)運(yùn)行，擋料氣缸、頂料氣缸是否按設(shè)置的位置伸出到位， 物料檢測(cè)后是否按照工藝流程把物料送達(dá)出料口， 滑臺(tái)能否配合手爪把料盤搬運(yùn)到另外一條輸送線上， 第二條輸送線是否按要求將物料輸送到另一端。 一個(gè)流程結(jié)束之后，再次放置一個(gè)物料，檢查整個(gè)工藝流程是否正常。 觀察仿真的同時(shí)， 在PLC程序中進(jìn)行在線監(jiān)控，檢查信號(hào)的正確性，以備后續(xù)的功能改善。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提供的面向數(shù)字孿生智能生產(chǎn)線設(shè)計(jì)與調(diào)試方案的虛擬仿真調(diào)試高度還原了物理生產(chǎn)線工作場(chǎng)景，可以極大地縮短智能生產(chǎn)線的開發(fā)周期，降低調(diào)試難度， 為后續(xù)智能虛擬生產(chǎn)線系統(tǒng)的研究提供了普適性的解決方案。 該研究仍存在模型庫(kù)種類和智能生產(chǎn)線調(diào)試的實(shí)時(shí)性不足等問題， 有待于在以后的工作中進(jìn)一步改進(jìn)。