摘要：自动化生产线的设计需要根据加工零件的工艺要求来合理布局设备，通过综合分析零件的加工工艺、加工设备的功能、输送的方式、安全保护的实施、储料、有效负载、工件姿态的转换、定位夹紧的方式、占地面积等项目的需求，设计出符合加工工艺要求且经济实用的生产线总体方案图；同时，设计时需综合多种因素、通盘考虑、兼顾全局，不断改进、逐步优化，最大限度地发挥出生产线各组成部分的功能，使其达到实现功能最多、使用设备最少、制造成本最低、占地面积最少的高性价比目标，从而为企业提供最佳的自动化解决方案。详细介绍了联合开发的GSK_ IMCD(Intelligent Manufacturing Concept Design)智能制造概念设计的方法，以某汽车发动机缸盖机加产线的设计为例，通过IMCD机电一体化设计和虚拟调试方式验证了产线概念设计的可行性，能够有效缩短项目开发周期，并为智能产线设备的设计与改造升级提供了一种创新思路方法。

　　关键词：智能制造概念设计；数字孪生；虚拟调试；工业机器人

　　0引言

　　近年来，得益于互联网、大数据、云计算、区块链、人工智能等新一代信息技术的快速发展，数字孪生的实施已逐渐成为可能。数字孪生技术在现代制造业中具有广阔的应用前景，可以帮助企业快速构建虚拟样机，实现对产品设计的优化和验证。随着工业4.0和智能时代的到来，企业为了降本增效，提高产品的竞争力和开拓更多的市场，竭尽可能地缩短项目开发周期，同时还要确保有效、快速地回应客户的需求。概念设计是产品设计的关键环节，会影响到最终产品的结构、性能、质量、成本、交货时间、可制造性、可维护性等。那么，概念设计就需要结合用户需求，挖掘市场趋势，从选型、结构、设计、控制等多方面综合考虑。传统的机电一体化产品设计基本都是按照串行设计的流程开展的，这样的设计方式，给生产、制造、装配均带来了装配环节才发现功能难以实现等问题。因此，传统的机电一体化产品设计方式已经难以满足目前机电设备的设计与使用需求,而能否提出具有创新性的设计方案以及高效验证就成为项目方案成功的关键。为解决这些困境，某两企业合作共同开发了一款全面数字化制造解决方案的综合工具软件—智能制造概念设计软件(GSK _ IMCD),整合利用了三维的内核引擎以及机器人及数控系统相关的运动引擎（包括物理运动引擎、轨迹生成算法引擎和机器人运动学引擎）精心打造而成。通过在GSK_ IMCD中进行汽车发动机缸盖机加产线概念设计为例，利用数字孪生技术，在虚拟环境中实现同一平台上进行机电一体化设计和虚拟调试，集成了上游和下游工程领域，基于系统级产品需求、性能需求等，提供了针对由机械部件、电气部件和软件自动化所组成的产品概念模型进行功能设计的途径，同时运用机械原理、电气原理和自动化原理实现早期概念设计，加快机械、电气和软件设计学科产品的开发速度，并使得这些工程能够协同工作，并能够快速帮助企业对制造以及将创新构思和原材料转化为实际产品的流程进行全数字化改造。

　　1机器人设计原理

　　智能制造概念设计软件(GSK_ IMCD)是一款具备CAD/CAM(3D建模、可升级到五轴编程加工）、工业机器人离线编程（可增配软示教器和物理示教器控制、具备6+2联动和6+6+1联动功能）、PLC电气控制（数字孪生）、智能产线数字化设计仿真、物理属性（重力场景下的摩擦分析和碰撞分析）等功能于一体的全面数字化制造解决方案的综合工具软件，可以适配PLC以及机器人通信接口，支持机器人、PLC、传感器等控制系统的仿真软件以及硬件系统的数据通信，实现机电概念设计的虚拟调试和虚拟监控能力。其主要特点：基于国产自主CAD平台开发的兼具数控、机器人、机械、电气等数字化仿真验证的概念设计软件，是具备数据管理和复杂任务规划的综合性数字化设计与制造平台。包含丰富的工艺和工具包，支持钻孔、多轴切削等加工工艺；支持曲面造型、钣金、焊件、点云处理等功能；支持多工序数控加工仿真、多个品牌工业机器人离线编程仿真（含虚拟与物理的控制器对接）、智能生产线数字化仿真和虚拟调试等功能。

　　1.1产线设计

　　利用GSK_ IMCD参数化设计，可满足机器人单工作站和产线的设计。如图1所示，通过规划产线布局设计，利用数字孪生技术，在虚拟环境中综合学习应用工业机器人技术、传感检测、运动控制、网络与通信、PLC控制以及智能工厂中的系统集成应用工作流程,实现缸盖机加产线设计与数字化仿真验证。

　　1.2离线编程

　　机器人离线编程是在编程软件里构建整个机器人工作应用场景的三维虚拟环境，然后根据加工工艺和作业需求进行一系列的操作，编程软件自动生成机器人终端运动路径，然后在软件中进行轨迹的仿真和调整,最后通过后处理导出机器人运行程序，然后通过U盘或网络传输给机器人。如图2所示，编程流程为机器人模型导入→工艺规划→加工过程仿真→工作站系统优化→后置代码输出；编程验证包括支持机器人程序反编译，可验证、优化机器人程序。

　　1.3机电一体化设计

　　提供了针对由机械部件、电气部件和软件自动化所组成的产品概念模型进行功能设计的途径，实现机电一体化设计，帮助企业对制造以及将创新构思和原材料转化为实际产品的流程进行全数字化改造。

　　1.4示教编程

　　机器人插补算法，包括直线、圆弧、关节等几种基本的插补算法，可实现工业机器人多种编程模式选择，如手持工具、手持工件模式。

　　产线虚拟调试

　　在数字化时代，虚拟调试已成为工厂和机械工程中不可或缺的一部分，在真正的设计和安装调试之前进行虚拟调试，可通过包含原始工程数据的方式来创建真实部件和系统行为的数字图像，提前模拟包括故障情况和安全在内的自动化场景。GSK_ IMCD具备虚拟调试与虚拟监控，可实现虚拟机器人产线与实际机器人产线动作同步；支持多机器IO通信模拟仿真，支持多机器人同步，机器人多轴联动规划。

　　2硬件结构

　　本文以汽车发动机缸盖机加产线为研究对象，详细介绍GSK_ IMCD的设计思路方法和流程，通过缸盖机加产线的物理数据与虚拟数据的映射来实现机加产线虚拟仿真与调试，达到检验和优化设计方案的目的。凭借该方案，可将项目常用设备的属性参数保存放置设备库中，以便后续重复使用，避免重新设计，极大地提高开发速度。

　　2.1产线系统

　　以汽车发动机缸盖机加产线设备的概念设计为例，该产线由1套GSK-RB20A3工业机器人（含快换夹具和基座轴）、1台四轴加工中心、1台五轴加工中心、1台清洗机、1台三坐标检测仪、1台激光打码机、1个立体料仓以及1套MES系统组成。在GSK_ IMCD平台中搭建虚拟产线，通过对模型进行参数化调整优化，设计工程师和现场工程师可以同时在同一虚拟环境中进行仿真验证，更有利于多方协同作业和项目实施。同时，机加产线采用TIA博图S7-1500 PLC控制，通过S7-PLCSIM Advanced V5通信协议与GSK_ IMCD进行信号连接，实现信号交互，进行产线的虚拟调试。

　　2.2产线工艺流程

　　发动机缸盖机加产线通过MES下单，用户可通过HMI进行产线调试、控制，机器人从立体料仓取料，将缸盖放进四轴加工中心进行第一道铣削加工；加工后机器人取出放置五轴加工中心进行二次铣削加工；机床加工后机器人取出缸盖进行清洗，再放置三坐标进行检测；检测合格的缸盖再经过激光打标，最后放回立体料仓。根据产线实际功能需求和工艺要求，分析产线生产作业的动作逻辑和工艺流程，明确其执行动作的设计；从而使得产线设备具体各机构部件的逻辑条目与执行动作对应上，并将机加产线组成的各设备部件的行为动作有效连接和组织起来，引导建立整个产线的执行时序行为及其仿真序列。

　　2.3产线3D模型

　　通过机加产线的工艺流程分析，明确机加产线设备的型号参数、功能结构、控制方式以及动作逻辑后，在GSK_ IMCD软件“造型”功能模块中采取多人协同、模块化设计的方式设计创建三维模型，这样建立模型时会更高效快捷。

　　3控制系统

　　3.1产线机电建模

　　将发动机缸盖机加产线设备的数字化模型调整合适布局后，根据产线功能需求和工艺要求，建立功能模型，在“机电建模”选项栏，可以给模型添加基本机电对象、运动副和约束，材料，添加传感器与执行器（位置控制、碰撞传感器、机器人等），添加仿真序列，添加信号适配器、信号连接等，使机加产线能够按照要求进行仿真验证。

　　定义基本机电对象

　　打开文件三维建模后的场景，进入IMCD环境定义基本机电对象。对本文中缸盖产线的工业机器人、加工中心、三坐标检测仪和发动机缸盖等赋予刚体和碰撞体，定义缸盖为对象源。在“机电建模”窗口下，点击材料，右键选择添加材料，为产线各个模型部件创建材料。有质量的对象需要将其设置为刚体。点击“基本机电对象”，右键选择添加刚体，打开“刚体”窗口，点击“+”按钮选择一个设备组件创建刚体，质量为“1”，材料下拉选择刚才创建的材料，属性设置不勾选，点击确认，按照上述操作将产线各模型运动部件创建相应的刚体。在“基本机电对象”右键选择添加碰撞体，打开“碰撞体”窗口，为产线各个模型部件创建碰撞体；需要将产线各个运动部件的材料、刚体、碰撞体都创建完成后才能赋予其机电特性。

　　3.1.2添加运动副与约束

　　运动副和约束可以给三维模型设置运动方式和定义运动的条件，使模型能够仿真真实世界物体的运动效果。在“机电建模”窗口下，点击“运动副和约束”，如图3所示，右键选择添加铰链副和滑动副，对缸盖机加产线设备各个模型运动部件设置相应的运动副与约束，实现产线设备相应的运动。

　　3.1.3传感器和执行器配置

　　在“机电建模”窗口下，点击“传感器与执行器”，右键选择“添加位置控制”，打开“添加位置控制”窗口，如图4所示。对机加产线设备运动控制进行添加相应的传感器，使之与产线控制信号关联，为虚拟场境PLC信号映射做铺垫工作。

　　3.1.4添加信号适配器

　　在“IMCD选项”中，点击“机电建模”按钮，进入“机电建模”界面，点击“信号适配器”，右键选择“添加信号适配器”，进入“添加信号适配器”窗口。在“信号适配器”窗口，点击“＋”按钮，会出现指派为的下拉框，下拉选择相应的部件，名称可自行命名，数据类型为“Float”，输入／输出为“IN/OT”，初始值为“0”。依照此方法为机加产线设备运动控制添加相应的信号适配器。

　　3.1.5添加信号

　　在“IMCD选项”中，进入“机电建模”界面，点击“信号”，右键选择“添加信号”，打开“添加信号”窗口，添加设备运动部件的输入信号，IO类型都下拉选择“输入”，信号名称命自行命名，端口值都为“-1”,其余选项默认，如图5所示，逐一为产线设备添加相应的信号。

　　3.1.6添加仿真序列

　　在“机电建模”窗口下，点击“运行时行为”，右键选择“添加仿真序列”，打开“添加仿真序列”窗口。在“仿真序列”窗口，输入开始时间为“0”,持续时间为“5”（可根据实际调整），激活信号选择上一步添加的部件相应信号，激活条件为“True”,结束信号、执行信号同样分别选择选择上一步添加的部件相应信号。通过对缸盖机加产线上各执行机构建立相应的仿真序列，模拟缸盖机加生产工艺流程，验证产线动作节拍和动作逻辑性。

　　3.2 PLC的组态与编程

　　3.2.1 PLC组态应用

　　组态方法的基本流程包括画面布局、选择控件、配置控件属性、连接数据源和调试运行等步骤。选用S7-1500系列PLC进行硬件组态，它能应用在复杂的自动化控制系统中，实现快速的运算，为复杂控制系统提供了解决方案。在博图软件中创建新项目，双击项目树下的“添加新设备”，在弹出的添加新设备对话框中，选择对应型号、供货号和版本的PLC,单击“确定”按钮。博途系统提供了多种常用的控件和组件，满足不同应用场景的需要。可以根据机加产线实际需求选择并配置所需的功能，从而对机加产线实现复杂的监控和控制任务。为了使用S7-PLCSIM Advanced进行信号映射，在项目属性中勾选“块编译时支持仿真”，同时要确保数控系统、机器人、HMI、MES等设备及系统的IP地址均同一网段。

　　3.2.2 PLC编程调试

　　依据缸盖机加产线设备的实际工艺流程，如图6所示，基于PLC总控系统完成缸盖机加产线主要设备、工装夹具间的互联互通、编程和调试，实现MES和HMI对托盘、自动夹具、自动门、料仓等功能部件的控制。在TIA博图中根据GSK_ IMCD的运动设计，编写PLC程序，完成机加产线相关功能编程与调试，实现产线各设备的逻辑控制、安全互锁、启动、暂停、复位、清除报警等功能和联调运行。

　　3.2.3 PLC仿真器设置

　　SIMATIC S7-PLCSIM Advanced V5是西门子提供的一个高级PLC仿真软件。它是TIA中的一个组件，利用它可以创建虛拟的PLC系统，并在其中编写、测试和调试PLC程序，这使得工程师在开发阶段可以更方便地验证程序的正确性，而无需连接到实际的PLC硬件。同时它还支持多种通信协议，如M ODBUS、PROFIBUS和ETHERNET等，使得模拟的PLC可以与其他模拟设备或实际设备进行通信。首先，通过在TIA中打开PLCSIM,并创建新的仿真项目。接着将编写好的机加产线PLC程序进行全部编译，然后将编译无误的程序下载到仿真PLC中并在模拟环境中进行验证和调试；在TIA Portal中开启监视，观察机加产线PLC程序运行情况。通过与TIA Portal的集成，方便用户在设计和仿真之间进行切换，更加便捷地管理和维护产线自动化项目。

　　3.3产线的信号连接

　　建立GSK_ IMCD与PLC的信号连接，作用是建立PLC与外部产线设备之间的数据交换通道，通过配置映射关系，PLC可以通过读取和写入这些映射的变量，实时地获取和控制外部设备的状态。在“机电建模”下，找到“信号连接”，右键添加信号连接。在如图7所示的框中，按照①所示在“信号连接框”下信号一栏点击左侧内部信号“S1Pos _ S”,然后点击右侧外部信号“J1”,最后点击连接按钮。将其余信号按照上述①→②→③方式进行连接，最终如④所示。这样就可以通过外部信号来控制内部信号使机器人进行抓与放的模拟操作。将机加产线外部信号与GSK_ IMCD信号逐一进行信号连接，以便进行调试实现虚拟同步。

　　3.4机器人创建与程序编辑

　　3.4.1创建机器人

　　在“机电建模”窗口下，点击“传感器与执行器”，右键选择“添加机器人”，打开“添加机器人”窗口。在“装配机器人”中，自行输入机器人名称，按顺序依次添加关节，其旋转方向都为“正”，偏移值依次为“0、0、-90、0、0、0”。机器人参数设置，算法选择解析解，其他选项默认，详情如图8所示，点击确认，完成创建机器人。、

　　3.4.2添加标记点

　　在“传感器与执行器”中点击创建完成的机器人，鼠标右键选择“示教机器人”选项。点击拖动示教，然后点击机器人任意位置，出现动态坐标系，拖动XYZ轴检验机器人是否正常运动。然后点击“机器人示教”窗口中的“指定点”，选择CSYS1基准坐标系，在弹框中选择第一个点，机器人会移动至该位置，然后点击“记录关节值”按钮。接着点击“指定点”，将“C SYS2”“CSYS3”两点，点击“记录末端值”按钮添加标记。如图9所示，在“机器人示教”窗口中点击loc-1,然后点击“箭头”转到标记点，使机器人再次移动到点1位置，再次点击“记录末端值”按钮标记，添加标记点4,最终得到4个标记点，在后续的程序编辑中，同一点位不能既出现MOVJ指令，又出现M OVL指令，故对同一位置添加不同标记以避免程序指令冲突。添加完标记点，点击回零按钮，使机器人到最初的位置。

　　3.4.3程序编辑

　　在“IMCD选项”栏，点击“程序编辑”按钮。在“程序编辑”窗口，点击“program1”右键，选择“编辑程序”，打开程序参数界面。在“程序参数”窗口，利用拖动示教到合适点位，选择运动指令中的“MOVJ指令”，添加M OVJ指令，目标点为loc-1,其他参数保持默认，点击确定。按照上述操作依次对机加产线机器人整个动作流程进行运动点位、信号指令、流程控制等程序编辑。

　　4虚拟调试

　　产线完成仿真设置后进行虚拟调试，切换到实时模式进行机电运动仿真模拟，验证分析产线运行状况。将所有坐标系进行隐藏即取消勾选，使界面更加整洁，在“IMCD选项”栏，点击“仿真按钮”；然后启动PLC程序，通过PC端M ES系统下发订单，即可让虚拟产线按照订单任务开始进行仿真作业；根据产线实际功能需求和工艺流程，如图10所示观察产线和PLC运行情况，在软件界面右侧“输出”栏中会根据产线运行状况实时记录仿真信息，并记录填写到表1中。从而依据得出的仿真信息进行多次虚拟调试运行，实现对产线设计的优化和验证，得出最优的运行路径、工件来料姿态和工件下料姿态以及最佳的节拍；另外，观察机器人的运行状况，可将虚拟调试验证后的机器人程序后处理导出并传输或拷贝到机器人物理控制系统进行使用；同时，虚拟调试验证所得到的数据均可供后续项目设计和现场安装调试时使用。

　　5结束语

　　本文借助汽车发动机缸盖机加产线的概念设计来证明基于GSK_ IMCD的智能制造概念设计的实用性、优越性和可操作性。直观地运用数字孪生技术对缸盖机加产线设备动作流程、工艺节拍等进行仿真验证和优化。在GSK_ IMCD中整个缸盖机加产线的概念设计阶段进行虚拟调试，通过多次模拟验证，检验整个设计方案的可行性，快速做出优化调整，从而得到最优的工序安排方案；而且仿真得出的数据可以为后续现场安装提供验证参考，为企业有效缩短项目开发周期，并及时有效地回应企业客户的需求，实现利益最大化，同时推进企业实现数字化制造的进程，为智能制造产线开发提供了新的思路和解决办法。

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