基于MCD 平臺(tái)的氣動(dòng)手抓設(shè)計(jì)與控制仿真研究

趙永信，黎玲萍

(廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，南寧530001)

0 引言

隨著智能制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，西門子公司推出了數(shù)字化雙胞胎系統(tǒng)，新型MCD 機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)具有集成性，把機(jī)械設(shè)計(jì)和控制自動(dòng)化等融合起來，縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，在產(chǎn)品還沒有實(shí)際制造出來之前，已經(jīng)進(jìn)行了功能方面的驗(yàn)證，對(duì)新產(chǎn)品的生產(chǎn)成本影響很大［1］。

在國(guó)內(nèi)外，針對(duì)機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)的相關(guān)研究不勝枚舉。肖祖東等人［2］對(duì)比了傳統(tǒng)和 MCD 系統(tǒng)下所完成的機(jī)電產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，并通過研究圓形裝載機(jī)的MCD 概念設(shè)計(jì)驗(yàn)證了其可行性。Reinhart Poprawe 等人［3］在文中提出機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)應(yīng)該以實(shí)現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)為首要，這樣可以縮短生產(chǎn)周期。吳雁等人［4］以數(shù)控車床上下料為研究對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了其MCD 設(shè)計(jì)與控制仿真。

本文以氣動(dòng)手抓為主要研究對(duì)象，以實(shí)現(xiàn)其功能性設(shè)計(jì)為主，對(duì)氣動(dòng)手抓的三維虛擬模型進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)并完成其動(dòng)態(tài)仿真。

1 氣動(dòng)手抓的三維模型機(jī)械設(shè)計(jì)

本文首先建立了氣動(dòng)手抓的三維模型，根據(jù)其動(dòng)態(tài)仿真需求完成機(jī)械設(shè)計(jì)，機(jī)械設(shè)計(jì)部分主要是為了MCD 動(dòng)態(tài)仿真驗(yàn)證其運(yùn)動(dòng)功能是否可行，機(jī)械設(shè)計(jì)部分主要包括以下幾點(diǎn)：

1.1 創(chuàng)建三維模型

NX 是一個(gè)集成度很高的軟件，參照工業(yè)機(jī)器人氣動(dòng)手抓實(shí)物，利用NX 軟件對(duì)氣動(dòng)手抓進(jìn)行三維建模，在建立模型后，考慮到控制氣動(dòng)手抓動(dòng)作時(shí)，氣動(dòng)手抓的兩個(gè)抓手的模型是一個(gè)整體，利用結(jié)合命令分別把氣動(dòng)手抓的左右抓手合成一個(gè)整體。如圖1所示。

圖1 氣動(dòng)手抓三維模型

1.2 基本機(jī)電對(duì)象設(shè)計(jì)

機(jī)電對(duì)象設(shè)計(jì)的目的是考慮到模型能夠在物理系統(tǒng)的控制下運(yùn)動(dòng)，定義模型中的運(yùn)動(dòng)部分為剛體、碰撞體等，使得模型的運(yùn)動(dòng)部分具備了相應(yīng)的物理屬性，比如質(zhì)量、重力和慣性等。該氣動(dòng)手抓的動(dòng)作比較簡(jiǎn)單，主要考慮其氣動(dòng)手抓的兩個(gè)手抓的夾緊和釋放，由于兩個(gè)抓手在運(yùn)動(dòng)時(shí)是一個(gè)整體，所以分別定義兩個(gè)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(dòng)手抓的左右抓手，在質(zhì)量和慣性矩處選擇自動(dòng)即可。

1.3 運(yùn)動(dòng)副設(shè)計(jì)

機(jī)電設(shè)備在運(yùn)動(dòng)時(shí)需要考慮其運(yùn)動(dòng)副和約束，氣動(dòng)手抓的運(yùn)動(dòng)主要是兩個(gè)抓手的直線運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于2 個(gè)滑動(dòng)副，故在菜單欄選擇“插入——運(yùn)動(dòng)副——滑動(dòng)副”命令，在滑動(dòng)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(dòng)副的軸矢量方向?yàn)橹赶驓鈩?dòng)手抓的內(nèi)部，如圖2(左)所示。

1.4 執(zhí)行器設(shè)計(jì)

氣動(dòng)手抓的兩個(gè)手抓的共同滑動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)其夾緊和釋放兩個(gè)動(dòng)作仿真，但是滑動(dòng)的速度和距離不是無限的，所以需要通過執(zhí)行器來控制。在菜單欄選擇插入——執(zhí)行器——位置控制，在打開的窗口中選擇機(jī)電對(duì)象為滑動(dòng)副，設(shè)定其位置為0 mm(此處設(shè)置為0 mm 是為了后期實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)手抓夾緊松開的動(dòng)態(tài)仿真效果)，速度為20 mm/s，如圖2(右)所示。

圖2 運(yùn)動(dòng)副和執(zhí)行器設(shè)置界面

2 氣動(dòng)手抓的三維模型動(dòng)態(tài)仿真

NX 軟件平臺(tái)中的機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)模塊具備模型的動(dòng)態(tài)仿真功能設(shè)計(jì)，氣動(dòng)手抓的功能設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)：第一個(gè)是氣動(dòng)手抓的夾緊和釋放功能；另一個(gè)是檢測(cè)氣動(dòng)手抓的狀態(tài)的傳感器檢測(cè)到信號(hào)后輸出其狀態(tài)信號(hào)，對(duì)于工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)控制系統(tǒng)的氣動(dòng)手抓來說，利用磁性開關(guān)實(shí)現(xiàn)這一檢測(cè)功能。

2.1 制定信號(hào)表

從氣動(dòng)手抓的動(dòng)態(tài)仿真需求分析來看，需要輸入一個(gè)信號(hào)控制其夾緊和釋放，同時(shí)檢測(cè)其狀態(tài)的磁性傳感器檢測(cè)到信號(hào)需要輸出信號(hào)，所以在MCD中添加2 個(gè)信號(hào)，一個(gè)輸入信號(hào)IN_Grip 用于夾緊和釋放，一個(gè)輸出信號(hào)為磁性開關(guān)輸出信號(hào)。

2.2 信號(hào)適配器設(shè)置

添加了信號(hào)之后，需要對(duì)這些信號(hào)之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行配置，這就需要進(jìn)行信號(hào)適配器設(shè)置，信號(hào)適配器的設(shè)置過程是依據(jù)氣動(dòng)手抓的動(dòng)作過程來配置的。氣動(dòng)手抓的動(dòng)作過程一共有3 個(gè)，所以接下來一個(gè)一個(gè)的分析，并配置其信號(hào)。

首先，氣動(dòng)手抓在輸入夾緊信號(hào)IN_Grip 為1 狀態(tài)時(shí)，手抓實(shí)現(xiàn)夾緊動(dòng)作，在機(jī)械設(shè)計(jì)部分本文是利用兩個(gè)手抓的滑動(dòng)副來實(shí)現(xiàn)此動(dòng)作，故需要滑動(dòng)副的運(yùn)行參數(shù)中定位到一定的位置，故在信號(hào)配置界面的添加參數(shù)處，為左右兩個(gè)氣動(dòng)手抓添加位置控制定位參數(shù)Paremeter_1 和Paremeter_2，如圖3 所示。

圖3 MCD 中信號(hào)適配器設(shè)置界面

其次，氣動(dòng)手抓在輸入信號(hào)IN_Grip 為0 狀態(tài)時(shí)，氣抓實(shí)現(xiàn)釋放動(dòng)作，在機(jī)械設(shè)計(jì)部分本文同樣是利用兩個(gè)手抓的滑動(dòng)副來實(shí)現(xiàn)此動(dòng)作，故需要滑動(dòng)副的運(yùn)行參數(shù)中定位參數(shù)設(shè)置為0 mm 即可。

綜合以上兩個(gè)動(dòng)作仿真要求，只要使得氣動(dòng)手抓輸入信號(hào)為1 時(shí)，兩個(gè)手抓的定位參數(shù)同時(shí)為一定的數(shù)值，那么就可以實(shí)現(xiàn)夾緊的動(dòng)作效果；同樣的道理，只要使得氣動(dòng)手抓輸入信號(hào)為0 時(shí)，兩個(gè)手抓的定位參數(shù)同時(shí)為0 即可。信號(hào)配置公式處(圖3(b)) 的含義就是如果IN_Grip 為1 時(shí)兩個(gè)定位參數(shù)為20，否則為0。這樣就實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)手抓的夾緊和釋放的動(dòng)態(tài)效果。

最后，在氣動(dòng)手抓夾緊后，磁性開關(guān)輸出信號(hào)Sensor_out 會(huì)變?yōu)?，當(dāng)氣動(dòng)手抓釋放后，磁性開關(guān)輸出信號(hào)會(huì)變?yōu)?。

2.3 仿真序列

仿真序列即氣動(dòng)手抓的動(dòng)作過程的 程，在NX的MCD 模塊中添加序列仿真，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣動(dòng)手抓的控制，如圖4 所示。

圖4 仿真序列

從以上兩個(gè)仿真試驗(yàn)圖可以看出，利用MCD 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)手抓的夾緊和釋放的動(dòng)態(tài)仿真，故驗(yàn)證了MCD 對(duì)于產(chǎn)品功能性設(shè)計(jì)是可行的。

3 總結(jié)

本文以氣動(dòng)手抓的夾緊和釋放功能為設(shè)計(jì)主導(dǎo)，在完成氣動(dòng)手抓的三維模型等機(jī)械設(shè)計(jì)后，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)控制仿真，并詳細(xì)闡明了設(shè)計(jì)步驟，為基于MCD 平臺(tái)的機(jī)電產(chǎn)品一體化概念設(shè)計(jì)提供了參考案例。