張衛(wèi) 王麗娜 班嵐 遲歡 張超

摘 ?要：在生產(chǎn)自動(dòng)化設(shè)備時(shí)，PLC程序主要是直接在硬件設(shè)備上進(jìn)行調(diào)試，設(shè)備從設(shè)計(jì)到加工生產(chǎn)再到組裝調(diào)試周期較長(zhǎng)，而且事先編程好的PLC程序是否正確也無(wú)從驗(yàn)證，只能等到設(shè)備組裝完成后調(diào)試程序，這就影響了整個(gè)產(chǎn)品交付的周期?；赟olidWorks三維模型虛擬仿真，通過(guò)LabVIEW軟件來(lái)搭建PLC與虛擬模型的橋梁，實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)虛擬模型的控制運(yùn)動(dòng)，完成相關(guān)程序的編寫(xiě)與調(diào)試。

關(guān)鍵詞：PLC;SolidWorks;三維模型;運(yùn)動(dòng)仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2022）05-0104-04

Research on 3D Model Virtual Motion Simulation System Based on PLC and SolidWorks

ZHANG Wei， WANG Lina， BAN Lan， CHI Huan， ZHANG Chao

（Tianjin College， University of Science and Technology Beijing， Tianjin ?301830， China）

Abstract： When producing automation equipment， the PLC program is mainly debugged directly on the hardware equipment. The equipment has a long cycle from design to processing and production to assembly and debugging， and it is impossible to verify whether the pre-programmed PLC program is correct. It can only wait until the equipment is assembled then debugs the program after completion， which affects the entire product delivery cycle. Based on SolidWorks 3D model virtual simulation， LabVIEW software is used to build a bridge between PLC and virtual model， to realize control movement to virtual model of PLC， and complete the writing and debugging of relevant programs.

Keywords： PLC; SolidWorks; 3D model; motion simulation

0 ?引 ?言

制造業(yè)正初步地向智能制造方向轉(zhuǎn)變，越來(lái)越多的產(chǎn)品生產(chǎn)趨向于定制生產(chǎn)，產(chǎn)品不再是簡(jiǎn)單的機(jī)械組合，而是包含了電子、材料等新技術(shù)的集成，產(chǎn)品已經(jīng)涉及控制、電子和機(jī)械等眾多科學(xué)范疇，這些領(lǐng)域需要大量的信息交互，他們之間相互影響，相互制約，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求較強(qiáng)的并行性，而虛擬模型技術(shù)可以很好地解決這一問(wèn)題[1]。通過(guò)虛擬模型技術(shù)，技術(shù)人員可以在虛擬環(huán)境下仿真機(jī)械產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)，其仿真效果與實(shí)際情況基本一致。將虛擬三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)（SolidWorks）與一個(gè)控制系統(tǒng)（PLC）通訊，可以在產(chǎn)品模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，一方面可以優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，另一方面對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行編程，大大縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期[2]。

可編程控制器PLC是將計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)結(jié)合在一起的自動(dòng)控制設(shè)備[3]。隨著數(shù)據(jù)處理和通信技術(shù)以及控制技術(shù)的發(fā)展，PLC控制技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，PLC正在成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主控器。傳統(tǒng)上要想調(diào)試PLC程序可以在PLC編程軟件上，但PLC軟件不能仿真真實(shí)的傳感器信號(hào)或者輸出信號(hào)，所以常常采用在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)備上運(yùn)行，調(diào)試程序時(shí)需要反反復(fù)復(fù)地修改，因此程序調(diào)試會(huì)占用很長(zhǎng)時(shí)間。

本研究以直角三坐標(biāo)機(jī)器人為例，利用LabVIEW作為平臺(tái)中NI SoftMotion模塊實(shí)現(xiàn)PLC與SolidWorks通訊，通過(guò)PLC控制在SolidWorks三維模型運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)更逼真的仿真效果，避免了直接在硬件設(shè)備上的調(diào)試。

1 ?SolidWorks三維模型設(shè)計(jì)

1.1 ?機(jī)械建模

應(yīng)用SolidWorks軟件對(duì)產(chǎn)品模型機(jī)型設(shè)計(jì)，包括零部件設(shè)計(jì)、裝配體設(shè)計(jì)以及零部件之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)分析等內(nèi)容。在SolidWorks軟件建模步驟包括：

（1）零件設(shè)計(jì)。三維模型是通過(guò)草圖的繪制，在利用拉伸、旋轉(zhuǎn)等特征來(lái)實(shí)現(xiàn)的，特征是三維實(shí)體的基本要素，草圖是三維模型的基礎(chǔ)。因此，零件設(shè)計(jì)包括繪制零件草圖和生成三維模型。

（2）裝配體設(shè)計(jì)。任何產(chǎn)品都是由一系列的零件構(gòu)成的，這些零件組合裝配在一起構(gòu)成了完整的且具有特定功能的產(chǎn)品，形成一個(gè)完整的三維機(jī)械模型。SolidWorks具有裝配功能，將每個(gè)件添加到裝配體中，通過(guò)零件配合關(guān)系，使各零件組合成一個(gè)完整體。下面是以三坐標(biāo)機(jī)器人的裝配設(shè)計(jì)為例，采用標(biāo)準(zhǔn)配合進(jìn)行整體設(shè)計(jì)和虛擬裝配，其上零部件包括伺服電機(jī)、滾珠絲杠、直線導(dǎo)軌及滑塊、直線模組框架及各種支撐架等組成。如圖1所示。

1.2 ?電氣建模

本仿真研究需要在SolidWorks模型中添加電機(jī)和傳感器電機(jī)特性。以三坐標(biāo)機(jī)器人一直線單元為例，創(chuàng)建模型電氣特征。首先創(chuàng)建直線電機(jī)，本案例電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)滑塊的直線運(yùn)動(dòng)，所以創(chuàng)建的電機(jī)為直線電機(jī)，移動(dòng)距離200 mm，時(shí)間5 s。然后在SolidWorks下創(chuàng)建兩個(gè)測(cè)量傳感器，左側(cè)傳感器尺寸1測(cè)量距離21 mm，右側(cè)傳感器尺寸3測(cè)量距離20 mm，如圖2所示。

2 ?LabVIEW與SolidWorks模型關(guān)聯(lián)

2.1 ?LabVIEW項(xiàng)目與SolidWorks裝配體連接

以三坐標(biāo)機(jī)器人一軸直線單元為例，打開(kāi)三維裝配體模型，然后在LabVIEW創(chuàng)建一個(gè)SolidWorks Assembly項(xiàng)目，利用NI SoftMotion模塊功能，軟件可以自動(dòng)檢測(cè)到三維裝配體模型，最后點(diǎn)擊確定即完成LabVIEW項(xiàng)目與SolidWorks裝配體關(guān)聯(lián)，如圖3所示，為創(chuàng)建的LabVIEW項(xiàng)目。

2.2 ?NI SoftMotion與SolidWorks模型馬達(dá)連接

前文我們?cè)谌S模型中創(chuàng)建了電氣特性，這時(shí)需要通過(guò)SoftMotion模塊對(duì)SolidWorks裝配體馬達(dá)特性進(jìn)行映射，并進(jìn)行參數(shù)配置，然后通過(guò)SoftMotion的函數(shù)中Straight-line Move函數(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)馬達(dá)程序的編寫(xiě)。SoftMotion模塊可以將運(yùn)動(dòng)命令轉(zhuǎn)化成驅(qū)動(dòng)命令，驅(qū)動(dòng)SolidWorks中的馬達(dá)運(yùn)動(dòng)。方法步驟如下：點(diǎn)擊右鍵，新建NI SoftMotion Axis，選擇Add New Axis，此時(shí)軟件會(huì)自動(dòng)識(shí)別在三維模型創(chuàng)建的馬達(dá)，然后選擇相應(yīng)的馬達(dá)，這樣就創(chuàng)建一個(gè)軸。如圖4所示。

2.3 ?映射傳感器

在完成LabVIEW項(xiàng)目與SolidWorks裝配體關(guān)聯(lián)后，利用Map Sensors功能，指定傳感器相應(yīng)的電機(jī)，然后配置傳感器數(shù)據(jù)線，從而關(guān)聯(lián)到SolidWorks模型的傳感器。如圖5所示。

2.4 ?LabVIEW直線運(yùn)動(dòng)程序

在LabVIEW VI文件中編寫(xiě)程序。采用直線運(yùn)動(dòng)函數(shù)Straight-line Move，該函數(shù)共有四種運(yùn)動(dòng)模式，分別是絕對(duì)運(yùn)動(dòng)、相對(duì)運(yùn)動(dòng)、速度和相對(duì)捕捉[4]，如圖6所示。本研究采用Straight-line Move函數(shù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)馬達(dá)程序的編寫(xiě)該函數(shù)既可以驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)，也可以應(yīng)用驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)。

3 ?LabVIEW實(shí)現(xiàn)與PLC通信搭建

3.1 ?硬件通訊連接

本研究系統(tǒng)硬件包括：歐姆龍CP1H、PC機(jī)、串口通信線。PC與PLC采用232串口通信，又PC不支持串口，所以需要串口轉(zhuǎn)USB通訊。其通訊連接線如圖7所示。

3.2 ?VISA串口通信

VISA作為一個(gè)在儀器編程上使用的標(biāo)準(zhǔn)I/O應(yīng)用程序接口（API），具有一系列標(biāo)準(zhǔn)I/O底層函數(shù)，用戶使用起來(lái)特別方便，但是VISA自己不能進(jìn)行儀器編程，但可以直接調(diào)用VISA函數(shù)[5]。VISA庫(kù)主要由VISA配置串口函數(shù)、VISA寫(xiě)入函數(shù)、VISA讀取函數(shù)、VISA串口字節(jié)數(shù)函數(shù)、VISA關(guān)閉等函數(shù)組成。如圖8所示。

3.3 ?LabVIEW實(shí)現(xiàn)與PLC通信指令

采用歐姆龍CP1H系列的PLC作為控制器，用RS232型作為通訊，實(shí)現(xiàn)PLC與裝載LabVIEW的計(jì)算機(jī)通訊連接，PLC通訊指令包括C-mode指令和FINS指令[6]。C-mode指的是主機(jī)連接通信命令。由上位機(jī)產(chǎn)生并且發(fā)送到PLC，F(xiàn)INS指的是信息服務(wù)通信命令，F(xiàn)INS指令能用于各種網(wǎng)絡(luò)和串行通信。C-mode讀寫(xiě)代碼如表1所示。

4 ?PLC程序調(diào)試

4.1 ?PLC程序編寫(xiě)

本研究三坐標(biāo)機(jī)器人一共有三個(gè)軸，需要對(duì)每一個(gè)伺服電機(jī)進(jìn)行控制，以第一軸為例，編寫(xiě)PLC程序，包括傳感器位置檢測(cè)程序，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)正反轉(zhuǎn)程序，PLC與LabVIEW通訊程序，伺服電機(jī)停止程序等等。如圖9所示，為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，其中PLC地址0.00為調(diào)試啟動(dòng)按鈕，0.01為調(diào)試停止按鈕，0.02和0.03分別為一軸的左右限位，其余兩軸與其相似。。

4.2 ?LabVIEW運(yùn)動(dòng)程序編寫(xiě)

LabVIEW平臺(tái)作為SolidWorks三維模型和PLC之間信息交互的橋梁，因此，LabVIEW程序完成主要功能有：

（1）讀取PLC當(dāng)前狀態(tài);

（2）讀取直線單元運(yùn)動(dòng)限位傳感器;

（3）接受PLC信息，利用Soft Motion模塊控制SolidWorks模型運(yùn)動(dòng)，因此，編寫(xiě)其中一軸LabVIEW運(yùn)動(dòng)控制程序如圖10所示，其他兩軸與其相似，這里不做贅述。

5 ?結(jié) ?論

本文通過(guò)LabVIEW軟件來(lái)搭建PLC與虛擬模型的橋梁，從而實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)虛擬模型的控制運(yùn)動(dòng)，完成相關(guān)程序的編寫(xiě)與調(diào)試，無(wú)須把設(shè)備實(shí)體加工制造出來(lái)。以直角坐標(biāo)機(jī)器人為例，基于PLC與SolidWorks的三維模型虛擬仿真系統(tǒng)能夠有效解決傳統(tǒng)PLC的調(diào)試方法，對(duì)于教學(xué)來(lái)說(shuō)可以節(jié)省設(shè)備的投入，對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)可以縮短產(chǎn)品的研法周期，節(jié)約開(kāi)發(fā)成本。

參考文獻(xiàn)：

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[5] 姚蘭，劉鵬.基于LabVIEW的太陽(yáng)能數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng) [J].儀表技術(shù)與傳感器，2012（3）：103-105.

[6] OMRON公司.OMRON Communications Commands Reference Manual [M].歐姆龍工業(yè)自動(dòng)化公司出版，2010：2-3.

作者簡(jiǎn)介：張衛(wèi)（1988.11—），男，漢族，河北唐山人，助教，碩士研究生，研究方向：機(jī)電一體化;王麗娜（1993.08—），女，漢族，山西長(zhǎng)治人，助教，碩士研究生，研究方向：激光光束偏轉(zhuǎn)控制技術(shù)研究、智能控制;班嵐（1984.04—），女，回族，遼寧凌源人，副教授，碩士研究生，研究方向：光機(jī)電檢測(cè)與控制;遲歡（1990.01—），女，漢族，黑龍江哈爾濱人，講師，碩士研究生，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì);張超（1989.03—），男，漢族，天津人，實(shí)驗(yàn)員，碩士研究生，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。