基于指尖陀螺设备“以虚证实”的机电概念设计

张艺林, 李 玮

(西南林业大学机械与交通学院,云南 昆明 650224)

随着“工业4.0”和“中国制造2025”的不断深入,制造业进入了一个崭新的时代,机电概念设计是制造业不可或缺的一部分。NX软件中的机电概念设计模块(MCD)可以用于三维模型的机械设计、电气设计和自动化设计,由于其融合了机械设计、电气设计、自动化等多个学科,可以解决机械结构和控制的问题,从而达到设计和仿真的目的。很多加工设备在初期设计和研发中,不能预知实际生产、设备运行和调试过程中会产生的问题,常常出现后期安装调试时不能解决的设备结构及其它控制问题,导致设计失败,带来巨大的经济和时间损失。为了避免出现上述情况,利用机电概念的设计方法,通过创建设备结构模型、MCD设计、电气及PLC程序设计、MCD与PLC进行数据映射等方式,实现设备机电概念设计,并采用虚拟调试和虚拟仿真来预测和发现设备运行中可能出现的问题,验证物理设备的设计是否可行和合理,为物理设备的最终设计与实现提供良好的技术支持[1-2]。

1 MCD设计

1.1 搭建模型

指尖陀螺设备主要由吸盘工位、运输工位、组装工位和压制工位等四个工位组成,而吸盘工位主要由X轴电机、Y轴电机、上下气缸和吸盘组成,运输工位主要由传送带电机、传送带和右台气缸组成,组装工位主要由中上气缸和中下气缸组成,压制工位主要由下压气缸组成,整体结构如图1所示。

图1 整体结构

1.2 创建基本机电对象

基本机电对象是整个虚拟仿真和虚拟调试的基础,通过添加刚体、碰撞体和对象源等基本机电对象赋予几何模型基本物理属性,如质量、惯性、重力和碰撞关系等,使其具备运动仿真的基本条件。以吸盘工位为例,对X轴底座、Y轴底座和吸盘进行了刚体的添加,以便对吸盘吸取轴承套和轴承,放置轴承套和轴承添加位置控制。本文还对传送带、右台气缸、下压气缸、轴承和轴承套等多个零部件进行了相应刚体、碰撞体和对象源的添加。

1.3 创建运动副与约束

基本机电对象中添加的刚体,由于未对其定义运动副和约束,它们的运动是和接触关系是自由、无限制的,所以需要对添加的刚体进行运动副定义,使它们的运动有序,结构和零件之间更加协调。以吸盘工位为例,对吸盘添加固定副,可以让吸盘与轴承和轴承套之间实现吸气和松气的操作,对X轴电机、Y轴电机和吸盘上下气缸添加滑动副,实现吸盘的XY轴去各个点位和上下移动的操作,此时各部件的移动是没有限制的,移动的上下限位置还需要在仿真序列和位置控制中进行添加。

1.4 创建传感器与执行器

对于导入的三维模型,其大部分部件是需要运动的,而它们的运动需要按照我们给定的姿态、速度、方向和路径进行,所以需要对各部件的运动副添加位置控制。以吸盘工位为例,对吸盘的XYZ轴添加了位置控制,此外还对其他部件添加了位置控制,如图2所示。并且本文涉及到了传送带以及检测,还需要添加传输面和检测传感器,它们作为信号的载体,在添加信号以后可以将设备的运动属性实时地反馈给PLC,PLC也可以将信号发送给设备,以达到“双向反馈”的效果。

图2 传感器与执行器

1.5 创建仿真序列

对于三维模型创建仿真,可以通过信号适配器和仿真序列来实现,本文采用仿真序列来实现指尖陀螺设备的仿真。基于时间和控制逻辑对指尖陀螺的压制过程创建仿真序列以达到对指尖陀螺机动作的控制。以吸盘工位为例,对吸放轴承套创建仿真序列[3-4]。

除吸盘工位需设置仿真序列之外,其他几个工位都需要设置仿真序列,部分仿真序列如图3所示。此时的仿真序列未加入信号,可以对创建的机电对象、运动副、执行器和传感器进行单机验证,单机验证无误后添加信号,将信号加入到仿真序列中可以实现对整机的虚拟调试和PLC程序的验证。

图3 仿真序列

2 PLC编程及信号映射

2.1 搭建软件环境

在我们进行PLC编程之前,需要对博图里的环境进行设置,以确保我们使用软件期间的数据安全和通讯稳定。本文采用的CPU是西门子S7-1200系列PLC以及HMI-KTP700,触摸屏主要用于后期实物调试,组态如图4所示[5-6]。

图4 设备组态

2.2 编写PLC程序

首先根据运动需求定义变量地址和数据类型,列出变量表。然后根据图的工艺流程和MCD中的运动关系与控制逻辑进行PLC程序编写,程序分为手动运行程序、初始化程序、报警程序和自动运行程序,手动程序主要用于检查各零部件和各工位是否能够正常运作,初始化程序用于设备自动运行前各工位的复位操作,保证了实物调试的安全性,报警程序主要是应对设备自身因素和外部干扰因素所导致的故障,保证了实物调试的安全性同时还能避免零部件的损坏,而自动程序是到达设计要求的核心程序。虚拟调试阶段主要以自动运行程序为主,部分自动运行程序如图5所示[7]。

图5 部分自动运行程序

2.3 通讯设置

OPC UA是一种不依赖于平台且具有更高安全性和可靠性的标准。OPC UA技术使用面向服务的体系结构来实现数据交换,通过通信堆栈发送信息,支持用于通信的 HTTP/OPC UA协议,只要端口允许,OPC UA就可以通过任何端口发送数据。由于采用的通讯方式是OPC UA,所以对通讯的环境也要进行设置,在博图里激活OPC UA服务器,并且新增OPC UA服务器,如图6所示[8-9]。

图6 通讯设置

打开OPC SCOUT V10软件,新增OPC UA服务器,输入博图里添加的OPC UA服务器地址opc.tcp://192.168.0.1:4840,将PLC程序中需要映射的变量输入到OPC UA服务器中,并在程序中运行这些变量。

2.4 信号映射

信号是在MCD和PLC之间进行信号映射,所以要为传送带电机、吸盘、下压气缸和右台气缸等多个控制对象在MCD中添加信号,也就是与PLC程序中所对应的信号[10]。

打开NX主页的信号映射,选择OPC UA服务器,输入服务器地址opc.tcp://192.168.0.1:4840,然后对MCD和PLC的信号进行一一映射,如图7所示。

图7 信号映射

3 虚拟调试及实物调试

3.1 虚拟调试

进行信号映射以后,MCD和PLC之间就建立起了通讯,两者之间就可以实现信号交互。在博图里将PLC程序下载到虚拟PLC中,打开MCD运行功能模型,将信号添加到运行时查看器中,可以对信号的状态进行监视。在虚拟调试的过程中,同时打开PLC程序中的监视,对程序运行状态进行监视,并且与MCD中的信号状态进行对比,验证两者的信号是否同步、有效。在虚拟调试的过程中发现吸盘与右台气缸和中台上下气缸有干涉以及下压气缸和中台上气缸有干涉两个问题,通过在PLC程序中增加吸盘右移的步序与变换XY轴的移动顺序和压制完成后添加延时解决了这两个问题[11-12]。

通过调试发现PLC程序实时控制了MCD的功能模型,指尖陀螺机的动作过程在MCD中得到了虚拟验证。如图8所示,在PLC程序运行到吸盘吸起轴承套时,MCD中的功能模型同时运行到了吸盘吸起轴承套的动作。

图8 虚拟调试

3.2 实物调试

在虚拟仿真和虚拟调试成功的基础上,根据功能模型采购和加工零部件,再根据装配关系装配实物模型。将虚拟调试所使用的PLC程序下载到实际的PLC中,在触摸屏中操作进行调试,并且同时运行MCD中的功能模型,结果显示虚拟模型与实际模型在信号和通讯的作用下到达同步,如图9所示,并且再次证明了虚拟调试的成功。

图9 实物调试

4 总结

本文基于NX MCD系统,采用“以虚证实”的方法,在虚拟模型和控制程序之间进行建立通讯,实现数据交互,通过虚拟调试验证了指尖陀螺机的虚拟模型和程序的正确性,进而证实指尖陀螺机实际模型的可行性和有效性,到达了“以虚证实”的效果。采用此方法可以在早期虚拟调试的过程中发现机械结构和电气控制等方面的错误与缺陷,能够及时地进行修改,通过不断的调试和改正,最终到达设计要求,不但可以降低现场的调试风险,而且还可以降低研发周期和研发成本,对机电概念设计的发展具有重要意义。