趙 輝，楊 超，宋洪洋

（東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040）

0 引言

隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等工業(yè)科技的快速進(jìn)步，現(xiàn)代制造業(yè)正在高速發(fā)展，我國出臺了“中國制造2025”政策，希望借助新技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)國內(nèi)制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能制造。面對巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，德國為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化、個(gè)性化的產(chǎn)業(yè)模式也提出了“工業(yè)4.0”的技術(shù)模式，這些變化必將引發(fā)生產(chǎn)模式、商業(yè)模式和供需關(guān)系的重大變革。智能化、個(gè)性化制造和基于數(shù)據(jù)的產(chǎn)品開發(fā)構(gòu)成了未來商業(yè)模式的基石。一直以來，西門子公司在機(jī)電一體化領(lǐng)域涉及廣泛，工業(yè)領(lǐng)域中不同學(xué)科融合、協(xié)作的數(shù)字孿生（Digital Twin）技術(shù)也逐漸受到重視。工業(yè)仿真軟件的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了虛擬環(huán)境和現(xiàn)實(shí)環(huán)境之間的交互融合，讓工業(yè)4.0真正成為現(xiàn)實(shí)。在工業(yè)4.0的背景下，NX MCD 作為一種前沿的數(shù)字孿生技術(shù)的的重要工具，其應(yīng)用也越來越廣泛。西門子機(jī)電概念設(shè)計(jì)（NX MCD）作為數(shù)字孿生技術(shù)中重要的數(shù)字化工具，可以把現(xiàn)有的機(jī)械、電氣、氣動、自動化、人機(jī)交互和編程等專業(yè)知識集合為一個(gè)整體，從而使人們在虛擬環(huán)境下對產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)與調(diào)試[1-4]。由于NX MCD 模塊是多方面的集成，所以在產(chǎn)品的開發(fā)過程中，能有效縮短花費(fèi)的時(shí)間，節(jié)省研發(fā)所需要的成本，對于企業(yè)來說有重大意義[5]。

通常來說，產(chǎn)品的開發(fā)總是按部就班地，各個(gè)研發(fā)階段漸次進(jìn)行。如果在前期設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的一些錯誤設(shè)計(jì)未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，那么在后期設(shè)計(jì)中，錯誤成本將大大增加，糾錯的成本也就越來越大，未檢測到的錯誤可能會在調(diào)試期間造成設(shè)備重大的損壞。如果設(shè)備在后期需要優(yōu)化升級，那么必須找到合適的停機(jī)時(shí)間。停機(jī)時(shí)間越長造成的經(jīng)濟(jì)損失也就越大。解決這類問題的理想途徑就是搭建虛擬平臺，基于虛擬平臺的MCD 模型，機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)和自動化等階段可以同時(shí)進(jìn)行，讓設(shè)計(jì)的產(chǎn)品能夠及時(shí)開展調(diào)試，就能夠在早期階段發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)錯誤，發(fā)現(xiàn)問題并及時(shí)優(yōu)化，節(jié)省成本，降低風(fēng)險(xiǎn)。目前國內(nèi)虛擬調(diào)試技術(shù)的應(yīng)用在汽車生產(chǎn)制造行業(yè)內(nèi)比較廣泛，其他行業(yè)應(yīng)用較少。隨著“工業(yè)4.0”和“中國制造2025”的不斷開展，虛擬調(diào)試及數(shù)字孿生技術(shù)會應(yīng)用于越來越多的行業(yè)[6-10]。

本文以全自動注塑成型機(jī)為研究對象，提出了一種基于機(jī)電概念設(shè)計(jì)（NX MCD）模塊的軟件在環(huán)虛擬調(diào)試的方法，控制部分與機(jī)械部分均采用虛擬部件，在虛擬PLC 及其程序控制下組成的閉環(huán)反饋回路中進(jìn)行程序編輯與驗(yàn)證的調(diào)試。機(jī)械部分在NX 中創(chuàng)建，模型創(chuàng)建完成以后添加到MCD 模塊進(jìn)行基本機(jī)電對象、運(yùn)動副和約束與執(zhí)行器等設(shè)置，同時(shí)需要在TIA 博途中編寫好需要的PLC 程序。S7-PLCSIM Advanced 作為高級虛擬控制器，是連通NX 和TIA 博途的紐帶，通過創(chuàng)建虛擬PLC來完成兩個(gè)軟件之間的交互，實(shí)現(xiàn)以PLC 程序帶動注塑機(jī)模型完成真實(shí)注塑機(jī)的實(shí)際工作步驟的目的。軟件在環(huán)虛擬調(diào)試原理如圖1所示。

圖1 軟件在環(huán)虛擬調(diào)試原理

1 NX三維模型的構(gòu)建

三維模型的構(gòu)建以全自動注塑機(jī)為基礎(chǔ)，對注塑機(jī)各結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行準(zhǔn)確測量，務(wù)求注塑機(jī)在虛擬環(huán)境中的還原。注塑機(jī)的主要部件有動模板、料筒、料斗和機(jī)械臂等，機(jī)械臂的伸縮和氣動手指的開合是通過自身的3個(gè)氣缸來實(shí)現(xiàn)的。圖2所示為注塑機(jī)模型的平面圖。

圖2 注塑機(jī)模型平面圖

2 MCD仿真環(huán)境的搭建

將構(gòu)建好的注塑機(jī)三維模型引入到NX MCD 模塊，根據(jù)對注塑機(jī)的工作需求進(jìn)行分析整理，對其所要完成的功能分解，注塑機(jī)的工作流程如圖3 所示。三維模型導(dǎo)入至MCD 模塊后，為了使其具有特定的物理特性，從而完成對模型運(yùn)動的虛擬仿真，要進(jìn)行基本機(jī)電對象、運(yùn)動副和約束、傳感器和執(zhí)行器等設(shè)置。

圖3 注塑機(jī)模型的工作流程

2.1 基本機(jī)電對象的設(shè)置

機(jī)電概念設(shè)計(jì)（NX MCD）中的基本機(jī)電對象包括剛體、碰撞體、對象源、對象變換器、代理對象和對象收集器等?；緳C(jī)電對象是MCD 物理引擎的基礎(chǔ)，其設(shè)置要在NX 模型創(chuàng)建之后。在幾何體三維模型沒有被賦予需要的機(jī)電對象屬性之前，它們并不具備質(zhì)量、慣性、碰撞、摩擦等物理屬性，只有賦予幾何體三維模型需要的機(jī)電對象屬性之后，才能夠?qū)崿F(xiàn)模型物理特性的運(yùn)動仿真。圖4所示為模型的基本機(jī)電對象設(shè)置。

圖4 基本機(jī)電對象設(shè)置

2.2 運(yùn)動副和約束的設(shè)置

兩構(gòu)件之間可動的接觸組成了運(yùn)動副，運(yùn)動副定義了對象的運(yùn)動方式，常見的運(yùn)動副包括鉸鏈副、固定副、滑動副、柱面副和球副等。圖5 所示為本試驗(yàn)對注塑機(jī)模型的運(yùn)動副設(shè)置。

圖5 運(yùn)動副和約束設(shè)置

2.3 傳感器和執(zhí)行器設(shè)置

傳感器和執(zhí)行器是MCD 模塊實(shí)現(xiàn)電氣仿真的基礎(chǔ)。運(yùn)用速度控制、位置控制、傳輸面與傳感器相對應(yīng)的運(yùn)動副進(jìn)行矢量運(yùn)動控制以實(shí)現(xiàn)對構(gòu)件的不同控制是定義傳感器和執(zhí)行器的主要目的。模型中共有8 個(gè)傳感器，其中機(jī)械臂的氣缸上裝有4 個(gè)位置傳感器，分別承擔(dān)不同的作用。執(zhí)行器是通過位置控制來實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)的主要活動。圖6 所示為注塑機(jī)傳感器與執(zhí)行器的設(shè)置。

圖6 注塑機(jī)傳感器與執(zhí)行器設(shè)置

2.4 序列編輯器設(shè)置

仿真序列是NX MCD 中的控制元素，是MCD 模塊處理機(jī)構(gòu)運(yùn)動與仿真的控制方式。通常使用仿真序列來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如速度控制和位置控制）、運(yùn)動副（如移動副的連接件）等。除此以外，在仿真序列中還可以創(chuàng)建條件語句來確定何時(shí)觸發(fā)改變。NX MCD中的仿真序列有兩種基本類型：基于時(shí)間的仿真序列和基于事件的仿真序列。

在仿真對象中，每一個(gè)對象都有一個(gè)或者多個(gè)參數(shù)，都可以通過創(chuàng)建仿真序列進(jìn)行修改預(yù)設(shè)值來改變仿真過程。總之，可以通過仿真序列控制NX MCD 中的任何對象。在虛擬調(diào)試過程中中，仿真序列不應(yīng)勾選上。模型的運(yùn)動是通過后來編寫的的PLC 程序來控制的，仿真序列的勾選可能會影響到調(diào)試的進(jìn)行。仿真序列的作用是在調(diào)試前期檢驗(yàn)注塑機(jī)模型能否規(guī)范地完成相應(yīng)動作。

2.5 信號與信號適配器設(shè)置

在機(jī)電概念設(shè)計(jì)平臺NX MCD 的組件模型中，信號用于運(yùn)動控制和外部的信息交互，有輸入和輸出兩種信號類型。其中，輸入信號是外部輸入到MCD 模型的信號，輸出則是MCD模型輸出到外部設(shè)備的信號。

信號適配器是MCD 模塊為了解決復(fù)雜的邏輯運(yùn)行和函數(shù)運(yùn)算而提出的方法，其作用是通過對數(shù)據(jù)的判斷或處理，為MCD 對象提供新的信號，以支持運(yùn)動或者行為的控制，新的信號也能夠輸出到外部設(shè)備或者其他MCD模型中。在本文中，將信號適配器中創(chuàng)建的信號與TIA Portal中的PLC程序連接，實(shí)現(xiàn)軟件在環(huán)虛擬調(diào)試。創(chuàng)建的信號在合適的運(yùn)行時(shí)公式的輔助下通過外部信號配置和信號映射才能與PLC 程序連接。圖7～8 所示為注塑機(jī)模型信號適配器的信號設(shè)置與運(yùn)行時(shí)公式。

圖7 信號適配器中的信號

圖8 信號適配器中的運(yùn)行時(shí)公式

3 PLC編程與TIA-MCD虛擬調(diào)試

本文選用西門子S7-1500 系列PLC 進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)，以確保數(shù)據(jù)安全和通訊的穩(wěn)定，PLC 的具體型號為CPU1512C-1PN。

3.1 虛擬PLC與信號映射

TIA 博途和NX MCD 之間的連接需要通過S7-PLCSIM Advanced 來實(shí)現(xiàn)。無需PLC 硬件，該軟件可以創(chuàng)建虛擬PLC，將編輯好的程序下載到軟件中，完成連接之后就能夠?qū)崿F(xiàn)信號與程序之間的映射。虛擬PLC 創(chuàng)建成功后會亮起黃色指示燈，當(dāng)程序成功下載到虛擬PLC后，軟件界面的黃色指示燈會變成綠色。需要注意的是，S7-PLCSIM Advanced 的仿真應(yīng)用于S7-1500 系列和ET200 SP 系列的CPU，不適用于1200 系列的PLC。圖9所示為S7-PLCSIM Advanced軟件界面。

圖9 PLCSIM Advanced軟件界面

虛擬PLC 創(chuàng)建完成后，在MCD 模塊的外部信號配置中選擇PLCSIM Adv，在實(shí)例中添加創(chuàng)建好的虛擬PLC，更新標(biāo)記，選中需要連接的信號。在信號映射中，同樣選擇PLCSIM Adv 與創(chuàng)建好的PLC，將MCD 信號和外部信號一一對應(yīng)，映射成功的信號連接會相應(yīng)的出現(xiàn)在下方界面中。操作界面如圖10～11所示。

圖10 外部信號配置界面

3.2 軟件在環(huán)虛擬調(diào)試

信號映射成功之后，就可以利用PLC 程序來控制注塑機(jī)模型的運(yùn)動。模型的運(yùn)動主要包括動模板的合模和開模、料筒的移動與機(jī)械臂的夾持。根據(jù)注塑機(jī)模型的運(yùn)動情況，編寫相應(yīng)的PLC 程序。PLC 程序的仿真可以通過PLCSIM 來完成，與“強(qiáng)制表”命令同時(shí)使用驗(yàn)證程序的邏輯關(guān)系是否正確。圖12～13所示為PLCSIM 仿真與PLC程序的變量表。

圖12 PLCSIM仿真

圖11 信號映射界面

圖13 PLC程序的變量表

PLC 程序的下載和信號映射完成之后，開始虛擬調(diào)試。軟件在環(huán)虛擬調(diào)試相比硬件在環(huán)虛擬調(diào)試的優(yōu)點(diǎn)在于對硬件要求較低，不需要PLC 硬件就能夠完成。開始調(diào)試之前，需要在詳細(xì)視圖的當(dāng)前項(xiàng)目的屬性中勾選“保護(hù)—塊編譯時(shí)支持仿真”，以免仿真時(shí)報(bào)錯。下載完程序后啟用監(jiān)視，PLC 程序開始仿真。若調(diào)試時(shí)，傳感器信號并未設(shè)置完成，可以使用“強(qiáng)制表”對PLC 程序中的I 輸入點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)制。在MCD 界面點(diǎn)擊播放，注塑機(jī)模型將按PLC程序指令運(yùn)行，如圖14所示。

圖14 軟件在環(huán)虛擬調(diào)試

3.3 虛擬調(diào)試結(jié)果分析

通過對注塑機(jī)模型運(yùn)動和PLC 程序運(yùn)行的觀測結(jié)果來看，模型根據(jù)編寫好的程序做出了相應(yīng)的動作，運(yùn)行過程中也沒有出現(xiàn)其他的錯誤，完成了虛擬調(diào)試的整個(gè)過程。虛擬調(diào)試的成功開展主要在于MCD 模型的物理特性設(shè)置與PLC 驅(qū)動程序的正確編寫。將現(xiàn)實(shí)中的機(jī)電設(shè)備移至虛擬環(huán)境中，進(jìn)行特定的參數(shù)設(shè)置后，通過PLC程序使MCD 模型完成現(xiàn)實(shí)環(huán)境中機(jī)電設(shè)備的工作流程，模型工作時(shí)出現(xiàn)的錯誤可以作為參考依據(jù)對現(xiàn)實(shí)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到縮短工時(shí)、節(jié)約成本和降低風(fēng)險(xiǎn)的作用。

4 結(jié)束語

本文采用了一種基于機(jī)電概念設(shè)計(jì)（NX MCD）模塊的軟件在環(huán)虛擬調(diào)試方法，運(yùn)用TIA博途軟件來組態(tài)PLC，通過S7-PLCSIM Advanced來連接MCD模型與博途PLC程序，以注塑機(jī)模型為例證實(shí)了軟件在環(huán)虛擬調(diào)試的可行性。

在機(jī)電設(shè)備的設(shè)計(jì)和調(diào)試過程中，使用本文提出的方法在虛擬環(huán)境中進(jìn)行虛擬調(diào)試時(shí)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)缺陷和PLC 程序異常并給予及時(shí)的改正，有利于節(jié)省項(xiàng)目資金與時(shí)間成本，缺陷修改之后再進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試，可以一定程度降低現(xiàn)場調(diào)試時(shí)實(shí)際設(shè)備中出現(xiàn)錯誤或缺陷的風(fēng)險(xiǎn)，其調(diào)試結(jié)果也會更真實(shí)可靠。