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

（①廣東交通職業技術學院，廣州510815；②華南理工大學，廣州 510898）

0 引言

在皮革產品生產的工藝流程中，油邊工藝是指在經過燙邊、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，進而在皮革產品的邊緣或貼合處形成立體輪廓的一種裝飾性工藝。長期以來，皮革產品油邊工藝的生產實現受限于半自動化的人工操作方式生產效率低下，另一方面生產環境中工業邊油揮發對人體健康有害，無法滿足當前智能制造生產工藝綠色化的發展需求[1]。數控皮革油邊設備是皮革行業的基礎制造裝備，伴隨著“中國制造2025”戰略規劃的深入，加之人力資源與制造成本的迅速上升，加劇了皮革行業企業對機械設備和生產中傳統工藝技術改造與升級的現實需求。

智能制造時代，制造裝備已不僅僅是單純的機電系統，而是高度開放與復雜的機電軟系統[2]，其在實現生產方式的創新過程中起到了至關重要的作用。數字化技術定義制造、智能化技術驅動創新的趨勢越來越得到產業界與學術界專家的認可。數字化樣機技術是指以數字化方式創建物理樣機的虛擬模型，借助數據和模型模擬來完善、優化物理樣機在現實環境中的行為或性能。借助數字孿生技術，在制造裝備的研發過程中，利用數字化樣機可以通過數字模擬先行的方式提前預知研發過程中可能出現的技術漏洞、工藝瑕疵與質量問題，以“前期迭代”模式打破“后期裝調”的傳統研發模式。數字孿生在制造領域巨大的應用潛力，使其成為國內外學術界和工業界關注的熱點。Tao F等提出基于數字孿生技術將產品制造過程劃分為任務提煉、概念設計與虛擬驗證等階段，可有效提升產品制造效率[3]。Zhang H等提出利用數字孿生技術來實現中空玻璃自動化生產線的高效定性化設計[4]。汪浩等針對數控機床的上下料單元，結合數字孿生技術完成了機電一體化設計[5]。王春曉等基于數字孿生的概念提出數控機床的多領域建模與虛擬調試方案[6]。李浩等結合數字孿生提出包含需求分析、虛擬樣機、數據管理等模塊的復雜產品設計制造開發框架[7]。

針對前述皮革產品生產過程中傳統手工油邊工藝效率低下，生產環境中工業邊油揮發對人體健康有害等問題，提出利用數字化技術實現數控油邊機虛擬樣機的建模，并對生產工藝流程進行虛擬仿真、調試，同時結合工業物聯網云平臺實現設備的高效遠程監控與運維，旨在實現皮革產品的智能化、綠色化生產。

1 數字化樣機建模

1.1 機械本體設計

如圖1所示，數控油邊機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，設計采用由立式儲料機構與多點定位吸盤機械手組成的供料模塊，支持多尺寸帶狀皮革產品的柔性上料，實現不同規格皮革產品的定制化生產。自動化的上料過程，較之傳統手工上料，可有效提升油邊工藝的整體效率。在上油工序中，設計采用雙側對稱伺服驅動滾輪上油機構，通過高精度定位控制與油量調節，可實現快速、平滑上油，保證雙側油邊均勻光滑、圓潤厚實。油邊工序單元與晾曬工序單元間，設計采用多自由度傳輸單元，可實現已油邊皮革到晾曬單元的高效搬運。為增大晾曬工序的容量，設計多工位環形晾曬單元，漸進循環的晾曬過程，可實現皮革產品的無擾式批量晾曬與倉儲。

1.2 機電對象配置

為建立數字化虛擬樣機與物理樣機動態行為及系統性能間的耦合關系，需要借助機電概念設計技術，通過賦予虛擬樣機物理屬性，以參數化方式實現機械、電氣和自動化設計之間的協同[8]。在本設計方案中采用西門子的NX MCD平臺，利用剛體、碰撞體等基本機電對象實現數控油邊機各零部件與關聯機構的機電屬性定義，由于數控油邊機的執行邏輯涉及8個運動軸的協調配合，因此為了能精確描述油邊機的動態行為特性，借助鉸鏈副、滑動副、固定副等聯結屬性與速度控制、位置控制等驅動對象來定義各個運動軸的動態特性。如圖2所示，分別為傳送機械手添加固定副與位置控制參數。

2 控制工藝流程與虛擬調試

2.1 工藝流程仿真

如圖3所示，數控油邊機的控制工藝流程為：啟動主控指令發出后，傳輸單元移動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，回到原點之后旋轉氣缸工作使吸盤和物料旋轉180°完成姿態的轉換，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現加工單元的加工。最后傳送單元在夾取物料之后回到原點，通過旋轉氣缸以及傳送單元在空間坐標Z軸的運動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。

根據上述控制工藝流程，利用NX MCD中的仿真序列編輯器可以對工藝流程實現快速編排，常用的編排機制有基于時間觸發的序列編排、基于事件觸發的序列編排以及混合式編排。如圖3所示，數控油邊機的工藝流程編排基于時間觸發機制，通過對吸盤、傳動單元、晾曬旋轉托盤等執行結構設定時間參數與編排邏輯觸發順序，可精確仿真油邊工藝對應的動作序列。

2.2 虛擬調試

本設計方案中基于OPC技術搭建融合MCD建模與PLC編程環境的虛擬調試平臺，平臺架構如圖4所示。在MCD環境中，首先需要為受控機電對象添加內部信號，之后根據內外部信號間的耦合關系建立映射信號表；考慮到目標可編程控制器的平臺多樣性，為了提高虛擬樣機的通用性，基于OPC UA技術，可實現MCD與多個異構PLC編程環境的集成。在實際虛擬調試過程中，利用KEPServerEX、MX OPC Server等軟件實現了MCD虛擬樣機與博圖V15、三菱GX Works2等多平臺PLC編程環境間的聯合調試。在PLC程序的開發過程中，除了傳統的離線編程外，還可通過將MCD中的仿真序列轉換成PLCOpen XML格式文件，導入PLC編程環境中實現控制程序的在線自動生成，有效提高開發效率。

3 基于智能云控的硬件平臺設計

在數控油邊機硬件平臺設計過程中，考慮到生產環境下工業邊油揮發對現場操作人員健康造成的影響，將工業物聯網技術融入設計方案中，通過工業物聯網與數字孿生技術的融合，在云端實現現場設備的智能云控。如圖5所示，在硬件平臺設計方案中，經過虛擬調試后的數控油邊機控制程序可直接通過通信網絡下載到現場可編程邏輯控制器中。在物理樣機調試過程中，利用數字孿生技術，可實現數字化樣機與物理樣機的虛實同步，利用交互數據來進一步優化生產節拍與控制邏輯。現場控制數據與設備的工作狀態信息通過智能網關上傳到云平臺，同時云平臺的控制與管理數據可同步下發到現場設備中，在油邊設備出現故障時，利用工業云平臺能夠實現遠程快速診斷與調試，極大提升生產設備的運維效率。

4 結論

基于數字孿生驅動技術，本文提出一種數控油邊機設計與開發方法，所提方法以數字化、可視化方式實現機械、電氣和自動化設計之間的協同，通過為物理硬件油邊設備創建虛擬模型，來模擬其在現實生產環境中的行為，通過數字模擬先行的方式提前預知可能出現的技術漏洞、工藝瑕疵和質量問題，以“前期迭代”模式打破“后期裝調”的傳統研發模式。工業物聯網技術的引入，可以促進皮革產品生產過程中以數據為中心的信息技術（IT）和以流程為中心的操作技術（OT）的高效融合，用以提高全自動皮革產品油邊設備的可維護性與生產效率。