陳宗濤，熊 巍，吳 昊

(湖北工程學(xué)院 機(jī)械工程系，湖北 孝感 432000)

虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在帶傳送設(shè)備中的應(yīng)用

陳宗濤，熊 巍，吳 昊

(湖北工程學(xué)院 機(jī)械工程系，湖北 孝感 432000)

通過(guò)對(duì)帶傳送設(shè)備虛擬樣機(jī)的建模與仿真，提供一種機(jī)電一體化整體仿真方法，該方法可顯著縮短新設(shè)備的研發(fā)周期，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能，降低開(kāi)發(fā)成本。

虛擬樣機(jī)；SimulationX；PLCSIM

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，產(chǎn)品推陳出新速度越來(lái)越快。為了提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，各企業(yè)必須不斷縮短新設(shè)備的研發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能，降低開(kāi)發(fā)成本。為此，以虛擬樣機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代化設(shè)計(jì)手段應(yīng)運(yùn)而生。在新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中，合理運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，可使設(shè)計(jì)人員在各種可能的虛擬環(huán)境中，模擬出被設(shè)計(jì)產(chǎn)品可能出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及受力情況，并快速分析、評(píng)估設(shè)計(jì)方案的合理性，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，為設(shè)計(jì)方案提供合理的參考依據(jù)；同時(shí)可部分替代真實(shí)樣機(jī)進(jìn)行各種試驗(yàn)性研究，甚至是一些難以進(jìn)行或無(wú)法進(jìn)行的試驗(yàn)都可以在虛擬環(huán)境下進(jìn)行。虛擬樣機(jī)技術(shù)可用來(lái)模擬真實(shí)樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證性設(shè)計(jì)，不僅縮短的研發(fā)周期，而且可提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率。在產(chǎn)品投產(chǎn)之前，就能對(duì)其性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、分析和評(píng)估，確定最佳設(shè)備參數(shù)，從而降低該產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，提高產(chǎn)品使用性能[1]。本文將通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)例系統(tǒng)介紹虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的應(yīng)用技術(shù)。

1 基于ITI SimulationX的虛擬樣機(jī)技術(shù)

1.1 ITI SimulationX簡(jiǎn)介

SimulationX 是一款分析評(píng)價(jià)技術(shù)系統(tǒng)內(nèi)各部件相互作用的權(quán)威軟件，是多學(xué)科領(lǐng)域建模、仿真和分析的通用CAE(Computer Aided Engineering)工具，并具有強(qiáng)大標(biāo)準(zhǔn)元件庫(kù)，這些元件庫(kù)包括：1D力學(xué) 、3D多體系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、液力學(xué)、氣動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、電子學(xué)、電驅(qū)動(dòng)、磁學(xué)和控制[2]。其模型庫(kù)包含大量與工業(yè)界合作伙伴和研究機(jī)構(gòu)密切合作開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)元件。面向用戶(hù)的模塊和眾多軟件接口，使SimulationX可滿足用戶(hù)不同應(yīng)用領(lǐng)域的各種需求。SimulationX 能夠應(yīng)用在很多新的領(lǐng)域，并在機(jī)械電子系統(tǒng)、機(jī)器人及控制系統(tǒng)優(yōu)化、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)及空調(diào)設(shè)計(jì)、電磁驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、海洋裝備等領(lǐng)域?yàn)槠髽I(yè)的零部件和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，提供最核心的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

1.2機(jī)械系統(tǒng)和控制程序的同步工程

由于控制程序只能在一臺(tái)設(shè)備全部裝配完成后才能進(jìn)行調(diào)試、啟動(dòng)和運(yùn)行，這樣不僅浪費(fèi)大量開(kāi)發(fā)時(shí)間，而且自動(dòng)化機(jī)械制造商也經(jīng)常由此面對(duì)無(wú)法讓客戶(hù)所需的設(shè)備及時(shí)運(yùn)行，而帶來(lái)信譽(yù)上的損失和高額成本支出。所以使用ITI SimulationX的虛擬樣機(jī)技術(shù)，用PLCSIM控制虛擬機(jī)器來(lái)完成各種實(shí)驗(yàn)，不僅大大縮短了研發(fā)進(jìn)程，確保設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率，而且降低成本支出。

SimulationX虛擬樣機(jī)技術(shù)是一個(gè)考慮到物理屬性的快速而貼近實(shí)際的模型仿真。它可以模擬實(shí)際機(jī)器特性，從而節(jié)省了高昂的原型機(jī)花費(fèi)。

SimulationX虛擬樣機(jī)技術(shù)支持3D現(xiàn)實(shí)視覺(jué)效果和CAD(Computer Aided Design)數(shù)據(jù)導(dǎo)入，可實(shí)現(xiàn)PLC(Programmable Logic Controller)直接控制下的機(jī)器模型的3D動(dòng)畫(huà)演示。SimulationX虛擬樣機(jī)技術(shù)是一種實(shí)時(shí)解決方案，它可實(shí)現(xiàn)控制程序和臨界狀態(tài)的實(shí)時(shí)交互測(cè)試，而無(wú)需承受任何實(shí)際危險(xiǎn)。SimulationX虛擬樣機(jī)技術(shù)將大大降低產(chǎn)品推向市場(chǎng)所需投入的人工量和時(shí)間。

1.3 SimulationX虛擬樣機(jī)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

(1)手動(dòng)創(chuàng)建機(jī)器的 SimulationX 模型或自動(dòng)導(dǎo)入CAD實(shí)體模型。

(2)從SimulationX庫(kù)中選擇控制設(shè)備，將SimulationX連接到PLC、伺服控制器、控制仿真器，或其他控制硬件。整個(gè)SimulationX的功能元件均可接受 PLC、控制仿真器或其他設(shè)備的控制。

(3)對(duì)虛擬樣機(jī)仿真后可顯示設(shè)備參數(shù)的圖形曲線，分析仿真結(jié)果。

2 PLC控制帶傳動(dòng)設(shè)備仿真實(shí)例

帶傳送設(shè)備是工業(yè)生產(chǎn)線中應(yīng)用最廣泛的機(jī)械設(shè)備之一，本文以PLC控制的帶傳送設(shè)備仿真為例，介紹SimulationX虛擬樣機(jī)在機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，其方法也可推廣到其他機(jī)械設(shè)備的前期設(shè)計(jì)中?？傮w設(shè)計(jì)過(guò)程如圖1所示。

圖1 基于PLC控制的帶傳動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程

2.1對(duì)帶傳送設(shè)備進(jìn)行實(shí)體建模

圖2 帶傳送設(shè)備實(shí)體模型

帶傳送設(shè)備的實(shí)體模型由機(jī)架、電機(jī)、軸，軸承、帶輪、傳送帶、傳感器、調(diào)速按鈕等部件組成，如圖2所示。按照相應(yīng)的約束條件，將各部件在SimulationX的三維窗口中完成裝配，并對(duì)相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

在SimulationX中，模型的建立可通過(guò)該軟件提供的模型庫(kù)的模塊建立實(shí)體模型，也可以通過(guò)STL接口，導(dǎo)入由CAD軟件所建好的實(shí)體模型，再設(shè)置相關(guān)的參數(shù)，就可將CAD軟件所建好的實(shí)體模型在SimulationX軟件里進(jìn)行虛擬樣機(jī)仿真中的使用。

2.2控制傳動(dòng)部分建模

在仿真過(guò)程中，通過(guò)STEP7的S7-PLCSIM來(lái)控制帶傳送設(shè)備的實(shí)體模型，讓實(shí)體模型按照PLC程序來(lái)動(dòng)作。當(dāng)零件被放在傳送帶上時(shí)，傳感器B1感知零件后給S7-PLCSIM發(fā)出信號(hào)，經(jīng)S7-PLCSIM處理后，再輸出啟動(dòng)信號(hào)，PLCSIM可控制傳送帶開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，傳送零件。當(dāng)零件運(yùn)動(dòng)到傳感器B2處時(shí)，傳感器B2感知零件后給S7-PLCSIM發(fā)出信號(hào)，S7-PLCSIM控制傳送帶停止運(yùn)動(dòng)[3]。如果按動(dòng)紅色按鈕，則可以調(diào)節(jié)傳送帶的運(yùn)動(dòng)速度。

圖3 PLCSimController

在SimulationX中，控制和傳動(dòng)部分的建模只需調(diào)用模塊并對(duì)其進(jìn)行設(shè)置即可。在libraries中打開(kāi)虛擬樣機(jī)庫(kù)Virtual Machine,并選中PLCSimController，將其拖動(dòng)到SimulationX的二維窗口中，如圖3所示。然后依次按要求調(diào)用其他部件，如圖4所示。

在SimulationX的二維窗口中，連接所建模型信號(hào)線路，傳動(dòng)線路。然后設(shè)置PLCSimController相關(guān)參數(shù)，如圖5所示。

圖4 控制和傳動(dòng)部分建模

圖5 PLCSimController參數(shù)設(shè)置

2.3虛擬樣機(jī)仿真

打開(kāi)西門(mén)子PLC編程軟件STEP7，定義PLCSIM的輸入輸出點(diǎn)，編寫(xiě)帶傳送設(shè)備的PLC程序，再將帶傳送設(shè)備的PLC程序編譯下載，然后在STEP7的Options中點(diǎn)擊Simulate Modules，開(kāi)啟PLC的仿真器，如圖6所示。通過(guò)點(diǎn)擊相應(yīng)的輸入觸點(diǎn)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)SimulationX中三維實(shí)體帶傳送設(shè)備的控制[4]。

3 結(jié)語(yǔ)

本文利用SimulationX建立帶傳送設(shè)備的虛擬樣機(jī)仿真模型，并聯(lián)合S7-PLCSIM對(duì)所建立的機(jī)電一體化模型進(jìn)行了機(jī)械系統(tǒng)和控制程序同步工程的仿真。該模型還可對(duì)帶傳送設(shè)備虛擬樣機(jī)的控制部分，傳動(dòng)部分，機(jī)械結(jié)構(gòu)部分等進(jìn)行調(diào)試分析，對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。將此方法可以推廣到其他機(jī)械設(shè)備的前期設(shè)計(jì)中，能有效縮短開(kāi)發(fā)周期，降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能。

圖6 S7-PLCSIM對(duì)實(shí)體模型的運(yùn)動(dòng)控制

[1] 郭俊英.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的機(jī)械仿真分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].新技術(shù)新工藝,2009(11)：43-45.

[2] 王海玲，孫海燕，許佳音.虛擬樣機(jī)技術(shù)在柱塞泵動(dòng)力學(xué)分析中的應(yīng)用[J].工程機(jī)械，2013,44(6):13-15.

[3] 鄭相周，唐國(guó)元.機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)[M].北京：高等教育出版社,2010:208-210.

[4] 王國(guó)強(qiáng)，張進(jìn)平，馬若丁.虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在ADAMS上的實(shí)踐[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2002：182-185.

(責(zé)任編輯：張凱兵)

VirtualPrototypingTechnologyanditsApplicationinBeltDriveEquipment

Chen Zongtao,Xiong Wei,Wu Hao

(DepartmentofMechanicalEngineering,HubeiEngineeringUniversity,Xiaogan,Hubei432000,China)

Based on the modeling and simulation of virtual prototype of belt drive equipment, this paper provides a method for an overall simulation of mechanical and electrical integration. It can significantly shorten the development cycle of new equipment, optimize design parameters, improve the quality and performance of products, and reduce development cost.

virtual prototype; simulationX; PLCSIM

TP391.9

A

2095-4824(2013)06-0095-04

2013-10-02

陳宗濤(1984- ),男，湖北廣水人，湖北工程學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院教師，碩士。

熊 巍(1984- ),男,湖北孝感人，湖北工程學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院教師，碩士。