（河南騰龍信息工程有限公司，鄭州 450001）

0 引言

隨著德國(guó)政府提出《德國(guó)2020高技術(shù)戰(zhàn)略》，工業(yè)4.0的概念已經(jīng)深入人心。我國(guó)政府也提出：到2025年邁入制造強(qiáng)國(guó)行列。我國(guó)的工業(yè)制造加工業(yè)將迎來(lái)發(fā)展的快車道[1]。

隨著加工制造設(shè)備更新?lián)Q代的加速，現(xiàn)代機(jī)械、電氣設(shè)計(jì)的時(shí)間也在不斷的縮短，新的設(shè)計(jì)方法層出不窮?，F(xiàn)有的常用設(shè)計(jì)方法通常為：將機(jī)械設(shè)備建立模型后對(duì)該模型進(jìn)行有限元仿真分析和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，對(duì)電控程序在軟件內(nèi)運(yùn)行調(diào)試，最終待機(jī)械設(shè)備和電氣設(shè)備安裝完成后進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，以確保該設(shè)備符合設(shè)計(jì)要求。這種設(shè)計(jì)方法雖然在設(shè)計(jì)階段有部分機(jī)械和電氣調(diào)試仿真，但機(jī)械仿真和電控程序仿真始終是互相獨(dú)立、不相關(guān)的。

西門子公司的UG NX軟件集成的機(jī)電概念設(shè)計(jì)（MCD）模塊具有將機(jī)械運(yùn)動(dòng)仿真和PLC控制程序進(jìn)行集成仿真的功能。該功能可以在虛擬環(huán)境中對(duì)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行快速評(píng)估，增強(qiáng)機(jī)械、電子和自動(dòng)化設(shè)計(jì)師的協(xié)作，而且通過(guò)虛擬樣機(jī)的調(diào)試減少了制造樣機(jī)的時(shí)間和成本[2]。

本次研究的碼垛機(jī)主要用于物流箱的拆垛和碼垛功能，在設(shè)計(jì)過(guò)程中建立基于UG NX的虛擬樣機(jī)，并運(yùn)用MCD模塊對(duì)其進(jìn)行虛擬仿真分析，以得到相關(guān)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。

1 碼垛機(jī)簡(jiǎn)介

圖1 碼垛機(jī)示意圖

本次所研究的拆碼垛機(jī)是針對(duì)電表存儲(chǔ)單元電表周轉(zhuǎn)箱，主要功能：入庫(kù)時(shí)進(jìn)行拆垛功能，出庫(kù)時(shí)進(jìn)行碼垛功能。

總體方案和工作原理。

拆垛：

1）首先人工推運(yùn)由12個(gè)周轉(zhuǎn)箱組成的箱垛到預(yù)定位置（圖1中垛體所處位置）；

2）箱垛到位后下部貨叉在水平方向伸出，使貨叉叉頭伸入底部周轉(zhuǎn)箱中部卡槽內(nèi)；

3）貨叉伸出到位后，下部貨叉向上提升50mm；

4）與3）同時(shí)橫移貨架后退到箱垛取放貨位置；

5）與4）同時(shí)橫移貨架貨叉運(yùn)行至頂部周轉(zhuǎn)箱取貨位置；

6）4）、5）到位后橫移貨叉伸出使貨叉叉頭伸入頂部周轉(zhuǎn)箱邊部?jī)煽ú蹆?nèi)；

7）橫移貨叉伸出到位后，該貨叉提升并帶動(dòng)周轉(zhuǎn)箱提升20mm，使該周轉(zhuǎn)箱與其他周轉(zhuǎn)箱分離；

8）然后橫移貨架攜帶周轉(zhuǎn)箱向前移動(dòng)（向輥道方向）；

9）橫移貨架到達(dá)輥道取放貨位置后，橫移貨叉帶動(dòng)該周轉(zhuǎn)箱下降，直至將周轉(zhuǎn)箱放在輥道上，隨后貨架貨叉分開(kāi)；

10）之后橫移貨架后退移動(dòng)到箱垛取放貨位置。輥道轉(zhuǎn)動(dòng)輸送輥道上箱體離開(kāi)。

程序重復(fù)5）～10）步驟直至12箱體運(yùn)送完畢完成拆垛過(guò)程。

2 MCD模塊簡(jiǎn)介

MCD可為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的全新方法提供支持。功能分解作為機(jī)械、電氣以及自動(dòng)化學(xué)科之間的通用語(yǔ)言，通過(guò)這種設(shè)計(jì)手段，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的早期概念設(shè)計(jì)階段，可以協(xié)調(diào)各個(gè)學(xué)科進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，并行運(yùn)行。

1）機(jī)械工程師可以根據(jù)模型的外形尺寸和運(yùn)動(dòng)規(guī)律創(chuàng)建機(jī)械模型。

2）電氣工程師可以根據(jù)仿真來(lái)確定光電傳感器或驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)。

3）自動(dòng)化編程人員可以設(shè)計(jì)機(jī)械的基本邏輯行為，首先設(shè)計(jì)基于時(shí)間的行為，然后定義基于事件的控制[3]。

MCD可對(duì)一系列行為進(jìn)行仿真，包括驗(yàn)證機(jī)械概念所需的一切，涉及運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、碰撞、驅(qū)動(dòng)器彈簧、凸輪、物料流等方面。

3 虛擬樣機(jī)的聯(lián)合仿真

3.1 仿真設(shè)置

首先將模型導(dǎo)入至機(jī)電概念設(shè)計(jì)模塊MCD的基本運(yùn)行流程如圖2所示。

1）對(duì)設(shè)備升降、抓取、氣缸、箱子等需要運(yùn)動(dòng)的部件，定義其剛體的屬性；定義完成后軟件會(huì)自動(dòng)賦予部件質(zhì)量屬性。同時(shí)對(duì)于箱子設(shè)置對(duì)象源和對(duì)象收集器，對(duì)象源表示箱子可源源不斷的從這里生成；對(duì)象收集器則是收集這些箱子的。

2）定義碰撞體：對(duì)于有接觸和力的傳遞部件，需要在其剛體屬性的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行碰撞體定義。抓取手一次要抓取一個(gè)箱子，從位置1移動(dòng)到位置2；則需要對(duì)抓取手與箱子有力的傳遞位置定義碰撞體；或者對(duì)整個(gè)抓取手和整個(gè)箱子全部定義位碰撞體。

3）運(yùn)動(dòng)副的定義：對(duì)各種運(yùn)動(dòng)需要定義其運(yùn)動(dòng)副才能運(yùn)轉(zhuǎn)，UG NX提供了多種運(yùn)動(dòng)副可以使用，用法與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真一致，也可以通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真定義后再導(dǎo)入到機(jī)電概念設(shè)計(jì)內(nèi)使用。對(duì)堆垛機(jī)定義升降、橫移、抓取等運(yùn)動(dòng)。如圖3、圖4所示。

圖2 MCD仿真流程圖

圖3 定義運(yùn)動(dòng)副

圖4 運(yùn)動(dòng)方向示意圖

4）添加傳感器：UG提供多種傳感器設(shè)置，有位置傳感器、碰撞傳感器等。當(dāng)所定義的運(yùn)動(dòng)達(dá)到設(shè)計(jì)條件時(shí)，相關(guān)的傳感器就會(huì)觸發(fā)，得到信號(hào)。整個(gè)設(shè)備需要添加位置傳感器、檢測(cè)傳感器、碰撞傳感器等多種檢測(cè)信號(hào)；這些信號(hào)可以通過(guò)OPC協(xié)議將信號(hào)反饋給PLC。

圖5 定義的傳感器和執(zhí)行器

5）對(duì)升降和橫移的運(yùn)動(dòng)副添加運(yùn)動(dòng)控制：相關(guān)運(yùn)動(dòng)副預(yù)先添加初始速度、位移量、力和扭矩的參數(shù)；對(duì)液壓缸和氣壓缸也有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)方式可以添加，而液壓缸和氣壓缸的運(yùn)動(dòng)要通過(guò)液壓閥和氣動(dòng)閥來(lái)控制。

6）托輥的面定義位傳輸面：對(duì)這個(gè)面可以賦予一個(gè)運(yùn)動(dòng)速度，然后整個(gè)托輥的上表面即可按照這個(gè)速度穩(wěn)定的運(yùn)行。

7）信號(hào)：MCD可以創(chuàng)建多種信號(hào)，這種信號(hào)以不同的數(shù)據(jù)類型和符號(hào)名存儲(chǔ)在符號(hào)表內(nèi)。這些信號(hào)源于之前所創(chuàng)建的傳感器、速度控制量、位置控制等。這些信號(hào)可以通過(guò)OPC與外部控制器進(jìn)行的信號(hào)映射關(guān)聯(lián)。

圖6 OPC信號(hào)匹配圖

8）當(dāng)所有的信號(hào)都建立以后，與外部PLC程序進(jìn)行連接，同時(shí)運(yùn)行PLC程序和MCD程序進(jìn)行仿真[2]。這時(shí)候操作外部觸摸屏對(duì)設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行控制，以查看設(shè)備在PLC控制程序下的運(yùn)動(dòng)是否符合設(shè)計(jì)要求。

3.2 MCD與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果對(duì)比

針對(duì)研究RigidBody（7）即上部貨叉進(jìn)行研究，主要研究貨叉在橫移過(guò)程中速度與位置的關(guān)系，從而得出整體升降橫移機(jī)構(gòu)的橫向、縱向運(yùn)動(dòng)規(guī)律[4]。

如圖7所示：橫向移動(dòng)零位與目標(biāo)位相距950mm，距離零位和目標(biāo)位相差100mm時(shí)觸碰減速開(kāi)關(guān)，橫移速度開(kāi)始減速；超過(guò)零位和目標(biāo)位100mm時(shí)極限開(kāi)關(guān)觸發(fā)，橫移急停。

圖7 橫移位置示意圖

圖8 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真橫移速度圖

圖9 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真橫移位置圖

圖8所示為模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真時(shí)所得到的結(jié)果，圖9為運(yùn)行學(xué)仿真時(shí)橫移速度與時(shí)間的關(guān)系。根據(jù)圖8可以看到，當(dāng)橫移開(kāi)始運(yùn)行時(shí)速度由0突然變位設(shè)定速度；當(dāng)橫移停止時(shí)速度也由運(yùn)行時(shí)直接下降為0。從而導(dǎo)致圖9的結(jié)果，也就是設(shè)備橫移的位置與時(shí)間是線性相關(guān)的，是一個(gè)非常理想的運(yùn)行狀態(tài)[5]。

而根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速不可能由0突然增加為額定轉(zhuǎn)速，中間有一個(gè)緩慢加速的過(guò)程。而用運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析很難分析到電機(jī)轉(zhuǎn)速的加速和減速，也就很難分析到由于這個(gè)過(guò)程所導(dǎo)致的后果。致使仿真結(jié)果不能夠準(zhǔn)確反映現(xiàn)實(shí)情況。

圖10和圖11為利用MCD進(jìn)行仿真后得到的結(jié)果。圖10是仿真時(shí)速度與時(shí)間的關(guān)系，從圖中可以明顯的看到速度由0增加到設(shè)計(jì)速度的加速過(guò)程；在設(shè)備以設(shè)計(jì)速度橫移一段時(shí)間后觸碰減速開(kāi)關(guān)后減速的過(guò)程；減速到尋位速度后開(kāi)始緩慢橫向移動(dòng)，直至運(yùn)行到目標(biāo)位后停止。同樣當(dāng)反向運(yùn)動(dòng)開(kāi)始后橫移的速度也有加速、減速、尋位等過(guò)程。這就使得橫移位置與時(shí)間的關(guān)系如圖11所示較為真實(shí)可靠，而不是一個(gè)線性的關(guān)系。

圖10 MCD仿真橫移速度圖

圖11 MCD仿真橫移位置圖

綜上所述可以得到結(jié)論：MCD機(jī)電概念設(shè)計(jì)仿真研究速度、位置與時(shí)間的關(guān)系所得的結(jié)果較運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真更為真實(shí)、可靠。

3.3 MCD研究堆垛機(jī)升降橫移速度與位置關(guān)系

運(yùn)用MCD進(jìn)行仿真時(shí)得到的仿真結(jié)果不只可以輸出圖，也可以輸出每次運(yùn)行后得到的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可以導(dǎo)出到外部表格文件內(nèi)。所以在實(shí)際仿真運(yùn)行時(shí)需要調(diào)用數(shù)據(jù)，以確定確切的數(shù)據(jù)。

圖12和圖13為升降橫移機(jī)構(gòu)的升降速度和升降位置與時(shí)間的關(guān)系。由圖可以看到對(duì)于不同高度的箱子升降機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度是不同的，以適應(yīng)不同的高度。根據(jù)升降機(jī)構(gòu)位置高度數(shù)據(jù)與實(shí)際箱子的高度數(shù)據(jù)相對(duì)比，可以得到設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)略有偏差，但是偏差范圍在容錯(cuò)范圍內(nèi)，所以升降運(yùn)動(dòng)滿足設(shè)計(jì)需要。

圖12 升降橫移機(jī)構(gòu)升降速度

圖13 升降橫移機(jī)構(gòu)升降位置

升降橫移機(jī)構(gòu)橫向移動(dòng)時(shí)其位置也有一定偏差，這個(gè)偏差與橫移的質(zhì)量、質(zhì)心、速度、減速開(kāi)關(guān)位置等有關(guān)。設(shè)定預(yù)定正向位置為845，負(fù)向預(yù)定位置為105。

橫移速度初始設(shè)置為260mm/s，運(yùn)行后數(shù)據(jù)如下圖所示正向偏差達(dá)到34mm，負(fù)向偏差達(dá)到15mm。偏差略有些大，為了減小偏差，降低橫向移動(dòng)的運(yùn)行速度；由260mm/s降低為200mm/s。

圖14 升降橫移機(jī)構(gòu)橫向移動(dòng)位置圖

當(dāng)速度為200mm/s時(shí)，運(yùn)行后數(shù)據(jù)如圖11所示正向偏差達(dá)到4mm，負(fù)向偏差達(dá)到7mm，滿足容錯(cuò)空間。

4 結(jié)論

1）通過(guò)本文研究可得：MCD機(jī)電概念設(shè)計(jì)仿真在研究速度、位置與時(shí)間的關(guān)系時(shí)的結(jié)果較純運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真更為真實(shí)、可靠。

2）拆碼垛機(jī)橫向移動(dòng)的速度應(yīng)該設(shè)定為200mm/s較為合適。