CN116300726A - 基于数字化工厂的齿轮箱传动轴生产线仿真及调试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生产线装配设计的技术领域，尤其是一种基于数字化工厂的齿轮箱传动轴生产线仿真及调试方法。该方法基于数字化工厂仿真软件，通过对设备布局、工艺规划、虚拟调试等情况进行分析，优化设备选型及控制方式，能够在传动轴装配生产线投产前，对整个生产流程进行仿真分析，并针对仿真结果进行优化分析，有效的减少产线投产前的经济投入，降低了前期投产与研发风险。为了方便后续工作，根据功能不同，人为的将整条产线划分为机床工作台、清洁检测工作台、装配工作台、agv小车以及立体仓库。
Description
技术领域
本发明涉及生产线装配设计的技术领域，具体涉及一种基于数字化工厂的齿轮箱传动轴生产线仿真及调试方法。
背景技术
世界各国制造业加速向智能化、数字化方向转型升级，面对制造业的转型，全球各国家都提出了相应的策略，比如德国的工业4.0和中国的制造2025，这些转型的显著特征是智能工厂的广泛普及，数字化工厂是智能工厂的基础。数字化工厂作为一个重要的发展方向，能对生产过程和系统进行模拟、评估和优化，改变传统的自动化生产线中串行设计思路，促进各领域相关工程人员沟通交流，有效的缩短设计和制造产品的时间。
针对齿轮箱传动轴这种装配生产线，将数字化工厂的全生命周期管理方式引入到产品设计生产中。改变过往传统的产品设计和生产过程，在数字化环境中组建生产线的三维模型，模型包含实际设备的物理功能，人与模型无障碍交互，实现生产线的动态仿真。在产品投入生产前，对生产线进行模拟仿真、虚拟调试、产线优化，能够更直观的了解到产线的实际情况，可以避免绝大部分的故障，减少因前期经验不足造成的经济浪费。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种基于数字化工厂的齿轮箱传动轴生产线仿真及调试方法，采用本发明提供的技术方案能够动态的对生产线进行规划，对生产设备进行配置，对生产线提前进行量化评估，减少调试周期，降低试生产成本。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于数字化工厂的齿轮箱传动轴生产线仿真及调试方法，包括以下步骤：
S1、将齿轮箱传动轴生产线划分为机床设备单元、清洁检测设备单元、装配设备单元、agv设备单元、工件单元以及仓库单元；在NX资源建模软件中对生产线需要的各设备完成3D建模，得到3D模型数据，并将3D模型数据导入至Process Designer仿真软件；
S2、在Process Designer仿真软件和Process Simulate仿真软件中完成对设备的定义；
在Process Designer仿真软件中对各个设备单元按照顺序要求搭建和细化生产线，将不同的设备单元划分到Process Designer仿真软件中不同的项目库中；
在Process Designer仿真软件中，对导入软件的模型按照种属关系进行定义数据源类型，使软件正确识别模型是什么设备，提供相应的操作权限。根据实际布局空间，在软件中合理布局生产线，把相应的设备放在指定的位置。按照设备工作内容不同，在ProcessDesigner软件数据库中分别建立机床项目库、清洁检测项目库、装配设备项目库、agv小车项目库、仓库项目库；
在Process Simulate仿真软件中对生产线中各设备进行运动学定义，模仿真实制造和运动过程行为，对生产线各设备设定序列仿真，预留出PLC信号接口，为后续虚拟调试做准备，完成齿轮箱传动轴生产线的真实工作情况；
在对模型进行运动操作时，在Process Simulate仿真软件中建立逻辑块（软件的一个功能），逻辑块的输入信号接口用于匹配发送给Process Simulate中模型的PLC程序输出信号，是模型输入信号的端口。逻辑块的输出信号接口用于匹配rocess Simulate中模型反馈给PLC程序的输入信号，是模型向外输出信号的端口
对生产线各设备进行基于时序的仿真序列定义，基于时序的仿真序列定义是根据每个动作的设计时序逻辑决定模型的运动流程。
S3、在TIA Portal仿真软件中，根据生产线设备设计的仿真序列与预留的PLC信号接口编写独立的PLC控制程序，根据S2中的运动仿真，在TIA Portal中制定控制流程，建立组态，编写PLC控制程序；
S4、联合Process Simulate仿真软件和TIA Portal仿真软件，通过PLCSIMAdvanced连接Process Simulate仿真软件和TIA Portal仿真软件，配置信号，实现软件的联合虚拟调试，在Process Simulate仿真软件中可以实时的观察生产线各设备的运转情况和装配干涉情况；
S5、通过PLC程序对各设备单元的分别控制，单个设备单元出现问题时，其它设备单元正常运行；单设备单元调试功能验证无误后，验证多设备单元联合虚拟调试，通过总控单元适合的调配，使生产线具备一定的柔性；
S6、观察各设备单元在各自的工艺环节是否满足要求，若工艺环节不满足要求，则返回S2修改，若控制程序不满足要求，则返回S4修改，若各工作台均满足要求，则产线仿真调试完成。
作为更进一步的优选方案，S1中，得到3D模型数据转化成轻量化的.jt格式，再导入至Process Designer仿真软件。
作为更进一步的优选方案，S2中，运动学定义包括零件模型定义、机械臂关节定义、夹具姿态定义。
作为更进一步的优选方案，S4中，在Process Simulate软件中添加相应传感器，预留出信号接口，按照相应的逻辑关系，在博途中构建各控制层程序，完成对硬件、网络、设备进行参数设置；编译PLC控制程序后，建立程序与数字工厂的链接，首先将编写后的程序下载到设备，对程序进行监视矫正；启用连接器S7-PLCSIM Advanced，PLC程序通过PLCSIM或OPC连接到Process Simulate，在Process Simulate中，通过使用PLC或者真实的PLC进行仿真。
考虑到PLC运行速度和可靠性等因素控制器选用SIMATIC ET 200SP CPU控制器中的1511SP-1 PN，网络采用的是通用的192.168.0.1。
本发明通过对设备布局、工艺规划、虚拟调试等情况进行分析，优化设备选型及控制方式，能够在传动轴装配生产线投产前，对整个生产流程进行仿真分析，并针对仿真结果进行优化分析，有效的减少产线投产前的经济投入，降低了前期投产与研发风险。
附图说明
图1是本发明中基于数字化工厂的仿真架构图；
图2是本发明中齿轮箱传动轴生产线的基本布局图；
图3是本发明中柔性生产线虚拟调试方法的步骤图；
图4a是3D模型导入Process Designer中的模型定义；
图4b是3D模型机械臂模型的运动学定义；
图4c是3D模型夹具的姿态定义；
图5是联合虚拟调试仿真示意图；
图6是PLC控制结构方案设计图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1所示，本发明包括NX资源建模模块，Process Designer数据管理和工艺规划模块，Process Simulate仿真验证与离线编程模块，Process Designer和ProcessSimulate软件数据是互通的，TIA Portal虚拟调试环境搭建模块。
NX资源建模模块，用于对生产线中所需要的设备进行3D模型建模，这是仿真的基础；模型根据实际需求建立，与实际生产线设备的尺寸、约束关系相对应，能完整反应设备工作时的运行动作。
Process Designer数据管理和工艺规划模块，对整个生产工艺过程进行规划、分析、优化。生产线的设计往往设计到电气、自动化、机械等相关领域，需要多人协同设计，为了避免后期工艺数据过多而造成混乱，同时生产线各类数字模型相对独立，根据设备的功能不同在Process Designer模块中对生产线模型进行划分，将能完成一定工艺步骤的设备集合体划分一个工作台，将每个工作台分到一个独立的项目库中。使用Process Designer软件可以大大缩短产品生命周期。
Process Designer功能是对生产工艺过程进行规划、分析、优化，可以对导入软件的3D模型进行定义，使其具备一定的意义，比如模型是机器人、工件还是工作台。能按照一定的顺序搭建生产线，即车间级、生产线级、工作区级、工位级，逐渐细化。能够建造不同的项目库，将不同的工作台划分到相应的项目库中，同项目库中的资源和工艺数据彼此独立又可以同时反映在总体的项目库中，为后续实现生产线各工作台之间联合通信与调度提供基础，也方便多人协同设计。能对生产线布局进行规划，合理利用工作空间。本齿轮箱传动轴生产线布局如图2所示。
Process Simulate仿真验证与离线编程模块，利用Process Simulate在投产前期对制造方法和制造工艺进行虚拟验证，通过对产品和资源的三维数据的利用能够极大的简化复杂制造过程的验证、优化和试运行等工程任务，从而保证更高质量的产品被更快地投放市场。
使用Process Simulate软件能够真实的再现各个设备在工艺过程中的各种动作姿态，在软件中将设备设置成建模状态后，可以对设备模型进行运动学定义，创建相应的运动学链，实现结构关联运动，随后可以设定相应的夹具动作，开合角度等。能对装配过程中机器人的轨迹进行设计，验证无碰撞机器人路径，优化机器人运动和玄幻时间，调节节拍。可以通过仿真序列功能，控制设备的动作时序，移动速度等，能够模仿制造过程的真实行为，展示仿真产品以及工具的全部装配过程，并优化生产节拍时间合过程顺序。结合西门子TIA Portal博图能够实现虚拟调试，测试虚拟调试中的信号逻辑和反馈，基于控制逻辑触发机械和工艺仿真。
TIA Portal虚拟调试环境搭建模块，是一款搭建组态和软件项目环境的自动化软件，能够根据实际需求和设备情况编写PLC程序，并且通过S7-PLCSIM Advanced与ProcessSimulate连接，实现PLC程序验证。
通过TIA Portal采用OPC通信协议调用所述Process Simulate仿真平台的通讯接口，与所述仿真平台之间实现信号连接，输入与所述运动组件、运动类型以及具体参数相对应的控制信号，驱动所述仿真平台中的3D模型的运动组件完成设定的工艺动作。
本发明通过数字化工厂技术，结合机、电、软联合虚拟调试手段，在生产线设计阶段，搭建一个数字化生产线，根据生产线的工艺设计，模拟真实PLC程序驱动实际生产线加工运行的过程，就可以在生产线设计制造过程中，实时的对生产线进行设计与调试并行、错误修正、工艺验证等。从而达到降低成本，提高研发质量和现场调试效率。
如图3所示，本发明提供一种基于数字化工厂的齿轮箱传动轴生产线仿真及调试方法，包括以下步骤：
S1、在NX软件中对生产线需要的3D模型进行建模，并将3D模型转换成轻量化的.jt格式，定义并导入至Process Designer仿真平台；
S2、在Process Designer和Process Simulate仿真平台中完成对设备的定义，将不同的工作台划分到不同的项目库中，实现资源和工艺数据的独立，对生产线中各设备进行运动学定义，模仿真实制造过程行为，对生产线设定序列仿真，预留出PLC信号接口，为后续虚拟调试做准备，完成齿轮箱传动轴生产线的真实工作情况；
具体的，在模拟传动轴生产线动作时，需要将3D模型进行模型定义和运动学定义以及姿态定义，通过各设备的仿真时序运动，令3D模型完成完整的生产线各工艺动作，如图4a、b、c所示是零件模型定义、机械臂关节定义、夹具姿态定义。然后进行基于时间或事件来控制上文设置的定义；
S3、在TIA Portal仿真平台中，根据各工作台模型设计的仿真序列与运动仿真编写独立的PLC控制程序，实现各机台PLC程序驱动三维模型的仿真调试。
S4、联合Process Simulate仿真平台和TIA Portal仿真平台，通过PLCSIMAdvanced连接两个仿真软件，配置信号，实现软件的联合虚拟调试，在Process Simulate仿真软件中可以实时的观察生产线各设备的运转情况，装配干涉等；
具体的，在Process Simulate软件中添加相应传感器，预留出信号接口，按照相应的逻辑关系，在博途中构建各控制层程序，完成对硬件、网路、设备进行参数设置。编译程序后，建立程序与数字工厂的链接，首先将编写后的程序下载到设备，对程序进行监视矫正。启用连接器S7-PLCSIM Advanced，PLC程序通过PLCSIM或OPC连接到Process Simulate，在Process Simulate中，可以通过使用PLC或者真实的PLC进行仿真。如图5所示为联合仿真示意图；
S5、通过PLC程序对各工作台的分别控制，单个工作出现问题时，其它工作台正常运行。单工作台调试功能验证无误后，验证多工作台联合虚拟调试，通过总控单元适合的调配，使生产线具备一定的柔性；
具体的，采用由分到总的设计思路，在S2中将整条生产线模型划分为单独的一个个工作台，建立各自的项目库，其次在S3中按照各工作台设计时序与运动流程编写独立的PLC控制程序，并预留出与总控PLC通信交互的接口，实现总分的控制架构。所设计的架构方案如图6所示；
S6、观察各工作台模型在各自的工艺环节是否满足要求，若工艺环节不满足要求，则返回S2修改，若控制程序不满足要求，则返回S4修改，若各工作台均满足要求，则产线仿真调试完成
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于数字化工厂的齿轮箱传动轴生产线仿真及调试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将齿轮箱传动轴生产线划分为机床设备单元、清洁检测设备单元、装配设备单元、agv设备单元、工件单元以及仓库单元；在NX资源建模软件中对生产线需要的各设备完成3D建模，得到3D模型数据，并将3D模型数据导入至Process Designer仿真软件；
S2、在Process Designer仿真软件和Process Simulate仿真软件中完成对设备的定义；
在Process Designer仿真软件中对各个设备单元按照顺序要求搭建和细化生产线，将不同的设备单元划分到Process Designer仿真软件中不同的项目库中；
在Process Simulate仿真软件中对生产线中各设备进行运动学定义，模仿真实制造和运动过程行为，对生产线各设备设定序列仿真，预留出PLC信号接口，为后续虚拟调试做准备，完成齿轮箱传动轴生产线的真实工作情况；
S3、在TIA Portal仿真软件中，根据生产线设备设计的仿真序列与预留的PLC信号接口编写独立的PLC控制程序，根据S2中的运动仿真，在TIA Portal中制定控制流程，建立组态，编写PLC控制程序；
S4、联合Process Simulate仿真软件和TIA Portal仿真软件，通过PLCSIM Advanced连接Process Simulate仿真软件和TIA Portal仿真软件，配置信号，实现软件的联合虚拟调试，在Process Simulate仿真软件中可以实时的观察生产线各设备的运转情况和装配干涉情况；
S5、通过PLC程序对各设备单元的分别控制，单个设备单元出现问题时，其它设备单元正常运行；单设备单元调试功能验证无误后，验证多设备单元联合虚拟调试，通过总控单元适合的调配，使生产线具备一定的柔性；
S6、观察各设备单元在各自的工艺环节是否满足要求，若工艺环节不满足要求，则返回S2修改，若控制程序不满足要求，则返回S4修改，若各工作台均满足要求，则产线仿真调试完成。
2. 根据权利要求1所述的一种基于数字化工厂的齿轮箱传动轴生产线仿真及调试方法，其特征在于：所述S1中，得到3D模型数据转化成轻量化的.jt格式，再导入至ProcessDesigner仿真软件。
3.根据权利要求1所述的一种基于数字化工厂的齿轮箱传动轴生产线仿真及调试方法，其特征在于：所述S2中，运动学定义包括零件模型定义、机械臂关节定义、夹具姿态定义。
4. 根据权利要求1所述的一种基于数字化工厂的齿轮箱传动轴生产线仿真及调试方法，其特征在于：所述S4中，在Process Simulate软件中添加相应传感器，预留出信号接口，按照相应的逻辑关系，在博途中构建各控制层程序，完成对硬件、网络、设备进行参数设置；编译PLC控制程序后，建立程序与数字工厂的链接，首先将编写后的程序下载到设备，对程序进行监视矫正；启用连接器S7-PLCSIM Advanced，PLC程序通过PLCSIM或OPC连接到Process Simulate，在Process Simulate中，通过使用PLC或者真实的PLC进行仿真。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117216976A (zh) * | 2023-09-08 | 2023-12-12 | 东莞理工学院 | 一种基于仿真监测的生产流水线管理方法及系统 |
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2023
- 2023-02-21 CN CN202310147044.6A patent/CN116300726A/zh active Pending
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| CN117216976A (zh) * | 2023-09-08 | 2023-12-12 | 东莞理工学院 | 一种基于仿真监测的生产流水线管理方法及系统 |
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