基于數字孿生的數控機床自動上下料系統設計

汪浩，劉樹青, ，賈茜, ，王坤，汪木蘭

(南京工程學院 a. 工業中心； b. 先進數控技術江蘇省高校重點實驗室，江蘇 南京 211167)

0 引言

汽車機油泵是將機油提高到一定壓力后，強制地壓送到汽車發動機各零件運動表面上的一個部件，直接影響發動機的整機性能。機油泵殼體是機油泵的主要部件，是汽車生產中大批量制造的一種典型殼體類零件，也是影響機油泵生產效率的重要因素。機油泵殼體的毛坯采用鋁合金材料壓鑄而成，其主要加工工序為粗加工端面、打孔、銑槽和精加工端面[1-2]。在進入本文所設計的系統前，機油泵殼體已是半成品，本文所涉及的加工僅是2個Φ37mm和Φ19mm螺旋槽的銑削以及Φ6mm孔的粗精鏜。如圖1所示。

圖1 待加工機油泵殼體

經測量，數控機床加工機油泵殼體的總時間約為1min/件。因現有的數控機床只能完成兩層托盤的交換，所以機床每加工完成一層托盤，工人就要上料。工人上下料的節拍約為16min，每個工人只能完成2臺數控機床的上下料管理，工廠所需人工數量多，勞動強度大。為了提高機油泵殼體的加工效率，本文設計了數控機床的自動上下料系統，并進行了該系統的安裝、調試及生產信息管理。該系統由數控機床、桁架式機器人、自動托盤庫等設備組成，可實現自動上下料、自動加工、成品入庫等功能。

1 控制要求和方案

效率是上下料系統設計的基本要求。提高效率就需要提高運行速度，降低單件生產時間；其次是要提高定位精度。由于加工過程沒有人工參與，零件需要準確定位以便自動加工。通過設計一套自動上下料裝置，可以對機油泵殼體的生產工藝進行優化，提高生產效率。

生產中常用的自動上下料裝置有兩種：一是桁架機器人,結構簡單，運動速度快，動作平穩性較高，適合大批量生產；二是關節機器人，其動作靈活，適用性較強[3]。本文采用桁架機器人，既可以滿足功能要求又具有良好的經濟性。

桁架機器人需要實現左右、上下兩個方向的運動，通過伺服電機驅動滾珠絲杠實現。這種傳動方式結構簡單，可以實現精確定位。機器人手爪采用氣壓傳動，末端執行器為夾緊氣缸，工作時反應速度快，并且有很強的自保持能力。為進一步節約時間，采用旋轉氣缸驅動手爪旋轉，實現換料操作。

為滿足機油泵殼體的加工工藝要求，在數控車床上增加了銑削動力裝置和C軸功能，以滿足零件車銑復合加工要求。采用適合加工小型精密零件的排刀式刀架，排刀直接跟隨工作臺移動，能夠快速更換刀具，加工精度高、效率也比較高。綜合上述考慮，設計了如圖2所示的數控機床及上下料系統。

圖2 數控機床及上下料系統

2 上下料系統設計

2.1 桁架機器人機械結構設計

本文設計的桁架機器人具有兩個自由度，采用交流伺服電機帶動滾珠絲杠和滑臺實現運動，并通過蓋板將電機以及絲杠密封。整個桁架機器人通過立柱與機床連接。圖3為機械手主要組成部件。

圖3 機械手及主要部件

該機械手由12個零部件組成，其中主要的部件為燕尾槽連接塊、旋轉關節以及末端氣爪。機械手通過滑塊連接板與豎直方向的滑臺固定；旋轉關節與旋轉氣缸相連接，實現手爪的轉位；由于氣缸的爪子伸出長度較短，為保證夾取工件的要求，在氣缸的末端設計了專門的氣爪，從而增加機構的柔性。

手爪的夾緊氣缸和旋轉氣缸均采用三位四通電磁換向閥。當手爪到達取料位置時，夾緊氣缸的鎖緊電磁閥通電，待完成取料動作后，滑臺配合移動至放料點，旋轉氣缸動作完成機器人毛坯爪與成品爪的位置轉換。夾緊氣缸的松開電磁閥再通電，完成放料動作。

2.2 上下料控制系統設計

該設備包括數控車削中心、桁架機器人、自動升降料倉等主要模塊。為保證各部分之間的協調運行，對控制系統進行了詳細設計，包括西門子808D數控系統、S7-1200 PLC、V90伺服驅動器、KTP700 Basic精簡面板觸摸屏、M430步進驅動器等，控制系統的連接如圖4所示。在此基礎上，基于西門子博圖軟件完成PLC程序設計以及數據塊共享，實現自動上下料控制要求。

圖4 控制系統連接圖

銑削裝置作為第二主軸由MM440變頻器直接驅動電主軸，車削加工時，主軸只需速度控制，銑削加工時需要切換到位置控制模式，即C軸功能，實現主軸周向任意位置控制并和其他伺服軸進行聯動，配合動力刀具實現螺旋槽等型面的加工。

采用西門子S7-1200PLC對桁架機器人橫向和縱向滑臺的V90伺服驅動器進行控制。S7-1200PLC具有穩定性好、可靠性強的特點，同時還具備強大的運動控制功能。V90伺服驅動器具有極高的定位精度，完成機械手上下料的精確位置控制，具有PN接口，可方便實現設備的網絡連接，實現設備的參數設置與故障診斷[4]。通過Profinet總線通信，實現桁架機器人、數控機床及料倉之間的信息交換。

上下料系統的PLC程序基于博圖軟件進行結構化設計，包括組織塊OB、函數塊FB與FC、數據塊DB。整個控制程序由主程序和各功能模塊子程序組成，采用模塊化結構?；诓┩拒浖?，可以很方便地實現機器人運動控制程序的編寫。西門子S7-1200PLC對V90伺服驅動的基本定位控制功能塊為FB284，此功能塊的調用配合西門子標準報文可激活驅動模塊中基本定位工藝功能，實現伺服電機的位置控制。

上下料系統的動作流程如下：

第1步:機械手運動至毛坯料的正上方；

第2步：半成品料倉上移，托盤移動至指定位置；

第3步：機械手抓取半成品料；

第4步：機械手移動至機床卡盤正前側；

第5步：機械手完成和卡盤上的工件交換；

第6步：數控機床進行加工；

第7步：機械手將加工完成的工件放回至托盤。

待整個托盤內的零件全部加工完成后，同步帶模組將托盤移至成品料倉內，即完成了一塊托盤內零件的加工。重復以上動作，完成所有托盤內零件的加工。

在每個動作完成后都設計了相應的傳感器用來檢測動作是否完成到位，并通過面板的狀態監控實時反映系統的狀態，從而保證了系統運行的實時性。

3 機電一體化設計及仿真調試

基于NX軟件的MCD(mechatronics concept design)模塊實現機床上下料系統的機電一體化設計和仿真調試。MCD的半實物調試功能可以使三維數字模型與實物(PLC或數控系統)聯合進行調試，實現半實物的仿真調試與功能驗證，即可以通過OPC或者內存共享，實現實物與MCD系統的數據交換。具體實現方法涉及到工業以太網數據傳輸協議，從而可在MCD環境下顯示數字模型的運動和行為[5]。

具體實施步驟如下：首先，基于NX軟件建立數控機床上下料系統的三維模型，相當于數字孿生技術中的數字模型[6]；然后在MCD模塊中對所建立的數字模型進行配置，賦予其必要的物理、力學屬性；再通過SIMIT軟件以共享內存的方式，實現MCD與控制軟件的數據交換，完成類似于實物真實運行的模擬調試，從而達到對所設計的上下料系統進行測試、優化的目的。

3.1 MCD配置

MCD中的配置包括各運動部件的剛體、碰撞體設置、運動副設置、傳感器配置等。將桁架機器人水平移動的軸命名為U軸，設置為移動副；將上下移動的軸命名為V軸，也設置為移動副；將手爪旋轉的軸命名為W軸，設置為鉸鏈副。對這些運動副進行相應的位置控制。

3.2 SIMIT配置

SIMIT是一款用于自動化項目虛擬仿真測試的軟件，可以實現輸入/輸出信號的仿真、現場設備的仿真以及整個工廠工藝的仿真[7]。數控機床自動上下料系統的虛擬調試主要使用SIMIT完成PLC輸入輸出信號的處理、共享內存的建立以及信號的傳輸，從而將PLC信號映射到MCD中的機床上下料系統數字模型，完成仿真運行測試。

為了實現這一功能，首先要將PLC程序中設置的I/O信號地址加載到SIMIT平臺并進行分類。SIMIT平臺與軸控制相關的數據為雙字型，而從PLC中導入的為字型，因此需要將數據類型進行整合。其次是建立共享內存模塊，共享內存中的數據將用于MCD中模型的信號輸入，從而實現仿真調試。圖5所示為共享內存中的數據。

圖5 共享內存中的數據

最后，通過ADAS模塊將PLC 的I/O控制信號轉化為MCD能夠識別的軸運動信號，實現數字模型中軸的虛擬運動。整個虛擬調試系統的信息循環流程如圖6所示。

圖6 虛擬調試信息傳輸鏈

3.3 虛擬調試

在完成數字模型的相關設置以及與控制信號的連接后，可以在機電一體化平臺上進行基于數字孿生模型的虛擬調試，從而達到高效驗證模型、優化系統設計的目的。例如，通過對桁架機器人水平方向運動的虛擬調試，可以對其運行速度、所能到達的位置范圍等進行監控，并根據虛擬調試的結果對桁架機器人的結構以及驅動控制系統進行優化調整，以滿足產品的設計要求。

4 結語

本文結合數控機床上下料系統的設計，闡述了數字孿生技術在制造自動化裝備開發過程中的應用。通過對機油泵殼體這一制造業中典型零件的加工效率進行研究，設計了一套以桁架機器人為中心的上下料系統。通過對桁架機器人的結構設計以及控制系統的設計，使汽車機油泵殼體的加工生產效率大大提高，節約了人力成本。基于數字孿生技術的機電一體化設計及虛擬調試，有效縮短了新產品開發周期，同時又降低了新產品研發風險和研發投入?？梢灶A見數字孿生技術將在智能制造時代發揮重要的作用。