基于指尖陀螺設備“以虛證實”的機電概念設計

張藝林, 李 瑋

(西南林業大學機械與交通學院,云南 昆明 650224)

隨著“工業4.0”和“中國制造2025”的不斷深入,制造業進入了一個嶄新的時代,機電概念設計是制造業不可或缺的一部分。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,由于其融合了機械設計、電氣設計、自動化等多個學科,可以解決機械結構和控制的問題,從而達到設計和仿真的目的。很多加工設備在初期設計和研發中,不能預知實際生產、設備運行和調試過程中會產生的問題,常常出現后期安裝調試時不能解決的設備結構及其它控制問題,導致設計失敗,帶來巨大的經濟和時間損失。為了避免出現上述情況,利用機電概念的設計方法,通過創建設備結構模型、MCD設計、電氣及PLC程序設計、MCD與PLC進行數據映射等方式,實現設備機電概念設計,并采用虛擬調試和虛擬仿真來預測和發現設備運行中可能出現的問題,驗證物理設備的設計是否可行和合理,為物理設備的最終設計與實現提供良好的技術支持[1-2]。

1 MCD設計

1.1 搭建模型

指尖陀螺設備主要由吸盤工位、運輸工位、組裝工位和壓制工位等四個工位組成,而吸盤工位主要由X軸電機、Y軸電機、上下氣缸和吸盤組成,運輸工位主要由傳送帶電機、傳送帶和右臺氣缸組成,組裝工位主要由中上氣缸和中下氣缸組成,壓制工位主要由下壓氣缸組成,整體結構如圖1所示。

圖1 整體結構

1.2 創建基本機電對象

基本機電對象是整個虛擬仿真和虛擬調試的基礎,通過添加剛體、碰撞體和對象源等基本機電對象賦予幾何模型基本物理屬性,如質量、慣性、重力和碰撞關系等,使其具備運動仿真的基本條件。以吸盤工位為例,對X軸底座、Y軸底座和吸盤進行了剛體的添加,以便對吸盤吸取軸承套和軸承,放置軸承套和軸承添加位置控制。本文還對傳送帶、右臺氣缸、下壓氣缸、軸承和軸承套等多個零部件進行了相應剛體、碰撞體和對象源的添加。

1.3 創建運動副與約束

基本機電對象中添加的剛體,由于未對其定義運動副和約束,它們的運動是和接觸關系是自由、無限制的,所以需要對添加的剛體進行運動副定義,使它們的運動有序,結構和零件之間更加協調。以吸盤工位為例,對吸盤添加固定副,可以讓吸盤與軸承和軸承套之間實現吸氣和松氣的操作,對X軸電機、Y軸電機和吸盤上下氣缸添加滑動副,實現吸盤的XY軸去各個點位和上下移動的操作,此時各部件的移動是沒有限制的,移動的上下限位置還需要在仿真序列和位置控制中進行添加。

1.4 創建傳感器與執行器

對于導入的三維模型,其大部分部件是需要運動的,而它們的運動需要按照我們給定的姿態、速度、方向和路徑進行,所以需要對各部件的運動副添加位置控制。以吸盤工位為例,對吸盤的XYZ軸添加了位置控制,此外還對其他部件添加了位置控制,如圖2所示。并且本文涉及到了傳送帶以及檢測,還需要添加傳輸面和檢測傳感器,它們作為信號的載體,在添加信號以后可以將設備的運動屬性實時地反饋給PLC,PLC也可以將信號發送給設備,以達到“雙向反饋”的效果。

圖2 傳感器與執行器

1.5 創建仿真序列

對于三維模型創建仿真,可以通過信號適配器和仿真序列來實現,本文采用仿真序列來實現指尖陀螺設備的仿真?；跁r間和控制邏輯對指尖陀螺的壓制過程創建仿真序列以達到對指尖陀螺機動作的控制。以吸盤工位為例,對吸放軸承套創建仿真序列[3-4]。

除吸盤工位需設置仿真序列之外,其他幾個工位都需要設置仿真序列,部分仿真序列如圖3所示。此時的仿真序列未加入信號,可以對創建的機電對象、運動副、執行器和傳感器進行單機驗證,單機驗證無誤后添加信號,將信號加入到仿真序列中可以實現對整機的虛擬調試和PLC程序的驗證。

圖3 仿真序列

2 PLC編程及信號映射

2.1 搭建軟件環境

在我們進行PLC編程之前,需要對博圖里的環境進行設置,以確保我們使用軟件期間的數據安全和通訊穩定。本文采用的CPU是西門子S7-1200系列PLC以及HMI-KTP700,觸摸屏主要用于后期實物調試,組態如圖4所示[5-6]。

圖4 設備組態

2.2 編寫PLC程序

首先根據運動需求定義變量地址和數據類型,列出變量表。然后根據圖的工藝流程和MCD中的運動關系與控制邏輯進行PLC程序編寫,程序分為手動運行程序、初始化程序、報警程序和自動運行程序,手動程序主要用于檢查各零部件和各工位是否能夠正常運作,初始化程序用于設備自動運行前各工位的復位操作,保證了實物調試的安全性,報警程序主要是應對設備自身因素和外部干擾因素所導致的故障,保證了實物調試的安全性同時還能避免零部件的損壞,而自動程序是到達設計要求的核心程序。虛擬調試階段主要以自動運行程序為主,部分自動運行程序如圖5所示[7]。

圖5 部分自動運行程序

2.3 通訊設置

OPC UA是一種不依賴于平臺且具有更高安全性和可靠性的標準。OPC UA技術使用面向服務的體系結構來實現數據交換,通過通信堆棧發送信息,支持用于通信的 HTTP/OPC UA協議,只要端口允許,OPC UA就可以通過任何端口發送數據。由于采用的通訊方式是OPC UA,所以對通訊的環境也要進行設置,在博圖里激活OPC UA服務器,并且新增OPC UA服務器,如圖6所示[8-9]。

圖6 通訊設置

打開OPC SCOUT V10軟件,新增OPC UA服務器,輸入博圖里添加的OPC UA服務器地址opc.tcp://192.168.0.1:4840,將PLC程序中需要映射的變量輸入到OPC UA服務器中,并在程序中運行這些變量。

2.4 信號映射

信號是在MCD和PLC之間進行信號映射,所以要為傳送帶電機、吸盤、下壓氣缸和右臺氣缸等多個控制對象在MCD中添加信號,也就是與PLC程序中所對應的信號[10]。

打開NX主頁的信號映射,選擇OPC UA服務器,輸入服務器地址opc.tcp://192.168.0.1:4840,然后對MCD和PLC的信號進行一一映射,如圖7所示。

圖7 信號映射

3 虛擬調試及實物調試

3.1 虛擬調試

進行信號映射以后,MCD和PLC之間就建立起了通訊,兩者之間就可以實現信號交互。在博圖里將PLC程序下載到虛擬PLC中,打開MCD運行功能模型,將信號添加到運行時查看器中,可以對信號的狀態進行監視。在虛擬調試的過程中,同時打開PLC程序中的監視,對程序運行狀態進行監視,并且與MCD中的信號狀態進行對比,驗證兩者的信號是否同步、有效。在虛擬調試的過程中發現吸盤與右臺氣缸和中臺上下氣缸有干涉以及下壓氣缸和中臺上氣缸有干涉兩個問題,通過在PLC程序中增加吸盤右移的步序與變換XY軸的移動順序和壓制完成后添加延時解決了這兩個問題[11-12]。

通過調試發現PLC程序實時控制了MCD的功能模型,指尖陀螺機的動作過程在MCD中得到了虛擬驗證。如圖8所示,在PLC程序運行到吸盤吸起軸承套時,MCD中的功能模型同時運行到了吸盤吸起軸承套的動作。

圖8 虛擬調試

3.2 實物調試

在虛擬仿真和虛擬調試成功的基礎上,根據功能模型采購和加工零部件,再根據裝配關系裝配實物模型。將虛擬調試所使用的PLC程序下載到實際的PLC中,在觸摸屏中操作進行調試,并且同時運行MCD中的功能模型,結果顯示虛擬模型與實際模型在信號和通訊的作用下到達同步,如圖9所示,并且再次證明了虛擬調試的成功。

圖9 實物調試

4 總結

本文基于NX MCD系統,采用“以虛證實”的方法,在虛擬模型和控制程序之間進行建立通訊,實現數據交互,通過虛擬調試驗證了指尖陀螺機的虛擬模型和程序的正確性,進而證實指尖陀螺機實際模型的可行性和有效性,到達了“以虛證實”的效果。采用此方法可以在早期虛擬調試的過程中發現機械結構和電氣控制等方面的錯誤與缺陷,能夠及時地進行修改,通過不斷的調試和改正,最終到達設計要求,不但可以降低現場的調試風險,而且還可以降低研發周期和研發成本,對機電概念設計的發展具有重要意義。