基于MCD 平臺的氣動手抓設計與控制仿真研究

趙永信，黎玲萍

(廣西工業職業技術學院機械工程系，南寧530001)

0 引言

隨著智能制造產業的發展，西門子公司推出了數字化雙胞胎系統，新型MCD 機電一體化概念設計應運而生。機電一體化概念設計具有集成性，把機械設計和控制自動化等融合起來，縮短了產品的生產周期，在產品還沒有實際制造出來之前，已經進行了功能方面的驗證，對新產品的生產成本影響很大［1］。

在國內外，針對機電一體化概念設計的相關研究不勝枚舉。肖祖東等人［2］對比了傳統和 MCD 系統下所完成的機電產品概念設計的優劣，并通過研究圓形裝載機的MCD 概念設計驗證了其可行性。Reinhart Poprawe 等人［3］在文中提出機電一體化概念設計應該以實現功能結構為首要，這樣可以縮短生產周期。吳雁等人［4］以數控車床上下料為研究對象，實現了其MCD 設計與控制仿真。

本文以氣動手抓為主要研究對象，以實現其功能性設計為主，對氣動手抓的三維虛擬模型進行機械設計并完成其動態仿真。

1 氣動手抓的三維模型機械設計

本文首先建立了氣動手抓的三維模型，根據其動態仿真需求完成機械設計，機械設計部分主要是為了MCD 動態仿真驗證其運動功能是否可行，機械設計部分主要包括以下幾點：

1.1 創建三維模型

NX 是一個集成度很高的軟件，參照工業機器人氣動手抓實物，利用NX 軟件對氣動手抓進行三維建模，在建立模型后，考慮到控制氣動手抓動作時，氣動手抓的兩個抓手的模型是一個整體，利用結合命令分別把氣動手抓的左右抓手合成一個整體。如圖1所示。

圖1 氣動手抓三維模型

1.2 基本機電對象設計

機電對象設計的目的是考慮到模型能夠在物理系統的控制下運動，定義模型中的運動部分為剛體、碰撞體等，使得模型的運動部分具備了相應的物理屬性，比如質量、重力和慣性等。該氣動手抓的動作比較簡單，主要考慮其氣動手抓的兩個手抓的夾緊和釋放，由于兩個抓手在運動時是一個整體，所以分別定義兩個抓手為剛體，賦予其物理屬性。在軟件界面打開剛體命令，在彈出的界面中分別選取氣動手抓的左右抓手，在質量和慣性矩處選擇自動即可。

1.3 運動副設計

機電設備在運動時需要考慮其運動副和約束，氣動手抓的運動主要是兩個抓手的直線運動，相當于2 個滑動副，故在菜單欄選擇“插入——運動副——滑動副”命令，在滑動副命令窗口中選擇剛體為連接件，基本件不用選取，指定滑動副的軸矢量方向為指向氣動手抓的內部，如圖2(左)所示。

1.4 執行器設計

氣動手抓的兩個手抓的共同滑動可以實現其夾緊和釋放兩個動作仿真，但是滑動的速度和距離不是無限的，所以需要通過執行器來控制。在菜單欄選擇插入——執行器——位置控制，在打開的窗口中選擇機電對象為滑動副，設定其位置為0 mm(此處設置為0 mm 是為了后期實現氣動手抓夾緊松開的動態仿真效果)，速度為20 mm/s，如圖2(右)所示。

圖2 運動副和執行器設置界面

2 氣動手抓的三維模型動態仿真

NX 軟件平臺中的機電一體化概念設計模塊具備模型的動態仿真功能設計，氣動手抓的功能設計主要有兩個：第一個是氣動手抓的夾緊和釋放功能；另一個是檢測氣動手抓的狀態的傳感器檢測到信號后輸出其狀態信號，對于工業機器人自動控制系統的氣動手抓來說，利用磁性開關實現這一檢測功能。

2.1 制定信號表

從氣動手抓的動態仿真需求分析來看，需要輸入一個信號控制其夾緊和釋放，同時檢測其狀態的磁性傳感器檢測到信號需要輸出信號，所以在MCD中添加2 個信號，一個輸入信號IN_Grip 用于夾緊和釋放，一個輸出信號為磁性開關輸出信號。

2.2 信號適配器設置

添加了信號之后，需要對這些信號之間的關聯進行配置，這就需要進行信號適配器設置，信號適配器的設置過程是依據氣動手抓的動作過程來配置的。氣動手抓的動作過程一共有3 個，所以接下來一個一個的分析，并配置其信號。

首先，氣動手抓在輸入夾緊信號IN_Grip 為1 狀態時，手抓實現夾緊動作，在機械設計部分本文是利用兩個手抓的滑動副來實現此動作，故需要滑動副的運行參數中定位到一定的位置，故在信號配置界面的添加參數處，為左右兩個氣動手抓添加位置控制定位參數Paremeter_1 和Paremeter_2，如圖3 所示。

圖3 MCD 中信號適配器設置界面

其次，氣動手抓在輸入信號IN_Grip 為0 狀態時，氣抓實現釋放動作，在機械設計部分本文同樣是利用兩個手抓的滑動副來實現此動作，故需要滑動副的運行參數中定位參數設置為0 mm 即可。

綜合以上兩個動作仿真要求，只要使得氣動手抓輸入信號為1 時，兩個手抓的定位參數同時為一定的數值，那么就可以實現夾緊的動作效果；同樣的道理，只要使得氣動手抓輸入信號為0 時，兩個手抓的定位參數同時為0 即可。信號配置公式處(圖3(b)) 的含義就是如果IN_Grip 為1 時兩個定位參數為20，否則為0。這樣就實現了氣動手抓的夾緊和釋放的動態效果。

最后，在氣動手抓夾緊后，磁性開關輸出信號Sensor_out 會變為1，當氣動手抓釋放后，磁性開關輸出信號會變為0。

2.3 仿真序列

仿真序列即氣動手抓的動作過程的 程，在NX的MCD 模塊中添加序列仿真，實現對氣動手抓的控制，如圖4 所示。

圖4 仿真序列

從以上兩個仿真試驗圖可以看出，利用MCD 平臺實現了氣動手抓的夾緊和釋放的動態仿真，故驗證了MCD 對于產品功能性設計是可行的。

3 總結

本文以氣動手抓的夾緊和釋放功能為設計主導，在完成氣動手抓的三維模型等機械設計后，實現了動態控制仿真，并詳細闡明了設計步驟，為基于MCD 平臺的機電產品一體化概念設計提供了參考案例。