王林森，王海霞*，申毅浩，李东亚，程 晓，邱瑾阳

（苏州大学应用技术学院 工学院，江苏 苏州 215300）

引言

市场对产品需求的多样化，定制化，促使企业向自动化、数字化、智能化方向进行转型升级。传统的搬运式物流生产模式已不符合现代制造业的需求，从精益化、自动化角度出发，对现有中小型企业的物流生产线进行自动化改善显得尤为重要。通过数字化仿真技术，为企业在输送线设计、安装、调试过程中提供方案和预测，解决输送线从设计到制造全流程的问题，对企业提高生产效率、降低人工成本、缩短生产周期具有十分重要的现实意义。

数字化仿真技术的发展，促使众多学者[1-3]对数字化仿真技术在各行业应用进行了广泛的研究。贾晨辉等[1]研究了数字化仿真技术在轿车生产过程中应用，提高工艺规划质量，缩短项目时间。滕继东等[4]基于Plant Simulaton 平台建立了数字化冲压车间仿真平台，并利用仿真平台，结合精益理念，解决实际生产过程中浪费现象，提高生产效率。除此之外，数字化仿真技术在汽车焊接喷涂[5]、海洋平台[6]、航空航天等多个行业得到广泛应用[7-8]，但大多研究者是对现有的工厂设备或产线进行的改造或升级，对新产线设计与数字化工艺研究较少。

本研究针对实际玩具生产线需求，设计了一整套输送线，包含传送部分，升降部分以及顶升部分组成。然后，基于PDPS 软件，导入整套输送线三维模型，利用西门子PLCSIM 与PLC 软件建立整个输送线的工艺仿真流程，并进行结构设计验证及动作流程测试。

1 产线结构

1.1 传动装置设计

基于生产产线需求，设计一套自动化输送线，用于运送玩具车从装配成品至仓库的输送线。本装置为双层输送线，一层为输送线对接生产线装配完成的成品；二层为输送线对接仓库。由于考虑到传动间距、成本、以及保证传动过程中较为稳定传动比，本次传送方式整体采用带传动方式。本机构上下层输送装置传动形式一致，主要包含零部件有传送带、带轮、输送线支撑架、驱动电机、传送轴等主要零件。

输送带驱动电机布局为电机放到输送带的中间位置，利用电机驱动带轮、传动轴转动从而带动皮带进行水平移动。

1.2 升降装置设计及校核

升降装置的作用为带动物料从一层传送带末端至二层位置，主要起到提升作用。根据升降精确性和升降高度要求，升降装置采用的丝杠螺母副的传动方式进行传动，主要包含伺服电机、轴承、丝杠、螺母副、燕尾型导轨、立柱底座、伸缩式丝杠防护罩等零部件组成，其具体升降装置模型见图1。

图1 升降装置

考虑到升降距离过长，结合丝杠受力情况，对丝杠受力进行了仿真验证分析，运用三维软件有限元分析，建立丝杠受力模型，给定丝杠受力。结果表明，丝杠应力、位移、应变满足此装置的使用要求，从理论上对丝杠承载变形的能力进行了验证，图2 为丝杠有限元仿真分析结果。

图2 丝杠有限元分析

1.3 顶升装置设计

顶升装置位于第二层输送带中间位置，作用为把物料顶起，人工检查物料是否合格，然后装置下落，物料再随传送带向前运行。顶升装置是由两个气缸，两个导杆来控制行程，中间用的是伺服电机控制转向，此电机的选是为了能够可以实现任意角度的转向以便在后期的检查中更为精准，图3 为顶升装置设计。

图3 顶升装置

1.4 三维模型导入PDPS

依据设计的机构总装模型，为保证可以顺利导入PDPS 中，在保存三维模型组件的过程中需要注意，文件的格式需要保存为.cojt 的格式文件，再通过PDPS导入整体模型，导入过程中需要定义每个组件的零件资源类型。

2 建立工艺仿真信号

输送线包含传感器，上下传送带，升降以及顶升气缸等动作信号。对于顶升气缸，需要建立两个运动逻辑关节，设定UP 和DOWN 两个姿态，然后生成2个输出和2 个输入信号。建立升降台的逻辑信号，此机构创建两个姿态信息，设定一层和二层两个姿态，点击创建逻辑块信号。建立传送带信号，定义为线性概念机输送线，定义传送对象。通过自动创建逻辑块的方式，创建输送线操作和逻辑信号，逻辑信号包括开始信号、停止信号、更改方向信号。

传感器的信号，本次设计考虑采用光电传感器放置在物料出现位置、物料到达一层传送带末端位置、二层传送带到位位置、二层传送带中间顶起气缸位置共4 个传感器，传感器相当于是一个输入信号，需要把信号点连接至各个逻辑块中。

为控制物料在PDPS 中生产线模式下可以自动出现，创建两个非仿真操作流信号，逻辑块控制物料出现和消失。在所有动作信号创建完成后，信号会在信号视图中看到，需要把信号添加至仿真面板中去，此时信号未被赋予地址。通过将PDPS 软件选项中的PLC 仿真转为CEE 模式，验证所建立的信号是否正常动作。图4 为仿真面板中信号。

图4 逻辑信号的建立

3 输送线工艺仿真

3.1 PLC 及电机选型设计

本次设计将采用S7-1500 系列的PLC，运行速度和控制轴的能力大大提升，PLC 设备采用128 个点位，带有扩展模块。

为了保证各方面的安全和稳定性，伺服电机在低速传动的场所，运行平稳而且精度比较高，而步进电机在低速传动的时候传动容易发生震动，在传送皮带的时候选用步进电机进行驱动，在控制升降机构的时候采用伺服电机进行驱动。

3.2 PLC 程序设计

输送线动作流程为，一层传送带带动产品到达升降机的底部位置，感应电眼接收信号后带动产品进行上升，上升到二层位置将关闭升降电机同时开启二层输送带的电机，物料离开升降台时，升降台电机反转，到达一层最初位置等待。产品在二层输送带中间位置时，顶升气缸动作，检测完成后，气缸缩回，物料继续在二层传送带动作，直至传送带末端入库。根据动作逻辑，对PLC 动作程序进行设计，对PLC 模块I/0 点进行分配，其分配情况见图5。

图5 输送线的I/O 点位分配表

3.3 输送线工艺流程仿真

S7-PLCSIM Advanced V3.0 可以用作连接PLC程序和PDPS 工艺仿真工具。首先，使用博图编程软件对PLC 程序进行编译下载，把PLC 程序与PLCSIM连接。其次，在PDPS 与PLC advanced3.0 进行连接的时候，转成PLC 的外部连接，然后选择PLCSIM 中实例进行连接，再进行验证，PDPS 软件就与PLCSIM连接。

通过工艺流程仿真，实现一层输送线运送物料至升降装置，升降动作是由传感器检测到信号之后启动。继升降台到达位置之后，二层输送带启动，带动物料进行二层传动，过程中顶升气缸位置会进行检测。PLC 程序与工艺仿真流程见图6。

图6 PLC 与PDPS 运行测试

通过工艺运行测试中发现，顶升机构有些零部件运行过程中有部分干涉，修改三维模型；输送线运送物料过程时间可以利用工艺流程仿真测算，能够计算出从物料从装配线至仓库所需要整体时间。表明通过对输送线进行全流程的工艺仿真，可以及时发现产线在设计、制造以及运行中的问题，提前针对这些问题，提出改善方案，使得输送线正常运行过程中不会出现干涉或者位置调整的问题，提高产线改造效率，帮助企业提高生产效益。

4 结论

本研究基于PDPS 软件，开展了对玩具输送线的设计与工艺流程仿真研究，具体分为3 个部分：

（1） 设计输送线三维模型，验证结构合理性及机械机构对产线布局的优化，对丝杠强度校核。

（2） 创建工艺仿真动作信号，同时验证动作信号创建完成后的准确性。

（3） 完成输送线工艺仿真，建立PLCSIM 与PLC、PDPS 连接，完成PLC 程序控制工艺流程动作的仿真运行。

通过输送线工艺仿真，明确工艺流程，尽早发现设计阶段或者运行阶段问题，运用PDPS 软件对其进行虚拟验证，使得仿真和实际运行保持一致。PDPS 仿真技术将会助力于企业缩短产品开发周期，提高产品生产质量，优化生产流程，为中国制造业高质量发展提供动力。