自動化生產線裝配單元三維仿真平臺的構建

李光平，唐月夏

（南寧學院 機電與質量技術工程學院，廣西 南寧 530200）

自動化生產線是現代化生產加工、部件組裝、搬運分揀等生產過程的重要設備。由于設備復雜，直接進行現場調試存在很大風險。建立三維仿真平臺，對自動化生產線進行運動控制仿真，可以使設備的調試既高效、又安全。

自動化生產線仿真平臺可以通過力控、MCGS 等軟件平臺實現，目前較多的是采用MCGS 軟件平臺和插入圖元的方法設計仿真界面[1-6]。然而，用 MCGS軟件平臺開發的三維模型只是以二維圖元變換表示，尚不能直觀、多角度地反映設備的真實狀態。本文以自動化生產線的一個工位裝配單元為例，利用 CAD建立其3DS 模型，以三菱PLC 為核心控制器，在“態神”組態軟件的框架上構建裝配單元的三維仿真平臺，并進行三維運動模型研究。該仿真實驗平臺能直觀地反映裝配單元的真實運動，實時執行零件的裝配任務，提高了設備運行調試的效率和安全性。

1 實驗平臺總體設計

如圖1 所示，自動化生產線裝配單元三維仿真平臺主要由3DS 模型、三維運動模型、PLC 運動控制、“態神”界面設計、裝配單元實物5 個模塊組成。

（1）3DS 模型模塊。該模塊主要是利用 CAD 軟件建立裝配單元的3DS 模型，根據裝配單元實體設備，測量其關鍵運動部位的尺寸，選擇合適的比例建立三維模型。

（2）三維運動模型模塊。建模時，每個3DS 子對象都有一個默認基點，其旋轉運動和直線運動都參照此基點，該基點是建模時確定的。根據該基點，建立裝配單元的運動模型。

圖1 裝配單元三維仿真實驗平臺的結構

（3）PLC 運動控制模塊。以三菱FX 系列PLC 為運動控制核心，讀入開關信號和各檢測傳感器信號，輸出運行信號，控制三維模型和換向電磁閥的動作。

圖2 落料機構三維模型

（4）“態神”界面設計模塊。通過“態神”組態軟件為實驗平臺設計上位機界面，該界面能與PLC 進行串口通信，并能在多種模式下完成對裝配單元的運行調試，例如與PLC 單獨連接進行模擬仿真，與PLC、裝配單元聯機調試等。

（5）裝配單元模塊。以自動化生產線上的一個工位為例，通過研究其三維仿真調試，為其他工位乃至整個生產線的三維仿真提供參考[7-10]。

2 建立 3DS 模型

裝配單元主要由落料機構、回轉物料臺和裝配機械手組成，其功能是將料倉內的零件嵌入到裝配臺的待裝配工件中。利用 AutoCAD 建立三維模型如圖 2—圖4 所示。落料機構由管形料倉、頂料氣缸和擋料氣缸組成；回轉物料臺由氣動擺缸和2 個料盤組成；裝配機械手是裝配單元的核心，由水平伸縮氣缸、升降氣缸和氣動手指組成。

圖3 回轉物料臺三維模型

圖4 裝配機械手三維模型

落料機構、回轉物料臺和裝配機械手安裝配在支架上，得到裝配單元的整體模型，如圖5 所示。為保證3DS 模型導入態神組態軟件后，每個運動部位都能夠獨立的動作，在建模時需將運動部位建立在AutoCAD 的不同圖層上。

圖5 裝配單元整體模型

3 三維運動模型

3.1 直線運動模型

裝配單元各部件中，直線運動對象為擋料氣缸、頂料氣缸、伸縮氣缸、升降氣缸以及兩個氣動手指共6 個部件。3DS 模型建好后，以各部件的中心作為移動的初始位置，如圖6 所示。

以升降氣缸為例，其移動矩陣表示為

裝配單元直線移動的矩陣表示為：

圖6 直線坐標系

更普遍地，直線移動的位 移矩陣表示為

3.2 旋轉運動模型

在裝配單元的各部件中，進行旋轉運動的是回轉物料臺。3DS 模型建好后，設默認的旋轉中心為O，旋轉物料臺的中心為O1，旋轉物料臺繞O點旋轉θ角度后的中心為O2，如圖7 所示。

旋轉物料臺旋轉后的移動量為

圖7 旋轉坐標系

依據以上公式，可以得到裝配單元的運動模型，由此可設置三維實體模型的動作。

4 控制程序設計

對于裝配單元系統控制對象為各氣缸的電磁換向閥，需要檢測的參數為各氣缸動作的極限位置以及物料的到位情況。根據裝配單元的控制要求，整個裝配單元的數字量輸入點數為18 點，數字量輸出點數為6點，I/O 地址分配表如表1、表2 所示。考慮到10%～15%的 I/O 點數余量，選取 PLC 型號為三菱FX2N-48MR，其硬件接線如圖8 所示。

表1 輸入端口分配表

表2 輸出端口分配表

裝配單元控制程序利用 GX Developer 軟件的順序功能圖（SFC）完成。順序功能圖將一個完整的控制過程分為若干階段，階段間有一定的轉換條件。如果滿足轉換條件就實現階段轉移，即上一階段動作結束，下一階段動作開始[11]。通過分析部件的運動要求，編寫了裝配單元的控制程序。裝配單元工作流程如圖9 所示。

圖8 PLC 硬件連接示意圖

圖9 裝配單元工作流程圖

5 上位機界面設計

采用“態神”組態軟件進行上位機界面設計，實現裝配單元工作過程的實時控制和圖像監視。“態神”組態軟件既可以直接建立三維模型，也可以導入其他軟件建立的三維模型。上位機界面設計包括新建工程、創建I/O 設備通信、建立實時數據庫、設計界面以及動畫連接[12]。I/O 設備通信主要功能是驅動系統與現場設備進行通信采集，讀取 PLC 各端口數據。根據PLC 硬件選型，新建三菱FX 編程口系列驅動。

根據裝配單元的控制要求及I/O 分配表，定義變量、建立實時數據庫。在三維窗口處插入一個3DS 模型，導入裝配單元的三維模型，調整比例，得到上位機界面如圖10 所示。

圖10 上位機界面

將上位機界面中的圖形對象與實時數據庫中的數據對象鏈接，并根據三維運動模型設置相應的動畫動作，完成裝配單元三維仿真實驗平臺的構建。

6 運行調試及仿真效果

建立自動化生產線裝配單元三維仿真實驗平臺與PLC 的通信，下載控制程序并運行。調試結果證明該仿真實驗平臺與PLC 通信良好，裝配單元在上位機界面的動態顯示實時、準確。通過拖動鼠標，可以從各個角度對模型進行觀察，真正實現了三維仿真，仿真效果如圖11、圖12 所示。

圖11 機械手下降抓取

圖12 機械手伸出

該仿真實驗平臺能很好地反映裝配單元的真實運動，提高仿真實驗的直觀性、有效性。該平臺可用于設備的控制程序調試，降低現場設備調試的風險；亦可與設備同時運行，實現設備的遠程同步監視。