范然然，劉方平，俞宗薏

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545005）

0 引言

傳統(tǒng)的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)根據(jù)產(chǎn)品功能分析，按順序進(jìn)行機(jī)械部分、控制部分和傳感器部分等的設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)過程沒有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)工具平臺(tái)，且設(shè)計(jì)的各個(gè)階段缺乏連貫性和關(guān)聯(lián)性[1-2]。近年來，推出了一款面向多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)，該平臺(tái)是一種全新的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)方案。其名稱為機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)MCD（Mechatronics Concept Designer）[3-4]。

MCD 在多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)及仿真調(diào)試等方面優(yōu)勢明顯?；贛CD 平臺(tái)，通過對機(jī)電一體化產(chǎn)品進(jìn)行虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)仿真以及與其他軟件通信接口集成，可以將機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)和自動(dòng)控制等功能實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)與集成仿真，從而能有效提升機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量[5-7]。基于MCD 對物料分揀搬運(yùn)裝置進(jìn)行虛擬仿真模型構(gòu)建，并使用NX_MCD與TIA 15.1 聯(lián)合虛擬調(diào)試，用來檢驗(yàn)虛擬樣機(jī)的準(zhǔn)確性以及可行性，進(jìn)而為下一步實(shí)物生產(chǎn)提供重要的技術(shù)支持。

1 物料分揀搬運(yùn)裝置虛擬樣機(jī)

物料分揀裝置模型是采用AHK 機(jī)電一體化綜合實(shí)訓(xùn)考試裝置進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)的，由于該裝置僅限于把物料分揀并放置在臺(tái)上，不能更好地將物料進(jìn)行運(yùn)送，所以其在裝置基礎(chǔ)上，優(yōu)化增加了2 個(gè)皮帶輸送機(jī)構(gòu)和物料吸持機(jī)構(gòu)，吸持機(jī)構(gòu)采用磁鐵上電吸合方式將金屬物料吸住，并由滑軌帶動(dòng)到不同位置；皮帶輸送機(jī)構(gòu)則將其中分揀后的物料運(yùn)送到指定位置。因此構(gòu)建出了由滑臺(tái)模組機(jī)構(gòu)單元、推料吸持機(jī)構(gòu)單元、分揀臺(tái)機(jī)構(gòu)單元、輸送機(jī)構(gòu)單元等所組成的物料分揀搬運(yùn)裝置模型，如圖1 所示。該裝置的功能是分揀金屬、非金屬物料，并將其搬運(yùn)到指定位置。

圖1 物料分揀搬運(yùn)裝置模型

圖1 中，物料1、2、3 從上至下分別為非金屬物料、紅色金屬物料以及藍(lán)色金屬物料。金屬和非金屬物料進(jìn)入到推料吸持機(jī)構(gòu)單元擋板槽中，通過推料氣缸將物料推出到分揀槽中。如果是非金屬，則分揀氣缸縮回，非金屬物料落入輸送機(jī)構(gòu)單元的皮帶1（右），皮帶1 運(yùn)送非金屬物料到達(dá)末端。如果表面為藍(lán)色的金屬，則吸料氣缸伸出，吸盤式電磁鐵得電吸持物料，滑臺(tái)模組機(jī)構(gòu)單元將物料運(yùn)送到皮帶2（左），皮帶2 運(yùn)送藍(lán)色金屬物料到達(dá)末端。如果表面為紅色的金屬，則吸料氣缸伸出，吸盤式電磁鐵得電吸持物料，滑臺(tái)模組機(jī)構(gòu)單元將物料運(yùn)送到分揀臺(tái)機(jī)構(gòu)單元的分揀臺(tái)上。

2 機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)

2.1 物理屬性與運(yùn)動(dòng)屬性定義

在MCD 環(huán)境下，確定各機(jī)構(gòu)或元件運(yùn)動(dòng)方式的基礎(chǔ)前，先對裝置中各機(jī)構(gòu)或元件定義物理模型，讓其自身帶有質(zhì)量和慣性等性能[8]。本裝置機(jī)構(gòu)中主要包括了鋼體、碰撞體。定義鋼體，是設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)部件的首要關(guān)鍵，能使裝置機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)的元器件具有運(yùn)動(dòng)屬性，未定義的鋼體其運(yùn)動(dòng)的元器件不具有運(yùn)動(dòng)屬性。定義碰撞體，能使定義的兩個(gè)機(jī)構(gòu)碰撞體間在碰撞下不發(fā)生穿透，未進(jìn)行碰撞體定義的機(jī)構(gòu)或元件可以相互穿透不發(fā)生碰撞關(guān)系。將PVC 黃塊、鐵質(zhì)紅塊、鐵質(zhì)藍(lán)塊創(chuàng)建對象源和對象收集器，對象源可以使仿真物料在開始位置自定義重復(fù)出現(xiàn)，用來作為仿真時(shí)物料的下料來源。對象收集器在物料放置或運(yùn)送完成、傳感器識(shí)別出物料后，使物料可自行消失。

2.2 執(zhí)行器和傳感器定義

物料分揀裝置中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)元件主要包括傳送帶、氣缸、導(dǎo)軌滑臺(tái)等，采用傳輸面和速度控制等執(zhí)行器屬性定義其運(yùn)動(dòng)。將裝置中的傳送帶1 和傳送帶2 的表面創(chuàng)建為傳輸面的電氣屬性，使傳送帶在速度設(shè)定大小下能在指定面形成傳輸效果。給推料氣缸創(chuàng)建速度控制的電氣屬性，使其在速度設(shè)定下也有運(yùn)動(dòng)效果，成為推出物料的執(zhí)行器。同理，為氣缸和絲桿定義執(zhí)行器，賦予速度控制屬性，使它們成為實(shí)現(xiàn)氣缸運(yùn)動(dòng)、絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作的執(zhí)行器。在物料分揀裝置中，共有12 個(gè)傳感器元件，分別對這些傳感器元件進(jìn)行碰撞傳感器屬性的定義，使其能在運(yùn)動(dòng)中作為識(shí)別特性的虛擬傳感器元件。在磁鐵吸合物料處需要?jiǎng)?chuàng)建假設(shè)的碰撞傳感器屬性，使其在磁鐵上電吸合情況下能黏住物料成為一體進(jìn)行搬運(yùn)，此假想的碰撞傳感器在實(shí)物中不存在。

最終，物料分揀裝置創(chuàng)建的執(zhí)行器和碰撞傳感器的定義創(chuàng)建完成。這能使定義了傳輸面和速度控制等執(zhí)行器屬性的機(jī)構(gòu)元件如同于驅(qū)動(dòng)器，能驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，定義了碰撞傳感器的機(jī)構(gòu)元件能自動(dòng)識(shí)別到物料，由此，這些機(jī)構(gòu)元件分別具有了動(dòng)作和感應(yīng)識(shí)別的主動(dòng)性。

2.3 信號(hào)的創(chuàng)建

在MCD 中為裝置創(chuàng)建信號(hào)，裝置的執(zhí)行器及傳感器接收到來自PLC 控制器的信號(hào)后才開始執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作[9-10]。對定義了碰撞傳感器屬性的元件進(jìn)行信號(hào)創(chuàng)建，數(shù)據(jù)類型為布爾型，初始值為False 的輸出型信號(hào)，使其碰撞傳感器識(shí)別到物體后，信號(hào)能由False 值變成True 值，發(fā)出有效的信號(hào)。對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行信號(hào)創(chuàng)建，由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)有多種形式，如推料氣缸，其運(yùn)動(dòng)有伸出、縮回等，因此需要對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行信號(hào)適配。推料氣缸運(yùn)用信號(hào)適配器創(chuàng)建信號(hào)，信號(hào)中氣缸的伸出和縮回運(yùn)動(dòng)為輸入型、氣缸到達(dá)上限位或下限位為輸出型，初始值均為False，同時(shí)為推料氣缸在運(yùn)動(dòng)時(shí)進(jìn)行速度大小定義，到達(dá)上限位或下限位時(shí)，輸出型的信號(hào)同樣發(fā)出True 值。運(yùn)用信號(hào)適配器為各氣缸、皮帶、物塊等執(zhí)行機(jī)構(gòu)創(chuàng)建信號(hào)，使其輸入信號(hào)時(shí)能運(yùn)動(dòng)，到達(dá)運(yùn)動(dòng)位置時(shí)能發(fā)出信號(hào)。

3 PLC控制程序設(shè)計(jì)

根據(jù)裝置的運(yùn)動(dòng)關(guān)系、檢測元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)創(chuàng)建了信號(hào)，輸入端口包括推料氣缸、吸持氣缸和分揀氣缸的上/下限位和各檢測元件等，輸出端口包括推料氣缸、吸持氣缸和分揀氣缸的輸出/縮回、絲桿正/反轉(zhuǎn)、皮帶1/2 的啟動(dòng)等。物料分揀裝置的功能是將金屬和非金屬（PVC 物料）分揀出來，同時(shí)對表面不同顏色的金屬物料進(jìn)行分揀，再由滑臺(tái)進(jìn)行搬運(yùn)，最后由皮帶輸送到指定區(qū)域。為裝置設(shè)計(jì)了手動(dòng)模式和自動(dòng)模式功能的子程序，通過主程序的啟動(dòng)，可進(jìn)行子程序（手動(dòng)模式FB1 或自動(dòng)模式FB2）的調(diào)換。

手動(dòng)模式功能通過手動(dòng)隨機(jī)將同種或不同種物料放入擋板槽中（3 個(gè)計(jì)滿）。3 個(gè)放滿后，擋板槽底端的2 個(gè)傳感器對底端物料進(jìn)行檢測，同時(shí)推料氣缸伸出將底端物料推入分揀槽中，側(cè)邊傳感器檢測后則可進(jìn)行物料不同區(qū)域分揀。物料搬運(yùn)或由皮帶運(yùn)送到指定位置完成后，滑塊（分揀吸持機(jī)構(gòu)單元）到位置1 時(shí)則繼續(xù)推出物料，直至擋板槽中沒有物料為止。

自動(dòng)模式其功能與手動(dòng)模式有所不同，不同之處是放置物料的方式是通過加料按鈕，自動(dòng)將不同種物料放入擋板槽中（3 個(gè)計(jì)滿）。下一步的程序流程則與手動(dòng)模式相同。PLC控制程序設(shè)計(jì)如圖2所示。

分揀槽中物料為非金屬PVC 物料，分揀氣缸縮回，分揀擋板打開，物料落入皮帶1 中，傳感器檢測到物料，皮帶1 啟動(dòng)將物料運(yùn)載至指定位置，傳感器檢測到位，皮帶1停止，則物料搬運(yùn)完成。

若分揀槽中物料為金屬，且表面顏色為藍(lán)色，則吸持氣缸伸出，磁鐵上電吸住物料，吸持氣缸縮回，縮回到位后電機(jī)啟動(dòng)正轉(zhuǎn)，將物料搬運(yùn)至皮帶2 處，到位后吸持氣缸伸出，伸出到位后磁鐵失電物料釋放，物料落入皮帶2 中，傳感器檢測到物料，皮帶2啟動(dòng)將物料運(yùn)載至指定位置，傳感器檢測到位，皮帶2 停止，則物料搬運(yùn)完成。同時(shí)，在磁鐵失電釋放期間，吸持氣缸縮回，縮回到位后電機(jī)啟動(dòng)反轉(zhuǎn)，到達(dá)原點(diǎn)處則電機(jī)停止。若分揀槽中物料為金屬，且表面顏色為紅色，則吸持氣缸伸出，磁鐵上電吸住物料，吸持氣缸縮回，縮回到位后電機(jī)啟動(dòng)正轉(zhuǎn)，將物料搬運(yùn)至位置2，到達(dá)指定位置后磁鐵失電物料釋放，物料落入分揀臺(tái)上，則物料搬運(yùn)完成。同時(shí)，在磁鐵失電釋放后，電機(jī)啟動(dòng)反轉(zhuǎn)，到達(dá)原點(diǎn)處則電機(jī)停止。

4 MCD與PLC聯(lián)合虛擬調(diào)試

由MCD平臺(tái)與TIA Portal程序編程之間進(jìn)行信號(hào)映射，實(shí)現(xiàn)兩者信號(hào)互聯(lián)互通，通過啟動(dòng)虛擬PLC 控制器為程序編輯下載，驅(qū)動(dòng)物料分揀裝置運(yùn)動(dòng)邏輯控制。實(shí)現(xiàn)整個(gè)調(diào)試系統(tǒng)的工作運(yùn)行驗(yàn)證，如圖3所示。

圖3 裝置虛擬調(diào)試搭建

MCD 平臺(tái)除了可進(jìn)行建模與仿真外，也能跟可編程軟件進(jìn)行通信連接、模擬運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也具備本設(shè)計(jì)與TIA Portal 通信連接的特質(zhì)。TIA Portal 可完成PLC 編程和仿真工作，以對設(shè)計(jì)對象進(jìn)行快速編程、調(diào)試及監(jiān)控等，并能對設(shè)計(jì)過程的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，能在一個(gè)統(tǒng)一平臺(tái)上進(jìn)行所有操作。虛擬PLC 控制器采用S7-PLCSIM Advanced 仿真器軟件代替S7-1500 控制器作虛擬控制。通過在MCD 中建立I/O 信號(hào)，以觸發(fā)形式為外部控制器與物料分揀裝置模型搭建連接提供有效條件。上述章節(jié)中，裝置模型已經(jīng)創(chuàng)建了各執(zhí)行機(jī)構(gòu)和檢測元件的信號(hào)，同時(shí)在可編程控制軟件TIA Portal 中根據(jù)裝置模型信號(hào)創(chuàng)建了相同的變量，而且為裝置組成機(jī)構(gòu)編輯了PLC 控制程序。外部信號(hào)配置成功后，通過搭建信號(hào)映射，實(shí)現(xiàn)可直接由PLC 指令程序?qū)ξ锪戏謷b置中執(zhí)行機(jī)構(gòu)和檢測元件進(jìn)行控制。

虛擬調(diào)試仿真的驗(yàn)證是對裝置模型的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)行為和PLC 程序編程邏輯等做出的可行的驗(yàn)證。如圖4 所示，裝置模型已創(chuàng)建完成、模型中運(yùn)動(dòng)的部件等信號(hào)創(chuàng)建完成、PLC 程序編程完成、HMI 觸摸屏畫面及變量設(shè)計(jì)完成、MCD 中裝置內(nèi)部信號(hào)和PLC變量信號(hào)映射完成?，F(xiàn)根據(jù)啟動(dòng)虛擬PLC 控制器（S7-PLCSIM Advanced）和PLC 編程軟件，將程序下載至虛擬PLC 控制器，啟動(dòng)程序監(jiān)視，同時(shí)啟動(dòng)HMI觸摸屏仿真、MCD 仿真，根據(jù)HMI 觸摸屏畫面中的啟動(dòng)、停止加料按鈕觀察MCD 裝置模型的運(yùn)動(dòng)情況，來驗(yàn)證裝置模型的運(yùn)動(dòng)邏輯以及PLC 程序設(shè)計(jì)和觸摸屏顯示的可行性。

圖4 MCD 與TIA聯(lián)合仿真運(yùn)行

5 小結(jié)

項(xiàng)目組設(shè)計(jì)的裝置由4 個(gè)機(jī)構(gòu)單元組成。建立各機(jī)構(gòu)單元的虛擬樣機(jī)，通過裝配約束搭建出物料分揀裝置虛擬樣機(jī)模型。為各需要運(yùn)動(dòng)元件進(jìn)行物理、運(yùn)動(dòng)和執(zhí)行器/傳感器屬性定義，同時(shí)為裝置進(jìn)行信號(hào)搭建，通過在MCD 中創(chuàng)建的裝置組成機(jī)構(gòu)的I/O 信號(hào)和在TIA Portal 中創(chuàng)建的PLC 變量之間進(jìn)行信號(hào)映射聯(lián)系，建立了物料分揀裝置的MCD 虛擬調(diào)試系統(tǒng)。最后通過運(yùn)行虛擬PLC 控制器，驗(yàn)證了物料分揀裝置的控制邏輯關(guān)系與設(shè)計(jì)期望功能的一致性，為進(jìn)一步生產(chǎn)加工制造奠定了堅(jiān)實(shí)的調(diào)試基礎(chǔ)，也為無實(shí)物調(diào)試提供了重要的技術(shù)支撐。