虛擬樣機技術及其在帶傳送設備中的應用

陳宗濤，熊 巍，吳 昊

(湖北工程學院 機械工程系，湖北 孝感 432000)

虛擬樣機技術及其在帶傳送設備中的應用

陳宗濤，熊 巍，吳 昊

(湖北工程學院 機械工程系，湖北 孝感 432000)

通過對帶傳送設備虛擬樣機的建模與仿真，提供一種機電一體化整體仿真方法，該方法可顯著縮短新設備的研發(fā)周期，優(yōu)化設計參數(shù)，提高產品質量和性能，降低開發(fā)成本。

虛擬樣機；SimulationX；PLCSIM

隨著計算機技術和現(xiàn)代科學技術的高速發(fā)展，工業(yè)產品設計領域競爭日益激烈，產品推陳出新速度越來越快。為了提高產品的市場競爭力，各企業(yè)必須不斷縮短新設備的研發(fā)周期，提高產品質量和性能，降低開發(fā)成本。為此，以虛擬樣機技術為基礎的現(xiàn)代化設計手段應運而生。在新產品的開發(fā)設計中，合理運用虛擬樣機技術，可使設計人員在各種可能的虛擬環(huán)境中，模擬出被設計產品可能出現(xiàn)的運動狀態(tài)及受力情況，并快速分析、評估設計方案的合理性，優(yōu)化設計參數(shù)，為設計方案提供合理的參考依據(jù)；同時可部分替代真實樣機進行各種試驗性研究，甚至是一些難以進行或無法進行的試驗都可以在虛擬環(huán)境下進行。虛擬樣機技術可用來模擬真實樣機進行驗證性設計，不僅縮短的研發(fā)周期，而且可提高產品設計質量和設計效率。在產品投產之前，就能對其性能進行優(yōu)化設計、分析和評估，確定最佳設備參數(shù)，從而降低該產品的開發(fā)風險，提高產品使用性能[1]。本文將通過設計實例系統(tǒng)介紹虛擬樣機技術在機械產品設計的應用技術。

1 基于ITI SimulationX的虛擬樣機技術

1.1 ITI SimulationX簡介

SimulationX 是一款分析評價技術系統(tǒng)內各部件相互作用的權威軟件，是多學科領域建模、仿真和分析的通用CAE(Computer Aided Engineering)工具，并具有強大標準元件庫，這些元件庫包括：1D力學 、3D多體系統(tǒng)、動力傳動系統(tǒng)、液力學、氣動力學、熱力學、電子學、電驅動、磁學和控制[2]。其模型庫包含大量與工業(yè)界合作伙伴和研究機構密切合作開發(fā)的標準元件。面向用戶的模塊和眾多軟件接口，使SimulationX可滿足用戶不同應用領域的各種需求。SimulationX 能夠應用在很多新的領域，并在機械電子系統(tǒng)、機器人及控制系統(tǒng)優(yōu)化、汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)及空調設計、電磁驅動設計、海洋裝備等領域為企業(yè)的零部件和系統(tǒng)開發(fā)，提供最核心的競爭優(yōu)勢。

1.2機械系統(tǒng)和控制程序的同步工程

由于控制程序只能在一臺設備全部裝配完成后才能進行調試、啟動和運行，這樣不僅浪費大量開發(fā)時間，而且自動化機械制造商也經(jīng)常由此面對無法讓客戶所需的設備及時運行，而帶來信譽上的損失和高額成本支出。所以使用ITI SimulationX的虛擬樣機技術，用PLCSIM控制虛擬機器來完成各種實驗，不僅大大縮短了研發(fā)進程，確保設計質量和設計效率，而且降低成本支出。

SimulationX虛擬樣機技術是一個考慮到物理屬性的快速而貼近實際的模型仿真。它可以模擬實際機器特性，從而節(jié)省了高昂的原型機花費。

SimulationX虛擬樣機技術支持3D現(xiàn)實視覺效果和CAD(Computer Aided Design)數(shù)據(jù)導入，可實現(xiàn)PLC(Programmable Logic Controller)直接控制下的機器模型的3D動畫演示。SimulationX虛擬樣機技術是一種實時解決方案，它可實現(xiàn)控制程序和臨界狀態(tài)的實時交互測試，而無需承受任何實際危險。SimulationX虛擬樣機技術將大大降低產品推向市場所需投入的人工量和時間。

1.3 SimulationX虛擬樣機技術的實現(xiàn)

(1)手動創(chuàng)建機器的 SimulationX 模型或自動導入CAD實體模型。

(2)從SimulationX庫中選擇控制設備，將SimulationX連接到PLC、伺服控制器、控制仿真器，或其他控制硬件。整個SimulationX的功能元件均可接受 PLC、控制仿真器或其他設備的控制。

(3)對虛擬樣機仿真后可顯示設備參數(shù)的圖形曲線，分析仿真結果。

2 PLC控制帶傳動設備仿真實例

帶傳送設備是工業(yè)生產線中應用最廣泛的機械設備之一，本文以PLC控制的帶傳送設備仿真為例，介紹SimulationX虛擬樣機在機械設備設計中的應用，其方法也可推廣到其他機械設備的前期設計中。總體設計過程如圖1所示。

圖1 基于PLC控制的帶傳動設備設計過程

2.1對帶傳送設備進行實體建模

圖2 帶傳送設備實體模型

帶傳送設備的實體模型由機架、電機、軸，軸承、帶輪、傳送帶、傳感器、調速按鈕等部件組成，如圖2所示。按照相應的約束條件，將各部件在SimulationX的三維窗口中完成裝配，并對相關的參數(shù)進行設置。

在SimulationX中，模型的建立可通過該軟件提供的模型庫的模塊建立實體模型，也可以通過STL接口，導入由CAD軟件所建好的實體模型，再設置相關的參數(shù)，就可將CAD軟件所建好的實體模型在SimulationX軟件里進行虛擬樣機仿真中的使用。

2.2控制傳動部分建模

在仿真過程中，通過STEP7的S7-PLCSIM來控制帶傳送設備的實體模型，讓實體模型按照PLC程序來動作。當零件被放在傳送帶上時，傳感器B1感知零件后給S7-PLCSIM發(fā)出信號，經(jīng)S7-PLCSIM處理后，再輸出啟動信號，PLCSIM可控制傳送帶開始運動，傳送零件。當零件運動到傳感器B2處時，傳感器B2感知零件后給S7-PLCSIM發(fā)出信號，S7-PLCSIM控制傳送帶停止運動[3]。如果按動紅色按鈕，則可以調節(jié)傳送帶的運動速度。

圖3 PLCSimController

在SimulationX中，控制和傳動部分的建模只需調用模塊并對其進行設置即可。在libraries中打開虛擬樣機庫Virtual Machine,并選中PLCSimController，將其拖動到SimulationX的二維窗口中，如圖3所示。然后依次按要求調用其他部件，如圖4所示。

在SimulationX的二維窗口中，連接所建模型信號線路，傳動線路。然后設置PLCSimController相關參數(shù)，如圖5所示。

圖4 控制和傳動部分建模

圖5 PLCSimController參數(shù)設置

2.3虛擬樣機仿真

打開西門子PLC編程軟件STEP7，定義PLCSIM的輸入輸出點，編寫帶傳送設備的PLC程序，再將帶傳送設備的PLC程序編譯下載，然后在STEP7的Options中點擊Simulate Modules，開啟PLC的仿真器，如圖6所示。通過點擊相應的輸入觸點，就可以實現(xiàn)對SimulationX中三維實體帶傳送設備的控制[4]。

3 結語

本文利用SimulationX建立帶傳送設備的虛擬樣機仿真模型，并聯(lián)合S7-PLCSIM對所建立的機電一體化模型進行了機械系統(tǒng)和控制程序同步工程的仿真。該模型還可對帶傳送設備虛擬樣機的控制部分，傳動部分，機械結構部分等進行調試分析，對參數(shù)進行優(yōu)化。將此方法可以推廣到其他機械設備的前期設計中，能有效縮短開發(fā)周期，降低產品開發(fā)風險，提高產品質量和性能。

圖6 S7-PLCSIM對實體模型的運動控制

[1] 郭俊英.基于虛擬樣機技術的機械仿真分析與結構設計[J].新技術新工藝,2009(11)：43-45.

[2] 王海玲，孫海燕，許佳音.虛擬樣機技術在柱塞泵動力學分析中的應用[J].工程機械，2013,44(6):13-15.

[3] 鄭相周，唐國元.機械系統(tǒng)虛擬樣機技術[M].北京：高等教育出版社,2010:208-210.

[4] 王國強，張進平，馬若丁.虛擬樣機技術及其在ADAMS上的實踐[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，2002：182-185.

(責任編輯：張凱兵)

VirtualPrototypingTechnologyanditsApplicationinBeltDriveEquipment

Chen Zongtao,Xiong Wei,Wu Hao

(DepartmentofMechanicalEngineering,HubeiEngineeringUniversity,Xiaogan,Hubei432000,China)

Based on the modeling and simulation of virtual prototype of belt drive equipment, this paper provides a method for an overall simulation of mechanical and electrical integration. It can significantly shorten the development cycle of new equipment, optimize design parameters, improve the quality and performance of products, and reduce development cost.

virtual prototype; simulationX; PLCSIM

TP391.9

A

2095-4824(2013)06-0095-04

2013-10-02

陳宗濤(1984- ),男，湖北廣水人，湖北工程學院計算機與信息科學學院教師，碩士。

熊 巍(1984- ),男,湖北孝感人，湖北工程學院計算機與信息科學學院教師，碩士。