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基于数字孪生的割草机复杂装配线设计与分析.pdf

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摘要

智能制造技术随着经济的发展,目前已在制造业中得到了广泛地推广与使用,传统

制造业的数字化、自动化改革已成主流发展趋势。本课题以南京苏美达公司旗下S型割

草机的装配生产过程为例,提出基于数字孪生技术的割草机装配线升级改造项目。割草

机现有装配生产过程完全依靠人工进行,生产过程中存在人力成本高、质量不稳定、效

率低及生产问题难以追溯等缺点。为此,本课题以割草机中主电机部件为研究对象,利

用自动化装配技术,实现了主电机的自动装配生产,通过对设备中物料分拣、上料、锁

付、表面喷涂、物料移载和成品缓存六个模块的设计,达到了生产节拍36s以下的设计

需求。同时引入数字孪生技术,搭建设备的数字孪生平台,实现了整个智能化装配系统

的开发。本课题具体研究内容如下所示:

(1)基于割草机主电机部件产品特征的装配流程设计。首先结合节拍和装配工艺

需求,将整个自动化装配过程分为物料分拣、上料、锁付、表面涂抹、物料移载和成品

缓存6个模块。然后,基于总体节拍36s以下的设计需求,利用生产平衡理论,计算并

验证了各工位所需的节拍。接着,搭建数字孪生系统,分为框架搭建、模型构建、数据

通讯和动作仿真四个步骤。最后,提出了设备的总体控制方案。

(2)主电机自动化装配设备各模块的具体结构参数设计。首先,在物料分拣模块

中,对上料机构、转运机构、检测机构和分拣机构进行设计,实现物料的自动筛选。接

着,在物料分拣模块中,完成了料车、缓存工作台、抓手和固定底座的设计,并对桁架

机器人进行了选型,实现了电机和电机固定座的自动化上料。其次,在锁付模块中,通

过对定位工作台和电动工具的设计以及对移动桁架的选型,实现了螺钉锁紧工艺的自动

化。随后,在表面喷涂模块中,完成了旋转工作台的设计和电机、直线模组的选型,实

现零件表面阻尼胶的自动涂抹。然后,在物料移载模块中,通过对机械臂的选型和末端

夹爪的设计,实现了设备工作过程中零件的自动装运。最后,完成了整个自动化装配系

统的搭建。

(3)基于Unity3D搭建主电机自动化装配设备的数字孪生系统。首先,根据装配

结构和工艺的需求,搭建了设备的数字孪生系统框架。接着,通过对三维模型的轻量化

处理和父子关系的创建,实现了设备整体模型的构建。其次,通过对传感器数据的分类

筛选,创建PLC数据通讯脚本,实现了模型与设备的通讯连接。最后根据各模块的运动

控制方案分析,划分虚拟模型类型,确定模型运动主体,并根据实体机构的运动控制规

则,创建模型的运动控制脚本,完成模型的实时动态仿真,实现了数字孪生平台的搭建。

(4)主电机自动化装配系统平台的搭建与试验验证。首先完成了设备中6个主要

模块,共计1000多个零件的装配工作。接着,对设备的功能进行调试,调试内容包括

机械臂运动轨迹的创建与修正、桁架机器人的运动改进、各模块功能的单独测试以及设

备整体功能和稳定性测试等。最后,完成数字孪生系统的开发,将其与实体设备相连,

验证了数字孪生系统的可行性。该过程从装配到调试完成耗时共计4个多月,经多次调

试,设备已经可进行稳定连续的生产,在10h的工作时间内,产品数量大于1000PCS,生

产节拍在33s~35s之间徘徊,符合客户的使用需求。

本课题根据项目需求开发出主电机部件的自动化装配系统,并完成了相应数字孪生

平台的创建,实现了割草机装配的智能化升级改造。目前,该课题研究成果已全部交付

甲方客户,经客户验收确认后,已投入车间使用。

关键词:自动化装配,智能制造,Unity3D,数字孪生

Abstract

Withthedevelopmentoftheeconomy,intelligentmanufacturingtechnologyhasbeen

widelypromotedandusedinthemanufacturingindustry.Thedigitalizationandautomation

reformoftraditionalmanufacturingindustrieshavebecomethemainstreamdevelopmenttrend.

TakingtheassemblyproductionprocessoftheS-typelawn

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