基于數字孿生的自動化生產線供料機構控制研究

摘" 要：為解決傳統生產線自動化改造、升級過程中存在的周期長、成本高、效率低等問題，設計一種適用于3C生產線的料盤自動供給與疊收裝置，并以此裝置為對象開展針對生產線自動化、智能化的設計開發研究。創建料盤自動供給與疊收裝置各部件三維數字模型，分析料盤自動供給與疊收的工作流程，設計可視化監控與人機交互界面以及整套控制系統。采用數字孿生平臺對其進行物理屬性的定義和交互信號的設置，通過虛擬環境對結構和控制進行仿真驗證，制作料盤自動供給疊收裝置的樣機。實現數據連接與交互及可視化操作監視，為傳統生產線自動化、智能化改造升級提供思路。

關鍵詞：供料機構；數字孿生；虛擬調試；生產線；自動化

中圖分類號：TP23" " " 文獻標志碼：A" " " " " "文章編號：2095-2945（2024）35-0125-05

Abstract： To solve the problems of long cycle， high cost， and low efficiency in the automation transformation and upgrading process of traditional production lines， a tray automatic supply and stacking device suitable for 3C production lines has been designed， and research on the design and development of production line automation and intelligence has been carried out based on this device. A 3D digital model of each component of the automatic supply and stacking device for the material tray was created， and the workflow of automatic supply and stacking of the material tray was analyzed. A complete control system including PLC and HMI interface was designed using TIA Portal. We used the NX MCD platform to define its physical properties and set up interactive signals， and simulated and verified its structure and control through a virtual environment. We also developed a prototype of an automatic feeding and stacking device for material trays. Implemented data connection and interaction， as well as visual operation monitoring， providing ideas for the automation and intelligent transformation and upgrading of traditional production lines.

Keywords： material supply equipment; digital twin; virtual debugging; production line; automation

隨著工業機器人、互聯網與大數據等技術的飛速發展，工業生產過程越來越趨于自動化、智能化，促進著經濟騰飛、生活水平提升的同時，也使勞動力成本越來越高，依靠廉價勞動力發展起來的傳統制造業面臨著巨大的危機[1]。如何幫助企業對傳統生產模式改造升級，實現達到節約人力成本、保證質量、快速投產的目標，是一個具有挑戰性的關鍵問題。

新一代智能制造系統通過集成人、信息系統和物理系統的各自優勢，形成自學習、自感知、自適應、自控制的智能產線、智能車間和智能工廠， 實現產品制造的高質、柔性、高效、安全與綠色[2]。數字孿生技術應運而生，在虛擬空間中創建物理對象的高保真多維虛擬模型，通過孿生融合數據以及虛實閉環交互機制，實現監測、仿真、評估、預測、優化和控制等功能服務[3]，從而被認為是實現信息物理深度融合的有效手段，是實現智能制造的關鍵使能技術之一[4]。在智能生產線方面，施佳宏等[5]提出面向生產線仿真的數字孿生邏輯模型構建方法， 從幾何、物理、生產行為和仿真規則4個維度闡述數字孿生邏輯模型， 并通過生產線實例仿真驗證了建模方法的有效性。張曉萍等[6]設計了基于數字孿生技術的灌裝生產線動態模型監控系統，實現理瓶、貼標、灌裝、旋蓋和倉儲等生產環節的數據采集、動態監控和可視化管理。

本文運用數字孿生技術，建立自動化生產線供料機構的數字模型，賦予模型各部件機械、物理屬性，根據3C產品生產線的工作需求，分析與設計了料盤自動供給與疊收的工作流程，并對其進行運動控制，通過仿真驗證了供料機構的功能。通過虛擬環境仿真驗證，確定最優版本后制作了料盤自動供給疊收機構樣機。構建了料盤自動供給疊收機構的數字孿生系統，對料盤分離、運輸、疊收等區域的信息進行采集，并實現數據連接與交互及可視化操作監視，為傳統生產線改造升級提供設計思路。

1" 料盤自動供給疊收裝置的結構設計

在工業生產線尤其是3C產品生產線，完成自動生產關鍵的一步是自動供料。電子元件物料體積相對較小，大多使用料盤包裝。要實現自動供料需要將整疊料盤按照實際用料情況，一盤一盤有序地移載到傳送帶，輸送到工作區以備使用，待整盤物料使用完畢后需要對料盤一一進行疊收。自動供料機構能夠完成自動上下料操作，減少整條產線等待和處理的時間，減少人工干預的需求，便于與機器人工作站進行系統集成，提高生產效率，是自動化智能化生產制造過程的重要環節之一。

本研究設計了一種料盤自動供給與疊收裝置，如圖1所示。該裝置包含料盤分離機構、料盤疊收機構、料盤定位機構和料盤運輸機構。根據功能可以分為料盤供給區、料盤疊收區、料盤工作區，裝置各機構主要零部件清單見表1。

2" 料盤自動供給疊收裝置的控制

在本供料裝置中運用西門子PLC-1500來控制料盤的自動供給、料盤的往返運輸、料盤的回收疊放。料盤最初是碼放在供給區域中，通過3只氣缸相互配合完成料盤的分離，分離出的料盤在輸送線的帶動下被運送到工作區域，由阻擋氣缸和定位氣缸進行定位，為機器人或其他自動拾取機構提供物料供給。當料盤中的物料被取完后，空料盤在輸送線的帶動下被運送到回收區域，在收料阻擋氣缸和收料頂升氣缸的配合下完成空料盤的疊收。為了確保自動生產的安全性，在緊急或斷電情況下保持氣缸動作不變，所有氣缸采用雙電控電磁換向閥。

2.1" 料盤自動供給疊收裝置工作流程分析

料盤自動供給疊收裝置主要應用于工業生產線尤其是工業機器人工作站，將整疊碼放整齊的物料料盤，根據生產的需求，經過高效、準確、連貫的動作，實現物料自動有序的供給以及料盤的回收。此裝置的工作流程可以分為“供”和“收”2條主線。

為完成供料這一功能，如圖2供料部分流程所示，系統啟動后，首先檢測是否有料盤供應需求，當接收到料盤供應需求信號后，通過感應器判斷供應端待使用區域是否有料盤，如果有料盤，料盤頂升氣缸做伸出動作，托料氣缸收回，在輸送線上放置一個料盤后，托料氣缸伸出，料盤頂升氣缸收回，將剩余料盤置于供應端待使用區域。輸送線感應到分離出來的單個料盤，啟動電動機正轉，料盤輸送至工作區時，料盤到位感應器感應到信號制停電機，使料盤準確停在特定區域。料盤的疊收流程如圖2收料部分流程所示，當料盤內的物料使用完畢，發出料盤收回請求，料盤疊收區首先判斷是否滿倉，在未滿倉的情況下，定位氣缸收回，到位阻擋氣缸收回，電機反轉運行，將空料盤輸送至料盤疊收區，收料阻擋氣缸升起，將料盤疊收，料盤疊收到位后電機停止，收料頂升氣缸做伸出再收回的動作，阻擋氣缸也收回，將料盤放置于疊收機構上，完成料盤的疊收。

2.2" 控制要求

2.2.1" 自動控制系統

供料機構一般有自動和手動2種運行模式，當系統處于自動運行模式，通電和氣源接通后，系統有啟動和停止操作開關。設置有緊急停止和復位開關，當設備出現故障或者發生危險行為時，能夠緊急制停。操作人員詳細檢查設備狀況，在安全的情況下，復位后設備才能啟動。

2.2.2" 手動控制系統

手動控制是需要操作人員根據現場情況，分步驟手動控制完成作業的模式。在這里，將料盤分離時料盤頂升氣缸、托料氣缸、到位阻擋氣缸的連貫動作合稱為“取料盤”，將料盤回收時到位阻擋氣缸、收料阻擋氣缸、收料頂升氣缸的連貫動作合稱為“收料盤”。因此手動操作可歸納為向前輸送料盤、向后輸送料盤、取料盤和收料盤4個動作。

2.2.3" 工作狀態監測

對傳送帶是前進或者后退，有無料盤，是否物料需求，是否正在取料盤，是否有待回收空料盤，料盤存放處是否滿倉，是否正在收料盤進行實時監測。

2.2.4" 信號監測

為了準確獲取設備運行過程中，各個動作、傳感部件的實時信息，需要對其關鍵信號進行采集和監測，比如氣缸活塞是伸出還是收回，各傳感器是否監測到相應信號等。

2.3" 人機交互界面設計

在本套裝置中，采用西門子SIMATIC HMI KTP700作為人機交互界面，搭建操作員與控制系統之間進行對話和相互作用的橋梁。與控制要求一一匹配，人機交互界面由自動、手動、工作狀態、信號4個畫面組成。如圖3（a）自動控制界面除了有啟動、停止操作鍵，還有急停和復位鍵，以滿足自動運行中突發狀況的安全處理。圖3（b）手動控制界面，分為對傳送帶的“前進”“后退”操作，和對料盤的“取料盤”“收料盤”操作。圖3（c）工作狀態監測畫面，可以直觀看到傳送帶、料盤供給側、料盤回收側的狀態。圖3（d）信號監測畫面，可以詳細獲取各氣缸、傳感器等信號。

3 料盤自動疊收裝置的數字孿生系統

3.1 數字孿生系統框架

根據數字孿生五維模型的概念[7]，本文設計了自動生產線供料機構數字孿生系統框架，如圖4所示，主要包括自動供料機構的物理實體、數字模型、孿生數據和可視化操作監控平臺4個部分。

物理實體是真實的自動供料機構樣機，配合機器人工作站完成供料作業。虛擬模型是自動供料機構的數字模型，與物理實體一一映射，對生產過程實時監測與調控。可視化操作監控平臺是數據驅動的各類監視和控制服務的集合，能夠接收孿生數據并輸出檢測信息，又能夠將平臺的控制信息傳遞給物理實體和數字模型。孿生數據包含了從物理實體、數字模型和可視化操作監控平臺獲取的感知數據、仿真數據、服務數據以及三者融合迭代衍生的數據，來驅動物理實體、數字模型、可視化操作監控平臺的運行。

3.2" "數字模型的機電概念屬性

西門子MCD（Mechatronics Concept Designer）在產品開發的早期階段能夠對復雜的機電系統進行虛擬測試和驗證。在MCD環境下對料盤、氣缸、傳送帶等與運動相關的零部件進行機電屬性配置，使其具有與真實物體相同的質量、轉矩、摩檫力、速度和位置等物理屬性和運動屬性。包含剛體的設置、碰撞體的設置、運動副和約束的設置、執行器的設置[8]等。如表2所示，在該裝置中將各個運動的零部件包括料盤、氣缸活塞、活塞桿以及隨活塞桿一起運動的零部件，疊料機構的偏心塊等設為剛體。料盤的部分面、傳送皮帶表面以及疊料裝置的部分機構設置為碰撞體。各個做往復直線運動氣缸的活塞設置移動副。料盤回收機構的偏心塊繞中心軸作回轉運動，設置為鉸鏈副。對氣缸活塞桿的移動進行位置控制，將皮帶設置為傳輸面，并進行速度控制。檢測料盤位置的光電傳感器設置為碰撞傳感器。主要檢測氣缸活塞位置的磁性傳感器設置為距離傳感器，并將其指示燈設置為顯示更改器，當傳感器被激活時觸發顯示相應的顏色。

3.3" 數據通信交互

料盤自動供給與疊收裝置的物理實體與虛擬模型之間建立通訊連接，是實現虛實空間信息傳輸與反饋決策的重要環節。如圖5所示，料盤自動供給與疊收裝置的物理實體包括機械部件、控制部件、執行部件、傳感器部件等，與PLC通過PROFINET的現場總線方式連接，可以兼容工業以太網及現場總線數據。PLC控制器與HMI的通信方案選擇以太網通信連接，保障作業人員在HMI中的輸入有效快捷地傳送到控制器中。裝置的數字孿生模型通過MX MCD中的信號適配器進行信號創建、參數設定、公式編輯，進而控制裝置的運行動態，與控制器通過PLCSIM Advanced通信。

4" 虛擬調試

采用TIA Portal結合PLCSIM Advanced和NX MCD的解決方案進行虛擬調試，創建一個高度真實的模擬環境，以驗證和優化料盤自動供給與疊收裝置的性能。在TIA Portal中配置PLC項目，包括硬件組態和PLC程序編寫。在NX MCD中建立與PLCSIM Advanced的信號連接，實現數據交換和邏輯控制。

啟動仿真，進行自動模式的驗證，按下啟動按鈕，系統首先檢測供給端是否有料盤，在有料盤且有物料需求下，裝置自動做“取料盤”放置于輸送線的動作，輸送至工作區域觸碰定位開關后停止，等待整盤物料使用完畢，發送空料盤回收信號，在料倉未滿的情況下，將料盤輸送至疊收區，完成自動疊收動作。而手動模式下根據實際工作狀態，分別按下“向前”“后退”可以實現料盤輸送，按下“取料盤”，可以觀察到料盤分離后置于輸送線上，按下“收料盤”可以觀察到料盤的自動疊收動作。自動和手動均可完成相應工作，同時狀態檢測和信號檢測能夠準確實時顯示當前情況，仿真界面如圖6所示。通過運行調試，料盤自動供給與疊收裝置機械結構設計合理，無干涉碰撞行為，控制系統符合生產線運行規律，滿足生產線使用要求。

5" 結論

本文根據3C自動化生產線的物料供應需求，設計了一種用于3C自動化生產線的料盤自動供給與疊收裝置，完成了三維數字模型的構建。應用TIA Portal軟件設計了包含PLC和HMI界面的控制系統。采用NX MCD平臺通過虛擬環境仿真驗證了設計。得到了如下結論：

1）數字孿生技術在料盤自動供給與疊收裝置的開發過程中發揮了重要作用，在虛擬環境中模擬仿真了物理實體的運行過程，從而在生產制造之前，以較為便捷、高效的方式驗證了機械部件及控制系統的可行性、可靠性。通過這種方式，可以在早期發現設計的不足和缺陷，并進行優化和測試，再確定最終的設計版本，不僅縮短了設備開發周期，還提高了設計開發效率，減少了加工和調試成本。

2）搭建了自動供料與疊收裝置的數字孿生模型并與物理模型實現一一映射，對料盤分離、運輸、疊收等區域的信息進行采集，并實現數據連接與交互及可視化操作監視。

3）在新產線建設或舊產線升級改造規劃階段，數字孿生技術可以根據生產計劃，實現產線布局規劃、生產流程分析等，以科學指導產線方案選擇。在新產線建設或舊產線升級改造完成后，通過數字孿生技術，可以實時監控生產線的運行狀態，及時發現并解決問題，降低設備故障率，減少停機時間，提高生產效率。

參考文獻：

[1] 李廉水，石喜愛，劉軍.中國制造業40年：智能化進程與展望[J].中國軟科學，2019（1）：1-9，30.

[2] 周濟，李培根，周艷紅，等.走向新一代智能制造[J].Engineering，2018，4（1）：28-47.

[3] SCHLUSE M， PRIGGEMEYER M， ATORF L， et al. Experimentable digital twins-Streamlining simulation-based systems engineering for industry 4.0[J]. IEEE Transactions on industrial informatics， 2018，14（4）： 1722-1731.

[4] 陶飛，程穎，程江峰，等.數字孿生車間信息物理融合理論與技術[J].計算機集成制造系統，2017，23（8）：1603-1611.

[5] 施佳宏，劉曉軍，劉庭煜，等.面向生產線仿真的數字孿生邏輯模型構建方法[J].計算機集成制造系統，2022，28（2）：442-454.

[6] 張曉萍，竇金生，宋天麟，等.基于數字孿生的生產線監控系統研究[J].包裝與食品機械，2022，40（4）：73-78.

[7] 陶飛，劉蔚然，張萌，等.數字孿生五維模型及十大領域應用[J].計算機集成制造系統，2019，25（1）：1-18.

[8] 馬桂潮.基于數字孿生技術的小型自動化生產線機電一體化概念設計與控制仿真[J].機電信息，2024（12）：52-55.