基于Teamcenter Process Simulate 印章定制的生产线仿真设计

周宝昌，朱敏茹，谢智阳

（1.河源职业技术学院，广东 河源 517000；2.河源市工业机器人技术应用工程技术研究中心，广东 河源 517000）

0 引言

Tecnomatix 数字化制造解决方案软件能够在三维虚拟环境下进行制造工艺过程设计[1]，通过仿真测试产品生产的可行性，分析验证新生产线系统的能力并进行优化，企业在生产线规划阶段就可以发现潜在的问题并加以解决，从而避免时间和资金的浪费[2]。这对企业缩短新产品开发周期、提高产品质量、降低开发和生产成本、降低决策风险都是非常重要的[3]。

利用Process Simulate 软件进行生产线的模拟，检测其生产工艺的可行性和可达性，其内部设有虚拟的仿真工具S7-PLCSIM V5.4，可直接在软件内部控制信号进行虚拟仿真，也可以进行外部链接，结合西门子PLC 进行编程控制，实现虚拟自动化产线运行的效果，其操作简单，实用性强。

1 系统总体设计

本设计是完成一个印章的组装、检测和包装任务，模拟印章流水线的生产过程。该印章定制智能生产线由7 个单元组成，分别是仓储出料、传送带、物料加工、产品组装、产品检测、产品包装和仓储入库，详细工作流程如图1 所示。

图1 智能生产工作流程图

2 工业生产线的设计思路

工业生产线控制设计是通过机电一体化设计将Tecnomatix 数字化制造解决方案嵌入到完成具体的PS 虚拟仿真中，通过虚拟模型来模拟真实的生产。整个仿真过程使用了Process Simulate 软件、S7-PLCSIM Advanced V5.4 软件、TIA Portal 软件进行设计和仿真[4]。详细生产过程如图2 所示。

图2 印章定制自动化生产线

3 工业生产线仿真实现过程

3.1 Process Simulate 虚拟仿真设计流程

3.1.1 设置基本对象

（1）运动学设置和姿态设置，使用姿态编辑器对模型整体关节姿态进行调整、保存、编辑，使用姿态编译器时必须先设置过模型的运动学编辑器，姿态编辑器会保存用户设定好的模型姿态，再根据不同情况下可直接变换到设定姿态。

（2）创建设备操作，进行新建复合、对象流、握爪、非仿真和机器人拾放等操作。

（3）创建物料流，物料流查看器是生产线仿真模式中重要的功能查看器，在标准模式下无法使用，是实现零件物料在生产线仿真过程中的产生、流动、加工的演变过程。

物料流查看器用于显示消耗零件的工序以及工序之间的物料流链接。例如，从操作1 到操作2 的链接指示，操作1 使用的部件可用于操作2。即使Operation1 使用的部件通过链接到Operation2 传递，但未被Operation2 使用，它仍然通过下一个链接到Operation3 并可供其使用。这能够在基于事件的仿真模式（也称生产线仿真模式）中查看和控制在操作之间传递零件的方式。

3.1.2 设置资源和信号

（1）创建信号，创建设备起始信号、创建非仿真起始信号、创建机器人起始信号用于仿真。

（2）创建逻辑资源，创建逻辑资源是Process Simulate 中信号处理的重要部分，模型运动学设计完成后，通过添逻辑到资源的方式，建立资源内部的信号逻辑关系，逻辑资源包含从公式或公式中的一个或多个指定输入和输出派生的已定义逻辑行为。

（3）创建传感器，创建光电传感器，使其在对象穿过由传感器“发射”的指定光束的路径时进行检测。配置光束尺寸以确定对象检测区域的长度和宽度。可以使用“激活传感器”和“停用传感器”命令激活和停用传感器。传感器在图形查看器中显示为透镜和黄色检测光束。

3.1.3 信号映射

信号映射是指将一组信号名称和参数替换为另一组信号名称和参数的过程，根据给定的Excel 文件应用信号映射和机器人信号进行导入，Excel 文件包含仿真程序中要替换的信号名称和值，从而实现了信号映射。导入信号是将信号从Excel、CSV 或带格式文本导入至研究。导入信号的前提是需要在PLC 变量中导出与PS 信号映射的变量。从而实现了仿真软件和PLC 程序的关联和信号控制。

3.2 程序设计

3.2.1 设置IO 分配表

PLC 的输入和输出变量分配见表1、表2。

表1 PLC 输入变量

表2 PLC 输出变量

3.2.2 PLC 程序的实现

编程部分主要分以下10 部分进行控制，分别是：主程序、函数块FB 调用、初始化、A 物料出库、B 物料加工、产品组装、产品检测、产品包装、AGV 送料_物料进库以及轴控制。

（1）主程序：启停、复位和停止，整体控制子程序。

（2）函数块FB 调用：设置轴工艺对象控制指令，利用FB 块进行多个工艺对象指令的调用。

（3）初始化：用于将程序仿真中的各类程序进行相应复位控制。

（4）A 物料出库：当物料生成，利用光电传感器信号作为机器人搬运的启动信号，从而实现机器1 人搬运往返动作。

（5）B 物料加工：物料到达减材制造单元后，利用光电传感器信号作为机器人2 的启动信号，从而实现机器人2 进行章体加工，章柄放置的动作。

（6）产品组装：利用轴工艺功能块和光电光电传感器信号进行印章的冲压组装。

（7）产品包装：利用轴工艺功能块和光电光电传感器信号进行印章的放置包装。

（8）AGV 送料_物料进库：以光电传感器信号作为AGV 车的启动信号和到位信号，从而实现机器人3 运送物料进库，及AGV 车自主往返运输的动作。

（9）轴控制：轴控制是通过博图软件工艺模块实现对X 轴、Y 轴、Z 轴的位置控制。

最终的HMI 人机交互界面如图3 所示。

图3 HMI 界面

4 仿真测试

项目在虚拟仿真设计、PLC 编程设计和触摸屏程序设计联合完成下，通过HMI 界面进行仿真测试。当在HMI 界面按“启动”后，则进行生产线的仿真。具体生产过程有以下5 个步骤：

（1）物料出库，在HMI 界面按“启动”后，物料台上产生供加工的原始物料，并且在HMI 能显示当前物料和机器人到位状态。

（2）物料加工，当检测到物料后，传送带启动，到达加工站后，数控机床处进行章体加工和生产章柄。并且能实时监控加工过程，如检测物料是否到位，数控机床是否运行，章柄是否产生等信号。具体的物料加工过程和HMI 界面如图4 所示。

（3）产品组装，当物料加工完成后，则继续启动传送带到达“产品组装”工位上进行组装印章。能通过冲压机对章体、章柄进行冲压完成加工，同时在HMI 能实时检测到印章组装过程。具体的组织过程如图5 所示。

图5 产品组装测试

（4）产品检测，当产品组装完毕后，继续启动传动带到“产品检测”处进行视觉检测，能通过视觉检测产品是否合格，同时在HMI 能实时监控检测的过程。

（5）产品包装，当产品通过检测后，启动传送带到“产品包装”工位上进行包装。通过X-Y-Z 轴机器人进行产品的包装，同时在HMI 可以监控到产品包装过程中的信号和包装过程的动作。

（6）产品进库，当印章未完成所有工序，则AGV车在传动带等待装车。当印章完成所有工序后，则印章到达传动带末端，进行AGV 装车。AGV 车装车完毕后，则AGV 车将印章移至仓储旁，当机器人检测到后则进行夹取后进行产品入库。同时在HMI 能实时监控产品入库的状态。

通过以上6 个步骤，印章定制生产线仿真系统完成测试。通过测试，能完成出料、送料、加工、组装、检测、包装、输送、入库等工作单元作为自动生产线的整体设计。

5 结语

利用Process Simulate 软件进行生产过程的仿真，能够在虚拟环境中可以真实再现具体的生产过程，而且允许用户实时调试参数来达到生产的最优化。通过Process Simulate、西门子PLC、HMI 软件，模拟了一个印章的流水线生产过程。通过测试，可以有效提高实际生产效率。

本作品设计以Process Simulate 生产线为基础，突破传统思路，通过虚拟模型来模拟真实的生产，在虚拟环境中进行生产系统的调试，在最短时间内让生产步入正轨，优化改善复杂的生产线。