虚实一体化汽车装配气动实训模型设计

王益军

摘 要：本文遵循实际企业汽车装配生产线工作流程，以实体汽车简化模型为主体，设计了一套虚实一体化汽车装配气动模型，硬件包括PLC控制系统、触摸屏人机界面、气动运转装置、气动机械手、检测分拣系统等，通过上位机仿真软件编程实现装配动作，3DVIA实现虚拟动作展示，完成实际汽车装配及汽车装配自动线调试培训课程。

关键词：PLC；柔性制造单元；3DVIA

一、绪论

当前汽制生产制造正向全自动、智能控制、网络化、创新化方向发展，气动技术正向高质量、高精度、高速度、小型化、轻量化、复合集成化及节能环保等的方向快速发展。目前市场上大多数职业类学校的自动化教学设备往往是以单一课程为目标设计的，不能满足柔性生产线从业人员培养的需求。因此，开发一套贴近实际具有“高仿真”针对性强的汽车装配虚实一体的柔性生产线教学设备显得十分重要。

本文研究的自动柔性生产线教学设备采用工作单元的模式，利用虚拟现实技术开发的汽车装配仿真系统为学员提供一种结构化的学习经验，加快学习进程的手段，是对传统教学活动的有益补充。

二、汽车装配气动实训台的总体设计

汽车装配气动实训台装配产品采用自制仿货车外形产品，自动化装夹简便，且能真实体现车体装配过程，各设备小型化，但与工业现场实际应用设备结构与控制基本一致。共分为五部分，分别为基础底盘、轮胎、驱动体、驾驶舱、车体货箱，以基础底盘为基体，分别进行其余四项部件装配作业。

为了能够在该教学设备上模拟出一个与实际生产十分相似的操作过程，在设计时尽量缩小同实际柔性生产线在结构与功能方面的差距。整机分五部分主要装配工序组成，为减少不必要重复工序，后轮轮胎初始状态时预先安装在底盘上，装配过程中，只进行前轮轮胎装配。

（1）汽车装配生产线的工作过程和相关的技术进行研究，研究汽车装配生产线总体模块设计。

（2）汽车零部件检测与分拣单元设计及模拟。

（3） 装配输送线系统单元设计及模拟。

（4）轮胎装配单元单元设计及模拟。

（5）汽车主驱动体装配单元单元设计及模拟。

（6）3DVIA展示模块设计。

三、汽车装配气动实训台控制系统设计

1.电气控制系统设计

控制系统是汽车装配气动实训台的重要组成部分，主要负责整个教学设备各个单元数据的接受和处理并向执行机构发送信号。根据功能需求，采用PLC作为主要控制模块，实现该设备的各单元的顺序和逻辑控制。为了更好的体现该设备的柔性化，每个功能单元都配置了可编程控制器等控制设备，每个单元都能够独立的作为一个平台使用。在单元之间的通信方面，采用 RS485 串行通信组成控制网络，工作单元之间 PLC通过RS485串行通信实现相互数据交换。

（1）PLC选型。市面上比较常见的 PLC 品牌有三菱、西门子以及国产的汇川等，本文中以三菱 PLC为例。通过对被控对象中各种输入输出进行统计，可以计算出大约所需的 I/O 点数，在此基础上留出 10%左右的裕量作为扩展用。

（2）信号连接方式。考虑不同需求，设计了两种不同的 I/O连接方式：固定连接和自主连接。固定连接是指设备的输入信号以及输出信号按照 I/O分配表连接，使用者应根据I/O分配表来编写PLC程序，不需要进行额外的接线。自主连接是指使用者根据自己的意愿设计I/O分配表并编程，需要进行PLC的输入输出继电器与外部电路的连接。

（3） PLC网络设计。本设备各功能單元之间通过 485串行通信实现分布式互联，具体通信模式取决于采用的PLC 品牌以及类型。三菱PLC一般采用N：N网络通信，该种通信方式一般用于小型的数据交换网络。

2.气动控制系统设计

气动技术是利用空气具有可压缩的特性，将压缩空气作为传递动力的介质，并通过气缸、换向阀、电磁阀等元件构成控制回路，使气动元件按照所需逻辑要求工作。由于气动技术具备高效、轻量化、清洁等优点，气动技术与 PLC 结合在各种自动化生产线的应用具有广阔的发展前景。

四、虚拟仿真装配线构建研究

1.面向对象的仿真建模方法

模型是对系统的抽象，生产线仿真建模是虚拟仿真的核心和基础。 装配线仿真模型中的基本单元是对象，它不仅能用数据描述对象的状态或属性，还具有改变对象状态的操作，实现数据与操作的结合，从结构、几何外观、功能、信息和控制方面“复现”装配线中的设备和流动产品（PART），因此，对象模型是构成装配线仿真的基础。

为了表征系统中对象之间的相互关系，复现生产线的工艺流程，要建立对象之间的相互关系模型。因此，从刻画装配线结构、几何外观、功能、信息和控制的角度考虑，本文将资源对象类模型划分为五种子模型： 对象几何模型、对象运动学模型、对象行为模型、对象相互关系模型、对象层次结构模型， 在上述几种子模型中，对象层次结构模型和对象相互关系模型涉及的是对象之间的关系，其中前者是对象之间的静态结构关系，后者则用于描述对象之间的动态关系。

2.汽车装配线实训台的建模仿真

本文采用仿真开发平台 3DVIA，3DVIA Composer是 3DVIA Composer 解决方案的核心产品。作为一种桌面应用程序，可用于直接从 3D 数字产品数据创建产品文档内容。

3DVIA Sync是一种自动化工具，该工具可关联 3DVIA Composer 生成的内容与 3DCAD 数据。元数据、几何图形或产品结构中的更改可以在 3DVIA Composer 生成的内容中自动进行更新，从而确保文档的准确性和一致性。3DVIA Composer 允许创建样式和智能视图，后两者可应用于任何内容以确保视觉效果的一致性。

五、结语

本文针对目前典型柔性生产线的工作原理及结构等进行了细致的学习，并参考了国内主要自动化教学设备厂商在柔性生产线方面的最新成果，将职业院校学生所需要掌握的机电一体化技术专业课程融入其中，设计了一款适合高职院校自动化专业课程实训、考核鉴定的教学设备。系统包括多个柔性制造单元，能根据汽车模型大小等变化迅速进行调整，以适宜于多品种、中小批量装配生产及管理理念。通过先虚拟后实操，直观形象，可操控性好，适用于学校及一些培训机构对学生进行汽车装配技能训练及汽车装配生产线调试技能训练。

参考文献：

[1] 董欣胜. 装配机器人的现状与发展趋势[J]. 组合机床与自动化加工技术，2007（8）.

[2] 高凌云. 基于PLC的气动自动生产线的研究[D]. 西南石油大学， 2011.