张　文

自动化生产线装配单元三维仿真平台的构建

张文

(新疆石河子职业技术学院，新疆 石河子 832099)

为了降低自动化设备在调试过程中存在的风险，设计了一款自动化生产线装配单元的三维仿真平台。该三维仿真平台应用PLC作为总体核心控制器，运用CAD建模软件构建直线运动以及旋转运动的三维模型，可以推导出三维模型的运动函数，并能应用“态神”组态软件设计上位机界面。试验结果表明，应用该平台进行仿真模拟作业可保证整个安装过程的稳定可靠，模拟画面具有极强的真实感，有着良好的人机交互性，能有效提升设备运行调试的安全性。

三维仿真平台；组态软件；PLC；自动化

自动化生产线是机械制造、加工、组装、分拣等生产环节的核心设备，它的大规模应用是我国机械制造行业走向现代化的重要标志。由于自动化生产流水线设备的调试工作十分复杂，如果在安装现场进行设备调试会存在很大的安全隐患。以组装自动生产线的一个单元为例，通过运用CAD软件对其进行3DS建模，以PLC为其核心控制平台，以“态神”组态软件为仿真基础，模拟组装过程的三维运动，可以提前发现自动化流水线在安装和运行过程中潜在的问题，并及时作出整改，保障生产线在实际运行过程中的安全[1]。在实际应用中，还可以采用力控、MCGS软件平台进行仿真。

1　自动化生产平台以及PLC仿真

随着自动化生产线在我国工业生产中的大范围普及，推进了我国的机械制造、加工产业向智能化方向发展。在自动化生产线的安装调试过程中，施工程序的设计是一个非常关键的环节。施工程序设计的成功与否将直接关系到生产线运行的精确度。施工程序的设计是一项复杂的工作，涉及到机电自动化、工程管理软件设计、电子通信技术等技术的应用。通过三维模拟平台整理、提取数据，再对数据进行实时、定期检验，并在开始仿真模拟之前对设备的反馈数据进行预先评估，可以为开发人员提供设计安装程序的时序性要求，还可根据设计要求对其进行优化和完善[2]。目前，设计施工程序所使用的软件平台和自动化软件编程技术都已相当成熟，但是PLC软件的应用还处在调试阶段，所以在实际应用时，需要花费较长时间进行验证，精度也无法得到保障。为了缩短自动化制造平台的搭建时间，可以在自动生产线上运用PLC控制系统的时序性编程建立模型，通过将基于PLC的试验平台的模型与理论模型进行对比、验证，可以大幅缩短三维仿真平台的搭建时间。在建立单元模型的基础上，采用PLC时序化程序作为输入指令，以模块单元的编程时间为输出命令，通过建立试验平台来获取指令结构，从而完成模拟平台模型的建立[3]。

2　自动化生产线装配单元三维仿真平台的构成

自动化生产线装配单元三维仿真平台主要由3DS模型模块、三维运动仿真系统、PLC运动控制模块、“态神”界面设计等部分构成[4]。

(1)3DS模型模块是指通过CAD软件创建组装实物部件的3DS模型，通过直接测量其关键运动部位的尺寸，并选定适当的比例构建三维模型。

(2)三维动态模型系统。在建模过程中，3DS模型对每一个物体的尺寸数据都有一种默认基础，其旋转运动和直线运动也都有了基础的依据，而这些基点也是模型系统所设定。3DS模型可依据这些基础，建立装配单元的运动模型。

(3)PLC运动控制模块。以Fx系列PLC为运动控制核心，读入开关信号和各检测传感器信号，输出运行信号，控制三维模型和换向电磁阀的动作。

(4)“态神”界面设计单元。采用“态神”组软件为主要实验工具的上位机界面，该接口可与PLC实现串口通讯，并可在不同方式下实现对各组装模块的运行测试[5]。

3DS模型的组装主要是由落料机关、回转物料台和组装机械单元等构成，其作用是把料仓中的零部件嵌入在装配台的待组装工件上。为了确保当3DS模型导入“态神”组态软件时各个动作单元均可以实现自主操作，在构建时就必须先把动作单元建立到AutoCAD的各个图层中。

3　PLC单元结构

许多的存储器都具备为用户提供信息输入和输出的功能，用户可以通过PLC的编程方式进行信息的交流。用户能在PLC中进行数据的存贮和写入，并为具体的编程环境编写代码来完成存储器的写入、对比和输出。根据PLC自动化流水线模拟平台的要求将内存的核心部分分为等量的存储结构，并设置每个结构单元的编码，从PLC单元中抽取数据并设置对应的值[6]。

PLC模拟软件是一种基于PLC的实时编程技术平台，此平台上的信号交互根据IPADU规范进行，以信号的交互式数据编码为基础，通过硬件系统中的MB/AP报头、功能代码、数据链接等构成了整个系统的主体结构，负责数据的输入和输出，确保了信息的准确性。

在仿真平台PLC信息交互中包含主站设备客户端和从站设备服务端2个端口。在主站设备客户端中，仿真平台发出信号请求，通过请求报文的形式传输到从站设备服务端，从站端口接受到主站设备的报文请求，在端口结构内进行特定功能码分析并得出相应数据结果，数据结果以应答报文的形式传输到主端口，主站设备客户端结合报文接受的反馈作出应答，完成报文信息从主站设备到从站设备的一个循环。

主站设备客户端和从站设备服务端是硬件设备重要的组成结构，仿真平台的信息交互处理功能可以对接受消息进行逐帧的识别，并对反馈信息进行重新传输，确保设备信息传递的时效性[7]。

4　控制程序设计

按照装配单元的控制条件，整体装配单元的数字量输入点数为18点，数值量输出点数为6，由I/O位置的分配表给出；考虑到I/O点数余量，选用PLC型号为Fx2N一48MR；装配单元控制进度通过使用软件的顺序功能图(SFC)实现；顺序功能图把一次完成的操作流程分成了几个阶段，阶段间有相应的转换要求；程序一旦达到了转换要求就完成阶段转换工作；通过分析机件的运动特点，编制装配单元的控制程序[8]。

5　上位机界面设计

“态神”的组态软件可以通过创建一个3D模型生成的数据控制中心来实现；产品与现场设备通过I/O设备进行通信以及对PLC各个接口的数据进行读取；根据PLC的硬件技术要求，增加了Fx程序接口的一系列驱动程序；根据装配单位的控制条件、定义变量，建立实时数据库等；将3DS模块插入到3D窗口中，并将其输入到3DS中，通过调整尺寸，就能得到更高的接口，从而建立自动流水线组装单元的三维仿真和实验平台，并与PLC进行通信，完成装载控制流程。

6　模拟试验

通过仿真模拟，可以清晰观察各设备的运动逻辑前后关联，便于通过传递来的消息进行系统故障的处理，从而实现即时监控，以达到监测生产过程的目的。

在一个单元工作运行失效时，这个单元和之前的全部单元一起运行的设备都将停止；在接收到解除故障信息后，全部设备才可以继续正常运行。通过采用网络通讯的方法，可以将虚拟装配控制器与实际装配流水线相匹配，实现了生产线上场景数据信息的可视化显示，并可对生产线的运行情况进行检测[9]。三维仿真平台在生产线发生故障时，会关停设备，及时发出故障报警，并通过数据显示板提示故障状态，工作人员只需通过察看数据显示板即可准确定位故障单元，简化了整个生产组装线的数据信息监测过程。三维仿真平台将模型、数据整合在一起，使产品的研发、设计、安装、调试和维护更加高效。调试结果表明，本仿真实验平台与PLC通讯良好，确保了组合部与上位机动态显示的实时、准确，操作人员只需要操作鼠标，就可以从多个角度观察仿真模型[10]。

7　结语

该型三维仿真平台模拟试验系统能清晰反映装配部件的实际运行情况，增强了模拟试验的直观性、有效性。该平台既可作为设备的监控、调试程序，降低现场设备正常运行的风险，还能实现设备同步操作，以完成对设备的异地同步监控[11]。

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Construction of 3D simulation platform for assembly unit of automatic production line

ZHANG Wen

(Xinjiang Shihezi vocational and technical college, Shihezi, Xinjiang 832099, China)

In order to reduce the risk of automatic equipment debugging, a 3D simulation platform of assembly unit was designed for automatic production line. The 3D simulation platform uses PLC as the overall core controller, and CAD modeling software to build the 3D model of linear motion and rotational motion, which can deduce the motion function of the 3D model, and use the "state God" configuration software to design the upper computer interface. The test results show that the application of the platform in the simulation operation can ensure the stability and reliability of the whole installation process. The simulation picture has a strong sense of reality and a good man-machine interaction. It can effectively improve the safety of equipment operation and debugging.

3D simulation platform, configuration software, PLC, automation

TP391

A

2096–8736(2022)05–0036–03

张文，女，山西省忻州市，大学本科，助教，主要研究方向为自动化仿真与模拟。

责任编辑：张亦弛

英文编辑：唐琦军