數字孿生與傳感器測試技術在PVC板材裝配產線的應用

張德福，蔡延光

（廣州理工學院智能制造與電氣工程學院，廣州 510540）

0 引言

在很多機器人集成運用生產線設計中傳感器得到廣泛應用，運用視覺傳感器預處理中的圖像增強主要用于解決因圖像獲取過程中存在各種不確定因素易導致圖像質量下降或退化等問題，改善圖像視覺效果[1-3]。

傳統的設備故障維護方式已經不能適應現階段工業機器人集成智能化程度，必須不斷加強研究工業機器人使用過程中的智能故障預測方法，通過實時獲取機器人的健康狀態，提前開展相關維護管理措施，保證工作機器人的穩定作業，降低故障概率。

利用數字孿生技術和信息物理融合的方法，通過數據采集和實時通信，設計了虛擬模型與工業機器人協同作業，采用邊-云協同和深度學習方法建立了算法框架，通過群組聚類分析能夠快速檢測出故障[4-6]。

光纖傳感器是由電介質材料石英制成，是一種電絕緣、耐腐蝕的傳輸媒質，因此它具有安全可靠性高、工作壽命長的優點，光纖傳感器傳輸的是光信號，所以其抗電磁干擾能力強，能夠適用于溫差較大、環境惡劣的地方[7]。

自動化生產逐步向智能化生產方向發展中，傳感器靜態特性和動態特性變化決定了信號傳送的準確性，因此分析、掌握和控制生產過程中傳感器的線性度、靈敏度、遲滯、重復性等各個參數數據變化，是設備實現智能化生產關鍵[8]。

上述研究中對數字孿生技術沒有具體案例來說明實際應用作用，對傳感器的檢測沒有通用具體方法。本文意在利用數字孿生技術和軟件檢測傳感器技術對PVC 板材裝配產線建模模擬仿真和對傳感器特性進行檢測，是減少機械傳動設計誤差、提高檢測控制系統功能，保證生產線生產節拍無誤銜接的必要措施。

1 PVC板材自動組裝工藝流程分析

1.1 裝訂要求

三合一PVC 板材組裝自動化生產線是完成2 張PVC板材正反面裝訂在鋁合金骨架上，2 張PVC 板材要與骨架四周及中間的3根橫梁進行裝訂。

1.2 工藝流程順序

根據裝訂要求確定工藝流程為：上龍骨框架；上PVC 板；鎖螺釘；翻面；上PVC 板；鎖螺釘；下料碼垛。工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程

2 PVC板材自動組裝生產線總體設計

根據PVC板材組裝生產線裝訂工藝要求，整體生產線分為4個模塊：輕鋼龍骨上料模組、上板及打螺釘模組、翻轉輸送機、下料碼垛模組?？傮w生產線結構設計采用美云智數數字孿生工業軟件平臺建模仿真，如圖2所示。

圖2 PVC板材組裝自動化生產線總體結構

各模塊作用介紹如下。

（1）輕鋼龍骨上料模組

輕鋼龍骨上料模組包括可對中定位滾筒線、龍骨組裝臺。工人把組裝好框架放于輸送線上，滾筒線對中機構將龍骨定位好，滾筒線將工件送至螺釘機處，如圖3所示。

圖3 輕鋼龍骨上料模組

（2）上板及打螺釘模組

上板及打螺釘模組在產線上共設置兩套，一套用于正面PVC 板上板組裝打螺釘，一套用于反正PVC 板上板組裝打螺釘。

人工將PVC 板上料，機器人運用真空吸盤將PVC 板逐個拆垛，放到二次定位臺后再吸取PVC 板放入滾筒線上的限位合板機構，當限位合板后，自動鎖螺絲機上的兩組打螺釘機構按設定進行打螺釘，將PVC 板固定在龍骨上，如圖4所示。

圖4 上板及打螺釘模組

（3）自動鎖螺絲機

自動鎖螺絲機與滾筒線融合一體，配合限位合板機構工作，限位合板采用兩邊固定兩邊活動方式將龍骨及PVC板限位合好并壓緊。

安裝在XY伺服行走機構上的電批及螺絲機按設定對合好的PVC板打螺釘以固定在龍骨上，如圖5所示。

圖5 自動鎖螺絲機

（4）翻轉輸送機

翻轉輸送機是用于兩套正反面上板及打螺釘模組間的墻體模塊進行翻面，將未組裝PVC 板面翻到上面，并輸送到上板打螺釘模組的機構，如圖6所示。

圖6 翻轉輸送機

（5）碼垛模組

墻體模塊下料碼垛模組是將墻體模塊成品從產線下料并碼垛的模組。墻體模塊輸送到尾端的定位阻擋工裝前停好，機器人抓手抓取成品并放在滾筒碼垛位上進行碼垛，如圖7所示。

圖7 碼垛模組

3 傳感器分布及檢測

3.1 檢測系統介紹

3.1.1 測試系統基本參數

該測試系統開發的硬件環境：CPU為i3-8100，內存容量為8 GB，顯卡為GTX 1050TI，操作系統為Windows所有系統，該軟件的運行平臺/操作系統為Windows 所有系統，編程語言為C語言，源程序量9 443行。

3.1.2 檢測系統功能

測試軟件系統是測試生產線工藝流程中各環節傳感器的靜態特性和動態特性，可以實現溫度、濕度、壓力、力、力矩、位移、振動等物理量的顯示、記錄、越限監控、報表生成、數據通信、信號變送以及流量累計等功能。系統并會對隨時產生的日常工作進行實時記錄，對相應的信息進行存儲，控制數據合理性、合法性，動態地為管理提供可靠的依據，為相關工作提供有效的數據，顯示界面如圖8～9所示。

圖8 顯示界面

圖9 參數設置

3.2 PVC板材生產線傳感器分布

在PVC 板材生產線流程中在各個環節安裝有不同類型的傳感器，對位置、速度、角度和壓力等外界信號采集和輸出控制執行機構姿態，使各模塊銜接符合生產節拍和加工質量要求。

3.2.1 輕鋼龍骨上料模組檢測

這個環節在輸送機的邊緣安裝有4個氣動缸和4個光電傳感器，當輕鋼龍骨上料在輸送機上，4 個光電傳感器檢測采集到鋼龍骨后將信號傳給PLC，PLC 輸出信號驅動氣動電磁換向閥[9]，氣動活塞桿伸出，將輕鋼龍骨擺正處在輸送機的中線上，擺正后活塞桿收回。

3.2.2 打螺釘模組檢測

首先，PVC 板材第二次定位臺上目的在于使氣動機械手準確吸附板材，重復定位精度符合機器人重復定位精度，保證真空吸附機器人上料到龍骨架位置準確，龍骨架輸送到打螺釘模組后四周要對中合板限位，打螺釘模組后端安裝有位置傳感器，檢測到龍骨架到位后輸送機停止，每邊安裝有2 組氣動缸，氣缸活塞桿伸出后將龍骨架和PVC 板材對齊擺正，同時在壓力控制閥進氣口安裝有壓力傳感器，控制負載大小，一是對板材夾緊對中，再就是不至于損壞板材或板材錯位。

3.2.3 自動鎖螺絲機檢測

自動鎖螺絲機是3 個自由度的橫梁式機器人，機器人已經內置并設定固定裝訂位置的運行程序，在射釘槍側面安裝有90°互相平行于側面的距離傳感器，會自動檢測到射釘槍到PVC板材邊緣的距離，使X、Y軸的坐標確定裝訂點的坐標位置，Z軸安裝有測量深度距離傳感器控制Z軸上的移動距離。這些傳感器主要采集信號來控制3 自由度坐標式機器人在XYZ軸3 個方向的移動距離，到達準確裝訂的目的，如果傳感器出現超前或滯后傳遞信號，都會使裝訂深度和距離不同。

3.2.4 翻轉輸送機檢測

在翻轉輸送機傳動軸上安裝角度傳感器，檢測翻轉輸送機翻轉角度，翻轉機旋轉180°，在翻轉機的左端裝有位置傳感器，檢測龍骨架和PVC 板材已經到達端部，把信號傳給PLC后輸出驅動接觸器閉合使翻轉電機啟動，如果翻轉角度大于或小于180°都會使板材卡在翻轉輸送機內，不能輸送到下一個環節。

4 系統測試與運行

系統測試與運行目的在于調試各模塊工作狀態是否符合設計要求和各模塊之間協作情況，主要檢測分析傳感器靈敏度、直線度和分辨率等技術參數是否符合設備設計信號要求，這些技術參數影響PLC 梯形圖掃描程序準確性、影響驅動裝置和執行機構是準確否正常工作，所以檢測傳感器靜態特性和動態特性是信號采集重要的指標。

該系統中對傳感器數據采樣采用均值濾波算法對傳感器數據樣本進行分析原理是以該實時數據周圍快速采集的10個數據點取平均操作，然后替代該數據，均值濾波又稱為“算數均值濾波”，是指把離散信號的M個采樣值的平均值作為輸出，其公式為:

M在實際應用中可以是任意數字，是一個控制均值濾波波紋幅度增強保真度以及抑制噪聲的參數。圖10所示為壓力傳感器經過均值算法處理后，數據擾動被明顯優化，使得軟件處理后的運動控制數據更加平穩，降低了系統的擾動。

圖10 傳感器數據處理

4.1 輕鋼龍骨上料模組光電傳感器檢測數據分析

當前，在工業領域中機械加工生產通常將光電傳感器應用在整個機械加工過程，能夠實現對機床驅動系統、旋轉系統以及軸承系統等各項運行數據的實時監測控制管理工作。根據光電傳感器的檢測結果，有針對性地對各項生產工件進行優化調整，不斷提高工件產品的加工精度。

光電傳感器廣泛應用于物料檢測、位置檢測、目標識別和機器人控制等領域，主要由光源、光電元件、增強電路、信號處理電路和控制電路等部分組成[9-10]。主要測量光電傳感器的靈敏度、線性度、分辨率、響應時間、工作距離等基本參數，選用光電傳感器型號和技術參數，如表1所示。

表1 EE-SPY312反射式光電傳感器技術參數表

4 組紅外測距傳感器檢測到龍骨后會有步驟提示，當傳感器正確檢測到龍骨處于定位位置時，傳感器返回值狀態發生變化后，PLC獲取信號后經由485上傳數據至軟件上位機顯示狀態如圖11 所示，1 個傳感器檢測到顯示step1，4個全部定位成功后顯示step4，當對應傳感器處于灰色時標識定位異常，整個系統將無法進入下一步驟。

圖11 反射式光電傳感器顯示定位步驟

4.2 打螺釘模組壓力傳感器檢測數據分析

FSR402/FSR400/FSR406/FSR408 壓力類型力敏傳感器，技術參數如表2所示。

表2 壓力類型力敏傳感器技術參數

壓力傳感器檢測XY兩軸壓力，PLC 實時獲取壓力傳感器數據后，經由485上傳數據至上位機軟件進行處理，確保在精準定位的同時不損壞設備，壓力值設定范圍為650～700 g，系統運行時Y軸壓力處于正常區間時對應step1、step2會在系統中給與提示，測試值如圖12所示。

圖12 力敏傳感器測試數據

4.3 自動鎖螺絲機電磁式測距傳感器檢測數據分析

在電氣和機械的惡劣環境中，對附近物體的線性或旋轉位置的非接觸式傳感是一種常見的系統要求，包括基于霍爾效應的傳感器、磁約束效應和磁耦合[11-12]。HPG-M08-02ED3 電磁感應傳感器技術參數如表3 所示，利用電磁感應檢測距離2 mm接近傳感器。磁感應傳感器的常見位置錯誤是磁感應傳感器的安裝位置離開送料氣缸尾部或頭部[13-14]；如果磁感應傳感器的安裝位置離開送料氣缸尾部，則磁感應傳感器無法檢測活塞的位置，將導致內部的舌簧開關不能閉合[15-16]。

表3 HPG-M08-02ED3電磁感應傳感器技術參數

數據顯示測試值，當XYZ三軸磁定位傳感器設定的參數產生信號變化時，軟件系統將檢測到位置數據，當三位傳感器數據符合設定值3 mm 時，系統開始固定螺絲，否則將繼續控制機械臂調整位置，為避免損壞工件，機械限位距離為1 mm，如圖13所示。

圖13 電磁式測距傳感器檢測數據

4.4 翻轉輸送機角度傳感器檢測數據分析

角度傳感器的常見類型，包括旋轉電位器、霍爾傳感器、光學編碼器、旋轉變壓器和MEMS 角度傳感器[17-18]。MK380A系列標準型角度傳感器技術參數如表4所示。

表4 MK380A系列標準型角度傳感器技術參數

當姿態角度傳感器檢測值沒有達到180°時，系統繼續翻轉，當滿足180°時系統繼續進行下一步，系統中軟件模塊指針由紅色變為綠色，測試值如圖14所示。

圖14 角度傳感器檢測數據

經過測試傳感器各項技術參數指標，與原始傳感器參數特征和參數特征比較，如果出現參數值偏差太大影響生產線檢測信號的采集、轉化和輸出，導致設備各環節銜接動作提前或延遲，就要及時更換[19-20]。

5 結束語

本文對“三合一PVC 板材組裝自動化生產線”采用數字孿生技術建模仿真使生產線設備布置和傳感器分布合理，按照三合一PVC 板材生產工藝流程組成4個模組，通過數字孿生技術把虛擬和現實有機地實現，減少設計誤差和設計時間，通過模擬仿真降低設計風險。各個模組銜接傳動環節都安裝有不同類型的傳感器，對速度、位置、角度和壓力進行模擬量信號采集、轉化和輸出，采用傳感器測試軟件實時檢測監控各個環節傳感器的特性，通過實際生產驗證了設計正確性和監控檢測的準確性，為設備維修提供準確技術數據，保證了生產線節拍準確性，減少設備故障，提高生產效益。