数字孪生与传感器测试技术在PVC板材装配产线的应用

张德福，蔡延光

（广州理工学院智能制造与电气工程学院，广州 510540）

0 引言

在很多机器人集成运用生产线设计中传感器得到广泛应用，运用视觉传感器预处理中的图像增强主要用于解决因图像获取过程中存在各种不确定因素易导致图像质量下降或退化等问题，改善图像视觉效果[1-3]。

传统的设备故障维护方式已经不能适应现阶段工业机器人集成智能化程度，必须不断加强研究工业机器人使用过程中的智能故障预测方法，通过实时获取机器人的健康状态，提前开展相关维护管理措施，保证工作机器人的稳定作业，降低故障概率。

利用数字孪生技术和信息物理融合的方法，通过数据采集和实时通信，设计了虚拟模型与工业机器人协同作业，采用边-云协同和深度学习方法建立了算法框架，通过群组聚类分析能够快速检测出故障[4-6]。

光纤传感器是由电介质材料石英制成，是一种电绝缘、耐腐蚀的传输媒质，因此它具有安全可靠性高、工作寿命长的优点，光纤传感器传输的是光信号，所以其抗电磁干扰能力强，能够适用于温差较大、环境恶劣的地方[7]。

自动化生产逐步向智能化生产方向发展中，传感器静态特性和动态特性变化决定了信号传送的准确性，因此分析、掌握和控制生产过程中传感器的线性度、灵敏度、迟滞、重复性等各个参数数据变化，是设备实现智能化生产关键[8]。

上述研究中对数字孪生技术没有具体案例来说明实际应用作用，对传感器的检测没有通用具体方法。本文意在利用数字孪生技术和软件检测传感器技术对PVC 板材装配产线建模模拟仿真和对传感器特性进行检测，是减少机械传动设计误差、提高检测控制系统功能，保证生产线生产节拍无误衔接的必要措施。

1 PVC板材自动组装工艺流程分析

1.1 装订要求

三合一PVC 板材组装自动化生产线是完成2 张PVC板材正反面装订在铝合金骨架上，2 张PVC 板材要与骨架四周及中间的3根横梁进行装订。

1.2 工艺流程顺序

根据装订要求确定工艺流程为：上龙骨框架；上PVC 板；锁螺钉；翻面；上PVC 板；锁螺钉；下料码垛。工艺流程如图1所示。

图1 工艺流程

2 PVC板材自动组装生产线总体设计

根据PVC板材组装生产线装订工艺要求，整体生产线分为4个模块：轻钢龙骨上料模组、上板及打螺钉模组、翻转输送机、下料码垛模组。总体生产线结构设计采用美云智数数字孪生工业软件平台建模仿真，如图2所示。

图2 PVC板材组装自动化生产线总体结构

各模块作用介绍如下。

（1）轻钢龙骨上料模组

轻钢龙骨上料模组包括可对中定位滚筒线、龙骨组装台。工人把组装好框架放于输送线上，滚筒线对中机构将龙骨定位好，滚筒线将工件送至螺钉机处，如图3所示。

图3 轻钢龙骨上料模组

（2）上板及打螺钉模组

上板及打螺钉模组在产线上共设置两套，一套用于正面PVC 板上板组装打螺钉，一套用于反正PVC 板上板组装打螺钉。

人工将PVC 板上料，机器人运用真空吸盘将PVC 板逐个拆垛，放到二次定位台后再吸取PVC 板放入滚筒线上的限位合板机构，当限位合板后，自动锁螺丝机上的两组打螺钉机构按设定进行打螺钉，将PVC 板固定在龙骨上，如图4所示。

图4 上板及打螺钉模组

（3）自动锁螺丝机

自动锁螺丝机与滚筒线融合一体，配合限位合板机构工作，限位合板采用两边固定两边活动方式将龙骨及PVC板限位合好并压紧。

安装在XY伺服行走机构上的电批及螺丝机按设定对合好的PVC板打螺钉以固定在龙骨上，如图5所示。

图5 自动锁螺丝机

（4）翻转输送机

翻转输送机是用于两套正反面上板及打螺钉模组间的墙体模块进行翻面，将未组装PVC 板面翻到上面，并输送到上板打螺钉模组的机构，如图6所示。

图6 翻转输送机

（5）码垛模组

墙体模块下料码垛模组是将墙体模块成品从产线下料并码垛的模组。墙体模块输送到尾端的定位阻挡工装前停好，机器人抓手抓取成品并放在滚筒码垛位上进行码垛，如图7所示。

图7 码垛模组

3 传感器分布及检测

3.1 检测系统介绍

3.1.1 测试系统基本参数

该测试系统开发的硬件环境：CPU为i3-8100，内存容量为8 GB，显卡为GTX 1050TI，操作系统为Windows所有系统，该软件的运行平台/操作系统为Windows 所有系统，编程语言为C语言，源程序量9 443行。

3.1.2 检测系统功能

测试软件系统是测试生产线工艺流程中各环节传感器的静态特性和动态特性，可以实现温度、湿度、压力、力、力矩、位移、振动等物理量的显示、记录、越限监控、报表生成、数据通信、信号变送以及流量累计等功能。系统并会对随时产生的日常工作进行实时记录，对相应的信息进行存储，控制数据合理性、合法性，动态地为管理提供可靠的依据，为相关工作提供有效的数据，显示界面如图8～9所示。

图8 显示界面

图9 参数设置

3.2 PVC板材生产线传感器分布

在PVC 板材生产线流程中在各个环节安装有不同类型的传感器，对位置、速度、角度和压力等外界信号采集和输出控制执行机构姿态，使各模块衔接符合生产节拍和加工质量要求。

3.2.1 轻钢龙骨上料模组检测

这个环节在输送机的边缘安装有4个气动缸和4个光电传感器，当轻钢龙骨上料在输送机上，4 个光电传感器检测采集到钢龙骨后将信号传给PLC，PLC 输出信号驱动气动电磁换向阀[9]，气动活塞杆伸出，将轻钢龙骨摆正处在输送机的中线上，摆正后活塞杆收回。

3.2.2 打螺钉模组检测

首先，PVC 板材第二次定位台上目的在于使气动机械手准确吸附板材，重复定位精度符合机器人重复定位精度，保证真空吸附机器人上料到龙骨架位置准确，龙骨架输送到打螺钉模组后四周要对中合板限位，打螺钉模组后端安装有位置传感器，检测到龙骨架到位后输送机停止，每边安装有2 组气动缸，气缸活塞杆伸出后将龙骨架和PVC 板材对齐摆正，同时在压力控制阀进气口安装有压力传感器，控制负载大小，一是对板材夹紧对中，再就是不至于损坏板材或板材错位。

3.2.3 自动锁螺丝机检测

自动锁螺丝机是3 个自由度的横梁式机器人，机器人已经内置并设定固定装订位置的运行程序，在射钉枪侧面安装有90°互相平行于侧面的距离传感器，会自动检测到射钉枪到PVC板材边缘的距离，使X、Y轴的坐标确定装订点的坐标位置，Z轴安装有测量深度距离传感器控制Z轴上的移动距离。这些传感器主要采集信号来控制3 自由度坐标式机器人在XYZ轴3 个方向的移动距离，到达准确装订的目的，如果传感器出现超前或滞后传递信号，都会使装订深度和距离不同。

3.2.4 翻转输送机检测

在翻转输送机传动轴上安装角度传感器，检测翻转输送机翻转角度，翻转机旋转180°，在翻转机的左端装有位置传感器，检测龙骨架和PVC 板材已经到达端部，把信号传给PLC后输出驱动接触器闭合使翻转电机启动，如果翻转角度大于或小于180°都会使板材卡在翻转输送机内，不能输送到下一个环节。

4 系统测试与运行

系统测试与运行目的在于调试各模块工作状态是否符合设计要求和各模块之间协作情况，主要检测分析传感器灵敏度、直线度和分辨率等技术参数是否符合设备设计信号要求，这些技术参数影响PLC 梯形图扫描程序准确性、影响驱动装置和执行机构是准确否正常工作，所以检测传感器静态特性和动态特性是信号采集重要的指标。

该系统中对传感器数据采样采用均值滤波算法对传感器数据样本进行分析原理是以该实时数据周围快速采集的10个数据点取平均操作，然后替代该数据，均值滤波又称为“算数均值滤波”，是指把离散信号的M个采样值的平均值作为输出，其公式为:

M在实际应用中可以是任意数字，是一个控制均值滤波波纹幅度增强保真度以及抑制噪声的参数。图10所示为压力传感器经过均值算法处理后，数据扰动被明显优化，使得软件处理后的运动控制数据更加平稳，降低了系统的扰动。

图10 传感器数据处理

4.1 轻钢龙骨上料模组光电传感器检测数据分析

当前，在工业领域中机械加工生产通常将光电传感器应用在整个机械加工过程，能够实现对机床驱动系统、旋转系统以及轴承系统等各项运行数据的实时监测控制管理工作。根据光电传感器的检测结果，有针对性地对各项生产工件进行优化调整，不断提高工件产品的加工精度。

光电传感器广泛应用于物料检测、位置检测、目标识别和机器人控制等领域，主要由光源、光电元件、增强电路、信号处理电路和控制电路等部分组成[9-10]。主要测量光电传感器的灵敏度、线性度、分辨率、响应时间、工作距离等基本参数，选用光电传感器型号和技术参数，如表1所示。

表1 EE-SPY312反射式光电传感器技术参数表

4 组红外测距传感器检测到龙骨后会有步骤提示，当传感器正确检测到龙骨处于定位位置时，传感器返回值状态发生变化后，PLC获取信号后经由485上传数据至软件上位机显示状态如图11 所示，1 个传感器检测到显示step1，4个全部定位成功后显示step4，当对应传感器处于灰色时标识定位异常，整个系统将无法进入下一步骤。

图11 反射式光电传感器显示定位步骤

4.2 打螺钉模组压力传感器检测数据分析

FSR402/FSR400/FSR406/FSR408 压力类型力敏传感器，技术参数如表2所示。

表2 压力类型力敏传感器技术参数

压力传感器检测XY两轴压力，PLC 实时获取压力传感器数据后，经由485上传数据至上位机软件进行处理，确保在精准定位的同时不损坏设备，压力值设定范围为650～700 g，系统运行时Y轴压力处于正常区间时对应step1、step2会在系统中给与提示，测试值如图12所示。

图12 力敏传感器测试数据

4.3 自动锁螺丝机电磁式测距传感器检测数据分析

在电气和机械的恶劣环境中，对附近物体的线性或旋转位置的非接触式传感是一种常见的系统要求，包括基于霍尔效应的传感器、磁约束效应和磁耦合[11-12]。HPG-M08-02ED3 电磁感应传感器技术参数如表3 所示，利用电磁感应检测距离2 mm接近传感器。磁感应传感器的常见位置错误是磁感应传感器的安装位置离开送料气缸尾部或头部[13-14]；如果磁感应传感器的安装位置离开送料气缸尾部，则磁感应传感器无法检测活塞的位置，将导致内部的舌簧开关不能闭合[15-16]。

表3 HPG-M08-02ED3电磁感应传感器技术参数

数据显示测试值，当XYZ三轴磁定位传感器设定的参数产生信号变化时，软件系统将检测到位置数据，当三位传感器数据符合设定值3 mm 时，系统开始固定螺丝，否则将继续控制机械臂调整位置，为避免损坏工件，机械限位距离为1 mm，如图13所示。

图13 电磁式测距传感器检测数据

4.4 翻转输送机角度传感器检测数据分析

角度传感器的常见类型，包括旋转电位器、霍尔传感器、光学编码器、旋转变压器和MEMS 角度传感器[17-18]。MK380A系列标准型角度传感器技术参数如表4所示。

表4 MK380A系列标准型角度传感器技术参数

当姿态角度传感器检测值没有达到180°时，系统继续翻转，当满足180°时系统继续进行下一步，系统中软件模块指针由红色变为绿色，测试值如图14所示。

图14 角度传感器检测数据

经过测试传感器各项技术参数指标，与原始传感器参数特征和参数特征比较，如果出现参数值偏差太大影响生产线检测信号的采集、转化和输出，导致设备各环节衔接动作提前或延迟，就要及时更换[19-20]。

5 结束语

本文对“三合一PVC 板材组装自动化生产线”采用数字孪生技术建模仿真使生产线设备布置和传感器分布合理，按照三合一PVC 板材生产工艺流程组成4个模组，通过数字孪生技术把虚拟和现实有机地实现，减少设计误差和设计时间，通过模拟仿真降低设计风险。各个模组衔接传动环节都安装有不同类型的传感器，对速度、位置、角度和压力进行模拟量信号采集、转化和输出，采用传感器测试软件实时检测监控各个环节传感器的特性，通过实际生产验证了设计正确性和监控检测的准确性，为设备维修提供准确技术数据，保证了生产线节拍准确性，减少设备故障，提高生产效益。