狄 波，馮國明，王 彬

（濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250022）

1 沖壓自動化調(diào)試現(xiàn)狀

沖壓自動化調(diào)試過程中的設(shè)備送料部分，以沖壓線壓機(jī)間的雙臂送料以及單臺多工位壓機(jī)內(nèi)部的送料為例。實(shí)際最終客戶提出了設(shè)備需求之后，需要設(shè)備制造商廠家進(jìn)行機(jī)械概念設(shè)計，然后進(jìn)行細(xì)節(jié)工程設(shè)計包括：機(jī)械設(shè)計、電氣設(shè)計以及軟件設(shè)計，最后調(diào)試階段需要真實(shí)設(shè)備安裝完成之后再進(jìn)行電氣調(diào)試，這些階段基本都是串行進(jìn)行的。引入的虛擬調(diào)試數(shù)字孿生技術(shù)，其中機(jī)械細(xì)節(jié)工程設(shè)計階段，機(jī)械設(shè)計、電氣設(shè)計以及軟件設(shè)計就可以基本實(shí)現(xiàn)并行設(shè)計，這樣就變成了協(xié)作工程設(shè)計，會極大的縮短調(diào)試時間（圖1）。

2 虛擬調(diào)試技術(shù)原理及實(shí)現(xiàn)

2.1 虛擬調(diào)試的概念

虛擬調(diào)試全稱Virtual Commissioning，也稱為數(shù)字孿生Digital Twin，通過虛擬調(diào)試可以提前測試沖壓自動化干涉等問題隱患，測試PLC 程序內(nèi)部的故障邏輯，也可以實(shí)現(xiàn)工程人員提前進(jìn)行培訓(xùn)和操作演練，能夠帶來時間、人工以及材料成本的節(jié)約。

2.2 虛擬調(diào)試技術(shù)理論介紹

虛擬調(diào)試通常由硬件在環(huán)和軟件在環(huán)兩種方式，其中硬件在環(huán)（圖2）是指利用實(shí)際的PLC 以及SIMIT Unit 仿真邏輯程序以及自動化過程，利用NX MCD 仿真工藝和機(jī)械部件運(yùn)動，利用SIMIT 軟件仿真電氣自動化的行為。

圖2 硬件在環(huán)虛擬調(diào)試

軟件在環(huán)虛擬調(diào)試如圖3 所示，基本原理就是所有的仿真均為軟件仿真，在計算機(jī)上完成全部仿真過程。針對硬件在環(huán)，利用PLCSIM Adv 仿真PLC 程序邏輯，利用Wincc Runtime 仿真HMI，NX MCD（機(jī)電一體化概念設(shè)計）仿真設(shè)備的運(yùn)動。這樣整體組成了純粹的軟件仿真。

圖3 軟件在環(huán)虛擬調(diào)試

2.3 虛擬調(diào)試基本行為建模（圖4）

圖4 驗證沖壓自動化運(yùn)動控制功能

2.3.1 自動化模型

利用PLCSIM Advanced 構(gòu)建項目中沖壓自動化設(shè)備中實(shí)際運(yùn)動軸對應(yīng)的工藝對象，工藝對象向驅(qū)動部分發(fā)送經(jīng)過PLC內(nèi)部位置環(huán)運(yùn)算插補(bǔ)后的速度設(shè)定值。

2.3.2 行為模型

利用SIMIT 構(gòu)建報文轉(zhuǎn)換器，將PLC 側(cè)速度設(shè)定作為輸入，通過接收到實(shí)際NX MCD 設(shè)備運(yùn)動反饋的位置信息，通過輸出發(fā)送給PLC 作為位置反饋。

2.3.3 3D 物理運(yùn)動模型

通過NX 軟件可以進(jìn)行機(jī)械部件的3D 設(shè)計，并且利用NX MCD 對機(jī)械部件賦予物理屬性，例如剛體、碰撞體以及運(yùn)動副的約束，通過速度控制、位置控制賦予運(yùn)動控制屬性，通過MCD Coupling 方式與SIMIT 仿真軟件互通。

3 虛擬調(diào)試實(shí)現(xiàn)過程及沖壓自動化上實(shí)際應(yīng)用

3.1 虛擬調(diào)試實(shí)現(xiàn)過程

3.1.1 NX MCD 設(shè)計

NX 軟件本身可以進(jìn)行機(jī)械部件的建模，可以將沖壓自動化設(shè)備各個部件進(jìn)行建模裝配，如果部件本身是由其他設(shè)計軟開發(fā)的，NX 軟件也可以導(dǎo)入3D 文件。上述兩種方式都可以獲取設(shè)備的裝配總圖。導(dǎo)入之后進(jìn)行打包分組如圖5 所示，根據(jù)自動化設(shè)備本身的運(yùn)動特性，例如雙臂橫桿是整體送進(jìn)方向移動的，將橫桿和相關(guān)的部件歸結(jié)為一個整體?？梢砸苿拥慕M件可以整體設(shè)定為剛體，也可以依據(jù)機(jī)械設(shè)計過程中剛體部件的質(zhì)量和質(zhì)心制定慣性矩也就是慣量，依據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況設(shè)定相關(guān)平面的摩擦因數(shù)。

圖5 NX MCD 設(shè)計

針對設(shè)置好的剛體、碰撞體、傳輸面、對象源、對象收集器以及碰撞傳感器之后，針對機(jī)械結(jié)構(gòu)本身實(shí)際設(shè)計的運(yùn)動屬性，設(shè)定相關(guān)的約束，如滑動副、固定副、柱面副、鉸鏈副、球副或者齒輪和凸輪耦合等運(yùn)動學(xué)屬性。本應(yīng)用使用了鉸鏈副、滑動副以及固定副，組成運(yùn)動副的兩個機(jī)械構(gòu)建只能繞某一軸線作相對旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動副，鉸鏈副具有一個旋轉(zhuǎn)自由度。滑動副：組成運(yùn)動副的兩個構(gòu)件之間只能按照某一方向作相對移動，滑動副具有一個平移自由度，固定副將一個構(gòu)件固定到另一個構(gòu)件上，固定副所有自由度均被約束，自由度為零。

針對相關(guān)的運(yùn)動副設(shè)定運(yùn)動控制關(guān)系，例如速度控制、位置控制等信息。本應(yīng)用主要進(jìn)行了位置控制和速度控制，位置控制驅(qū)動運(yùn)動副的軸以一定預(yù)設(shè)的恒定速度運(yùn)動到某一預(yù)設(shè)位置，并且限制運(yùn)動副的自由度。速度控制驅(qū)動運(yùn)動副的軸以一預(yù)設(shè)的恒定速度運(yùn)動（圖6）。

圖6 定義位置控制或速度控制

NX MCD 設(shè)置的相關(guān)變量信息在進(jìn)行仿真時通過設(shè)置MCD Coupling 的方式與SIMIT 軟件進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

3.1.2 SIMIT 設(shè)計

SIMIT 設(shè)計連接主要包含兩個部分與NX MCD 的連接通過MCD Coupling 的方式，與PLCSIM Adv 的連接通過默認(rèn)的設(shè)定即可，SIMIT 耦合方式如圖7 所示。

圖7 SIMIT 耦合方式

本應(yīng)用使用的PLCSIM Advanced 和Mechatronics Concept Designer 耦合方式。

SIMIT 主要是仿真行為模型以及驅(qū)動報文，NX MCD 定義好相關(guān)的速度或位置控制后，SIMIT 仿真驅(qū)動報文關(guān)聯(lián)耦合相應(yīng)的NX MCD 中反饋的實(shí)際位置和速度。本應(yīng)用使用了2 號報文，關(guān)聯(lián)相關(guān)的輸入輸出數(shù)據(jù)（圖8）。

圖8 SIMIT 驅(qū)動報文仿真

SIMIT 還能進(jìn)行行為模型的仿真，例如沖壓自動化設(shè)備上的操作按鈕、模式開關(guān)以及急停按鈕等（圖9）。

圖9 操作按鈕、模式切換以及急停等信息

SIMIT 還可以依據(jù)實(shí)際使用情況編寫相關(guān)的信號邏輯、數(shù)學(xué)運(yùn)算等，本應(yīng)用所使用的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換運(yùn)算如圖10 所示。

圖10 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換運(yùn)算

3.1.3 PLCSIM 和HMI

SIMIT 采用了PLCSIM Advanced 的耦合方式，啟動SIMIT 仿真時會自動開啟一個PLCSIM Advanced 的實(shí)例，這樣TIA Portal程序通過該實(shí)例進(jìn)行在線連接下載，相應(yīng)的程序就會在PLCSIM Advanced 的實(shí)例里面運(yùn)行，至此整個虛擬仿真的搭建完畢。

3.2 實(shí)例應(yīng)用

實(shí)際的實(shí)例應(yīng)用到壓機(jī)與壓機(jī)間的雙臂送料以及多工位送料中：①NX MCD 與SIMIT 采用了Mechatronics Concept Designer 耦合方式；②PLC 程序邏輯仿真采用了PLCSIM Advanced；③PLCSIM Advanced 與SIMIT 采用了PLCSIM Advanced耦合方式；④仿真了送料的單次、連續(xù)、循環(huán)停止以及急停等主要功能；⑤采用了軟件在環(huán)的虛擬調(diào)試技術(shù)。

4 結(jié)束語

目前使用虛擬已經(jīng)應(yīng)用到多個項目，優(yōu)點(diǎn)如下：①節(jié)省調(diào)試時間。在機(jī)械設(shè)計3D 圖紙完成之后，就可以進(jìn)行調(diào)試，不需要設(shè)備安裝，縮短了調(diào)試時間；②避免程序邏輯問題導(dǎo)致機(jī)械部件損壞。虛擬調(diào)試軟件在環(huán)，在計算機(jī)上進(jìn)行調(diào)試，重要功能可以提前檢查處程序錯誤，避免由于程序的邏輯問題造成機(jī)械部件損壞，更好更快的完善程序；③培訓(xùn)以及客戶展示。針對客戶的培訓(xùn)以及展示，使用計算機(jī)即可，可以在實(shí)際設(shè)備未完成調(diào)試之前，就可以培訓(xùn)以及向客戶展示，設(shè)備的主要功能，非常形象和直觀。

隨著中國制造2025 和中國制造2035 發(fā)展規(guī)劃的提出，國家大力發(fā)展數(shù)字化工業(yè)，虛擬調(diào)試數(shù)字孿生作為數(shù)字化的重要環(huán)節(jié)，將發(fā)揮越來越重要的作用。