林裕程 韓 勇

(天津市機(jī)電工藝學(xué)院，天津 300350)

設(shè)備的設(shè)計開發(fā)過程很難預(yù)測到生產(chǎn)和使用過程中出現(xiàn)的問題，因此，使用虛擬調(diào)試來提前編程和測試產(chǎn)品，可以減少過程停機(jī)時間，并降低將設(shè)計轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品的過程風(fēng)險。

通過創(chuàng)建出與物理環(huán)境相同的數(shù)字化映射，來測試和驗證產(chǎn)品設(shè)計的合理性，推動硬件的設(shè)計。相比于傳統(tǒng)的現(xiàn)場調(diào)試，虛擬調(diào)試的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在：直接在虛擬環(huán)境下對機(jī)械設(shè)計、工藝仿真和電氣控制進(jìn)行整合，能夠診斷早期設(shè)計失誤和控制程序的錯誤，為機(jī)電一體化設(shè)備的調(diào)試提供更安全的測試環(huán)境，讓其在未生產(chǎn)安裝之前就已經(jīng)完成調(diào)試，從而降低制造成本，并縮短設(shè)備的交付時間。

MCD是基于Siemens PLM Software的NX系列產(chǎn)品，主要用于機(jī)電一體化產(chǎn)品零件和組件運動行為的模擬，從而實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的虛擬仿真和評估[1]。NX MCD集機(jī)械、電氣和自動化設(shè)計于一體，可以進(jìn)行多學(xué)科協(xié)同設(shè)計。借助MCD中基于物理場的交互式仿真，動力學(xué)模型的運動行為與物理世界中的真實設(shè)備行為是一樣的，亦即“所見即所得”[2-4]。MCD還具有面向其他工具和學(xué)科的開放式接口，支持軟件在環(huán)和硬件在環(huán)的虛擬調(diào)試。

TIA博圖將工程組態(tài)和軟件項目環(huán)境相結(jié)合，以支持基于模型的虛擬調(diào)試，并通過控制組件與機(jī)器或系統(tǒng)的機(jī)電系統(tǒng)之間進(jìn)行交互。要實現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵是S7-PLCSIM Advanced高級仿真器，它支持生成虛擬PLC，以模擬S7-1500或ET200SP硬件，同時支持將虛擬PLC連接到NX MCD仿真平臺，在系統(tǒng)或機(jī)器環(huán)境中對機(jī)電一體化設(shè)備進(jìn)行全面驗證[5]。

本文以數(shù)控機(jī)床為研究對象，提出了一種基于MCD的機(jī)電一體化軟件在環(huán)虛擬聯(lián)調(diào)的具體方法。首先在NX MCD中創(chuàng)建數(shù)控機(jī)床的數(shù)字化模型，并添加相應(yīng)的物理和機(jī)電屬性；其次，根據(jù)機(jī)床加工和換刀的工作流程，在TIA博圖中進(jìn)行硬件組態(tài)并編寫控制程序，將其下載到PLCSIM Advanced所創(chuàng)建的虛擬PLC中，再由MCD中的接口與PLC進(jìn)行通訊，發(fā)送設(shè)置信號(如速度設(shè)定、位置設(shè)定和開關(guān)信號等)到MCD。MCD根據(jù)接收到的信號仿真機(jī)械部分運動，以實現(xiàn)MCD系統(tǒng)、TIA博圖和PLC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互與控制，從而對數(shù)控機(jī)床進(jìn)行虛擬調(diào)試和驗證，如圖1所示。

1 MCD仿真環(huán)境搭建

將數(shù)控機(jī)床的數(shù)字化模型導(dǎo)入NX MCD模塊中，根據(jù)調(diào)試需求和需實現(xiàn)的功能，建立功能模型，如圖2所示，并在MCD中設(shè)置相應(yīng)的機(jī)電屬性。

1.1 基本機(jī)電對象

由于幾何體在三維模型中沒有被賦予機(jī)電對象屬性，因此它并不具備物理系統(tǒng)控制下的所有運動屬性，只有賦予其基本機(jī)電對象特征之后，才能夠進(jìn)行物理屬性的運動仿真。本文對機(jī)床的主軸、刀架、刀具、刀庫門、換刀輪、氣缸、物料和工作臺等設(shè)置了相應(yīng)的剛體和碰撞體屬性，如圖3所示。

1.2 運動副與約束

通過對剛體添加對應(yīng)的運動副來定義對象的運動方式，從而使其實現(xiàn)相應(yīng)的運動，本文對數(shù)控機(jī)床的運動副定義如圖4所示。

1.3 執(zhí)行器

對于需要運動的幾何體而言，要在MCD中對相應(yīng)的運動副進(jìn)行位置和速度的定義使其成為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而使幾何體能夠按照目標(biāo)位置和指定速度到達(dá)指定的位置后反饋信息給PLC。由于機(jī)床中的X軸、Y軸、Z軸、刀架、換刀輪和氣缸等應(yīng)具備運動屬性，因此本文對它們進(jìn)行了位置控制(包括線性和角度)和速度控制的設(shè)置，如圖5所示。

1.4 信號與信號適配器

在MCD中，信號用于外部控制信息與模型運動的信息交互，具有輸入與輸出兩種類型。此外，信號之間需要邏輯判斷與運算，因此需要通過信號適配器對信號的形成邏輯進(jìn)行組織管理，由其提供的數(shù)據(jù)參與到運算過程中，為MCD對象提供新的信號，以支持對運動或行為的控制，并將新的信號傳送給外界或MCD系統(tǒng)中。由于數(shù)控機(jī)床的X軸、Y軸、Z軸、刀盤和氣缸需要進(jìn)行邏輯運算和數(shù)據(jù)交互，本文對它們進(jìn)行了相應(yīng)的信號和邏輯處理，具體設(shè)置如下。

(1)X軸、Y軸、Z軸。數(shù)控機(jī)床的X、Y、Z軸的位置和Z軸的速度是由PLC程序控制的，需要在信號適配器中創(chuàng)建XX、YY、ZZ和速度Z這4個信號并設(shè)置為輸入型，用來接收來自PLC的控制信號。此外，機(jī)床模型的X、Y、Z軸的位置信息也要傳輸?shù)絇LC中，因此創(chuàng)建了XX_F、YY_F、ZZ_F信號，將3個軸的位置信息反饋回PLC。還要添加圖5中X軸、Y軸、Z軸的“位置控制”為參數(shù)，通過公式將3個軸的具體數(shù)據(jù)賦值到以上創(chuàng)建的信號中，用于數(shù)據(jù)交互，如圖6所示。

(2)刀庫門。刀庫門的開合實際是由氣缸的運動來控制的，由于在運動副中已經(jīng)定義刀庫門和氣缸的運動關(guān)系，因此只需要對氣缸的信號進(jìn)行設(shè)置即可，如圖7所示。

刀庫門開合是否到位是由氣缸的行程來決定的，因此判斷門是否開合到位就要將氣缸的行程反饋到PLC中，對其行程的判斷由邏輯公式給定，如圖8所示。以門打開到位為例，其邏輯公式為：If(位置>110)Then(true)Else(false)

其中位置是指氣缸的行程位置，由PLC控制。模型中氣缸的行程為0～120，氣缸運動到110時，刀庫門已經(jīng)完全打開，當(dāng)氣缸位置>110時，則將門打開到位信號反饋給PLC，以執(zhí)行下一步的指令。

(3)刀盤。對刀盤的控制實際就是對換刀輪的卸刀、換刀和其位置的控制。因此，需要設(shè)定刀號、刀盤旋轉(zhuǎn)和刀盤升降等控制信號和反饋信號，如圖9a所示。以換刀輪上升到位的信號反饋為例，添加圖5中“換刀輪 線性”為參數(shù)，并在信號適配器中命名為“升降”，通過邏輯公式：

If(升降>-1)Then(true)Else(false)

當(dāng)換刀輪線性位置大于-1時，說明換刀輪上升到位，則MCD將信號反饋回PLC，以執(zhí)行下一步指令。

但由于在PLC中無法完全控制機(jī)床的卸刀和裝刀動作，需要配合在MCD中定義“運行時參數(shù)”，通過“運行時表達(dá)式”的運算，將參數(shù)傳送到“仿真邏輯控制序列”，從而觸發(fā)換刀動作。

本文根據(jù)刀盤換刀的動作，設(shè)置了上升到位上升沿、上升到位下降沿、上刀和卸刀等8個運行時參數(shù)，并全部由“運行時表達(dá)式”進(jìn)行運算，如圖9b所示。

以Runtime Expression_6“刀盤·上升到位下降沿”為例，對機(jī)床的卸刀動作進(jìn)行說明。Runtime Expression_6的公式為：

If(!上升到位&刀盤)Then(true)Else(false)

其中用到了“上升到位”與“刀盤·升降記憶”這兩個參數(shù)，其含義是：當(dāng)?shù)侗P處于原點的位置，且刀盤上升到位的信號為false時，則采集到了下降沿脈沖，從而觸發(fā)“刀盤·卸刀”這一參數(shù)，此時“刀盤·卸刀”的值為true，且當(dāng)?shù)侗P旋轉(zhuǎn)至刀1(刀1為機(jī)床主軸上的刀)卸刀位時，緊接著會驅(qū)動仿真序列中“刀1與刀架斷開”和“刀1與刀架鏈接”兩個行為，從而完成卸刀動作，如圖9c和9d所示。

2 PLC環(huán)境搭建與編程

2.1 TIA博圖環(huán)境搭建

本文基于西門子S7-1500系列PLC進(jìn)行組態(tài)設(shè)計，以確保數(shù)據(jù)安全和通訊的穩(wěn)定。在TIA博圖中添加CPU1511-1 PN PLC和普通PC站，在PC站中添加OPC服務(wù)器和通用IE網(wǎng)卡，連接PLC與IE網(wǎng)卡端口，建立S7連接，完成組態(tài)，如圖10所示。由于信號較多，為保證后續(xù)在MCD中信號映射的準(zhǔn)確和便捷，本文導(dǎo)出了MCD中設(shè)置好的信號，并將其導(dǎo)入到TIA博圖中，定義變量地址與數(shù)據(jù)類型,如圖11所示。

2.2 編寫PLC程序

根據(jù)圖2所示的功能模型以及MCD中定義的機(jī)床運動控制情況，編寫PLC程序，部分PLC梯形圖如圖12所示。

2.3 S7-PLCSIM Advanced配置

本文使用S7-PLCSIM Advanced V2.0創(chuàng)建虛擬PLC，由于本文探究軟件在環(huán)虛擬調(diào)試，因此在Online Access選項中選擇PLCSIM，在Instance name中輸入PLC1，點擊Start，完成PLC的創(chuàng)建，如圖13所示。

在完成上述設(shè)置后，將TIA博圖中的組態(tài)和程序下載到虛擬PLC1中，PLCSIM Advanced中的綠燈亮起，則表示TIA博圖與虛擬PLC1連接成功，在TIA博圖中的主程序和變量啟用監(jiān)視。

3 MCD-TIA聯(lián)合調(diào)試

在MCD中進(jìn)行虛擬調(diào)試，信號的連接是關(guān)鍵的一步。

3.1 信號映射

在建立映射之前，需要將PLC中的信號在MCD中的“外部信號配置”中進(jìn)行連接，完成上述配置后，將外部信號與MCD信號建立信號映射，如圖14所示。

3.2 機(jī)電一體化虛擬調(diào)試

信號連接完成之后，就可以實現(xiàn)MCD與虛擬PLC程序的運動信號交互?？梢詫⒅付▽ο蟮男盘柼砑拥健斑\行時查看器”中，對實時數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察分析。本文將“啟動”、“XYZ”和“刀盤”等信號添加到了“運行時查看器”，在“運行時查看器”中找到啟動信號，雙擊將false改為true以啟動機(jī)床，點擊“播放”按鈕，可以觀察到機(jī)床模型的實時行為在MCD中得到了虛擬驗證；同時在TIA博圖的主程序窗口和變量窗口可以看到，MCD在仿真的同時與博圖進(jìn)行了數(shù)據(jù)交互，如圖15所示。

此外，可以在“運行時查看器”中檢測到實時數(shù)據(jù)和運動曲線，如圖16所示。

4 結(jié)語

本文提出來一種基于NX MCD軟件在環(huán)系統(tǒng)的虛擬調(diào)試方法，并以數(shù)控機(jī)床樣機(jī)為實例，對機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)、PLC程序及其運行邏輯進(jìn)行了驗證。此外，通過研究“位置-時間”的關(guān)系，可以看出Z軸速度由0增加到設(shè)計速度的過程和工件接近刀具的時候的減速過程更為真實可靠。因此，可以得出結(jié)論：使用本文提出的方法對機(jī)電一體化設(shè)備進(jìn)行虛擬調(diào)試，能夠快速地發(fā)現(xiàn)設(shè)備設(shè)計缺陷和程序異常，通過不斷地調(diào)試修改以達(dá)到設(shè)計要求，從而降低現(xiàn)場調(diào)試風(fēng)險，節(jié)省成本，調(diào)試結(jié)果也更為準(zhǔn)確和真實。