基于數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的數(shù)控油邊機(jī)設(shè)計(jì)與開發(fā)

翟振坤ZHAI Zhen-kun；屠高瑞TU Gao-rui；何天宇HE Tian-yu

（①?gòu)V東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州510815；②華南理工大學(xué)，廣州 510898）

0 引言

在皮革產(chǎn)品生產(chǎn)的工藝流程中，油邊工藝是指在經(jīng)過燙邊、修平、刨邊、磨邊等前期工序之后，通過滾涂一層皮革邊油來掩蓋皮料切口，進(jìn)而在皮革產(chǎn)品的邊緣或貼合處形成立體輪廓的一種裝飾性工藝。長(zhǎng)期以來，皮革產(chǎn)品油邊工藝的生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)受限于半自動(dòng)化的人工操作方式生產(chǎn)效率低下，另一方面生產(chǎn)環(huán)境中工業(yè)邊油揮發(fā)對(duì)人體健康有害，無法滿足當(dāng)前智能制造生產(chǎn)工藝綠色化的發(fā)展需求[1]。數(shù)控皮革油邊設(shè)備是皮革行業(yè)的基礎(chǔ)制造裝備，伴隨著“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略規(guī)劃的深入，加之人力資源與制造成本的迅速上升，加劇了皮革行業(yè)企業(yè)對(duì)機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)中傳統(tǒng)工藝技術(shù)改造與升級(jí)的現(xiàn)實(shí)需求。

智能制造時(shí)代，制造裝備已不僅僅是單純的機(jī)電系統(tǒng)，而是高度開放與復(fù)雜的機(jī)電軟系統(tǒng)[2]，其在實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)方式的創(chuàng)新過程中起到了至關(guān)重要的作用。數(shù)字化技術(shù)定義制造、智能化技術(shù)驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新的趨勢(shì)越來越得到產(chǎn)業(yè)界與學(xué)術(shù)界專家的認(rèn)可。數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)是指以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理樣機(jī)的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)和模型模擬來完善、優(yōu)化物理樣機(jī)在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為或性能。借助數(shù)字孿生技術(shù)，在制造裝備的研發(fā)過程中，利用數(shù)字化樣機(jī)可以通過數(shù)字模擬先行的方式提前預(yù)知研發(fā)過程中可能出現(xiàn)的技術(shù)漏洞、工藝瑕疵與質(zhì)量問題，以“前期迭代”模式打破“后期裝調(diào)”的傳統(tǒng)研發(fā)模式。數(shù)字孿生在制造領(lǐng)域巨大的應(yīng)用潛力，使其成為國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。Tao F等提出基于數(shù)字孿生技術(shù)將產(chǎn)品制造過程劃分為任務(wù)提煉、概念設(shè)計(jì)與虛擬驗(yàn)證等階段，可有效提升產(chǎn)品制造效率[3]。Zhang H等提出利用數(shù)字孿生技術(shù)來實(shí)現(xiàn)中空玻璃自動(dòng)化生產(chǎn)線的高效定性化設(shè)計(jì)[4]。汪浩等針對(duì)數(shù)控機(jī)床的上下料單元，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)完成了機(jī)電一體化設(shè)計(jì)[5]。王春曉等基于數(shù)字孿生的概念提出數(shù)控機(jī)床的多領(lǐng)域建模與虛擬調(diào)試方案[6]。李浩等結(jié)合數(shù)字孿生提出包含需求分析、虛擬樣機(jī)、數(shù)據(jù)管理等模塊的復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造開發(fā)框架[7]。

針對(duì)前述皮革產(chǎn)品生產(chǎn)過程中傳統(tǒng)手工油邊工藝效率低下，生產(chǎn)環(huán)境中工業(yè)邊油揮發(fā)對(duì)人體健康有害等問題，提出利用數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)控油邊機(jī)虛擬樣機(jī)的建模，并對(duì)生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行虛擬仿真、調(diào)試，同時(shí)結(jié)合工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的高效遠(yuǎn)程監(jiān)控與運(yùn)維，旨在實(shí)現(xiàn)皮革產(chǎn)品的智能化、綠色化生產(chǎn)。

1 數(shù)字化樣機(jī)建模

1.1 機(jī)械本體設(shè)計(jì)

如圖1所示，數(shù)控油邊機(jī)由油邊工序單元和晾曬工序單元兩部分組成。其中油邊工序單元中，為提高上料效率，設(shè)計(jì)采用由立式儲(chǔ)料機(jī)構(gòu)與多點(diǎn)定位吸盤機(jī)械手組成的供料模塊，支持多尺寸帶狀皮革產(chǎn)品的柔性上料，實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格皮革產(chǎn)品的定制化生產(chǎn)。自動(dòng)化的上料過程，較之傳統(tǒng)手工上料，可有效提升油邊工藝的整體效率。在上油工序中，設(shè)計(jì)采用雙側(cè)對(duì)稱伺服驅(qū)動(dòng)滾輪上油機(jī)構(gòu)，通過高精度定位控制與油量調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)快速、平滑上油，保證雙側(cè)油邊均勻光滑、圓潤(rùn)厚實(shí)。油邊工序單元與晾曬工序單元間，設(shè)計(jì)采用多自由度傳輸單元，可實(shí)現(xiàn)已油邊皮革到晾曬單元的高效搬運(yùn)。為增大晾曬工序的容量，設(shè)計(jì)多工位環(huán)形晾曬單元，漸進(jìn)循環(huán)的晾曬過程，可實(shí)現(xiàn)皮革產(chǎn)品的無擾式批量晾曬與倉儲(chǔ)。

1.2 機(jī)電對(duì)象配置

為建立數(shù)字化虛擬樣機(jī)與物理樣機(jī)動(dòng)態(tài)行為及系統(tǒng)性能間的耦合關(guān)系，需要借助機(jī)電概念設(shè)計(jì)技術(shù)，通過賦予虛擬樣機(jī)物理屬性，以參數(shù)化方式實(shí)現(xiàn)機(jī)械、電氣和自動(dòng)化設(shè)計(jì)之間的協(xié)同[8]。在本設(shè)計(jì)方案中采用西門子的NX MCD平臺(tái)，利用剛體、碰撞體等基本機(jī)電對(duì)象實(shí)現(xiàn)數(shù)控油邊機(jī)各零部件與關(guān)聯(lián)機(jī)構(gòu)的機(jī)電屬性定義，由于數(shù)控油邊機(jī)的執(zhí)行邏輯涉及8個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的協(xié)調(diào)配合，因此為了能精確描述油邊機(jī)的動(dòng)態(tài)行為特性，借助鉸鏈副、滑動(dòng)副、固定副等聯(lián)結(jié)屬性與速度控制、位置控制等驅(qū)動(dòng)對(duì)象來定義各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的動(dòng)態(tài)特性。如圖2所示，分別為傳送機(jī)械手添加固定副與位置控制參數(shù)。

2 控制工藝流程與虛擬調(diào)試

2.1 工藝流程仿真

如圖3所示，數(shù)控油邊機(jī)的控制工藝流程為：?jiǎn)?dòng)主控指令發(fā)出后，傳輸單元移動(dòng)到供料單元的指定位置上，通過吸盤把物料吸住，然后帶物料回到原點(diǎn)，回到原點(diǎn)之后旋轉(zhuǎn)氣缸工作使吸盤和物料旋轉(zhuǎn)180°完成姿態(tài)的轉(zhuǎn)換，之后再通過傳輸單元把物料送到加工單元指定的加工位置上并實(shí)現(xiàn)加工單元的加工。最后傳送單元在夾取物料之后回到原點(diǎn)，通過旋轉(zhuǎn)氣缸以及傳送單元在空間坐標(biāo)Z軸的運(yùn)動(dòng)把物料送到晾曬單元的指定位置上，晾曬單元夾取物料并把物料送到指定的位置晾曬。

根據(jù)上述控制工藝流程，利用NX MCD中的仿真序列編輯器可以對(duì)工藝流程實(shí)現(xiàn)快速編排，常用的編排機(jī)制有基于時(shí)間觸發(fā)的序列編排、基于事件觸發(fā)的序列編排以及混合式編排。如圖3所示，數(shù)控油邊機(jī)的工藝流程編排基于時(shí)間觸發(fā)機(jī)制，通過對(duì)吸盤、傳動(dòng)單元、晾曬旋轉(zhuǎn)托盤等執(zhí)行結(jié)構(gòu)設(shè)定時(shí)間參數(shù)與編排邏輯觸發(fā)順序，可精確仿真油邊工藝對(duì)應(yīng)的動(dòng)作序列。

2.2 虛擬調(diào)試

本設(shè)計(jì)方案中基于OPC技術(shù)搭建融合MCD建模與PLC編程環(huán)境的虛擬調(diào)試平臺(tái)，平臺(tái)架構(gòu)如圖4所示。在MCD環(huán)境中，首先需要為受控機(jī)電對(duì)象添加內(nèi)部信號(hào)，之后根據(jù)內(nèi)外部信號(hào)間的耦合關(guān)系建立映射信號(hào)表；考慮到目標(biāo)可編程控制器的平臺(tái)多樣性，為了提高虛擬樣機(jī)的通用性，基于OPC UA技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)MCD與多個(gè)異構(gòu)PLC編程環(huán)境的集成。在實(shí)際虛擬調(diào)試過程中，利用KEPServerEX、MX OPC Server等軟件實(shí)現(xiàn)了MCD虛擬樣機(jī)與博圖V15、三菱GX Works2等多平臺(tái)PLC編程環(huán)境間的聯(lián)合調(diào)試。在PLC程序的開發(fā)過程中，除了傳統(tǒng)的離線編程外，還可通過將MCD中的仿真序列轉(zhuǎn)換成PLCOpen XML格式文件，導(dǎo)入PLC編程環(huán)境中實(shí)現(xiàn)控制程序的在線自動(dòng)生成，有效提高開發(fā)效率。

3 基于智能云控的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

在數(shù)控油邊機(jī)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)過程中，考慮到生產(chǎn)環(huán)境下工業(yè)邊油揮發(fā)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作人員健康造成的影響，將工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入設(shè)計(jì)方案中，通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字孿生技術(shù)的融合，在云端實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能云控。如圖5所示，在硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)方案中，經(jīng)過虛擬調(diào)試后的數(shù)控油邊機(jī)控制程序可直接通過通信網(wǎng)絡(luò)下載到現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯控制器中。在物理樣機(jī)調(diào)試過程中，利用數(shù)字孿生技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化樣機(jī)與物理樣機(jī)的虛實(shí)同步，利用交互數(shù)據(jù)來進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)節(jié)拍與控制邏輯。現(xiàn)場(chǎng)控制數(shù)據(jù)與設(shè)備的工作狀態(tài)信息通過智能網(wǎng)關(guān)上傳到云平臺(tái)，同時(shí)云平臺(tái)的控制與管理數(shù)據(jù)可同步下發(fā)到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中，在油邊設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，利用工業(yè)云平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程快速診斷與調(diào)試，極大提升生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)維效率。

4 結(jié)論

基于數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)技術(shù)，本文提出一種數(shù)控油邊機(jī)設(shè)計(jì)與開發(fā)方法，所提方法以數(shù)字化、可視化方式實(shí)現(xiàn)機(jī)械、電氣和自動(dòng)化設(shè)計(jì)之間的協(xié)同，通過為物理硬件油邊設(shè)備創(chuàng)建虛擬模型，來模擬其在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)環(huán)境中的行為，通過數(shù)字模擬先行的方式提前預(yù)知可能出現(xiàn)的技術(shù)漏洞、工藝瑕疵和質(zhì)量問題，以“前期迭代”模式打破“后期裝調(diào)”的傳統(tǒng)研發(fā)模式。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的引入，可以促進(jìn)皮革產(chǎn)品生產(chǎn)過程中以數(shù)據(jù)為中心的信息技術(shù)（IT）和以流程為中心的操作技術(shù)（OT）的高效融合，用以提高全自動(dòng)皮革產(chǎn)品油邊設(shè)備的可維護(hù)性與生產(chǎn)效率。