趙 輝，宋洪揚(yáng)，楊 超

（東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150006）

1 引言

傳統(tǒng)生產(chǎn)線裝配往往需要技術(shù)工人反復(fù)調(diào)試，導(dǎo)致產(chǎn)品廢品率較高，成本難以降低。機(jī)械編程采用現(xiàn)場(chǎng)連接實(shí)體機(jī)械，進(jìn)行在線編程調(diào)試，效率低下。因此，在虛擬空間中對(duì)控制程序和產(chǎn)品進(jìn)行虛擬調(diào)試，以減少生產(chǎn)成本，降低在設(shè)計(jì)變?yōu)閷?shí)體過程中存在的風(fēng)險(xiǎn)。

隨著全球進(jìn)入工業(yè)4.0時(shí)代，傳統(tǒng)制造業(yè)正在向智能化、數(shù)字化轉(zhuǎn)變，數(shù)字孿生通過創(chuàng)建與實(shí)體環(huán)境相同的數(shù)字化模型，運(yùn)用虛擬調(diào)試技術(shù)，早發(fā)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)中存在的問題，在物理樣機(jī)建造前解決存在的大部分問題，預(yù)測(cè)生產(chǎn)目標(biāo)、評(píng)估生產(chǎn)效率，為實(shí)體生產(chǎn)線的運(yùn)行、實(shí)施和優(yōu)化等提供依據(jù)。

MCD 是數(shù)字孿生技術(shù)中的一種重要的數(shù)字化工具，是集機(jī)械、電氣、液壓、氣動(dòng)、驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)化和編程等多學(xué)科綜合知識(shí)為一體的產(chǎn)品，是一個(gè)多學(xué)科技術(shù)融合與虛擬調(diào)試、開發(fā)的技術(shù)平臺(tái)。借助 NX MCD 創(chuàng)建機(jī)電一體化模型，包括機(jī)械零件、傳感器、制動(dòng)器和運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)，根據(jù)功能模型形成產(chǎn)品的最終裝配、軟件和布局模型。 MCD還可以通過 TC 與上下游系統(tǒng)/工具進(jìn)行協(xié)同工作。

TIA 是一種采用統(tǒng)一的工程組態(tài)和軟件項(xiàng)目環(huán)境的全集成自動(dòng)化軟件，可在同一環(huán)境中組態(tài)西門子的所有可編程控制器、驅(qū)動(dòng)裝置和人機(jī)界面。通過建立 TIA 博圖與 MCD 的信號(hào)映射，以支持基于模型的虛擬調(diào)試，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)與機(jī)械部件之間的交互?，F(xiàn)以 S7-PLCSIM Advanced 高功能仿真器模擬真實(shí) PLC 控制系統(tǒng)，建立 S7-1500 系列 PLC 與 MCD 的通信連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，在仿真環(huán)境中對(duì)機(jī)電一體化設(shè)備進(jìn)行全面驗(yàn)證與調(diào)試。

以雙氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手生產(chǎn)線作為研究對(duì)象，采用軟件在環(huán)虛擬調(diào)試的方法對(duì)氣動(dòng)生產(chǎn)線的三維虛擬模型進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)仿真，軟件在環(huán)虛擬調(diào)試如圖1所示。

圖 1 軟件在環(huán)虛擬調(diào)試

2 氣動(dòng)生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手生產(chǎn)線由上導(dǎo)軌、中間導(dǎo)軌和下導(dǎo)軌三部分組成，上、下導(dǎo)軌主要由底座氣缸、升降氣缸、夾緊氣缸和夾手組成，中間導(dǎo)軌是由兩個(gè)旋轉(zhuǎn)氣缸組成的卡盤，氣動(dòng)生產(chǎn)線裝配如圖2所示，各個(gè)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件是由電磁閥控制氣缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的。氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手生產(chǎn)線主要實(shí)現(xiàn)的是物料搬運(yùn)的功能，在開始動(dòng)作前生產(chǎn)線處于初始狀態(tài)，上下導(dǎo)軌中的升降氣缸和夾緊氣缸分別處于伸長(zhǎng)、松開狀態(tài)，中間導(dǎo)軌的旋轉(zhuǎn)卡盤處于初始位置。按下啟動(dòng)按鈕后，兩個(gè)升降氣缸同時(shí)向下運(yùn)動(dòng)，到達(dá)指定位置后觸發(fā)傳感器，兩個(gè)夾緊氣缸得到信號(hào)后開始動(dòng)作，夾緊物料。夾住物料后升降氣缸開始向上運(yùn)動(dòng)回到初始位置，觸發(fā)傳感器后上下導(dǎo)軌的底座氣缸開始搬運(yùn)動(dòng)作，底座氣缸動(dòng)作的同時(shí)兩個(gè)卡盤進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。分別到達(dá)指定地點(diǎn)后，開始放置物料，升降氣缸向下運(yùn)動(dòng)到指定位置后夾手松開，將物料放置在卡盤的另一端，然后復(fù)位到初始狀態(tài)開始新一輪的動(dòng)作，工作流程如圖3所示。

2.2 MCD 設(shè)計(jì)

首先建立氣動(dòng)生產(chǎn)線的三維模型并裝配，將生產(chǎn)線的三維模型導(dǎo)入到 NX MCD 模塊中，根據(jù)要滿足的需求和要實(shí)現(xiàn)的功能創(chuàng)建機(jī)電一體化模型。

（1）基本機(jī)電對(duì)象

氣動(dòng)生產(chǎn)線三維模型只有被賦予剛體、碰撞體等屬性才能具備物理系統(tǒng)控制下的運(yùn)動(dòng)特性；因此，在機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)中，需要對(duì)幾何體定義剛體、碰撞體屬性，使其具備質(zhì)量特性，可接受外力和扭矩，并能受到重力或者其他作用力的影響。本文對(duì)氣動(dòng)生產(chǎn)線的底座、氣缸、機(jī)械手和旋轉(zhuǎn)卡盤等設(shè)置相應(yīng)的剛體、碰撞體屬性，基本機(jī)電對(duì)象如圖4所示。

（2）運(yùn)動(dòng)副

運(yùn)動(dòng)副定義了對(duì)象的運(yùn)動(dòng)方式，約束定義了各個(gè)運(yùn)動(dòng)實(shí)體的運(yùn)動(dòng)條件，是機(jī)電概念設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)仿真的主要組成部分。本文通過對(duì)氣動(dòng)生產(chǎn)線添加運(yùn)動(dòng)副定義其各部件的運(yùn)動(dòng)方式，以實(shí)現(xiàn)各自相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)副的定義如圖5所示。

圖 2 氣動(dòng)生產(chǎn)線裝配圖

圖 3 工作流程圖

圖 4 基本機(jī)電對(duì)象

圖 5 運(yùn)動(dòng)副

（3）執(zhí)行器與傳感器

對(duì)已經(jīng)添加剛體和運(yùn)動(dòng)副的幾何體，需要在 MCD 中設(shè)置位置和速度控制，使其成為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而使構(gòu)件按照特定的運(yùn)動(dòng)軌跡與指定速度進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。通過設(shè)定傳感器給 PLC 相應(yīng)的輸出信號(hào)，達(dá)到聯(lián)合調(diào)試的目的。本文根據(jù)生產(chǎn)線氣缸、機(jī)械手等部件的運(yùn)動(dòng)特性，對(duì)其速度與位置控制進(jìn)行設(shè)置，執(zhí)行器與傳感器如圖6所示。

圖 6 執(zhí)行器與傳感器

（4）信號(hào)與信號(hào)適配器

在 MCD 的組件模型中，信號(hào)用于運(yùn)動(dòng)控制與外部的信息交互，包括輸入、輸出兩種信號(hào)類型。輸入信號(hào)是外部輸入到 MCD 模型的信號(hào)，輸出信號(hào)則是 MCD 輸出到外部設(shè)備的信號(hào)。

信號(hào)適配器是通過對(duì)數(shù)據(jù)的判斷與處理，為 MCD 對(duì)象提供新的信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)或行為的控制。本文對(duì)各個(gè)氣缸以及傳感器進(jìn)行了信號(hào)適配器設(shè)置，具體設(shè)置如下。

1）上導(dǎo)軌。氣動(dòng)生產(chǎn)線上導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)包括上底座氣缸沿

Y

軸的運(yùn)動(dòng)、上升降氣缸沿

Z

軸的運(yùn)動(dòng)、上夾緊氣缸沿

X

軸的運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)都是由 PLC 程序控制的，所以需要在信號(hào)適配器中添加其運(yùn)動(dòng)的參數(shù)同時(shí)進(jìn)行信號(hào)的創(chuàng)建并編輯公式確定其行程。以上氣缸的運(yùn)動(dòng)為例，首先對(duì)上導(dǎo)軌中的三個(gè)氣缸的位置控制添加參數(shù)，數(shù)據(jù)類型選擇雙精度型并勾選指派為，添加三個(gè)信號(hào)并設(shè)置為輸入，參數(shù)和信號(hào)添加完成后進(jìn)行公式編輯，以上導(dǎo)軌信號(hào)適配器設(shè)置控制氣缸的行程，上導(dǎo)軌信號(hào)適配器設(shè)置如圖7所示。運(yùn)動(dòng)到指定位置后需要傳感器感應(yīng)并進(jìn)行下一步動(dòng)作，在信號(hào)適配器中設(shè)置6個(gè)距離傳感器感應(yīng)活塞位置，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制。最后再根據(jù)添加的參數(shù)通過公式將具體的數(shù)值寫入到創(chuàng)建的信號(hào)中，用于數(shù)據(jù)交互，上導(dǎo)軌傳感器設(shè)置如圖8所示。

圖 7 上導(dǎo)軌信號(hào)適配器設(shè)置

圖 8 上導(dǎo)軌傳感器設(shè)置

2）下導(dǎo)軌。氣動(dòng)生產(chǎn)線下導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)與上導(dǎo)軌相似，包括下底座氣缸沿

Y

軸的運(yùn)動(dòng)、下升降氣缸沿

Z

軸的運(yùn)動(dòng)、下夾緊氣缸沿

X

軸的運(yùn)動(dòng)。同樣需要設(shè)置6個(gè)距離傳感器感應(yīng)活塞的位置。最后再根據(jù)添加的參數(shù)通過公式將具體的數(shù)值寫入到創(chuàng)建的信號(hào)中。

3）旋轉(zhuǎn)卡盤。兩個(gè)旋轉(zhuǎn)卡盤的運(yùn)動(dòng)也是由氣缸驅(qū)動(dòng)的，通過氣缸的進(jìn)氣、排氣，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在信號(hào)適配器中添加位置控制的參數(shù)，勾選指派為添加信號(hào)類型，選擇輸入信號(hào)，并編寫運(yùn)動(dòng)函數(shù)控制卡盤旋轉(zhuǎn)指定角度。

3 PLC 組態(tài)及編程

3.1 PLC 硬件組態(tài)

選用基于西門子 S7-1500 系列 PLC 進(jìn)行硬件組態(tài)，以保證良好的通信連接。首先打開TIA博圖軟件添加設(shè)備CPU1512C-1PN ，設(shè)置 PLC 的以太網(wǎng)地址192.168.0.1，IP地址需要與 PLCSIM Advanced 的地址相同。在下載到仿真器之前右擊程序名稱，點(diǎn)擊屬性，在保護(hù)欄中勾選“塊編譯時(shí)支持仿真”。

3.2 高功能仿真器設(shè)置

選用虛擬的 PLC 進(jìn)行上下載通信，PLCSIM Advanced是針對(duì) S7-1500 系列 PLC 研發(fā)的一種高功能仿真器，能夠?qū)?500系列 PLC 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。

打開高功能仿真器后點(diǎn)擊 Start Virtue，新建一個(gè)項(xiàng)目名，IP地址設(shè)為192.168.0.1，與 CPU 的 IP 地址相同，點(diǎn)擊Start 完成創(chuàng)建，高功能仿真器如圖9所示。

圖 9 高功能仿真器

3.3 編寫 PLC 程序及下載

在氣動(dòng)搬運(yùn)生產(chǎn)線控制中，主要是實(shí)現(xiàn)夾取和搬運(yùn)的動(dòng)作，首先根據(jù)運(yùn)動(dòng)需求定義變量地址和數(shù)據(jù)類型，變量如圖10所示，然后在 TIA 博圖主程序塊中完成梯形圖的編寫。

圖 10 默認(rèn)變量表

程序編寫完成后，將 TIA 博圖中的組態(tài)和程序下載到虛擬 PLC 中，若高功能仿真器中的黃燈變?yōu)榫G色則證明連接成功，在 TIA 博圖中啟用監(jiān)視，查看程序的運(yùn)行即可。

4 TIA-MCD虛擬調(diào)試

在控制程序和 MCD 模型都配置好之后需要對(duì)其進(jìn)行信號(hào)連接，這也是虛擬調(diào)試最重要的一步。

4.1 信號(hào)映射

建立信號(hào)映射之前需要通過外部信號(hào)配置將程序中的信號(hào)進(jìn)行同步，添加實(shí)例為仿真器中的 PLC—1 ，點(diǎn)擊更新標(biāo)記，將需要與 MCD 建立連接的輸入/輸出信號(hào)勾選出來(lái)，然后確定即可，外部信號(hào)配置如圖11所示。

完成信號(hào)配置后，將外部信號(hào)與 MCD 信號(hào)進(jìn)行信號(hào)映射，信號(hào)映射如圖12所示。

4.2 聯(lián)合仿真調(diào)試

信號(hào)連接完成后需要對(duì)控制程序和 MCD 模型進(jìn)行聯(lián)合仿真調(diào)試，在 TIA 博圖中將I10.0強(qiáng)制為1，啟動(dòng)程序，然后在 MCD 中點(diǎn)擊播放，生產(chǎn)線模型按照編寫的程序進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

圖 11 外部信號(hào)配置

圖 12 信號(hào)映射

5 結(jié)束語(yǔ)

以 S7-PLCSIM Advanced 高功能仿真器作為虛擬PLC進(jìn)行軟件在環(huán)虛擬調(diào)試，通過在 NX 軟件中建立生產(chǎn)線三維模型并在 MCD 中進(jìn)行機(jī)電概念設(shè)計(jì)，最后與博圖進(jìn)行通信連接，達(dá)到了虛擬 PLC 控制氣動(dòng)生產(chǎn)線模型運(yùn)動(dòng)的目的，驗(yàn)證了通過仿真器通信配置實(shí)現(xiàn)外部信號(hào)控制 MCD模型的可行性。通過此方法能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備和程序中存在的問題，降低生產(chǎn)成本，為機(jī)電一體化設(shè)備的設(shè)計(jì)與調(diào)試提供了參考。