趙永信，黎玲萍

(廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，南寧530001)

0 引言

隨著智能制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，西門子公司推出了數(shù)字化雙胞胎系統(tǒng)，新型MCD 機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)具有集成性，把機(jī)械設(shè)計(jì)和控制自動化等融合起來，縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，在產(chǎn)品還沒有實(shí)際制造出來之前，已經(jīng)進(jìn)行了功能方面的驗(yàn)證，對新產(chǎn)品的生產(chǎn)成本影響很大［1］。

在國內(nèi)外，針對機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)的相關(guān)研究不勝枚舉。肖祖東等人［2］對比了傳統(tǒng)和 MCD 系統(tǒng)下所完成的機(jī)電產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，并通過研究圓形裝載機(jī)的MCD 概念設(shè)計(jì)驗(yàn)證了其可行性。Reinhart Poprawe 等人［3］在文中提出機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)應(yīng)該以實(shí)現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)為首要，這樣可以縮短生產(chǎn)周期。吳雁等人［4］以數(shù)控車床上下料為研究對象，實(shí)現(xiàn)了其MCD 設(shè)計(jì)與控制仿真。

本文以氣動手抓為主要研究對象，以實(shí)現(xiàn)其功能性設(shè)計(jì)為主，對氣動手抓的三維虛擬模型進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)并完成其動態(tài)仿真。

1 氣動手抓的三維模型機(jī)械設(shè)計(jì)

本文首先建立了氣動手抓的三維模型，根據(jù)其動態(tài)仿真需求完成機(jī)械設(shè)計(jì)，機(jī)械設(shè)計(jì)部分主要是為了MCD 動態(tài)仿真驗(yàn)證其運(yùn)動功能是否可行，機(jī)械設(shè)計(jì)部分主要包括以下幾點(diǎn)：

1.1 創(chuàng)建三維模型

NX 是一個集成度很高的軟件，參照工業(yè)機(jī)器人氣動手抓實(shí)物，利用NX 軟件對氣動手抓進(jìn)行三維建模，在建立模型后，考慮到控制氣動手抓動作時，氣動手抓的兩個抓手的模型是一個整體，利用結(jié)合命令分別把氣動手抓的左右抓手合成一個整體。如圖1所示。

圖1 氣動手抓三維模型

1.2 基本機(jī)電對象設(shè)計(jì)

機(jī)電對象設(shè)計(jì)的目的是考慮到模型能夠在物理系統(tǒng)的控制下運(yùn)動，定義模型中的運(yùn)動部分為剛體、碰撞體等，使得模型的運(yùn)動部分具備了相應(yīng)的物理屬性，比如質(zhì)量、重力和慣性等。該氣動手抓的動作比較簡單，主要考慮其氣動手抓的兩個手抓的夾緊和釋放，由于兩個抓手在運(yùn)動時是一個整體，所以分別定義兩個抓手為剛體，賦予其物理屬性。在軟件界面打開剛體命令，在彈出的界面中分別選取氣動手抓的左右抓手，在質(zhì)量和慣性矩處選擇自動即可。

1.3 運(yùn)動副設(shè)計(jì)

機(jī)電設(shè)備在運(yùn)動時需要考慮其運(yùn)動副和約束，氣動手抓的運(yùn)動主要是兩個抓手的直線運(yùn)動，相當(dāng)于2 個滑動副，故在菜單欄選擇“插入——運(yùn)動副——滑動副”命令，在滑動副命令窗口中選擇剛體為連接件，基本件不用選取，指定滑動副的軸矢量方向?yàn)橹赶驓鈩邮肿サ膬?nèi)部，如圖2(左)所示。

1.4 執(zhí)行器設(shè)計(jì)

氣動手抓的兩個手抓的共同滑動可以實(shí)現(xiàn)其夾緊和釋放兩個動作仿真，但是滑動的速度和距離不是無限的，所以需要通過執(zhí)行器來控制。在菜單欄選擇插入——執(zhí)行器——位置控制，在打開的窗口中選擇機(jī)電對象為滑動副，設(shè)定其位置為0 mm(此處設(shè)置為0 mm 是為了后期實(shí)現(xiàn)氣動手抓夾緊松開的動態(tài)仿真效果)，速度為20 mm/s，如圖2(右)所示。

圖2 運(yùn)動副和執(zhí)行器設(shè)置界面

2 氣動手抓的三維模型動態(tài)仿真

NX 軟件平臺中的機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)模塊具備模型的動態(tài)仿真功能設(shè)計(jì)，氣動手抓的功能設(shè)計(jì)主要有兩個：第一個是氣動手抓的夾緊和釋放功能；另一個是檢測氣動手抓的狀態(tài)的傳感器檢測到信號后輸出其狀態(tài)信號，對于工業(yè)機(jī)器人自動控制系統(tǒng)的氣動手抓來說，利用磁性開關(guān)實(shí)現(xiàn)這一檢測功能。

2.1 制定信號表

從氣動手抓的動態(tài)仿真需求分析來看，需要輸入一個信號控制其夾緊和釋放，同時檢測其狀態(tài)的磁性傳感器檢測到信號需要輸出信號，所以在MCD中添加2 個信號，一個輸入信號IN_Grip 用于夾緊和釋放，一個輸出信號為磁性開關(guān)輸出信號。

2.2 信號適配器設(shè)置

添加了信號之后，需要對這些信號之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行配置，這就需要進(jìn)行信號適配器設(shè)置，信號適配器的設(shè)置過程是依據(jù)氣動手抓的動作過程來配置的。氣動手抓的動作過程一共有3 個，所以接下來一個一個的分析，并配置其信號。

首先，氣動手抓在輸入夾緊信號IN_Grip 為1 狀態(tài)時，手抓實(shí)現(xiàn)夾緊動作，在機(jī)械設(shè)計(jì)部分本文是利用兩個手抓的滑動副來實(shí)現(xiàn)此動作，故需要滑動副的運(yùn)行參數(shù)中定位到一定的位置，故在信號配置界面的添加參數(shù)處，為左右兩個氣動手抓添加位置控制定位參數(shù)Paremeter_1 和Paremeter_2，如圖3 所示。

圖3 MCD 中信號適配器設(shè)置界面

其次，氣動手抓在輸入信號IN_Grip 為0 狀態(tài)時，氣抓實(shí)現(xiàn)釋放動作，在機(jī)械設(shè)計(jì)部分本文同樣是利用兩個手抓的滑動副來實(shí)現(xiàn)此動作，故需要滑動副的運(yùn)行參數(shù)中定位參數(shù)設(shè)置為0 mm 即可。

綜合以上兩個動作仿真要求，只要使得氣動手抓輸入信號為1 時，兩個手抓的定位參數(shù)同時為一定的數(shù)值，那么就可以實(shí)現(xiàn)夾緊的動作效果；同樣的道理，只要使得氣動手抓輸入信號為0 時，兩個手抓的定位參數(shù)同時為0 即可。信號配置公式處(圖3(b)) 的含義就是如果IN_Grip 為1 時兩個定位參數(shù)為20，否則為0。這樣就實(shí)現(xiàn)了氣動手抓的夾緊和釋放的動態(tài)效果。

最后，在氣動手抓夾緊后，磁性開關(guān)輸出信號Sensor_out 會變?yōu)?，當(dāng)氣動手抓釋放后，磁性開關(guān)輸出信號會變?yōu)?。

2.3 仿真序列

仿真序列即氣動手抓的動作過程的 程，在NX的MCD 模塊中添加序列仿真，實(shí)現(xiàn)對氣動手抓的控制，如圖4 所示。

圖4 仿真序列

從以上兩個仿真試驗(yàn)圖可以看出，利用MCD 平臺實(shí)現(xiàn)了氣動手抓的夾緊和釋放的動態(tài)仿真，故驗(yàn)證了MCD 對于產(chǎn)品功能性設(shè)計(jì)是可行的。

3 總結(jié)

本文以氣動手抓的夾緊和釋放功能為設(shè)計(jì)主導(dǎo)，在完成氣動手抓的三維模型等機(jī)械設(shè)計(jì)后，實(shí)現(xiàn)了動態(tài)控制仿真，并詳細(xì)闡明了設(shè)計(jì)步驟，為基于MCD 平臺的機(jī)電產(chǎn)品一體化概念設(shè)計(jì)提供了參考案例。