船舶管子加工智能生產線仿真平臺設計

廖良闖

（中國船舶重工集團公司第七一六所，江蘇連云港 222000）

0 引言

目前已有不少關于仿真技術在制造業中的應用實例，鑒于當前智能產線的復雜程度越來越高，系統環境要求也千變萬化。有的特定產線不滿足現場人工調試的要求，這種情況下需要利用虛擬設計和可視化技術來實現非現場產線的整體規劃和控制策略設計驗證。加強生產線虛擬設計和可視化系統研究，提升大型自動化產線的開發能力，使其有能力勝任在航天、兵器、汽車、新能源等特種領域的開發需求，屬于機器人產業自身發展需求。

虛擬調試作為數字孿生應用場景之一，針對各行各業有著較為深刻的應用指導作用。但是將虛擬調試用在制造業中，國內外的研究起步較晚。所謂虛擬調試是在整個制造過程之前以數字孿生技術針對所設計制造的裝備進行調試，達到最早發現問題進而解決問題的目的，既節約成本，又加快裝備建設速度。通過模擬真實環境下的統一虛擬樣機模型，為設計者提供一個高度可視化的融合分析仿真、協同互動、設計評估、總體布局、裝配驗證、虛擬訓練、產品性能靜動態展示等功能的平臺環境，從而提升產品質量，縮短交付周期，降低設計修改和測試費用。

開發自動化產線的虛擬設計和可視化軟件平臺，有助于提升自動化產線的設計開發能力。本文基于Visual Components與倍福PLC，設計搭建船舶直管加工線的虛擬產線及數字孿生設計，并后續推廣到其他產線的研發過程中。

1 船舶直管加工工藝流程

管件加工生產的工藝步驟主要包括：首先管件在立體倉庫完成入庫等工序，生產任務啟動時立體倉庫自動完成管件的出庫。管件進入自動物流系統，實時測量管徑并在高效定長切坡一體機完成管件的下料，管件經過打磨，在自動貼標設備處完成貼標，之后進入組對焊接工位。上下料機器人將法蘭從法蘭庫中取出，送至打碼工位打碼，之后進行法蘭與管件的組對與焊接。最后進行管件裝配的一系列工藝過程。船舶管子管件在工位間以及工位內部的流轉由物流系統自動實現。柔性管加生產線工藝流程如圖1所示。

圖1 柔性管加生產線系統工藝流程圖

2 基于VC軟件的三維模型導入及處理

圖2為導入到VC中的組對焊接平臺模型，對各部分模型依情況選取不同的輕量化方式，孔洞較多部分使用去除孔洞的方式，特征不明顯部分采用柱化或塊化等方式進行修改。

圖2 模型的導入

將各個設備單獨保存在VC的本地模型庫中，方便產線搭建時直接調用。從模型庫選取設備，按調研結果搭建虛擬產線。導入后虛擬產線見圖3。

圖3 虛擬產線

3 自動化生產線的虛擬仿真和可視化平臺搭建

3.1 基于VC的可視化平臺搭建

船舶建造系統仿真的主要目標是：檢測與評估生產計劃的可行性與準確性；優化車間生產資源（設備、人員、吊車等）的配置；優化車間的生產工藝流程；確定最恰當的設備運行參數，使生產緩沖區的容量最優等。以直管加工典型流程為基礎，建立直管加工的虛擬產線。并同時搭建組對焊接平臺，作為平臺的實物產線，與虛擬組對焊接平臺結合，實現產線關鍵工位的數字孿生。在可視化平臺中，由PLC作為虛擬產線控制系統控制整個流程。結構如圖4所示。

圖4 可視化平臺結構圖

PLC的流程控制由3個部分組成：一是立庫工位的半實物仿真，由PLC控制每一個虛擬電機，驗證控制邏輯；二是切割工位、打磨工位、貼標工位的純虛擬仿真，PLC僅獲得虛擬工件是否到達虛擬工位，起到下達開始命令的作用；三是組對焊接平臺的數字孿生系統，由PLC控制并讀取實物組對焊接工作站，將其各項參數傳遞給VC，使VC中的虛擬組對焊接工作站實時映射實物動作。流程圖如圖5所示。

圖5 PLC程序流程圖

在直管加工虛擬產線中，立體倉庫采用半實物仿真方式，如圖5所示，由人機交互界面輸入管子參數，PLC計算相應的庫位，執行相應的出/入庫程序，控制VC中虛擬立體倉庫的伺服電機的開關與行程，VC僅根據PLC程序的數據，執行伺服電機對應動作節點的移動/旋轉等動作，實現以低成本方式仿真程序流程，驗證其可靠性并進行優化。

圖6 立庫的半實物仿真

立庫PLC-VC流程中，PLC與VC的交互信號均使用變量，由VC中作變量匹配后，可使VC與PLC綁定的變量實時同步，延遲不高于10 ms，如圖7所示。

圖7 VC與PLC的變量匹配

3.2 組對焊接站數字孿生功能

圖8為機器人與VC的數字孿生，為實現組對焊接站中的機器人與VC的實時數據交互，使機器人的動作可實時反饋到VC的虛擬產線中的機器人上，使用PLC讀取機器人各個軸的參數，并將數據傳至VC中。VC利用這些數據，以程序腳本驅動虛擬設備的仿真伺服電機運行，實現數字孿生。

圖8 機器人與VC的數字孿生

使用VC中的腳本程序驅動機器人模型，設置變量控制機器人模型每個軸的運動量。同時由 PLC讀取實物機器人的伺服電機編碼器值，VC與該PLC作變量鏈接，實時刷新VC腳本中的控制運動量的變量，實現數字孿生。

在組對焊接站工位采用數字孿生，由PLC采集機器人各電機軸數據，并采用上文所述方式作變量匹配。經測試延遲在5 ms以內，效果良好。

4 結論

建立船舶管子加工智能生產線需要集成多種先進智能制造技術，需建立流水線動作庫，在組對焊接過程中需對工件進行定位，對焊縫進行跟蹤。以離線編程系統為主導，調研各關鍵模塊，形成智能流水線應用于生產中，能大大改善勞動環境，降低勞動強度，提高勞動效率。

建立船舶管子加工智能生產線控制系統平臺設計不僅可在VC軟件中虛擬管子加工的生產過程，還可直觀觀察生產線的各工位工作的具體情況，實現產線的智能化，提高生產效率。同時VC軟件具有模型輕量化技術，可以實現大型產線的仿真需求。