鄭俊強，徐玉梁，馮治國

（1.貴陽學院機械工程學院，貴陽 550005；2.貴州大學機械工程學院，貴陽 550025）

0 引言

MCD（Mechatronics Concept Designer）是Siemens公司開發(fā)的在新一代數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)（Unigraphics Next Generation，UG NX）環(huán)境下建立3D 模型并實現(xiàn)運動仿真的虛擬平臺[1]?；贛CD 平臺可在產(chǎn)品方案設計階段建立三維模型，設計配套的電氣控制方案，搭建數(shù)字孿生虛擬樣機。在模擬真實工作場景下進行設備的程序運行和運動仿真，驗證機電一體化系統(tǒng)方案的可行性。通過虛擬傳感器獲取機械模型的數(shù)據(jù)信號與PLC實時通信，實現(xiàn)虛擬機電設備工作狀態(tài)的在線監(jiān)控[2]。通過設備的虛實結(jié)合，實現(xiàn)數(shù)字化雙胞胎。

邢學快[3]采用PLC 數(shù)據(jù)匹配的MCD 實現(xiàn)風力發(fā)電機虛擬仿真監(jiān)控，黃海濤[4]基于MCD 平臺設計了空心杯線圈成型裝置，并進行了實驗驗證。吳雁[5]基于MCD 平臺完成了數(shù)控車床上下料機械手機電一體化概念設計與控制仿真，體現(xiàn)了NX MCD 平臺多系統(tǒng)集成性高、概念建模及模擬仿真等優(yōu)勢。林裕程等[6]提出了一種基于NX MCD 的數(shù)控機床軟件在環(huán)虛擬調(diào)試方法，通過PLCSIM Advanced 構(gòu)建虛擬PLC，運用TIA 博圖作為數(shù)據(jù)通訊和實時監(jiān)測的虛擬驗證手段，并以數(shù)控機床的模型和PLC控制程序的聯(lián)合仿真為應用案例。鄭魁敬等[7]以機器人磨削系統(tǒng)為應用案例，提出一種基于三維仿真平臺NX MCD 的機器人自動化生產(chǎn)系統(tǒng)虛擬調(diào)試方法，實現(xiàn)磨削系統(tǒng)、機器人控制器和PLC 控制器的信號實時交互，驗證了基于NXMCD 的機器人自動化生產(chǎn)系統(tǒng)虛擬調(diào)試方案的有效性。代小龍等[8]基于NX MCD進行了沖壓生產(chǎn)線運動仿真研究，驗證了基于NX MCD的自動化沖壓生產(chǎn)線運動仿真的可操作性。王俊杰等[9]提出了一種基于MCD 的并行概念設計理念，運用OPC（OLE for Process Control）通訊技術(shù)作為實時虛擬驗證的實現(xiàn)手段，并用某數(shù)控機床的概念設計過程作為實例驗證。

研究表明，MCD 平臺可廣泛應用于各類機電產(chǎn)品的設計開發(fā)、運行調(diào)試、在線監(jiān)控，能有效縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，降低開發(fā)過程的硬件消耗[10]。

本文以機器人碼垛工作站為研究對象，基于MCD 平臺進行機械系統(tǒng)設計和控制系統(tǒng)PLC程序設計，實現(xiàn)機電一體化系統(tǒng)仿真，并開展調(diào)試實驗，搭建穩(wěn)定可靠的機器人碼垛工作站虛擬樣機模型。

1 機器人碼垛工作站三維模型設計

圖1 所示為機器人碼垛工作站模型簡化圖，采用模塊化設計方法進行機械系統(tǒng)建模，簡化后的模型主要分為4 個模塊：機器人模塊、夾具模塊、鉆床模塊、傳送帶模塊。

圖1 機器人碼垛工作站

機器人模塊由機器人本體和夾具組成，本體采用ABB IRB1200 系列機器人模型。夾具模塊采用伸縮機構(gòu)實現(xiàn)工件的抓取和釋放。

鉆床模塊由可旋轉(zhuǎn)可升降鉆床刀架和鉆頭組成。

傳送帶模塊由進料傳送帶和出料傳送帶組成，進料傳送帶上設置了光電傳感器1 和2，出料傳送帶上設置了光電傳感器3，用于工件的到達檢測。

2 機器人碼垛工作站工作流程設計

機器人碼垛工作站實現(xiàn)的加工作業(yè)：工件的進料搬運、工件鉆孔、工件的出料搬運。

為了設計機器人碼垛工作站電氣控制系統(tǒng)，并在MCD 平臺上進行機電一體化聯(lián)合調(diào)試，先對機器人碼垛工作站的工作流程和動作邏輯進行系統(tǒng)規(guī)劃和設計，圖2 所示為機器人碼垛工作站工作流程。

圖2 機器人碼垛工作站工作流程

圖1 所示位置為機器人、工件、鉆床、傳送帶開機前的初始位置。工作過程中1 個工件加工周期機器人設置了6 條運動路徑。

進料傳送帶的啟動由機器人復位信號控制，停止由光電傳感器2 控制。系統(tǒng)啟動狀態(tài)下當機器人回到初始位置時，進料傳送帶啟動；當光電傳感器2 觸發(fā)時，進料傳送帶停止。出料傳送帶的啟停由光電傳感器3、4 控制，當光電傳感器3 觸發(fā)，傳送帶2啟動；當光電傳感器4觸發(fā)，出料傳送帶停止。

機器人運動軌跡由6 條路徑組成，工作過程中根據(jù)傳感器信號的狀態(tài)邏輯啟動相應的路徑。

鉆床模塊的被控對象包括刀架的旋轉(zhuǎn)、升降、鉆頭的旋轉(zhuǎn)啟停，采集過程信號構(gòu)建控制邏輯。

3 MCD機械屬性設置

3.1 基本機電對象設置

通過機電對象的設置可以賦予三維模型物理屬性，包括重力、摩擦、碰撞等，使之與現(xiàn)實世界中的真實物體具有相同的物理性質(zhì)[11]。

本文采用組件裝配的方式設置機電對象，該方法適用于結(jié)構(gòu)復雜、零部件數(shù)量龐大的機電裝備或生產(chǎn)線，圖3 所示為機器人碼垛工作站MCD模型的機電對象設置結(jié)構(gòu)。

圖3 碼垛工作站機電對象設置結(jié)構(gòu)

其中，以機器人本體為例進行機電對象設置。工業(yè)機械臂由6 個軸組成，仿真過程中6 個軸的位置都發(fā)生運動，且每個軸都繞軸線轉(zhuǎn)動，因此將6 個軸分別設置為剛體，運動副設置為鉸鏈副，如圖4所示。

圖4 機器人本體機電對象設置

3.2 機器人運動路徑規(guī)劃

機器人運動路徑規(guī)劃是機器人碼垛工作站設計的關(guān)鍵，決定了機器人運動的精度和工件抓取的穩(wěn)定性。

MCD 中有反算機構(gòu)和路徑約束運動副兩種方式進行機器人的運動路徑控制[12]。反算機構(gòu)可以在線設定目標位置參數(shù)，適用于目標位置在線更改的自動控制系統(tǒng)，但其運動軌跡的平滑性差，波動較大。路徑約束運動副需預先設定運動軌跡，仿真過程中目標位置不可更改，路徑可控性好，軌跡平滑，適用于運動軌跡固定的控制系統(tǒng)。

本文采用路徑約束運動副進行機器人的運動軌跡控制，創(chuàng)建6 段連續(xù)路徑構(gòu)成機器人全周期運動軌跡，如圖5 所示。每段路徑取起點、終點、中間過渡點3 個點，保證路徑平滑，曲率半徑小。

圖5 機器人運動路徑軌跡

4 MCD信號及數(shù)據(jù)創(chuàng)建

信號是機械模型與電氣控制系統(tǒng)交互的橋梁，機械模型的狀態(tài)反饋、傳感器的信號輸出，控制系統(tǒng)的控制信號輸入均是以信號的方式進行傳遞。

機器人碼垛工作站MCD 模型中以組件為單元進行信號的創(chuàng)建，通過對工作流程的分析共創(chuàng)建各類控制信號29 個。其中，輸入信號12 個，輸出信號17 個。整型數(shù)據(jù)信號11 個，雙精度數(shù)據(jù)信號3個，布爾型數(shù)據(jù)信號15個。表1所示為MCD模型中創(chuàng)建的部分信號。

表1 虛擬碼垛實驗參數(shù)

5 PLC電氣控制設計

采用西門子S7-1500 PLC 進行機器人碼垛工作站控制系統(tǒng)設計，基于西門子自動化集成平臺TIA Portal 進行程序設計和HMI 人機界面設計，如圖6 所示。程序設計了自動模式和手動模式兩種操作模式，程序設計的I/O 信號與MCD 創(chuàng)建的信號匹配。程序在S7-PLCSIM Advanced 虛擬PLC 環(huán)境中運行。將S7-PLCSIM Advanced 虛擬PLC 與MCD 連接，配置I/O 信號，并與MCD中的信號進行映射。

圖6 機器人碼垛工作站人機界面

6 虛擬調(diào)試實驗與結(jié)果分析

機器人碼垛工作站中，對不同質(zhì)量和表面摩擦因數(shù)工件的穩(wěn)定抓取和精確放置是碼垛工作站調(diào)試的重點，也是耗時較長的調(diào)試環(huán)節(jié)。機器人夾具的接觸面積、摩擦因數(shù)、正壓力是影響工件穩(wěn)定抓取的關(guān)鍵因素，機器人放置工件時的運動速度是影響工件精確放置的關(guān)鍵因素。

基于MCD 平臺的機器人碼垛工作站機電一體化模型，開展虛擬碼垛調(diào)試實驗，探索機器人夾具的接觸面積及工件/夾具摩擦因數(shù)一定，夾具穩(wěn)定抓取時，夾具正壓力與工件質(zhì)量之間的關(guān)系。探索機器人放置工件時的運動速度與工件放置精度之間的關(guān)系。實驗參數(shù)及結(jié)果如表1所示。

實驗結(jié)果表明：工件與夾具的摩擦因數(shù)為0.2 時，穩(wěn)定拾取工件所需的夾具正壓力與工件質(zhì)量有關(guān)。當工件質(zhì)量為1 kg時，夾具正壓力大于或等于30 N，可實現(xiàn)工件的穩(wěn)定拾取，夾具正壓力等于20 N 時，機器人運動過程中出現(xiàn)工件滑落；當工件質(zhì)量為2 kg時，夾具正壓力大于或等于60 N，可實現(xiàn)工件的穩(wěn)定拾取，夾具正壓力等于50 N 時，機器人運動過程中出現(xiàn)工件滑落；當工件質(zhì)量為3 kg 時，夾具正壓力大于或等于80 N，可實現(xiàn)工件的穩(wěn)定拾取，夾具正壓力等于70 N時，機器人運動過程中出現(xiàn)工件滑落。

工件與夾具的摩擦因數(shù)為0.2 時，精確放置工件所需的放置速度與工件質(zhì)量有關(guān)。當工件質(zhì)量為1 kg時，放置速度小于或等于0.2 m/s，可實現(xiàn)工件的精確放置，放置速度等于0.3 m/s時，工件放置時出現(xiàn)滑移；當工件質(zhì)量為2 kg時，放置速度小于或等于0.3 m/s，可實現(xiàn)工件的精確放置，放置速度等于0.4 m/s時，工件放置時出現(xiàn)滑移；當工件質(zhì)量為3 kg時，放置速度小于或等于0.4 m/s，可實現(xiàn)工件的精確放置，放置速度等于0.5 m/s時，工件放置時出現(xiàn)滑移。

7 結(jié)束語

采用MCD 數(shù)字化機電產(chǎn)品開發(fā)平臺可同時實現(xiàn)機器人碼垛工作站的機械系統(tǒng)設計、電氣控制系統(tǒng)設計，模擬真實工作環(huán)境完成機電一體化聯(lián)合仿真和虛擬調(diào)試。在機械實體制造前預先進行控制程序設計，基于MCD虛擬模型進行程序的驗證和調(diào)試，在設計階段發(fā)現(xiàn)問題，進行機械和控制系統(tǒng)的優(yōu)化改進。

基于MCD 平臺的機電一體化虛擬調(diào)試模型進行碼垛實驗，獲得了不同質(zhì)量工件穩(wěn)定拾取所需的夾具正壓力和精確放置所需的機器人放置速度。在工件與夾具的摩擦因數(shù)為0.2 的接觸條件下，當工件質(zhì)量為1 kg 時，穩(wěn)定抓取所需的夾具正壓力大于或等于30 N，放置速度小于或等于0.2 m/s；當工件質(zhì)量為2 kg時，穩(wěn)定抓取所需的夾具正壓力大于或等于60 N，放置速度小于或等于0.3 m/s；當工件質(zhì)量為3 kg時，穩(wěn)定抓取所需的夾具正壓力大于或等于80 N，放置速度小于或等于0.4 m/s。對于質(zhì)量為1～3 kg 的工件，夾具正壓力大于或等于80 N，放置速度小于或等于0.2 m/s，可實現(xiàn)工件的穩(wěn)定抓取和精確放置。

相比傳統(tǒng)的基于機械實體的機電系統(tǒng)開發(fā)和現(xiàn)場調(diào)試模式，該方法大大縮短了開發(fā)周期，降低了現(xiàn)場調(diào)試成本和機械結(jié)構(gòu)優(yōu)成本，為機電產(chǎn)品的開發(fā)提供了機電一體化解決方案。