趙 輝，宋洪揚，楊 超

（東北林業(yè)大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150006）

1 引言

傳統(tǒng)生產線裝配往往需要技術工人反復調試，導致產品廢品率較高，成本難以降低。機械編程采用現(xiàn)場連接實體機械，進行在線編程調試，效率低下。因此，在虛擬空間中對控制程序和產品進行虛擬調試，以減少生產成本，降低在設計變?yōu)閷嶓w過程中存在的風險。

隨著全球進入工業(yè)4.0時代，傳統(tǒng)制造業(yè)正在向智能化、數(shù)字化轉變，數(shù)字孿生通過創(chuàng)建與實體環(huán)境相同的數(shù)字化模型，運用虛擬調試技術，早發(fā)現(xiàn)機械結構和控制系統(tǒng)中存在的問題，在物理樣機建造前解決存在的大部分問題，預測生產目標、評估生產效率，為實體生產線的運行、實施和優(yōu)化等提供依據(jù)。

MCD 是數(shù)字孿生技術中的一種重要的數(shù)字化工具，是集機械、電氣、液壓、氣動、驅動、自動化和編程等多學科綜合知識為一體的產品，是一個多學科技術融合與虛擬調試、開發(fā)的技術平臺。借助 NX MCD 創(chuàng)建機電一體化模型，包括機械零件、傳感器、制動器和運動的設計，根據(jù)功能模型形成產品的最終裝配、軟件和布局模型。 MCD還可以通過 TC 與上下游系統(tǒng)/工具進行協(xié)同工作。

TIA 是一種采用統(tǒng)一的工程組態(tài)和軟件項目環(huán)境的全集成自動化軟件，可在同一環(huán)境中組態(tài)西門子的所有可編程控制器、驅動裝置和人機界面。通過建立 TIA 博圖與 MCD 的信號映射，以支持基于模型的虛擬調試，實現(xiàn)控制系統(tǒng)與機械部件之間的交互。現(xiàn)以 S7-PLCSIM Advanced 高功能仿真器模擬真實 PLC 控制系統(tǒng)，建立 S7-1500 系列 PLC 與 MCD 的通信連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，在仿真環(huán)境中對機電一體化設備進行全面驗證與調試。

以雙氣動搬運機械手生產線作為研究對象，采用軟件在環(huán)虛擬調試的方法對氣動生產線的三維虛擬模型進行機械設計與動態(tài)仿真，軟件在環(huán)虛擬調試如圖1所示。

圖 1 軟件在環(huán)虛擬調試

2 氣動生產線的設計

2.1 機械結構

氣動搬運機械手生產線由上導軌、中間導軌和下導軌三部分組成，上、下導軌主要由底座氣缸、升降氣缸、夾緊氣缸和夾手組成，中間導軌是由兩個旋轉氣缸組成的卡盤，氣動生產線裝配如圖2所示，各個運動構件是由電磁閥控制氣缸進行驅動的。氣動搬運機械手生產線主要實現(xiàn)的是物料搬運的功能，在開始動作前生產線處于初始狀態(tài)，上下導軌中的升降氣缸和夾緊氣缸分別處于伸長、松開狀態(tài)，中間導軌的旋轉卡盤處于初始位置。按下啟動按鈕后，兩個升降氣缸同時向下運動，到達指定位置后觸發(fā)傳感器，兩個夾緊氣缸得到信號后開始動作，夾緊物料。夾住物料后升降氣缸開始向上運動回到初始位置，觸發(fā)傳感器后上下導軌的底座氣缸開始搬運動作，底座氣缸動作的同時兩個卡盤進行旋轉運動。分別到達指定地點后，開始放置物料，升降氣缸向下運動到指定位置后夾手松開，將物料放置在卡盤的另一端，然后復位到初始狀態(tài)開始新一輪的動作，工作流程如圖3所示。

2.2 MCD 設計

首先建立氣動生產線的三維模型并裝配，將生產線的三維模型導入到 NX MCD 模塊中，根據(jù)要滿足的需求和要實現(xiàn)的功能創(chuàng)建機電一體化模型。

（1）基本機電對象

氣動生產線三維模型只有被賦予剛體、碰撞體等屬性才能具備物理系統(tǒng)控制下的運動特性；因此，在機電一體化概念設計中，需要對幾何體定義剛體、碰撞體屬性，使其具備質量特性，可接受外力和扭矩，并能受到重力或者其他作用力的影響。本文對氣動生產線的底座、氣缸、機械手和旋轉卡盤等設置相應的剛體、碰撞體屬性，基本機電對象如圖4所示。

（2）運動副

運動副定義了對象的運動方式，約束定義了各個運動實體的運動條件，是機電概念設計運動仿真的主要組成部分。本文通過對氣動生產線添加運動副定義其各部件的運動方式，以實現(xiàn)各自相應的運動，運動副的定義如圖5所示。

圖 2 氣動生產線裝配圖

圖 3 工作流程圖

圖 4 基本機電對象

圖 5 運動副

（3）執(zhí)行器與傳感器

對已經添加剛體和運動副的幾何體，需要在 MCD 中設置位置和速度控制，使其成為執(zhí)行機構，從而使構件按照特定的運動軌跡與指定速度進行相應的運動。通過設定傳感器給 PLC 相應的輸出信號，達到聯(lián)合調試的目的。本文根據(jù)生產線氣缸、機械手等部件的運動特性，對其速度與位置控制進行設置，執(zhí)行器與傳感器如圖6所示。

圖 6 執(zhí)行器與傳感器

（4）信號與信號適配器

在 MCD 的組件模型中，信號用于運動控制與外部的信息交互，包括輸入、輸出兩種信號類型。輸入信號是外部輸入到 MCD 模型的信號，輸出信號則是 MCD 輸出到外部設備的信號。

信號適配器是通過對數(shù)據(jù)的判斷與處理，為 MCD 對象提供新的信號，以實現(xiàn)對運動或行為的控制。本文對各個氣缸以及傳感器進行了信號適配器設置，具體設置如下。

1）上導軌。氣動生產線上導軌的運動包括上底座氣缸沿

Y

軸的運動、上升降氣缸沿

Z

軸的運動、上夾緊氣缸沿

X

軸的運動，這些運動都是由 PLC 程序控制的，所以需要在信號適配器中添加其運動的參數(shù)同時進行信號的創(chuàng)建并編輯公式確定其行程。以上氣缸的運動為例，首先對上導軌中的三個氣缸的位置控制添加參數(shù)，數(shù)據(jù)類型選擇雙精度型并勾選指派為，添加三個信號并設置為輸入，參數(shù)和信號添加完成后進行公式編輯，以上導軌信號適配器設置控制氣缸的行程，上導軌信號適配器設置如圖7所示。運動到指定位置后需要傳感器感應并進行下一步動作，在信號適配器中設置6個距離傳感器感應活塞位置，實現(xiàn)相應的運動控制。最后再根據(jù)添加的參數(shù)通過公式將具體的數(shù)值寫入到創(chuàng)建的信號中，用于數(shù)據(jù)交互，上導軌傳感器設置如圖8所示。

圖 7 上導軌信號適配器設置

圖 8 上導軌傳感器設置

2）下導軌。氣動生產線下導軌的運動與上導軌相似，包括下底座氣缸沿

Y

軸的運動、下升降氣缸沿

Z

軸的運動、下夾緊氣缸沿

X

軸的運動。同樣需要設置6個距離傳感器感應活塞的位置。最后再根據(jù)添加的參數(shù)通過公式將具體的數(shù)值寫入到創(chuàng)建的信號中。

3）旋轉卡盤。兩個旋轉卡盤的運動也是由氣缸驅動的，通過氣缸的進氣、排氣，實現(xiàn)旋轉運動。在信號適配器中添加位置控制的參數(shù)，勾選指派為添加信號類型，選擇輸入信號，并編寫運動函數(shù)控制卡盤旋轉指定角度。

3 PLC 組態(tài)及編程

3.1 PLC 硬件組態(tài)

選用基于西門子 S7-1500 系列 PLC 進行硬件組態(tài)，以保證良好的通信連接。首先打開TIA博圖軟件添加設備CPU1512C-1PN ，設置 PLC 的以太網地址192.168.0.1，IP地址需要與 PLCSIM Advanced 的地址相同。在下載到仿真器之前右擊程序名稱，點擊屬性，在保護欄中勾選“塊編譯時支持仿真”。

3.2 高功能仿真器設置

選用虛擬的 PLC 進行上下載通信，PLCSIM Advanced是針對 S7-1500 系列 PLC 研發(fā)的一種高功能仿真器，能夠對1500系列 PLC 進行網絡通信。

打開高功能仿真器后點擊 Start Virtue，新建一個項目名，IP地址設為192.168.0.1，與 CPU 的 IP 地址相同，點擊Start 完成創(chuàng)建，高功能仿真器如圖9所示。

圖 9 高功能仿真器

3.3 編寫 PLC 程序及下載

在氣動搬運生產線控制中，主要是實現(xiàn)夾取和搬運的動作，首先根據(jù)運動需求定義變量地址和數(shù)據(jù)類型，變量如圖10所示，然后在 TIA 博圖主程序塊中完成梯形圖的編寫。

圖 10 默認變量表

程序編寫完成后，將 TIA 博圖中的組態(tài)和程序下載到虛擬 PLC 中，若高功能仿真器中的黃燈變?yōu)榫G色則證明連接成功，在 TIA 博圖中啟用監(jiān)視，查看程序的運行即可。

4 TIA-MCD虛擬調試

在控制程序和 MCD 模型都配置好之后需要對其進行信號連接，這也是虛擬調試最重要的一步。

4.1 信號映射

建立信號映射之前需要通過外部信號配置將程序中的信號進行同步，添加實例為仿真器中的 PLC—1 ，點擊更新標記，將需要與 MCD 建立連接的輸入/輸出信號勾選出來，然后確定即可，外部信號配置如圖11所示。

完成信號配置后，將外部信號與 MCD 信號進行信號映射，信號映射如圖12所示。

4.2 聯(lián)合仿真調試

信號連接完成后需要對控制程序和 MCD 模型進行聯(lián)合仿真調試，在 TIA 博圖中將I10.0強制為1，啟動程序，然后在 MCD 中點擊播放，生產線模型按照編寫的程序進行運動。

圖 11 外部信號配置

圖 12 信號映射

5 結束語

以 S7-PLCSIM Advanced 高功能仿真器作為虛擬PLC進行軟件在環(huán)虛擬調試，通過在 NX 軟件中建立生產線三維模型并在 MCD 中進行機電概念設計，最后與博圖進行通信連接，達到了虛擬 PLC 控制氣動生產線模型運動的目的，驗證了通過仿真器通信配置實現(xiàn)外部信號控制 MCD模型的可行性。通過此方法能夠及時發(fā)現(xiàn)設備和程序中存在的問題，降低生產成本，為機電一體化設備的設計與調試提供了參考。