基于数字孪生的轴承装配工作台协同作业_范敬松.pdf

第 卷 第期佳 木 斯 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年 月 （）文章编号：（）基于数字孪生的轴承装配工作台协同作业范敬松，钟相强，苏学满，杨怀安，陶文博，邸志民（安徽工程大学机械工程学院，安徽 芜湖 ）摘要：为了实现轴承装配工作台与虚拟样机的协同作业，建立了轴承装配工作台的数字孪生模型。阐述了轴承装配工作台机械与控制系统的设计流程及工作原理，基于 完成了轴承装配工作台中机器人、末端执行器、自动装配夹具的数字孪生模型构建；建立了轴承装配工作台数字孪生模型与物理样机间的通讯，实现了数字孪生模型与物理实体的虚实协同作业。实验表明：在物理端进行轴承装配作业时，数字孪生模型与其行为相一致，实现了两者间虚实协同作业。研究成果为数字孪生技术在轴承装配领域的应用提供参考。关键词：数字孪生；轴承装配工作台；虚拟调试中图分类号：文献标识码：引言数字孪生技术是一种把制造业中物理世界和信息世界相互融合的工具，对物理实体进行同步控制的全生命周期过程。轴承应用范围广泛，上至航空航天，下至家用电器，随着制造业的不断发展，对轴承也提出越来越高的要求，因此实现轴承的自动化装配意义深远。近年来，随着各种技术不断成熟，不少学者对轴承装配进行了大量研究。大连理工大学的宁昊针对大型调心滚子轴承装配过程中装配精度低、生产效率低等问题，设计了大型调心滚子轴承半自动装配机；杭州电子科技大学的金杜挺对轴承智能装配机的机械系统和控制系统进行研究，对原有的装配机进行改进，搭建了注脂的模糊控制系统；大连理工大学杨湘达对深沟球轴承的自动装球机进行了研究，设计了一种基于 控制的自动装球机设备。上述学者的研究，多为某模块的自动化装配，轴承装配整体自动化程度还不高，数字孪生技术在该领域未见应用。在研究数字孪生技术在轴承装配中应用，提出一种数字孪生模型的构建方法，实现轴承装配工作台数字孪生模型与物理实体间的通讯，在装配过程中，可以借助数字孪生模型实现轴承装配的全生命周期过程。轴承装配工作台设计轴承装配工作台由装配模块、机器人模块、气动模块组成。通过完成轴承零件的运输、装配等工序，实现轴承的自动化装配。机器人模块选用为满足装配需求的低负载工业机器人。装配模块是由工作台、工具存放台、工件存放台以及自动装配夹具组成。气动模块应用于气动手爪和自动装配夹具中的气缸中，实现工件和工具的移动，轴承装配工作台如图所示。图轴承自动装配工作台总装图轴承装配工作台机械系统设计装配机器人安装在装配模块工作台的滑轨上，气动手爪和吸盘安装在装配机器人第六轴的法兰上。根据物料的重量、尺寸以及装配空间，选择收稿日期：基金项目：安徽省高校优秀青年骨干人才国内外访学研修项目（）；安徽工程大学校级科研项目（）；安徽工程大 学鸠 江 区 产 业 协 同 创 新 专 项 基 金 项 目（）；安 徽 高 校 自 然 科 学 研 究 重 点 基 金 项 目（）。作者简介：范敬松（），男，安徽芜湖人，硕士，研究方向：数字孪生。通讯作者：钟相强（），男，山东临沂人，教授，博士，研究方向：数字化设计与制造。第期范敬松，等：基于数字孪生的轴承装配工作台协同作业负载 为 、装 配 精 度 为 的 埃 夫 特 工业机器人。内外圈固定模块如图所示，机器人通过末端执行器将外圈移动至装配工位，接着气缸推动内圈固定器至装配工位，随后机器人将内圈移动至放置点，并悬挂在固定器的悬臂上。分珠模块如图所示，机器人抓取定珠器，并移动至夹具中间定珠工位；接着机器人抓取分珠器，并移动至夹具中间的装配工位，通过 控制相应的气缸，进行分珠作业实现滚珠在滚道内的均匀分布，再由定珠器固定滚珠。图内外圈固定模块轴承分珠的过程中受到滚珠自身的重力，轴承内外圈滚道对滚珠的支撑力，对轴承分珠时，分珠杆对滚珠的动力及摩擦力。其中，重力垂直向下，支撑力，方向沿滚珠与滚道接触点的法线，分珠杆对轴承进行分珠过程中滚珠受到的力动，以及与运动方向相反的摩擦力。如图所示为滚珠在分珠过程中的受力分析。方向滚珠受力分解如图所示。图分珠模块轴承分珠的过程中受到滚珠自身的重力，轴承内外圈滚道对滚珠的支撑力，对轴承分珠时，分珠杆对滚珠的动力及摩擦力。其中，重力垂直向下，支撑力、方向沿滚珠与滚道接触点的法线，分珠杆对轴承进行分珠过程中滚珠受到的力动，以及与运动方向相反的摩擦力。如图所示为滚珠在分珠过程中的受力分析。方向滚珠受力分解如图所示。以滚珠为研究对象，合力动在空间坐标系中的解析式为式（）。动（）根据动在空间坐标系中与，轴的夹角，已知动 ，得分珠时动在，轴的分力，。由于滚珠在，方向处于平衡状态。（）图滚珠分珠受力图图方向滚珠受力分析由式（）可得。（）（）分珠时，滚道对滚珠的支撑力，与水平方向的夹角为，滚珠重力。由式（），（）解得在动的作用下内外滚道对滚珠的支撑力 ，。根据轴承材料性能，分珠时滚珠对滚道压力不足以对滚道和滚珠产生破坏，符合分珠要求，实现了分珠器的平稳运行。工作台中的气动模块，用来实现轴承工件和装配工具的移动。工作台的气动模块中，控制元件分别由电磁阀、节流阀和限位开关组成，气动元件由装配夹具气缸和气动手爪气缸组成。轴承装配工作台控制系统设计轴承装配工作台由 实现整体控制。通过 控制机器人、继电器、电磁阀和气缸，实现轴承装配过程与控制程序指令相匹配的目的。根据轴承装配流程，通过 控制轴承工件的装配任务，完成轴承整体装配。利用以太网与上位机，共同建立机器人的通信。通过接收指令驱动机器人各关节运动，以及控佳 木 斯 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年制电磁铁线圈通电等功能，实现轴承的装配过程。的输入输出信号贯穿于整个装配过程，机器人 列表见表。表机器人 列表输入信号输出信号 机器人输入信号 轴承外圈电磁铁 机器人输入信号 轴承内圈电磁铁 保持架电磁铁 轴承电磁铁 机器人输出信号 机器人输出信号自动装配夹具通过 控制气缸和行程开关，完成预定的装配动作。工件随机器人末端执行器移动到装配工位，利用 控制气缸运动，实现装配工具的移动，进而完成内外圈放置、保持架放置、灌珠、分珠等任务。通过 对装配过程中工件和工具抓取及放置、自动装配夹具控制程序的编辑，实现对轴承装配工作台的整体控制。数字孪生模型构建为了实现数字世界中数字孪生模型对物理实体的协同作业，基于 建立与轴承装配工作台功能对应的 数 字孪 生 模 型，通 过 通信功能，实现轴承装配工作台设备的实时驱动和数字世界的协同作业。装配机器人的建模 中机器人的建模需要确定关节型机器人 参数和通用的机器人运动学正反解算法，对导入的机器人模型进行各关节结构的定义，实现运动控制功能。根据 参数对机器人基坐标建立参考坐标系及机器人关节连杆机构，机器人笛卡尔坐标系如图所示。装配机器人通过各关节转动，实现末端执行器运动。通过机器人运动学分析计算各个关节点的相对位姿，得到机器人末端执行器坐标的参数变化，确定了相邻连杆之间的位置和姿态关系。通过装配机器人各关节位姿关系建立机器人装配关系模型，为轴承装配工作台中装配机器人的数字孪生体构建提供依据。末端执行器的建模为了在 中实现夹具的功能，对自定义夹具重新建模。在 软 件中通过“”，“”，“”指令对气动手爪的伺服控制器和工具控制器进行设定，通过“”，“”指令控制气动手爪的开合，进而实现模型与实物的功能映射。图 笛卡尔坐标系为了模拟真实条件下末端执行器与工件产生接触时，开展对工件作业的过程。采用 开发脚本方法，实现末端执行器与工件的碰撞检测。通过“”函数获取手爪行为参数，通过以 的轴为方向的“”参数，设置碰撞空间范围，根据碰撞对象和碰撞范围，判断夹具与工件的接触关系，实现装配机器人末端执行器对工件的抓取，夹取部分脚本见表。图轴承装配工作台虚实协同总体流程图轴承自动装配夹具的建模轴承自动装配夹具是通过机器人末端执行器将工件放置装配工位，其原理是通过 控制装配夹具上气缸的运动，实现轴承内、外圈的挂圈、滚道的灌珠、分珠器分珠等动作，实现轴承装配任务。根第期范敬松，等：基于数字孪生的轴承装配工作台协同作业据装配过程中运动特性和变化规则，完成相应的驱动脚本的开发。在脚本中通过“”对装配夹具进行绑定或者直接将脚本绑定到装配夹具的对象上，通过“”函数分别定义四个气缸的运动，进而实现轴承的装配过程，完成脚本驱动数字孪生模型的运动，部分气缸驱动脚本见表。表夹具部分脚本脚本注释 （）：（，）设置空间范围 （：）（，）：（）设置手爪释放信号 （：）（，）：设置手爪夹紧信号 （）设置手爪夹紧参数表部分气缸驱动脚本脚本注释 （）：（：（）气缸前进 （）（，）（：（）气缸后退 （，）基于 对轴承装配工作台的模块化分析设计，得到装配机器人数字孪生模型、末端执行器数字孪生模型和轴承自动装配夹具数字孪生模型，进而实现轴承装配工作台数字孪生模型的构建。轴承装配工作台数字孪生模型的虚拟调试为避免在现场调试过程中，因操作不当或程序错误引发的设备损坏，造成对资源的浪费。通过对数字孪生模型的虚拟调试，及时发现设备运行中可能存在的问题，并对装配工作台设计或程序编写中存在的问题进行修改 。通过虚拟调试实现了轴承装配工作台运转的全过程，降低了现场调试难度。图轴承装配工作台虚实协同根据轴承装配工作台需要，选用 作为工控设备，对其进行组态连接。在组态过程中，确保 与电脑 处于同一网段上，完成 通信。针对自动装配夹具中气缸的运动，完成 块逻辑的搭建。利用 连通性功能，基于 协议，实现 与 通讯，完成数字孪生模型变量与 变量对应，实现 控制数字孪生模型运行的目的，验证 准确性。通过工业以太网对轴承装配工作台中设备进行组网，并随电脑接入上位机，检查电脑与设备之间是否联通。随后通过 对轴承装配工作台中设备的目标地址进行设置，基于数字孪生模型完成信号联通。在 中检查轴承装配工作台中设备是否联通。数字孪生模型根据设备的数据和轴承装配的数据逻辑运行，观察数字孪生模型是否按照正常的工序执行，数字孪生轴承装配工作台虚实协同总体流程如图所示。为了验证数字孪生模型与物理实体间虚实交互过程，对轴承装配工作台进行实验验证，方法如下。（）通过 软件输入目标 地址，验证同一网段内电脑与轴承装配工作台连接情况，佳 木 斯 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年配置虚拟调试系统所需的虚实信号之间的数据通道，建立工作台与计算机的 服务器。（）选取轴承装配工作台，通过工业以太网进行组网，将轴承装配工作台中工况设备与电脑接入同一交换机中，通电后，在电脑上对工况设备进行网络诊断（），查看设备与电脑是否联通。随后通过 ，建立物理端与软件端的数据通道，对相应的目标机地址及虚实交互信号进行配置，完成孪生体信号接口联通。（）通过驱动轴承装配工作台完成指定任务，同时查看 中数字孪生模型的行为数据和逻辑运行，观察数字孪生模型与物理端执行动作是否映射，直至数字孪生模型能够按照预期完成任务，达到虚拟调试的目的。实验结果表明当轴承侦破工作台进行操作时，电脑端数字孪生模型的运动轨迹可实时映射，符合实验预期，轴承装配工作台的虚实协同如图所示。结语探讨了轴承装配工作台虚实交互技术中数据的实时传输、虚实间实时交互问题。运用模块化方法，完成轴承自动装配工作台机械和控制系统的设计；并利用 构建了与轴承装配工作台功能匹配的数字孪生模型；介绍轴承装配工作台与计算机通讯连接的方法；根据所提方法搭建了轴承装配工作台虚实协同作业的实验平台，并进行工作台虚实协同作业的实验。经实验验证，数字孪生能有效的提高工作台进行轴承装配过程的安全性和效率，数字孪生技术可以在轴承装配过程优化和全生命周期数字化管理中发挥更加重要的作用，可以为数字孪生技术在轴承装配领域的应用提供参考。参考文献：陶飞，刘蔚然，刘检华，等数字孪生及其应用探索计算机集成制造系统，（）：陶飞，程颖，程江峰，等数字孪生车间信息物理融合理论与技术计算机集成制造系统，（）：何加群 中国工业强国战略和轴承产业 轴承，（）：宁昊 大型调心滚子轴承半自动装配机研制 大连：大连理工大学，金杜挺基于工业的轴承智能装配机械系统研究杭州：杭州电子科技大学，杨湘达，王连吉，李兴林，等 有装球缺口深沟球轴承自