鄭星浩, 李 瑋

(西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院,云南 昆明 650000)

2022年,昆明市花卉種植面積達(dá)2.55萬 hm2,鮮切花產(chǎn)量105.01億枝,綜合產(chǎn)值達(dá)361.17億元。本文以玫瑰精油瓶裝生產(chǎn)線為研究對象,提出了一種基于NX MCD的機(jī)電概念設(shè)計用于虛擬模型與實際設(shè)備的虛實同步的方法。通過NX MCD設(shè)計出玫瑰精油瓶裝生產(chǎn)線的三維虛擬數(shù)字化模型,設(shè)置部件的剛體、碰撞體、運(yùn)動副、約束等賦予其部件的基本物理、機(jī)電屬性;依據(jù)玫瑰精油瓶裝生產(chǎn)線的工藝流程,在博途(TIA)軟件中利用基本指令編輯設(shè)備所對應(yīng)的程序。PLC程序與MCD的虛擬同步是靠PLCSIM Advanced軟件,其能夠?qū)崿F(xiàn)PLC程序與MCD的數(shù)據(jù)交互與控制,從而對玫瑰精油瓶裝生產(chǎn)線進(jìn)行虛實同步的調(diào)試與控制。該設(shè)計的出現(xiàn)可使設(shè)備自動化、小型化、簡化操作、降低成本以及價格等需求得以實現(xiàn),能夠有效提高勞動生產(chǎn)效率,減少勞動力需求量,對于制造行業(yè)的發(fā)展有重大意義。

1 基于NX UG的玫瑰精油瓶裝生產(chǎn)線的三維模型

三維模型的創(chuàng)建以實際設(shè)備為本,對玫瑰精油瓶裝生產(chǎn)線的各個工位的大小、長度進(jìn)行精確計算與測量,以保證玫瑰精油瓶裝生產(chǎn)線在虛擬環(huán)境調(diào)試中與實際設(shè)備相吻合。設(shè)備主要組成的部件有振動盤、輸送鏈、機(jī)械手、精油瓶裝盤等,氣缸控制機(jī)械手的夾取松開等。圖1所示為玫瑰精油瓶裝生產(chǎn)線的三維模型圖。

圖1 玫瑰精油瓶裝生產(chǎn)線的三維模型

圖2 總工藝流程圖

2 玫瑰精油瓶裝生產(chǎn)線的總工藝流程

創(chuàng)建的玫瑰精油瓶裝生產(chǎn)線三維模型導(dǎo)入NX MCD中,依據(jù)玫瑰精油瓶裝生產(chǎn)線的設(shè)計目標(biāo)對設(shè)備進(jìn)行工藝流程的主分析,對設(shè)備各工位工作過程與其功能進(jìn)行細(xì)分與設(shè)計,玫瑰精油瓶裝生產(chǎn)線的工藝流程如圖 2 所示。

工藝流程為:設(shè)備啟動,輸送鏈啟動,玫瑰精油瓶通過輸送鏈到達(dá)指定位置后停止。振動盤啟動將瓶蓋移動到指定位置,識別瓶身跟瓶蓋的顏色。如果不一致,組裝機(jī)械臂啟動,機(jī)械爪將瓶蓋夾取移走的同時振動盤啟動,下一個瓶蓋移至指定位置。顏色一致后,組裝機(jī)械臂啟動,組裝夾爪抓取并固定瓶身后組裝機(jī)械臂復(fù)位。搬運(yùn)機(jī)械臂啟動,搬運(yùn)夾爪抓取玫瑰精油瓶,根據(jù)顏色、位置移至放置盤中,搬運(yùn)機(jī)械臂復(fù)位等待下一次工作。

3 各工位間的設(shè)計過程與PLC部分編程

由于設(shè)備的復(fù)雜性以及各設(shè)備間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,將小型香水組裝設(shè)備分為4個工位。其中,各個工位分工不同但又相互關(guān)聯(lián)。

輸送鏈機(jī)構(gòu)為工位一。香水瓶身放置在輸送鏈上,通過電機(jī)給予輸送鏈動力,使之帶動香水瓶身移動至顏色識別傳感器1識別位置范圍內(nèi)并檢測香水瓶顏色。

在對輸送鏈機(jī)構(gòu)賦予機(jī)電對象屬性時,PLC程序同時也對它進(jìn)行運(yùn)動控制,如圖3所示。

圖3 輸送鏈機(jī)構(gòu)及PLC程序

震動盤裝置為工位二,如圖4所示。玫瑰精油瓶蓋在震動盤裝置中通過震動方式沿路徑移動至顏色識別傳感器2識別范圍內(nèi)檢測玫瑰精油瓶蓋的顏色。

圖4 震動盤裝置及PLC程序

輸送鏈機(jī)構(gòu)(工位一)工作,香水瓶身顏色受到檢測的同時震動盤(工位二)啟動,瓶蓋運(yùn)動并檢測顏色。

組裝機(jī)械手機(jī)構(gòu)為工位三,如圖5所示。在輸送鏈機(jī)構(gòu)(工位一)與震動盤(工位二)完成動作并識別顏色結(jié)束后,組裝機(jī)械手(工位三)工作機(jī)械手的運(yùn)動分為兩種:玫瑰精油瓶身與瓶蓋的顏色不一致,機(jī)械手動作,機(jī)械爪下移到規(guī)定位置夾取瓶蓋,將瓶蓋丟棄;玫瑰精油瓶身與瓶蓋顏色一致,機(jī)械手動作,機(jī)械爪下移到指定位置夾取瓶蓋后運(yùn)動到瓶蓋處進(jìn)行組裝。

圖5 組裝機(jī)械手機(jī)構(gòu)及其PLC程序

擺盤機(jī)械手為工位四,如圖6所示。在輸送鏈機(jī)構(gòu)(工位一)與震動盤(工位二)完成動作并識別顏色結(jié)束,組裝機(jī)械手(工位三)完成組裝工作并復(fù)位后,擺盤機(jī)械手到已組裝完成的玫瑰精油瓶處夾取,通過顏色識別傳感器反饋到的顏色進(jìn)行分庫位擺放(設(shè)置1-3,7-9,庫位擺放紅色玫瑰精油瓶,4-6庫位擺放黑色玫瑰精油瓶)。

圖6 擺盤機(jī)械手以及PLC程序

圖7 剛體與碰撞體

圖10 信號適配器設(shè)置

4 NX MCD設(shè)計

4.1 機(jī)電對象的創(chuàng)建

由于NX MCD中的零件在三維模型中機(jī)電對象屬性屬于缺失狀態(tài),即它并不滿足物理系統(tǒng)控制下的各種運(yùn)動的屬性,只有授予其機(jī)電對象的基礎(chǔ)特征后,才能夠滿足軟件中的運(yùn)動仿真效果。本文對機(jī)床的零部件部分等設(shè)置了對應(yīng)的剛體和碰撞體基本屬性參數(shù),如圖 7 所示。

4.2 運(yùn)動副與約束的創(chuàng)建

兩零件間相互碰撞可動的部分構(gòu)成了運(yùn)動副,運(yùn)動副定義性表達(dá)了實際零件的虛擬運(yùn)動過程,常見的運(yùn)動副包含鉸鏈副、固定副、 滑動副、柱面副和球副等。圖 8 所示為本設(shè)計對玫瑰精油瓶裝模型的運(yùn)動副設(shè)置。

4.3 傳感器與執(zhí)行器的構(gòu)建

對于部件運(yùn)動屬性而言,需要在MCD中設(shè)置的運(yùn)動副完成對運(yùn)動位置和運(yùn)動速度的設(shè)計將其變?yōu)閳?zhí)行機(jī)構(gòu),目的在于部件可符合設(shè)計要求運(yùn)動到指定的位置并反饋信號至PLC中。設(shè)備中的組裝機(jī)械爪、搬運(yùn)機(jī)械爪、 搬運(yùn)X軸、Y軸、Z軸和輸送鏈和振動盤等具有運(yùn)動屬性,因此本文對它們進(jìn)行了位置的控制和速度的控制設(shè)置,如圖 9 所示。

4.4 信號與信號適配器的設(shè)置

在NX MCD的三維立體模型中,信號類型為輸入與輸出之分,輸入信號是外部設(shè)備信號輸送到NX MCD虛擬模型中,輸出信號為MCD模型傳輸至外部設(shè)備信號。信號適配器(Signal Adapter)的功能為編寫公式和創(chuàng)建信號,從而控制機(jī)電對象完成要求。創(chuàng)建包含信號的信號適配器后,會在機(jī)電導(dǎo)航器中自動創(chuàng)建信號對象,可以使用該信號連接到外部信號,也可以在MCD內(nèi)使用仿真序列命令控制該信號。在一個信號適配器中可以包含若干個信號和公式。

本文利用信號及信號適配器來對需要信號處理的機(jī)械爪、輸送鏈、振動盤等機(jī)構(gòu)設(shè)置。如圖 10所示。

5 虛擬調(diào)試

5.1 PLC與MCD虛擬調(diào)試

該設(shè)計利用PLC的程序與MCD的運(yùn)動仿真的協(xié)同完成虛擬仿真調(diào)試,下一步在聯(lián)合實際設(shè)備來完成虛實同步調(diào)試。首先,使用Advanced 軟件連接PLC與MCD軟件的程序,將信號互相對應(yīng)起來,完成程序間的虛擬調(diào)試。將編程好的PLC程序灌入實際設(shè)備中,利用PLC中HMI觸摸屏來控制程序的啟停、手自動運(yùn)行、報警、復(fù)位等一系列操作,再將虛擬調(diào)試與實際設(shè)備相連,實際設(shè)備與MCD中虛擬設(shè)備運(yùn)行基本一致,這就是虛實同步完成的標(biāo)志。

5.2 調(diào)試結(jié)果

調(diào)試過程中,三維虛擬模型部分零部件的虛擬大小與實際相差較大,導(dǎo)致虛擬仿真中瓶身瓶蓋相合位置不一、玫瑰精油瓶擺放設(shè)定距離偏離庫位、搬運(yùn)機(jī)械手與擺盤機(jī)械手無法夾取玫瑰精油瓶等問題的出現(xiàn)。利用改變零部件尺寸或精確測量三維模型中部件運(yùn)動位置的數(shù)值,改變運(yùn)動副或信號中設(shè)定好的位置。

玫瑰精油瓶身與瓶蓋為圓柱形內(nèi)壁,對于在虛擬模型中玫瑰精油瓶安裝不合問題,提出兩種解決方案:

(1)改變碰撞體的碰撞形狀,將瓶蓋內(nèi)部改為網(wǎng)格面或圓柱。

(2)利用對象變換器,在瓶身瓶蓋結(jié)合的瞬間改為一個完整的玫瑰精油瓶模型,從而解決問題。

玫瑰精油瓶兩種顏色擺放庫位不一的問題也提出兩種方案:

(1)通過MCD中的擺盤機(jī)械手的運(yùn)動位置設(shè)置及通過運(yùn)動仿真調(diào)試中設(shè)置運(yùn)動實際位置來解決。

(2)利用PLC程序,在程序中控制機(jī)械手的運(yùn)動距離和擺盤位置,從而達(dá)到目標(biāo)。如圖 6 程序所示。

在進(jìn)行實際設(shè)備與虛擬設(shè)備調(diào)試過程中,出現(xiàn)的最大問題則為實際設(shè)備運(yùn)行要比虛擬設(shè)備運(yùn)行慢,針對這一問題,提供了兩種解決思路:

(1)改變PLC中電機(jī)轉(zhuǎn)速,從而改變實際設(shè)備的運(yùn)行速度。

(2)改變MCD中虛擬模型部件設(shè)置的速度,多次測試,完成虛實同步的設(shè)計要求。

通過設(shè)備的虛實同步的完成,實現(xiàn)三維虛擬模型和實際設(shè)備的映射聯(lián)合、以實控虛、以虛控實的設(shè)計目的。

6 結(jié)束語

本文利用NX UG軟件設(shè)計玫瑰精油生產(chǎn)線,導(dǎo)入到NX MCD軟件中進(jìn)行運(yùn)動虛擬仿真設(shè)計,同時依據(jù)工藝流程編寫相對應(yīng)的PLC程序及HMI觸摸屏,借助S7-PLCSIM Advanced軟件相連接,通過虛擬調(diào)試來驗證程序的可行性及工藝流程的準(zhǔn)確性,從而表明基于MCD的玫瑰精油生產(chǎn)線設(shè)計的可實現(xiàn)性。通過虛擬調(diào)試,精準(zhǔn)及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行時出現(xiàn)的各種問題,可以一定程度降低現(xiàn)場調(diào)試時實際設(shè)備中出現(xiàn)錯誤或缺陷的風(fēng)險,其調(diào)試結(jié)果也會更真實可靠,在處理各種問題的同時積累經(jīng)驗并完成預(yù)期的設(shè)計需求,有利于減少項目資金與時間成本。

也可根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備解決問題的思路方法為其他同類設(shè)備問題提供解決思路。研究該類型的自動化生產(chǎn)線,完成自動化加工處理,為此類型企業(yè)及其教學(xué)場所提供特定定制生產(chǎn)線,實現(xiàn)自動控制生產(chǎn)的有效解決方案,改變企業(yè)原有的生產(chǎn)加工設(shè)備的落后現(xiàn)狀或教學(xué)場所設(shè)備稀缺、無法實際學(xué)習(xí)的現(xiàn)狀,大幅度改善生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境,滿足該行業(yè)生產(chǎn)及教學(xué)需求,提升工廠的生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和教學(xué)質(zhì)量。為工廠大部分復(fù)雜設(shè)備出現(xiàn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)問題及操作復(fù)雜、虛實結(jié)合無法同步等問題提供設(shè)計思路與方向,利用三維機(jī)械模型的設(shè)計,驗證機(jī)械結(jié)構(gòu)的操作性、可靠性和合理性,依據(jù)虛擬模型的設(shè)計、運(yùn)行和調(diào)試模型來提前預(yù)知設(shè)備運(yùn)行中可能會產(chǎn)生的問題,避免出現(xiàn)因設(shè)備損壞等不可逆轉(zhuǎn)的問題造成的嚴(yán)重人身安全及設(shè)備損失,更好地進(jìn)行設(shè)備后期的改良。