王俊杰，戴春祥，秦榮康，熊雪平

（1.上海大學(xué)，上海 201803；2.上海大學(xué)延長校區(qū)，上海 200072；3.西門子工業(yè)軟件上海有限公司，上海 200042）

0 引言

機(jī)電一體化由多學(xué)科交叉組成，而概念設(shè)計(jì)表現(xiàn)為由簡單到精細(xì)的過程，在機(jī)電一體化中融入概念設(shè)計(jì)可使設(shè)計(jì)更靈活[1,2]。西門子MCD是一種前沿的機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)系統(tǒng)，支持機(jī)械、電氣和自動(dòng)化多學(xué)科聯(lián)合設(shè)計(jì)與仿真，是“工業(yè)4.0”背景下的新興產(chǎn)品。

UG作為高端三維設(shè)計(jì)軟件，具有CAD/CAM/CAE等多種模塊。MCD作為其中機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)模塊，集成了運(yùn)動(dòng)仿真和力學(xué)分析的功能。MCD通過可控的運(yùn)動(dòng)副約束設(shè)計(jì)好的模型，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照既定計(jì)劃運(yùn)動(dòng)。OPC是用于過程控制的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其包括一整套接口、屬性和方法的標(biāo)準(zhǔn)集，能用于過程控制和制造業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)，允許基于Windows的應(yīng)用程序和現(xiàn)場過程控制應(yīng)用相互交換數(shù)據(jù)。本文提出一種基于MCD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論，有效結(jié)合了虛擬調(diào)試與概念設(shè)計(jì)，同時(shí)分析如何使用OPC技術(shù)，實(shí)現(xiàn)外部虛擬PLC信號(hào)對MCD系統(tǒng)內(nèi)部的概念模型進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)理論，并用某數(shù)控機(jī)床的概念模型作為實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證說明。

1 原理與方法

1.1 V型模型設(shè)計(jì)方法

在機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，過程模型是很有效率且結(jié)構(gòu)良好的設(shè)計(jì)模型。V型模型[3]是一種十分重要的過程設(shè)計(jì)模型，是系統(tǒng)工程的精髓?；具^程是先提出機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)的需求，后進(jìn)入設(shè)計(jì)工程部分時(shí)進(jìn)行分解。分別在機(jī)械設(shè)計(jì)、軟件和電氣設(shè)計(jì)模塊中進(jìn)行建模與分析，然后系統(tǒng)整合。如有缺陷，再到設(shè)計(jì)工程修改，最后生成解決方案。

1.2 FBS模型設(shè)計(jì)方法

Fuction-Behavior-Structure模型認(rèn)為行為是功能的動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)，能夠給用戶最直接的視覺效果展示[4]。如圖1所示，機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)借助于計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)過程、功能、行為及結(jié)構(gòu)層自身具有層次化特型。每個(gè)層次的修改都對應(yīng)不同層次的創(chuàng)新，符合設(shè)計(jì)要求，利于實(shí)現(xiàn)?？煞QFBS模型為基于知識(shí)的層次化設(shè)計(jì)方法。

圖1 FBS模型構(gòu)架圖

1.3 基于MCD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論

本文提出一種基于MCD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，主要集成了V模型、FBS模型概念。如圖2所示，當(dāng)用戶進(jìn)入方案設(shè)計(jì)階段，可根據(jù)需求分模塊設(shè)計(jì)。由于MCD系統(tǒng)與相關(guān)的電氣、機(jī)械及自動(dòng)化控制軟件已互有接口，各領(lǐng)域的工程師設(shè)計(jì)完對應(yīng)的產(chǎn)品模型后集成到MCD系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試驗(yàn)證，并評估調(diào)試方案，直至修改通過。為后續(xù)詳細(xì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)夯實(shí)了基礎(chǔ)，且無需做出實(shí)物樣機(jī)，節(jié)約成本。

圖2 基于MCD的設(shè)計(jì)原理圖

1.4 基于OPC的數(shù)據(jù)交換的實(shí)現(xiàn)原理

基于OPC技術(shù)的MCD系統(tǒng)正逐漸支持與PLC數(shù)據(jù)通訊，此過程可由圖3描述。在MCD和PLC的連接處理上，MCD端用Signal Mapping（信號(hào)映射）關(guān)聯(lián)處理OPC服務(wù)器傳送的信號(hào)，然后按照接收到的信號(hào)指示MCD仿真運(yùn)動(dòng)，其克服了其他仿真系統(tǒng)需先解算后運(yùn)行的非實(shí)時(shí)性，能實(shí)現(xiàn)PLC控制概念樣機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)。

圖3 MCD與PLC數(shù)據(jù)通訊原理圖

2 實(shí)例驗(yàn)證

設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床需考慮到機(jī)床實(shí)際工況。在并行設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)、控制工程師能通過上述理論在設(shè)計(jì)早期就對概念產(chǎn)品進(jìn)行虛擬調(diào)試。以下通過圖4所示某數(shù)控機(jī)床概念模型的設(shè)計(jì)實(shí)例來驗(yàn)證理論。

2.1 定義仿真邏輯控制

MCD系統(tǒng)能定義運(yùn)動(dòng)仿真控制，可重用機(jī)電產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)模型。本文需在數(shù)控機(jī)床上添加相關(guān)物理定義、信號(hào)等，然后控制運(yùn)動(dòng)進(jìn)行驗(yàn)證。在機(jī)床工作中，取刀、卸刀、換刀及加工需分別如圖5所示定義“仿真邏輯控制序列”，相當(dāng)于樣機(jī)在仿真運(yùn)行中的一系列控制操作順序。

圖4 某數(shù)控機(jī)床概念模型

圖5 部分?jǐn)?shù)控機(jī)床仿真邏輯控制序列

2.2 信號(hào)控制模型知識(shí)庫設(shè)計(jì)

在虛擬調(diào)試時(shí)，需通過OPC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。動(dòng)作定義完成后就需設(shè)置MCD Signal，響應(yīng)虛擬調(diào)試時(shí)的外部控制信號(hào)。通過裝載外部信號(hào)變量，控制仿真模型運(yùn)動(dòng)。再定義MCD信號(hào)與外部信號(hào)的映射關(guān)系，用于外部信號(hào)和MCD信號(hào)的匹配和數(shù)據(jù)交換。圖6便是MCD Signal與外部OPC信號(hào)的關(guān)聯(lián)配置。

圖6 OPC信號(hào)映射配置

通過以上設(shè)置，外部的信號(hào)值變化后，MCD內(nèi)部讀取相應(yīng)信號(hào)值并響應(yīng)，通過仿真邏輯序列完成機(jī)床工作。

表1 PLC信號(hào)與OPC信號(hào)對應(yīng)關(guān)系

2.3 PLC信號(hào)與OPC信號(hào)

控制人員此時(shí)可根據(jù)機(jī)床樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制情況進(jìn)行PLC編程，設(shè)計(jì)梯形圖如圖7所示。

圖7 部分PLC梯形程序圖

各信號(hào)參數(shù)如表1所示，這樣通過PLC控制界面對信號(hào)值進(jìn)行操作，對應(yīng)的OPC信號(hào)也同步進(jìn)行改變。MCD獲取OPC信號(hào)的值后實(shí)時(shí)響應(yīng)，從而完成取刀、換刀、卸刀和加工工件的動(dòng)作。

2.4 MCD系統(tǒng)虛擬調(diào)試

本文使用PLCSim與MCD進(jìn)行虛擬調(diào)試驗(yàn)證。圖8為PLCSim信號(hào)監(jiān)視器正在控制MCD系統(tǒng)內(nèi)的機(jī)床樣機(jī)進(jìn)行加工工作，通過監(jiān)視器各模塊的開關(guān)來發(fā)射各種基于OPC通訊協(xié)議的信號(hào)，控制機(jī)床樣機(jī)的換刀、加工等運(yùn)動(dòng)。信號(hào)發(fā)生后，經(jīng)由OPC服務(wù)器傳遞到MCD，則機(jī)床樣機(jī)的實(shí)時(shí)行為可在MCD界面上得到虛擬驗(yàn)證。

3 結(jié)束語

圖8 PLCSim控制MCD系統(tǒng)進(jìn)行虛擬驗(yàn)證

本文基于NX MCD系統(tǒng)提出了一種虛擬調(diào)試與概念設(shè)計(jì)并行的機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法并用實(shí)例加以驗(yàn)證，該方法能在早期及時(shí)發(fā)現(xiàn)方案缺陷。通過不斷修改驗(yàn)證，直到概念設(shè)計(jì)方案基本確定，結(jié)構(gòu)工程師便可繼續(xù)詳細(xì)建模。在今后的開發(fā)工作中，需優(yōu)化更多能將概念設(shè)計(jì)與虛擬驗(yàn)證緊密結(jié)合的功能，進(jìn)一步縮短開發(fā)成本，提高并行設(shè)計(jì)效率。