基于西門子NX的PBS緩沖區虛擬仿真模型研究

黃耀輝

（江蘇長虹智能裝備股份有限公司，江蘇 鹽城 224051）

0 引言

西門子機電概念設計軟件NX是一種前沿的機電一體化概念設計系統，支持機械、電氣和自動化多學科聯合設計與仿真，是“工業4.0”背景下的新興產品。目前NX機電一體化概念已在多個行業成為研究熱點，如礦山機械行業［1］、智能分揀行業［2］、智能制造行業［3］等。

汽車生產企業通常在總裝車間和涂裝車間之間設置涂裝緩沖區(PBS），以滿足生產計劃的隨機性和不確定性［4］。由于PBS緩沖區現場生產運行的特殊性通常不利于企業宣傳、員工培訓、仿真調試，為此本文利用西門子機電概念設計軟件NX1847設計PBS緩沖區的虛擬仿真模型，通過NX軟件的配置可以使仿真模型具有實際物理意義。

1 PBS緩沖區仿真系統的組成和工作原理

1.1 車輛PBS緩沖區仿真系統的組成

車輛PBS緩沖區仿真系統如圖1所示，主要由本區軌道、入庫車道、出庫車道、移行機軌道、輥床、水平移行機、旋轉移行機、汽車、限位傳感器等部分組成。

注釋1為1條若干輥床組成的本區軌道，注釋3為車道(由左到右前3條是入庫車道，后6條是出庫車道）以及4條供車道兩側移行機移動的軌道。每1條入庫出庫車道由9個輥床組成。在軌道上有3個可以水平運動的移行機(如圖1的注釋2，4，5），另外還有4個可以順逆時針90°旋轉的旋轉移行機(如圖1的注釋6）。為模擬現實中的效果，該模型在本區軌道上放置了10輛汽車模型來實現仿真效果。

圖1 車輛PBS緩沖區系統仿真模型

1.2 車輛PBS緩沖區系統的工作原理

車輛PBS緩沖區的工作原理主要是在輥床運動的前提下，增加軌道與移行機，再配合PLC實現汽車自動出入庫的功能，輥床的工作流程如圖2所示。

圖2 輥床的工作流程

車輛PBS緩沖區系統的主要功能為收到入庫指令后，本區輥床電機啟動在本區的汽車依次自動向前運動，使得最前面的汽車到達移行機1輥床上，再根據輸入的入庫車道，讓移行機1上行到所需要的車道。然后移行機1輥床電機運動使汽車進入軌道，軌道上的各個輥床電機依次開始運動，直到汽車停止在前方汽車的后面。完成入庫操作后，移行機1自動復位，下行到一號入庫車道停止。收到出庫指令并根據輸入的出庫車道號，移行機3自動到達所要出庫軌道，然后啟動移行機3輥床電機讓汽車移動至移行機3上。移行機3輥床接近開關到達后自動運動到指定的出庫軌道，移行機輥床電機反向啟動使移行機3上的汽車到達出庫車道，然后軌道上的各個輥床電機依次反向運動使汽車到達移行機2。移行機2再將汽車移動到旋轉輥床，通過旋轉輥床的X，Y接近開關使汽車調轉方向，最終達到按要求出庫的目的。

2 PBS緩沖區模型的建立

車輛PBS緩沖區系統在運輸車體時采用滑橇式輥床自動輸送系統，主要由普通輥床、旋轉輥床、移行機、軌道等單元設備組成。該系統的緩沖區采用線性緩沖區，也就是將若干個輥床組合成一個車道，再由幾個存儲車道組合成整個系統。

2.1 輥床的設計

車輛PBS緩沖區的主要部分是輥床，通過輥床來實現車身的移動，輥床底部如圖3所示。

圖3 普通輥床

輥床運動主要通過摩擦傳動來實現，電機首先驅動輥床的轉動軸，再利用電機上的同步帶將電機轉移給輥床上的輥輪并讓其旋轉。當有汽車經過輥輪時，由于車身與輥輪接觸存在摩擦會產生力使車身作水平運動。為了使模型變得簡單，在三維模型中我們用一個傳輸面來代替同步帶與輥床電機，通過在模型中設置傳輸面的速度即可代替輥床電機的轉速，設置傳輸面速度的方向代替輥床電機的正轉和反轉。在NX中繪制草圖模型，通過拉伸、組合、裝配等功能將輥床的小零件組裝成整體。NX建立的普通輥床模型如圖4所示。

圖4 普通輥床模型

圖中1表示輥床上面的輥輪；2表示輥床電機的位置；3表示傳輸面，能夠使車身在輥床上運動。

在車輛PBS緩沖區模型中除了普通輥床之外還需要旋轉輥床改變車身的方向。旋轉輥床是指這個輥床可以按指定圓周作旋轉運動的功能。旋轉輥床的底部如圖5所示。

圖5 旋轉輥床

從圖5中可以看出旋轉輥床和普通輥床都有驅動電機和輥輪等。其基本的運動方式也是利用摩擦傳動原理。但與普通輥床不同的是在旋轉輥床底部需要加設一個圓形軌道與滾輪，同時驅動電機需要供輥床水平運動的電機外和一個能夠使輥床作旋轉運動的電機。旋轉輥床的三維模型如圖6所示。

圖6 旋轉輥床模型

圖中1為旋轉輥床底部的圓形軌道，供該輥床作旋轉運動使用；2為輥床上的輥輪；3為水平運動的驅動電機；4為圓周運動的驅動電機，通過該電機可以控制旋轉輥床的旋轉速度；5為滾輪，滾輪能夠讓該輥床在指定的圓形軌道上作圓周運動。

2.2 軌道的設計

當輥床呈線性排列時，車身在輥床上能夠隨著輥床電機的依次啟動而自動向前運動。但移行機并不能自動做橫向運動，因此需要為移行機設置專門的軌道，從而實現車身準確的出入庫。軌道的位置分別位于車道的最前方和最后方。軌道的NX模型如圖7所示。

圖7 軌道模型

圖7中1為1號軌道；2為2號軌道。兩個軌道分別平行放置，兩軌道間的間隔與移行機底部的兩個滾輪之間的距離相等，這樣能夠讓移行機在軌道上更穩定地移行。兩個軌道的長度與所有車道的橫向距離相等，確保移行機在出庫入庫操作過程中能夠到達任意一條車道。

2.3 移行機的設計

移行機與普通輥床相同，主要通過摩擦傳動實現輥床運動。因此在移行機上也有輥床軸、輥床電機、同步帶和輥輪。但是與普通輥床所不同，移行機不僅要在有汽車經過輥輪時產生力，使車身作水平運動，移行機本身也需要作水平運動。因此在移行機上需要額外增加供移行機本身水平運動的電機。另外，移行機需要在專門的平行于輥床的軌道上運動，還需要在移行機底部增加4個輥輪，確保移行機移動過程中不會發生位置偏差。在NX中繪制的移行機模型如圖8所示。

為了使模型變得簡易，在三維模型中筆者用一個簡易的長方體代替輥床電機和供水平運動的電機。圖8中1為輥床電機，主要是供輥床本身的同步帶運動；2為移行機的水平移動驅動電機；3為輥輪，設置在軌道與移行機之間為了使移行機在水平移動時能夠更加穩定；4為移行機上的感應片，其作用是與各車道上的接觸開關配合，使移行機能夠準確地停在車道上。

圖8 移行機模型

3 各類傳感器的選擇和裝配

3.1 傳感器的選擇

為檢測車輛在輥床、移行機等不同位置的到位信息，需要在模型中配置接近開關，根據實物圖在NX軟件中繪制出接近開關的三維模型，如圖9所示。其中，1為接近開關的感應頭，用于產生交變磁場。

圖9 接近開關模型

3.2 傳感器的裝配

選擇好傳感器之后，在模型中相應的位置放置即可。由于本區輥床、車道輥床、移行機上都會有車身經過，為了使在運動過程中車身啟動和停止更加準確，需要在每個輥床、移行機的末端放置一個接近傳感器。輥床上放置的傳感器如圖10所示。

圖10中箭頭處即為傳感器安放處。當車身運動到輥床上，車身底部的金屬部分橇體靠近傳感器到一定程度或離開傳感器時，傳感器傳輸給PLC的開關狀態就會發生改變。接近開關的使用如圖11所示，當車身運動到標注處時，接近傳感器狀態發生改變。

圖10 輥床上傳感器的放置

圖11 輥床傳感器的工作示意

另外，在移行機的末端裝置感應片，為了使移行機能夠準確地停在相應的車道號，需要在每條車道的首段和尾端各放置一個接近開關，如圖12所示。

圖12 車道上的傳感器

圖12中箭頭處分別為1號、2號、3號車道首端的接近開關。

4 結語

本文利用機電概念一體化設計軟件NX設計了汽車生產領域PBS緩沖區的虛擬仿真模型，分別為普通輥床、旋轉輥床、滑行軌道、移行機、接近開關、汽車外殼等設備進行仿真建模，并根據其實際物理特性進行配置，使仿真模型具有與實物相類似的特性。仿真模型基本展現了PBS緩沖區的結構組成，可為企業培訓、宣傳、調試提供幫助。后續亦可通過OPC通信的方式進行輸入輸出映射，與外部真實的PLC通信，以實現虛實結合的半實物仿真。