基于Process Simulate在物料智能分揀系統(tǒng)中的應(yīng)用

崔久好

（山東萊茵科斯特智能科技有限公司,山東 淄博 255000）

1 引言

在物料智能分揀系統(tǒng)集成項(xiàng)目實(shí)施過程中，從招標(biāo)到項(xiàng)目交付需要一定的時(shí)間。但實(shí)則往往會遇到客戶要求項(xiàng)目提前交付，這樣就要求項(xiàng)目實(shí)施方延長正常的工作時(shí)間，可效果并不理想，這時(shí)Process Simulate軟件的優(yōu)勢就會體現(xiàn)出來。數(shù)字孿生項(xiàng)目工程師只需從機(jī)械設(shè)計(jì)師那里獲取整個(gè)項(xiàng)目的3D模型即可開展項(xiàng)目。當(dāng)數(shù)字化工程師通過軟件Process Simulate對模型進(jìn)行設(shè)置后，配合電氣工程師即可對項(xiàng)目進(jìn)行自動化編程，電氣工程師進(jìn)行自動化項(xiàng)目PLC程序的編寫，同時(shí)數(shù)字化工程師進(jìn)行機(jī)器人程序的編寫。在設(shè)備安裝完畢之前，整個(gè)自動化產(chǎn)線的PLC程序、機(jī)器人程序已經(jīng)編寫完成。通過Process Simulate虛實(shí)聯(lián)調(diào)技術(shù)驗(yàn)證整個(gè)產(chǎn)線設(shè)計(jì)方案的可行性，同時(shí)設(shè)計(jì)方案的高效性得到體現(xiàn)，從而縮短項(xiàng)目交付時(shí)間。

2 物料智能分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.1.1 主要組成部分

物料智能分揀系統(tǒng)的主要組成部分如圖1、圖2所示。

圖1 中物料智能分揀系統(tǒng)主要組成部分：①抓料夾爪；②半成品庫；③成品庫；④料倉A；⑤料倉B；⑥成品組裝區(qū)；⑦傳感器A；⑧傳感器B；⑨深度檢測傳感器C；⑩ABB機(jī)器人本體；?運(yùn)輸皮帶。

圖1 三維俯視圖

圖2中物料智能分揀系統(tǒng)的主要組成部分：①ABB控制器；②西門子1500PLC。

圖2 三維主視圖

2.1.2 工藝流程

此系統(tǒng)在沒有故障的前提下，通過圖2中西門子1500CPU中的PLC程序控制整個(gè)系統(tǒng)的自動運(yùn)行。

當(dāng)料倉A中的物料被推出時(shí)，物料會隨著運(yùn)輸皮帶運(yùn)行，經(jīng)過傳感器A、傳感器B和深度檢測傳感器C的檢測，最后在運(yùn)輸皮帶的末端停止。在此過程中系統(tǒng)程序會判斷出被推出物料材質(zhì)、顏色、物料的型號。現(xiàn)將系統(tǒng)判斷的幾種情況進(jìn)行匯總說明。

（1）當(dāng)判斷的結(jié)果有料且物料的型號為公頭物料時(shí)，1500CPU給機(jī)器人發(fā)移動到成品裝配區(qū)的信號，機(jī)器人收到信號后執(zhí)行程序，安裝抓料夾爪。當(dāng)安裝完夾爪后，機(jī)器人移動到運(yùn)輸皮帶的末端將物料抓取放回到成品組裝區(qū)，之后回到成品組裝區(qū)正上方80 mm處停止，等待系統(tǒng)信號。

（2）當(dāng)判斷的結(jié)果有料且物料的型號為非公頭物料時(shí)，1500CPU給機(jī)器人發(fā)送移動到半成品庫的信號，機(jī)器人收到此信號執(zhí)行程序，安裝抓料夾爪。當(dāng)安裝完夾爪后，機(jī)器人移動到運(yùn)輸皮帶的末端將物料抓取放回到半成品庫，之后回到半成品庫正上方100 mm處停止，等待系統(tǒng)信號。

當(dāng)系統(tǒng)程序經(jīng)過以上兩種情況的判斷且機(jī)器人處在等待信號狀態(tài)時(shí)，料倉B中物料被推出，物料會隨著運(yùn)輸皮帶運(yùn)行，經(jīng)過傳感器A、傳感器B和深度檢測傳感器C的檢測，最后在運(yùn)輸皮帶的末端停止。在此過程中系統(tǒng)會判斷出被推出物料材質(zhì)、顏色、物料的型號，現(xiàn)將系統(tǒng)判斷的幾種情況進(jìn)行匯總說明。

（1）當(dāng)判斷的結(jié)果有料且物料的型號為母頭物料時(shí)，1500PLC會給機(jī)器人發(fā)出移動到成品組裝區(qū)的信號，機(jī)器人收到信號后移動到運(yùn)輸皮帶的末端將物料抓取放回到成品組裝區(qū)。組裝完成后，1500CPU給機(jī)器人發(fā)送移動到成品庫信號，機(jī)器人得到信號后將組裝區(qū)的物料按照順序搬運(yùn)到成品庫，之后回到機(jī)器人的原點(diǎn)位置，等待系統(tǒng)信號。

（2）當(dāng)判斷的結(jié)果有料且物料的型號為非母頭物料時(shí)，1500CPU會給機(jī)器人發(fā)送移動到半成品庫的信號，機(jī)器人移動到運(yùn)輸皮帶的末端將物料抓取放回到半成品庫，之后回到半成品庫正上方100 mm處停止，等待系統(tǒng)信號。當(dāng)成品庫或半成品庫放滿物料時(shí)，整個(gè)物料分揀系統(tǒng)停止。

2.2 Process Simulate設(shè)計(jì)

創(chuàng)建智能分揀系統(tǒng)的3D模型并導(dǎo)入到Process Simulate軟件中，根據(jù)工藝流程要求創(chuàng)建運(yùn)動學(xué)設(shè)備、概念機(jī)運(yùn)線和運(yùn)動設(shè)備有關(guān)信號。

2.2.1 ABB機(jī)器人/成品組裝區(qū)設(shè)備運(yùn)動學(xué)創(chuàng)建

ABB機(jī)器人/成品組裝區(qū)設(shè)備在整個(gè)智能分揀系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位，起決定性作用。半成品庫和成品庫物料的搬運(yùn)、抓料夾爪的安裝和成品的組裝都需要機(jī)器人/組裝區(qū)設(shè)備的移動才能實(shí)現(xiàn)。因此需根據(jù)功能要求在運(yùn)動學(xué)編輯器中創(chuàng)建正確的運(yùn)動學(xué)，以實(shí)現(xiàn)其移動。機(jī)器人運(yùn)動學(xué)的創(chuàng)建如圖3所示，成品組裝區(qū)設(shè)備運(yùn)動學(xué)的創(chuàng)建如圖4所示。

圖3 機(jī)器人運(yùn)動學(xué)

圖4 成品組裝區(qū)設(shè)備運(yùn)動學(xué)

2.2.2 定義概念機(jī)運(yùn)線

智能分揀系統(tǒng)中料倉A和料倉B中的物料被推出時(shí)，由于Process Simulate 14版本中無法定義重力屬性，料倉中的物料無法下落到料倉底部，進(jìn)而無法被底部傳感器感應(yīng)，會造成PLC程序無法正常運(yùn)行，從而造成虛擬調(diào)試失真，這樣無法驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性和設(shè)備的可達(dá)性，因此軟件必須定義料倉的概念機(jī)運(yùn)線，從而解決虛擬調(diào)試失真問題。定義概念機(jī)運(yùn)線如圖5、圖6所示。

圖5 料倉A機(jī)運(yùn)線設(shè)置

圖6 料倉B機(jī)運(yùn)線設(shè)置

2.2.3 信號創(chuàng)建

在Process Simulate三維模型中，信號用于運(yùn)動控制和外部1500CPU的信息交互，包括input signal和output signal兩種信號類型。Input signal是外部1500 CPU輸入到Process Simulate模型的信號，output signal則是Process Simulate輸出到外部1500CPU的信號。信號創(chuàng)建完成后才能實(shí)現(xiàn)軟件與外部1500CPU之間的信號交互，是完成智能分揀系統(tǒng)虛實(shí)聯(lián)調(diào)的必要條件。創(chuàng)建的信號如圖7所示（注：創(chuàng)建的信號名稱可以是中文或英文）。

圖7 信號創(chuàng)建

3 Process Simulate在智能分揀系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 Process Simulate在智能分揀系統(tǒng)中的虛擬調(diào)試

3.1.1 虛擬調(diào)試的目的

利用虛擬PLC控制3D模型動作，可以驗(yàn)證物料智能分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性、設(shè)備的可達(dá)性，減少機(jī)械設(shè)計(jì)師對三維模型修改次數(shù)和機(jī)械和電氣部件的損耗。

通過Process Simulate加載智能分揀系統(tǒng)的3D模型，并創(chuàng)建系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)動學(xué)、概念機(jī)運(yùn)線和外部1500CPU通信訊號等。

3.1.3 虛擬調(diào)試的步驟

（1）通訊設(shè)置

第一步打開PLCSIM Advanced高功能仿真器，然后點(diǎn)擊Start Virtual創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目名，名稱設(shè)置為192.168.0.1（與CPU的IP地址相同），最后點(diǎn)擊Start完成創(chuàng)建。高功能仿真器如圖8所示。

圖8 PLC仿真器

第二步打開Process Simulate軟件，點(diǎn)擊文件→選項(xiàng)→PLC→外部連接→連接設(shè)置→添加→PLCSIM Advanced→創(chuàng)建外部連接→輸入外部連接的名稱XXXX（注：信號查看器中外部連接選擇XXXX）。

第三步打開博圖軟件，選中所創(chuàng)建的項(xiàng)目點(diǎn)右鍵在屬性中勾選“塊編譯時(shí)支持仿真”。

1.請家長來學(xué)校了解教學(xué)情況和學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。針對不同層次的學(xué)生使用不同的方式請家長參觀學(xué)校，對成績良好但思想不太優(yōu)秀的學(xué)生說：“你的學(xué)習(xí)成績是優(yōu)秀的，老師想讓你更優(yōu)秀，老師需要和你的父母討論一些其他方面的問題。”對有一技之長的后進(jìn)生說：“你擅長體育（音樂、繪畫等），如果你深入學(xué)習(xí)，然后去上一個(gè)更高層次的學(xué)校，你將有一個(gè)強(qiáng)有力的立足于社會的技能。”簡單的教育方式蘊(yùn)涵著一個(gè)樸素的教育理念——相信學(xué)生，教育學(xué)生的全部秘密在于相信學(xué)生和解放學(xué)生。相信學(xué)生、解放學(xué)生，首先要賞識學(xué)生。

（2）編寫及下載PLC程序

在物料智能分揀系統(tǒng)中，主要是根據(jù)工藝要求實(shí)現(xiàn)不同物料的分揀，整個(gè)分揀過程中利用機(jī)器人的移動實(shí)現(xiàn)物料的搬運(yùn)，利用成品組裝區(qū)的設(shè)備實(shí)現(xiàn)物料的壓合從而將物料進(jìn)行裝配。其過程中首先根據(jù)運(yùn)動需求定義信號的變量和數(shù)據(jù)類型（見圖9），然后在博圖TIA程序塊中根據(jù)工藝要求編寫PLC程序。

圖9 全局變量

3.2 Process Simulate編寫智能分揀系統(tǒng)程序

真實(shí)智能分揀系統(tǒng)裝配完成之前，利用Process Simulate軟件進(jìn)行機(jī)器人離線編程，利用軟件導(dǎo)入三維模型并借助西門子PLC編程軟件實(shí)現(xiàn)對分揀系統(tǒng)程序編寫，解決無真實(shí)設(shè)備狀態(tài)下的編程，驗(yàn)證基于Process Simulate在物料智能分揀系統(tǒng)中的高效性。

3.2.1 機(jī)器人離線編程

（1）機(jī)器人屬性設(shè)置（Robot Properties）

屬性設(shè)置以ABB機(jī)器人為例。首先選擇機(jī)器人的品牌，這里把Controller選擇為ABB-Rapid,其次把Robot vendor設(shè)置為ABB，最后把Controller version選擇為6.04RW6。只有以上設(shè)置正確了，才能繼續(xù)對機(jī)器人進(jìn)行程序編寫。設(shè)置如圖10所示。

圖10 Robot Properties設(shè)置

（2）設(shè)置機(jī)器人配置（ROBOT Setup）

利用Robot Setup對機(jī)器人的移動速度、工具坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系等進(jìn)行定義并設(shè)置，為機(jī)器人程序編寫做好鋪墊。設(shè)置如圖11所示。

圖11 ROBOT Setup設(shè)置

（3）機(jī)器人程序編寫

在Path-Editor的OLP中編寫機(jī)器人邏輯程序，利用Operations里面的Add Location By Pick進(jìn)行點(diǎn)的示教，創(chuàng)建機(jī)器人軌跡子程序，如圖12所示。

圖12 程序編寫

（4）機(jī)器人程序展示

Process Simulate編寫的程序如圖13所示。通過Program中的Download to Robot將程序下載到真實(shí)機(jī)器人控制器中。

圖13 機(jī)器人程序展示

3.2.2 PLC離線程序編寫

Process Simulate軟件無法進(jìn)行PLC程序的編寫，但可利用軟件導(dǎo)入智能分揀設(shè)備三維模型，搭建符合PLC程序編寫的條件。借助西門子PLC編程軟件實(shí)現(xiàn)對智能分揀系統(tǒng)的程序編寫，解決無真實(shí)設(shè)備狀態(tài)下的編程，驗(yàn)證基于Process Simulate在物料智能分揀系統(tǒng)中的高效性。

4 Process Simulate軟件未來發(fā)展趨勢

隨著西門子工廠數(shù)字化技術(shù)的推廣，越來越多的企業(yè)、學(xué)校開始使用Process Simulate軟件。現(xiàn)代企業(yè)應(yīng)用此軟件較多的領(lǐng)域是汽車主機(jī)廠、高科技電子、航空航天、鐵道機(jī)車車輛、摩托車、船舶、機(jī)床、重型裝備、新能源電池等。此外，國內(nèi)的很多大型車企已經(jīng)開始應(yīng)用此軟件。隨著軟件在智能化、自動化領(lǐng)域的不斷應(yīng)用，越來越多的企業(yè)會應(yīng)用此軟件。現(xiàn)在國內(nèi)很多院校已經(jīng)開設(shè)Process Simulate軟件課程。較早開設(shè)此課程的東莞理工學(xué)院，每年為各企業(yè)輸送大量的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用人才。同時(shí)隨著校企合作的開展和深度產(chǎn)教融合的實(shí)施，校企“1+X生產(chǎn)線數(shù)字化仿真與應(yīng)用”證書的推廣，越來越多的高校應(yīng)用并推廣此軟件。

5 結(jié)語

綜上所述，本文主要闡述了智能分揀系統(tǒng)的組成，介紹了軟件在智能分揀系統(tǒng)中的應(yīng)用，并預(yù)測了軟件的發(fā)展趨勢。希望本研究能對從事與該軟件有關(guān)的技術(shù)人員、工程師、技師、學(xué)校老師和在校同學(xué)等在理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐應(yīng)用有一定的借鑒作用。

不過，此軟件也存在一些應(yīng)用不足。以ABB機(jī)器人為例，其在現(xiàn)場數(shù)字孿生虛實(shí)聯(lián)調(diào)時(shí)，Process Simulate軟件無法識別偏移指令（OFFS）,因此一些路徑點(diǎn)無法識別，需要人為確定這些路徑點(diǎn)。此外，機(jī)器人在更換不同的工具時(shí)會造成TCP的識別錯(cuò)誤。但是，筆者相信，隨著軟件的迭代升級，軟件中的一些應(yīng)用不足也會得到解決。