基于数字孪生技能的智能分娩线设计与调试

关键词：数字孪生技能；智能生产线；数字化设计；运送检测搬运单元；NX MCD 软件；模型库；虚拟调试

0 弁言

随着中国制造2025 操持的履行，大数据、云打算、物联网、移动通信和人工智能等新兴技能在制造业得到了广泛运用。
信息化与前辈制造技能的深度领悟成为新一轮工业革命的主要驱动力。
智能化工厂是实现智能制造的必由之路，而智能化生产线又是实现工厂智能化的根本。
智能生产线利用了数字化、网络化和智能化技能，具有运行可靠、生产效率较高的特点，正得到越来越广泛的运用。
但是，智能生产线的培植投资大、周期长、自动化掌握逻辑繁芜、现场调试的难度高、事情量极大。
如果在生产线正式生产、安装和调试之前，在虚拟环境中对其进行仿真调试，可以加快机器的调试速率， 避免操持外机器行为造成的故障和破坏发生，从而有效地降落风险和本钱［1］。

原始的虚拟仿真调试是在三维仿真软件中设计出相应的智能设备，并搭建虚拟生产线布局，对智能生产线进行仿真，验证成功后，再进行实际智能生产线的搭建。
该方法设计的生产线，物理空间和信息空间相互独立，数据通报存在滞后性，虚实空间无法实现实时交互和领悟， 不能实时地展示智能设备的加工过程。

数字孪生（Digital Twin，简称DT）又称作数字双胞胎，是基于工业生产数字化的新观点，它是在数字虚拟空间中， 以数字化办法为物理工具创建虚拟模型， 仿照物理空间中实体在现实环境中的行为特色，从而达到“虚—实”之间的精确映射，终极能够在生产实践中，从测试、开拓、工艺及运行掩护等角度，冲破现实与虚拟之间的藩篱， 实现产品全生命周期内的生产、管理、连接等高度数字化及模块化的新技能［2］。
笔者试以智能生产线中的运送检测搬运单元为例， 磋商如何采取数字孪生技能对智能生产线系统进行数字化设计，搭建虚拟的调试系统，以期为智能虚拟生产线的掌握供应参考。

1 数字孪生技能的上风

1.1 能够降落创新设计的风险

数字孪生技能可以优化产品生产节拍。
利用仿真模型对操作员进行培训， 在虚拟环境中调度掌握程序，从而降落运行时的风险。

1.2 能够缩短产品调试韶光，减少设计本钱

利用数字孪生技能， 电气自动化工程师可以尽早参与项目。
在设计阶段， 调度机器设计和电气设计，根据所须要的产品性能，优化产品选型和掌握程序，从而缩短产品的调试韶光，减少设计本钱。

1.3 能够成为数字孪生技能的履行工具

数字孪生技能的履行， 须要借助一系列专业软件，把干系的专业知识集成为一个数据模型，这些软件能够在产品全生命周期管理平台的协作下完身分歧技能的集成，以实现不同职员的协作。
常用数字化生产软件包括以下几种。

1.3.1 西门子产品全生命周期管理 （Product Live Cycle Management，简称PLM）软件

西门子PLM 软件涉及产品开拓和生产的各个环节，即：从产品设计莅临盆方案过程，直至实际生产和做事等。
该软件和完备集成自动化（Totally Integrated Automation，简称TIA）软件能够在统一的产品全生命周期管理数据平台 （Teamcenter， 简称TC）的协作下，完身分歧技能的集成，实现不同职员的协作，也可以根据须要将供应商纳入平台中，以实现代价链数据的整合。

1.3.2 西门子博途（Totally Integrated Automation，简称TIA）软件

TIA 是全集成自动化软件的简称。
它是采取统一的工程组态和软件项目环境的自动化软件， 险些适用于所有自动化任务。
TIA 软件可在同一环境中组态西门子的所有可编程掌握器、 人机界面和驱动装置。
在掌握器、驱动装置和人机界面之间建立通信时共享任务，可大大降落连接和组态本钱。
借助这一全新的工程技能软件平台，用户能够快速、直不雅观地开拓和调试自动化系统。

1.3.3 西门子NX 软件

西门子 NX 软件是打算机赞助设计／制造／工程（CAD／CAM／CAE）套件，可针对产品开拓供应详细的三维模型。
机电一体化观点设计（Mechatronics Concept Designer，简称MCD）是NX 的一个套件，它能够为工程师虚拟创建、 仿照和测试产品的和产品生产所需的机器设备等供应仿真支持。

2 基于数字孪生技能的智能生产线数字化设计

2.1 智能生产线中产品运送检测搬运单元的功能及其生产工艺流程

本文磋商的智能生产线由运送检测搬运单元、安全系统、贴标单元和智能仓库等多个事情站构成。
运送检测搬运单元是该智能生产线的第一部分，紧张用于物料的检测和搬运。
运送检测搬运单元紧张由事情台面、运送模块、搬运模块、工位模块、IO 模块按钮盒等组成，其外不雅观如图1 所示。

图1 运送检测搬运单元构造图

事情台面由工业铝型材桌架、 桌面和脚轮等组成；运送模块由2 条板链运送线、物料顶升和阻挡气缸组成；搬运模块由钢构造支架连接无杆气缸、气动滑台和气动手爪组成， 卖力物料托盘在2 条运送线间的搬运；工位模块的LED 屏用于显示该工位信息， 显示有3 种颜色；IO 模块由现场总线输入输出和安装板组成， 利用现场总线输入输出模块可以节省布线，节省安装空间，方便掩护，减少歇工本钱。
该单元详细生产工艺流程如图2 所示。

图2 运送检测搬运单元工艺流程图

2.2 设计流程

构建数字孪生模型的条件是工程的数字化。
数字孪生指1 个智能生产线在没有建造之前， 先完成数字模型的建造， 再在虚拟空间中对该模型进行仿真和仿照，并将真实参数传给实际工厂，用于生产线的培植。
在生产线建成之后的日常运行和掩护中，二者可以连续进行信息交互。

西门子NX 软件是一个由西门子PLM 部门开拓的数字化产品开拓系统， 它支持产品开拓的全过程。
机电一体化观点设计MCD 是西门子NX 软件的一个主要数字化工具运用模块， 也是数字孪生技能中的基石， 可用于交互式设计和仿照机电系统的繁芜运动。
它领悟了机器、电气、流体和自动化等多学科知识， 是一种将机器创建过程转变为高效机电一体化设计方法的办理方案， 可以用来仿照机电一体化系统的繁芜运动。
NX MCD 平台上智能生产线数字化设计及虚拟调试流程如图3 所示。

图3 基于数字孪生技能的智能生产线数字化设计流程图

2.3 创建数字孪生设备模型库

多维建模技能是面向数字孪生的智能生产线设计中的一项关键技能， 它能在虚拟设备模型中真实地反响物理实体。
运用该技能建模， 分为以下3 个步骤：（1）按照加工哀求选取加工设备，对设备进行几何建模和数字孪生模型的构建；（2）将繁芜的智能设备分解成多个组件， 分别对多个组件进行建模和装置；（3）将技能设计好的数字孪生设备模型导入模型库， 同时将各项参数储存在孪生数据中， 之后设计职员可以在NX MCD 平台中导入模型，进行智能生产线的设计布局。
设计的运送检测搬运单元模型如图4 所示［3］。

图4 运送检测搬运单元设备模型库

2.4 在NX MCD平台中搭建数字孪生系统的3个根本模型

2.4.1 物理模型的搭建

在NX MCD 平台中，基本机电工具是给三维模型设置物理属性， 使模型能够仿真真实天下的物理特性。
在NX 中，导入运送检测搬运单元智能生产线的三维数字模型，根据实体生产线的构造进行装置，根据生产线的功能需求定义基本机电工具：刚体和碰撞体。
刚体是指在运动中和受力浸染后，形状和大小不变，而且内部各点的相对位置不变的物体。
绝对刚体实际上是不存在的，只是一种空想模型，在NX软件中， 只有定义了刚体， 才会使构建的模型具有“运动”属性，受物理引擎影响，否则，该模型永久是一个静止的模型。

运送检测搬运单元中的物料、挡料气缸、顶料气缸、夹爪升降气缸和滑台以及夹爪都是静止的模型，需将其设置为刚体并授予干系属性。
碰撞体是物理组件的一类， 只有把它添加到几何工具上，才能触发碰撞。
该单元中的物料和挡料气缸、顶料气缸存在打仗碰撞，以是将三者都设置为碰撞体，并授予干系属性。
旁边夹爪和物料之间也存在打仗碰撞，以是也将其都设置为碰撞体并授予干系属性。
事情台面上的8 个挡头和物料，也有打仗碰撞，因此也将其都设置为碰撞体；2 条运送线都和物料产生打仗碰撞，以是2 个传送面都要设置为碰撞体。
详细基本机电工具设置如图5 所示。

图5 智能生产线物理模型的搭建

2.4.2 运动模型的搭建

每个机构都有自身的运动学属性， 不同的运动学属性决定了不同的运动办法。
在NX MCD 平台中，须要剖析不同机构的运动办法，并给它们授予相应的运动学属性。
然后，根据实体的运动过程和自由度，设置运动副，根据运动需求，设置气缸的位置掌握和速率掌握等实行器［4］。

（1）顶料气缸设置。
在智能生产线事情过程中， 顶料气缸按照伸出和缩回的位置进行高下运动。
以是， 将顶料气缸设置为滑动副，并根据工艺哀求，设置相应的目标位置（伸出位置为36 mm，缩回位置为0 mm）。
（2）滑台气缸设置。
在智能生产线事情过程中， 滑台气缸按照工艺哀求将从一条运送线滑动到另一条运送线， 进行旁边运动。
以是，将滑台气缸设置为滑动副，并根据工艺哀求设置相应的目标位置（最左侧位置为340 mm，缩回位置为0 mm）。

（3）爪升降气缸设置。
在智能生产线事情过程中， 升降气缸按照上升和低落的位置进行平移运动。
以是将升降气缸设置为滑动副，并根据工艺哀求设置相应的目标位置（抬起位置为40 mm，落下位置为0 mm）。
（4）挡料气缸设置。
在智能生产线事情过程中， 挡料气缸按照伸出和缩回的位置进行平移运动。
以是，将挡料气缸设置为滑动副，并根据工艺哀求设置相应的目标位置 （伸出位置为36 mm，缩回位置为0 mm）。

（5）旁边夹爪设置。
在智能生产线事情过程中， 旁边夹爪都要夹紧物料向内进行平移运动。
因此，将旁边夹爪设置为滑动副，并根据工艺哀求设置相应的目标位置 （夹紧位置为10 mm，松开位置为0 mm）。
（6）运送带的设置。
运送检测搬运单元中的搬运组件和运送检测搬运单元事情台之间存在着相对运动， 而搬运组件的旁边运动无法确定精准的位置， 以是将其设置为两点之间平移滑动的运动副。
该滑动副的轴以30 mm／s 的预设速率进走运动。
（7）齿轮耦合副的设置。
2 个夹爪之间存在相对旋转运动，可以将其设置为齿轮副。
（8）操作掌握单元设置。
操控面板上有手动／自动切换旋钮、启动按钮、停滞按钮、急停按钮、复位按钮，设置为滑动副和弹簧阻尼器；急停按钮额外设置柱面副和固定副。
运动模型的搭建如图6 所示。

图6 智能生产线运动模型的搭建

2.4.3 电气模型的搭建

智能生产线的虚拟仿真如何到达指定位置并停滞呢？这须要根据机电反馈的信息来设置传感器。
间隔传感器用来检测范围内是否有物体， 同时丈量从传感器到被测物体的间隔。
通过丈量值可以停滞、触发“操作”或者“实行机构”［1］。
该事情站须要设置入料检测点、出料检测点、料盘入口、料盘出口4 个碰撞传感器。

（1）入料检测点。
该测点用于判断上料点是否有料放置。
在NX MCD 平台中，选择传感器的检测方向， 并将其丈量范围的开口角度设置为0。
该角度会以丈量点为中央，向上、下、左、右4 个方向展开。
以指定点为出发点的最远丈量范围设置为8 mm。
（2）出料检测点。
该检测点用于判断物料是否到达出料位置。
在NX MCD 平台中，选择传感器的检测方向，将其丈量范围的开口角度设置为0，并将以指定点为出发点的最远丈量范围设置为8 mm。

（3）料盘入口。
该检测点用于判断料盘是否到达入口位置。
在NX MCD 平台中，选择传感器的检测方向，将其丈量范围的开口角度设置为0 度， 并将以指定点为出发点的最远丈量范围设置为20 mm。
（4） 料盘出口。
该检测点用于判断料盘是否到达出口位置。
在NX MCD 平台中。
选择传感器的检测方向，将其丈量范围的开口角度设置为0 度， 并将以指定点为出发点的最远丈量范围设置为50 mm。

为了检测气缸的位置， 设置MCD 中的限位开关。
此开关与现实中直接干涉运动的硬限位不同，它在超限时，只会输出一个超限旗子暗记，并可以定义上限值或下限值。
当运行时，参数值超过上限或下限时，限位开关输出为true。
该事情站有顶料和推料气缸、夹爪升降和夹爪4 个气缸，设置4 个限位开关。

（1）顶料气缸上升到位，推举启用上限值为－0.1 mm，低落到位，推举下限值为－35.5 mm。
（2）滑台气缸向左到位，推举启用上限值为339 mm，向右到位，推举下限值为0.1 mm。
（3）夹爪升降气缸低落到位，推举启用上限值为39.5 mm，上升到位，推举下限值为0.1 mm。
（4）夹爪夹紧到位，推举启用上限值为9.9 mm，松开到位，推举下限值为0.1 mm。
（5）挡料气缸上升到位，推举启用上限值为－0.1 mm，低落到位，推举下限值为－35.5 mm。

电气模型的搭建如图7 所示。

图7 智能生产线电气模型的搭建

3 基于数字孪生技能的智能生产线数字化虚拟调试（软在环）

基于数字孪生技能的智能生产线的虚拟调试有硬件在环和软件在环两种办法。
硬件在环虚拟调试指掌握部分用可编程掌握器PLC， 机器部分利用虚拟三维模型，在“虚—实”结合的闭环反馈回路中，进行程序编辑与验证。
软件在环虚拟调试指掌握部分与机器部分均采取虚拟部件，在虚拟PLC 及其程序掌握下组成的“虚—虚”结合闭环反馈回路中，进行程序编辑与调试。
本智能生产线的虚拟调试紧张先容软在环虚拟调试的方法。

3.1 软在环虚拟调试流程

虚拟调试系统包含了PLC、TIA Portal V16 博图软件、Siemens PLCSIM Advanced 仿真软件，运动驱动以及NX MCD 下的虚拟部件。
2 个软件可以在同一台电脑中虚拟仿真， 也可能分别在2 台电脑中通过网线连接进行虚拟调试， 详细调试流程如图8所示［5］。

图8 软在环虚拟调试流程图

3.2 外部PLC 旗子暗记的提取

要实现虚拟PLC 及其程序掌握下的虚拟仿真与调试，必须先提取外部PLC 程序中的所有变量旗子暗记。
详细操作步骤如下：

（1）在博图软件中打开事先编写好的检测运送单元项目程序， 设置PLC 的属性， 使其能够与建立的模型远程工具进行通信访问且支持仿真。
（2）设置CPU 的连接机制，使其许可来自远程工具的PUT／GET 通信访问。
（3）将事先编写好的掌握程序及变量表下载到PLCSIM Advances中，并运行PLCSIM 开始仿真［6］。
（4）打开NX MCD软件， 选择外部旗子暗记配置， 选择做事器为PLCSIM Adv 之后，就看到NX 软件已经和仿真的PLC 相连。
（5）点击“更新标记”按钮后，系统会将PLC 中的变量读取过来，勾选须要映射的PLC 旗子暗记，点击确定即可。

3.3 智能生产线自动化模型的搭建（MCD 旗子暗记的创建）

在NX MCD 平台中， 创建用来掌握MCD 运动模型运动输入旗子暗记及接管传感器数据的MCD 输出旗子暗记， 并通过公式关将MCD 旗子暗记与传感器和实行机构联起来。

打开NX 软件，选择“旗子暗记适配器”。
为了项目的清晰简洁， 常日会建立2 个旗子暗记适配器，1 个用于存放输出旗子暗记，另1 个用于存放输入旗子暗记。
建立好MCD旗子暗记后，将它与对应的模型参数进行绑定，实现旗子暗记掌握模型动作的目标。
MCD 输出旗子暗记的对应参数为：OUT 物料入料口、出料口、料盘入口、料盘出口。
MCD输入旗子暗记的对应参数为：INT 挡料气缸、顶料气缸、滑台气缸、夹爪升降气缸、夹爪夹紧和松开。

当外部PLC 气缸线圈发出旗子暗记时，MCD 运动模型中的气缸就会按照设置的位置动作。

将MCD 旗子暗记与传感器和实行机构联起来的实行机构公式为：

（1）搬运组件的速率参数。

IF（INT 同步带驱动电机使能＝1 ＆ INT 同步带驱动电机方向＝1） THEN （30） ELSE IF （INT 同步带驱动电机使能＝1 ＆ INT 同步带驱动电机方向＝0） THEN（－30）

（2）夹爪升降气缸的位置参数。

IF（INT 升降气缸＝1） THEN （40） ELSE （0）

（3）顶料气缸的位置参数。

IF （INT 顶料气缸伸出线圈＝1） THEN （0）ELSE （－36）

（4）挡料气缸的位置参数。

IF （INT 挡料气缸伸出线圈＝1） THEN （0）ELSE （－36）

（5）滑台气缸的位置参数。

IF （INT 滑台气缸伸出线圈＝1） THEN （340）ELSE （0）

（6）夹爪的位置参数。

IF （INT 夹爪伸出线圈＝1 ＆ 夹爪缩回线圈＝0）THEN （10） ELSE （0）

3.4 连接MCD 旗子暗记与外部PLC 旗子暗记（旗子暗记映射）

在NX MCD 软件中， 对建立的MCD 旗子暗记和PLCSIM 做事器中的旗子暗记进行旗子暗记映射，即可以自由选择要在MCD 中掌握的旗子暗记以及要从外部掌握的旗子暗记， 完成旗子暗记映射，PLC 的掌握旗子暗记与NX 的机器部分“虚—虚”结合，就可以实现软在环的虚拟调试。

3.5 软在环虚拟调试

在TIA Portal V16 软件环境下，将编译的程序下载给下位机PLC， 并开启Siemens PLCSIM Advanced 仿真调试模式；开启NX MCD 软件，建立和PLCSIM Advanced 的网络连接，在NX MCD 软件中点击播放，将系统模型中掌握面板的手动／自动按钮切换到自动模式， 不雅观察搭建的运送检测搬运单元仿真模型是否在PLC 程序掌握下按照工艺流程事情。

首先检讨设备上有无料盘或者其他杂物， 如果有，先清理干净，再检讨按钮盒急停是否松开。
如未松开，须即时松开。
然后，不雅观察指示灯是否为红灯闪烁。
如果是，重新检测上面步骤。
在担保所有气缸都在起始位置之后，按下启动按钮，并不雅观察指示灯是否变成绿色（表示统统正常）。
如果统统正常，在入料口放置料盘， 并不雅观看NX 仿真画面运送带是否开始启动运行，挡料气缸、顶料气缸是否按设置的位置伸出到位， 物料检测后是否按照工艺流程把物料投递出料口， 滑台能否合营手爪把料盘搬运到其余一条运送线上， 第二条运送线是否按哀求将物料运送到另一端。
一个流程结束之后，再次放置一个物料，检讨全体工艺流程是否正常。
不雅观察仿真的同时， 在PLC程序中进行在线监控，检讨旗子暗记的精确性，以备后续的功能改进。

4 结 语

本文供应的面向数字孪生智能生产线设计与调试方案的虚拟仿真调试高度还原了物理生产线事情场景，可以极大地缩短智能生产线的开拓周期，降落调试难度， 为后续智能虚拟生产线系统的研究供应了普适性的办理方案。
该研究仍存在模型库种类和智能生产线调试的实时性不敷等问题， 有待于在往后的事情中进一步改进。

参考文献：

［1］ 徐楚桥，孙文磊.基于物联网的智能生产线系统设计［J］.制造技能与机床，2016（3）：40－43.

［2］ 张新生.基于数字孪生的车间管控系统的设计与实现［D］.郑州：郑州大学.

［3］ 陶飞，刘蔚然，刘检华，等.数字孪生及其运用探索［J］.打算机集成制造系统研究，2018，24（1）：1－18.

［4］ 王春晓.基于数字孪生的数控建模与虚拟调试技能研究［D］.济南：山东大学，2018.

［5］ 张萌.数字孪生五维模型以及关键问题研究［M］.武汉：武汉理工大学出版社，2019：34－46.

［6］ 袁宁.智能生产线掌握系统研究［J］.软件和集成电路，2020（6）：62－63.

来源：黄河水利职业技能学院学报 作者：张鸣