趙永信，度國旭，吳堅，黎玲萍

(廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院智能制造學院，廣西南寧 530001)

0 前言

NX軟件中的機電概念設計模塊(MCD)可以用于三維模型的機械設計、電氣設計和自動化設計。MCD模型的概念設計融合多學科于一體，既可以實現(xiàn)虛擬設備之間的仿真控制，也可以實現(xiàn)真實PLC控制虛擬三維模型，使得設計更為直觀和靈活。

在自動化設計過程中可以使用內(nèi)部信號對模型進行三維模型動態(tài)仿真驗證。肖祖東等詳細地闡明了基于NX 平臺的圓形裝載機MCD概念設計的過程，驗證了基于MCD模塊平臺的機電一體化概念設計的可行性和優(yōu)越性。當然也可以使用外界控制信號實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，目前也有很多基于OPC技術(shù)實現(xiàn)這種外界數(shù)據(jù)交換的研究。熊雪平等基于NX MCD平臺實現(xiàn)了MAKA機床MCD仿真三維模型與PLC實物聯(lián)合調(diào)試。王俊杰等利用OPC作為橋梁，實現(xiàn)了某數(shù)控機床的MCD模型與虛擬PLC之間的虛擬調(diào)試。吳雁等人基于NX MCD平臺實現(xiàn)了自動上下料機械手的虛擬仿真。但是，MCD虛擬調(diào)試的橋梁并非只有OPC技術(shù)，利用TCP協(xié)議作為橋梁的方式進行虛擬調(diào)試的方法鮮有看到。

本文作者在NX軟件中建立工業(yè)機器人的一種雙氣爪工具的三維模型，并對該模型進行MCD設計，分別說明其機械設計、電氣設計以及自動化設計過程；利用非OPC技術(shù)，即一種開放式用戶通信協(xié)議TCP實現(xiàn)虛擬PLC控制MCD虛擬模型的動態(tài)虛擬仿真。

1 氣動手爪模型的機械設計

在NX軟件中把模型的基本機電對象(剛體、碰撞體等)、運動副和約束等定義歸入機械設計部分。首先，定義雙氣動手爪模型的機電對象，把雙氣爪模型的2個手爪的4個爪手均設置為剛體，在剛體的設置中，軟件會自動賦予爪手相應的質(zhì)量和慣性矩，賦予其真實的物理屬性。為實現(xiàn)氣動手爪模型的功能驗證，把一個氣動手爪的夾緊和釋放動作分解為2個爪手沿著某個方向的滑動。由于研究的模型是雙氣爪，因此需要建立4個滑動副，1個手爪的2個爪手各自定義1個滑動副，滑動副的滑動方向均指向相互靠近的方向，用以模擬仿真手爪的夾緊狀態(tài)。

2 氣動手爪模型的電氣設計

在電氣設計部分，可以設計傳感器、位置控制、速度控制以及MCD內(nèi)部信號配置等內(nèi)容。通過MCD中電氣設計中的位置控制把雙氣爪的每個滑動副的運動速度設置為20 mm/s，并設置滑動副的定位距離為7 mm。在完成機械設計和電氣設計后可以通過播放命令看到氣動手爪的動作仿真，用以驗證機械設計部分和電氣設計中的相關設置是否合適，如圖1所示。

圖1 雙氣爪三維模型

為通過信號控制雙氣爪的2個氣爪的夾緊和松開動作，可以在MCD模塊中的電氣設計中進行信號配置，如圖2所示。

圖2 雙氣爪的信號適配器設置

信號配置的思路是把雙氣動手爪的2個手爪的位置控制中的定位參數(shù)作為機電對象的信號控制參數(shù)，具體地說就是把4個爪手的位置控制中的定位參數(shù)修改為0。設置為0的目的是想通過信號配置實現(xiàn)信號控制參數(shù)的賦值，再添加2個輸入信號，在信號配置的公式中進行編程。圖中對應程序的含義：如果輸入信號qizhua1和qizhua2分別為“1” 狀態(tài)時，位置控制中定位參數(shù)均賦值7 mm，否則為0，由此改變信號控制參數(shù)，通過改變參數(shù)實現(xiàn)MCD中對氣動手爪的位置控制動態(tài)仿真。

同時，需要添加2個輸出信號，用以反饋氣爪的狀態(tài)。在信號適配器中添加輸出信號Sensorout_1和Sensorout_2，分別用來反饋2個手爪的狀態(tài)。在信號適配器中編寫程序，圖2中對應程序的含義：如果qizhua1(qizhua2)信號為“1” 狀態(tài)時，Sensorout1(Sensorout2)信號則為“1” 狀態(tài)，否則為“0” 狀態(tài)。

3 氣動手爪模型的自動化設計

MCD模塊中的自動化設計主要是實現(xiàn)仿真序列、電子凸輪、運行時的NC以及外界信號通信配置等功能。雙氣爪模型通過電氣設計配置了信號適配器的信號及其關聯(lián)動作，接下來添加其仿真序列，以實現(xiàn)信號控制氣動手爪的動態(tài)仿真效果。

在仿真序列中把信號適配器作為仿真序列的機電對象，在運行時，把qizhua1和qizhua2信號均打勾并設置為true。再添加1個仿真序列把qizhua1和qizhua2信號均打勾并設置為false，再復制這2個仿真序列，持續(xù)時間均設置為1 s，把這4個仿真序列創(chuàng)建鏈接后點擊播放即可。

4 基于TCP的MCD虛擬仿真調(diào)試

前文中實現(xiàn)了在NX軟件中利用MCD自動化設計實現(xiàn)通過其內(nèi)部信號控制氣動手爪的夾緊和松開動作的仿真試驗，接下來利用外界虛擬PLC實現(xiàn)對MCD內(nèi)部雙氣爪模型的信號控制。本文作者將S7-1500 PLC的高級仿真器PLCSIM Advanced 2.0作為虛擬PLC，通過TIA15軟件編程并下載到仿真器中，再通過TCP協(xié)議實現(xiàn)虛擬PLC與MCD模塊的通信。信號關系如圖3所示。

圖3 信號關系

從圖3可以看出：本文作者設想在TCP協(xié)議下實現(xiàn)虛擬PLC與MCD模塊之間的信號關聯(lián)，以此實現(xiàn)虛擬PLC控制MCD中虛擬氣動手爪的自動控制。

4.1 S7-1500 PLC組態(tài)及編程下載

在TIA15軟件中添加一款S7-1512C-1PN的PLC，添加一個子網(wǎng)后設置其IP地址為192.168.0.25，這里設置的IP地址與虛擬PLC(PLCSIM Advanced V2.0)中設定的IP地址要一致。在防護與安全的連接機制中需要勾選允許PUT/GET通信訪問。然后，在OB1模塊中調(diào)用開放式用戶通信中的TSEND_C和TRCV_C指令，編程如圖4所示。

圖4 PLC程序

在程序中利用TCP通信指令實現(xiàn)雙氣爪模型與虛擬PLC之間的信號連接，并通過添加2個非優(yōu)化的全局數(shù)據(jù)庫SEND和RECEIVE來分別存放發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。利用旋鈕開關信號M10.0控制qizhua1信號；利用旋鈕開關信號M10.1控制qizhua2信號。通過TCP協(xié)議，把PLC中發(fā)出的qizhua1和qizhua2信號分別映射到MCD氣動手爪模型的qizhua1和qizhua2信號，實現(xiàn)氣爪的夾緊和松開動態(tài)仿真。同時，通過監(jiān)控PLC中接收到的反饋信號Sensor1_feedback和Sensor2_feedback可以看出氣爪的狀態(tài)。為方便監(jiān)控這2個反饋信號，利用Q6.0和Q6.1信號分別作為反饋信號的輸出指示信號。

4.2 MCD中的TCP設定

在MCD中的自動化設計部分進行MCD信號服務器配置，綁定計算機中虛擬網(wǎng)卡的地址192.168.0.24，設置服務端口號，創(chuàng)建一個新的連接，在新的連接中填入虛擬PLC的地址192.168.0.25即可。在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū)會自動識別MCD模塊中的內(nèi)部信號，每一個信號都有一個偏置，這個偏置與PLC接收和發(fā)送的全局數(shù)據(jù)塊中的偏移量對應上即可，不需要再進行信號的映射設置。MCD信號服務器配置如圖5所示。

圖5 MCD信號服務器配置

4.3 虛擬PLC控制氣動手爪仿真實現(xiàn)

首先，將TIA15軟件組態(tài)、編程及下載程序到虛擬PLC后，在MCD模塊中配置信號服務器，實現(xiàn)虛擬PLC與MCD模型的信號連接與信號映射，最后通過動態(tài)仿真實現(xiàn)虛擬PLC控制氣動手爪模型的功能。仿真結(jié)果圖如圖6所示。

從圖6(a)可以：當氣爪1控制信號M10.0為true狀態(tài)時，MCD模塊中的氣爪1處于夾緊狀態(tài)，并且在TIA15軟件的監(jiān)控程序中，顯示了氣爪1的狀態(tài)反饋指示信號為true狀態(tài)；同理，圖6(b)中氣爪2控制信號M10.1為true狀態(tài)時，MCD模塊中的氣爪2處于夾緊狀態(tài)，并且在TIA15軟件的監(jiān)控程序中，顯示氣爪2的狀態(tài)反饋指示信號為true狀態(tài)。

圖6 仿真結(jié)果

5 結(jié)論

本文作者依托于NX MCD平臺，基于數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展，以工業(yè)機器人雙氣爪模型的機電概念設計為主要研究內(nèi)容，利用開放式用戶通信TCP協(xié)議作為橋梁，實現(xiàn)了雙氣爪MCD模型的虛擬調(diào)試(利用虛擬PLC控制氣動手爪模型的三維動態(tài)仿真調(diào)試),為機電一體化概念設計的發(fā)展提供了參考。