基于数字孪生驱动的数控油边机设计与开发

翟振坤ZHAI Zhen-kun；屠高瑞TU Gao-rui；何天宇HE Tian-yu

（①广东交通职业技术学院，广州510815；②华南理工大学，广州 510898）

0 引言

在皮革产品生产的工艺流程中，油边工艺是指在经过烫边、修平、刨边、磨边等前期工序之后，通过滚涂一层皮革边油来掩盖皮料切口，进而在皮革产品的边缘或贴合处形成立体轮廓的一种装饰性工艺。长期以来，皮革产品油边工艺的生产实现受限于半自动化的人工操作方式生产效率低下，另一方面生产环境中工业边油挥发对人体健康有害，无法满足当前智能制造生产工艺绿色化的发展需求[1]。数控皮革油边设备是皮革行业的基础制造装备，伴随着“中国制造2025”战略规划的深入，加之人力资源与制造成本的迅速上升，加剧了皮革行业企业对机械设备和生产中传统工艺技术改造与升级的现实需求。

智能制造时代，制造装备已不仅仅是单纯的机电系统，而是高度开放与复杂的机电软系统[2]，其在实现生产方式的创新过程中起到了至关重要的作用。数字化技术定义制造、智能化技术驱动创新的趋势越来越得到产业界与学术界专家的认可。数字化样机技术是指以数字化方式创建物理样机的虚拟模型，借助数据和模型模拟来完善、优化物理样机在现实环境中的行为或性能。借助数字孪生技术，在制造装备的研发过程中，利用数字化样机可以通过数字模拟先行的方式提前预知研发过程中可能出现的技术漏洞、工艺瑕疵与质量问题，以“前期迭代”模式打破“后期装调”的传统研发模式。数字孪生在制造领域巨大的应用潜力，使其成为国内外学术界和工业界关注的热点。Tao F等提出基于数字孪生技术将产品制造过程划分为任务提炼、概念设计与虚拟验证等阶段，可有效提升产品制造效率[3]。Zhang H等提出利用数字孪生技术来实现中空玻璃自动化生产线的高效定性化设计[4]。汪浩等针对数控机床的上下料单元，结合数字孪生技术完成了机电一体化设计[5]。王春晓等基于数字孪生的概念提出数控机床的多领域建模与虚拟调试方案[6]。李浩等结合数字孪生提出包含需求分析、虚拟样机、数据管理等模块的复杂产品设计制造开发框架[7]。

针对前述皮革产品生产过程中传统手工油边工艺效率低下，生产环境中工业边油挥发对人体健康有害等问题，提出利用数字化技术实现数控油边机虚拟样机的建模，并对生产工艺流程进行虚拟仿真、调试，同时结合工业物联网云平台实现设备的高效远程监控与运维，旨在实现皮革产品的智能化、绿色化生产。

1 数字化样机建模

1.1 机械本体设计

如图1所示，数控油边机由油边工序单元和晾晒工序单元两部分组成。其中油边工序单元中，为提高上料效率，设计采用由立式储料机构与多点定位吸盘机械手组成的供料模块，支持多尺寸带状皮革产品的柔性上料，实现不同规格皮革产品的定制化生产。自动化的上料过程，较之传统手工上料，可有效提升油边工艺的整体效率。在上油工序中，设计采用双侧对称伺服驱动滚轮上油机构，通过高精度定位控制与油量调节，可实现快速、平滑上油，保证双侧油边均匀光滑、圆润厚实。油边工序单元与晾晒工序单元间，设计采用多自由度传输单元，可实现已油边皮革到晾晒单元的高效搬运。为增大晾晒工序的容量，设计多工位环形晾晒单元，渐进循环的晾晒过程，可实现皮革产品的无扰式批量晾晒与仓储。

1.2 机电对象配置

为建立数字化虚拟样机与物理样机动态行为及系统性能间的耦合关系，需要借助机电概念设计技术，通过赋予虚拟样机物理属性，以参数化方式实现机械、电气和自动化设计之间的协同[8]。在本设计方案中采用西门子的NX MCD平台，利用刚体、碰撞体等基本机电对象实现数控油边机各零部件与关联机构的机电属性定义，由于数控油边机的执行逻辑涉及8个运动轴的协调配合，因此为了能精确描述油边机的动态行为特性，借助铰链副、滑动副、固定副等联结属性与速度控制、位置控制等驱动对象来定义各个运动轴的动态特性。如图2所示，分别为传送机械手添加固定副与位置控制参数。

2 控制工艺流程与虚拟调试

2.1 工艺流程仿真

如图3所示，数控油边机的控制工艺流程为：启动主控指令发出后，传输单元移动到供料单元的指定位置上，通过吸盘把物料吸住，然后带物料回到原点，回到原点之后旋转气缸工作使吸盘和物料旋转180°完成姿态的转换，之后再通过传输单元把物料送到加工单元指定的加工位置上并实现加工单元的加工。最后传送单元在夹取物料之后回到原点，通过旋转气缸以及传送单元在空间坐标Z轴的运动把物料送到晾晒单元的指定位置上，晾晒单元夹取物料并把物料送到指定的位置晾晒。

根据上述控制工艺流程，利用NX MCD中的仿真序列编辑器可以对工艺流程实现快速编排，常用的编排机制有基于时间触发的序列编排、基于事件触发的序列编排以及混合式编排。如图3所示，数控油边机的工艺流程编排基于时间触发机制，通过对吸盘、传动单元、晾晒旋转托盘等执行结构设定时间参数与编排逻辑触发顺序，可精确仿真油边工艺对应的动作序列。

2.2 虚拟调试

本设计方案中基于OPC技术搭建融合MCD建模与PLC编程环境的虚拟调试平台，平台架构如图4所示。在MCD环境中，首先需要为受控机电对象添加内部信号，之后根据内外部信号间的耦合关系建立映射信号表；考虑到目标可编程控制器的平台多样性，为了提高虚拟样机的通用性，基于OPC UA技术，可实现MCD与多个异构PLC编程环境的集成。在实际虚拟调试过程中，利用KEPServerEX、MX OPC Server等软件实现了MCD虚拟样机与博图V15、三菱GX Works2等多平台PLC编程环境间的联合调试。在PLC程序的开发过程中，除了传统的离线编程外，还可通过将MCD中的仿真序列转换成PLCOpen XML格式文件，导入PLC编程环境中实现控制程序的在线自动生成，有效提高开发效率。

3 基于智能云控的硬件平台设计

在数控油边机硬件平台设计过程中，考虑到生产环境下工业边油挥发对现场操作人员健康造成的影响，将工业物联网技术融入设计方案中，通过工业物联网与数字孪生技术的融合，在云端实现现场设备的智能云控。如图5所示，在硬件平台设计方案中，经过虚拟调试后的数控油边机控制程序可直接通过通信网络下载到现场可编程逻辑控制器中。在物理样机调试过程中，利用数字孪生技术，可实现数字化样机与物理样机的虚实同步，利用交互数据来进一步优化生产节拍与控制逻辑。现场控制数据与设备的工作状态信息通过智能网关上传到云平台，同时云平台的控制与管理数据可同步下发到现场设备中，在油边设备出现故障时，利用工业云平台能够实现远程快速诊断与调试，极大提升生产设备的运维效率。

4 结论

基于数字孪生驱动技术，本文提出一种数控油边机设计与开发方法，所提方法以数字化、可视化方式实现机械、电气和自动化设计之间的协同，通过为物理硬件油边设备创建虚拟模型，来模拟其在现实生产环境中的行为，通过数字模拟先行的方式提前预知可能出现的技术漏洞、工艺瑕疵和质量问题，以“前期迭代”模式打破“后期装调”的传统研发模式。工业物联网技术的引入，可以促进皮革产品生产过程中以数据为中心的信息技术（IT）和以流程为中心的操作技术（OT）的高效融合，用以提高全自动皮革产品油边设备的可维护性与生产效率。