基于NX MCD的數控機床虛擬調試

林裕程 韓 勇

(天津市機電工藝學院，天津 300350)

設備的設計開發過程很難預測到生產和使用過程中出現的問題，因此，使用虛擬調試來提前編程和測試產品，可以減少過程停機時間，并降低將設計轉換為產品的過程風險。

通過創建出與物理環境相同的數字化映射，來測試和驗證產品設計的合理性，推動硬件的設計。相比于傳統的現場調試，虛擬調試的主要優勢體現在：直接在虛擬環境下對機械設計、工藝仿真和電氣控制進行整合，能夠診斷早期設計失誤和控制程序的錯誤，為機電一體化設備的調試提供更安全的測試環境，讓其在未生產安裝之前就已經完成調試，從而降低制造成本，并縮短設備的交付時間。

MCD是基于Siemens PLM Software的NX系列產品，主要用于機電一體化產品零件和組件運動行為的模擬，從而實現機構的虛擬仿真和評估[1]。NX MCD集機械、電氣和自動化設計于一體，可以進行多學科協同設計。借助MCD中基于物理場的交互式仿真，動力學模型的運動行為與物理世界中的真實設備行為是一樣的，亦即“所見即所得”[2-4]。MCD還具有面向其他工具和學科的開放式接口，支持軟件在環和硬件在環的虛擬調試。

TIA博圖將工程組態和軟件項目環境相結合，以支持基于模型的虛擬調試，并通過控制組件與機器或系統的機電系統之間進行交互。要實現這一目標的關鍵是S7-PLCSIM Advanced高級仿真器，它支持生成虛擬PLC，以模擬S7-1500或ET200SP硬件，同時支持將虛擬PLC連接到NX MCD仿真平臺，在系統或機器環境中對機電一體化設備進行全面驗證[5]。

本文以數控機床為研究對象，提出了一種基于MCD的機電一體化軟件在環虛擬聯調的具體方法。首先在NX MCD中創建數控機床的數字化模型，并添加相應的物理和機電屬性；其次，根據機床加工和換刀的工作流程，在TIA博圖中進行硬件組態并編寫控制程序，將其下載到PLCSIM Advanced所創建的虛擬PLC中，再由MCD中的接口與PLC進行通訊，發送設置信號(如速度設定、位置設定和開關信號等)到MCD。MCD根據接收到的信號仿真機械部分運動，以實現MCD系統、TIA博圖和PLC系統的數據交互與控制，從而對數控機床進行虛擬調試和驗證，如圖1所示。

1 MCD仿真環境搭建

將數控機床的數字化模型導入NX MCD模塊中，根據調試需求和需實現的功能，建立功能模型，如圖2所示，并在MCD中設置相應的機電屬性。

1.1 基本機電對象

由于幾何體在三維模型中沒有被賦予機電對象屬性，因此它并不具備物理系統控制下的所有運動屬性，只有賦予其基本機電對象特征之后，才能夠進行物理屬性的運動仿真。本文對機床的主軸、刀架、刀具、刀庫門、換刀輪、氣缸、物料和工作臺等設置了相應的剛體和碰撞體屬性，如圖3所示。

1.2 運動副與約束

通過對剛體添加對應的運動副來定義對象的運動方式，從而使其實現相應的運動，本文對數控機床的運動副定義如圖4所示。

1.3 執行器

對于需要運動的幾何體而言，要在MCD中對相應的運動副進行位置和速度的定義使其成為執行機構，從而使幾何體能夠按照目標位置和指定速度到達指定的位置后反饋信息給PLC。由于機床中的X軸、Y軸、Z軸、刀架、換刀輪和氣缸等應具備運動屬性，因此本文對它們進行了位置控制(包括線性和角度)和速度控制的設置，如圖5所示。

1.4 信號與信號適配器

在MCD中，信號用于外部控制信息與模型運動的信息交互，具有輸入與輸出兩種類型。此外，信號之間需要邏輯判斷與運算，因此需要通過信號適配器對信號的形成邏輯進行組織管理，由其提供的數據參與到運算過程中，為MCD對象提供新的信號，以支持對運動或行為的控制，并將新的信號傳送給外界或MCD系統中。由于數控機床的X軸、Y軸、Z軸、刀盤和氣缸需要進行邏輯運算和數據交互，本文對它們進行了相應的信號和邏輯處理，具體設置如下。

(1)X軸、Y軸、Z軸。數控機床的X、Y、Z軸的位置和Z軸的速度是由PLC程序控制的，需要在信號適配器中創建XX、YY、ZZ和速度Z這4個信號并設置為輸入型，用來接收來自PLC的控制信號。此外，機床模型的X、Y、Z軸的位置信息也要傳輸到PLC中，因此創建了XX_F、YY_F、ZZ_F信號，將3個軸的位置信息反饋回PLC。還要添加圖5中X軸、Y軸、Z軸的“位置控制”為參數，通過公式將3個軸的具體數據賦值到以上創建的信號中，用于數據交互，如圖6所示。

(2)刀庫門。刀庫門的開合實際是由氣缸的運動來控制的，由于在運動副中已經定義刀庫門和氣缸的運動關系，因此只需要對氣缸的信號進行設置即可，如圖7所示。

刀庫門開合是否到位是由氣缸的行程來決定的，因此判斷門是否開合到位就要將氣缸的行程反饋到PLC中，對其行程的判斷由邏輯公式給定，如圖8所示。以門打開到位為例，其邏輯公式為：If(位置>110)Then(true)Else(false)

其中位置是指氣缸的行程位置，由PLC控制。模型中氣缸的行程為0～120，氣缸運動到110時，刀庫門已經完全打開，當氣缸位置>110時，則將門打開到位信號反饋給PLC，以執行下一步的指令。

(3)刀盤。對刀盤的控制實際就是對換刀輪的卸刀、換刀和其位置的控制。因此，需要設定刀號、刀盤旋轉和刀盤升降等控制信號和反饋信號，如圖9a所示。以換刀輪上升到位的信號反饋為例，添加圖5中“換刀輪 線性”為參數，并在信號適配器中命名為“升降”，通過邏輯公式：

If(升降>-1)Then(true)Else(false)

當換刀輪線性位置大于-1時，說明換刀輪上升到位，則MCD將信號反饋回PLC，以執行下一步指令。

但由于在PLC中無法完全控制機床的卸刀和裝刀動作，需要配合在MCD中定義“運行時參數”，通過“運行時表達式”的運算，將參數傳送到“仿真邏輯控制序列”，從而觸發換刀動作。

本文根據刀盤換刀的動作，設置了上升到位上升沿、上升到位下降沿、上刀和卸刀等8個運行時參數，并全部由“運行時表達式”進行運算，如圖9b所示。

以Runtime Expression_6“刀盤·上升到位下降沿”為例，對機床的卸刀動作進行說明。Runtime Expression_6的公式為：

If(!上升到位&刀盤)Then(true)Else(false)

其中用到了“上升到位”與“刀盤·升降記憶”這兩個參數，其含義是：當刀盤處于原點的位置，且刀盤上升到位的信號為false時，則采集到了下降沿脈沖，從而觸發“刀盤·卸刀”這一參數，此時“刀盤·卸刀”的值為true，且當刀盤旋轉至刀1(刀1為機床主軸上的刀)卸刀位時，緊接著會驅動仿真序列中“刀1與刀架斷開”和“刀1與刀架鏈接”兩個行為，從而完成卸刀動作，如圖9c和9d所示。

2 PLC環境搭建與編程

2.1 TIA博圖環境搭建

本文基于西門子S7-1500系列PLC進行組態設計，以確保數據安全和通訊的穩定。在TIA博圖中添加CPU1511-1 PN PLC和普通PC站，在PC站中添加OPC服務器和通用IE網卡，連接PLC與IE網卡端口，建立S7連接，完成組態，如圖10所示。由于信號較多，為保證后續在MCD中信號映射的準確和便捷，本文導出了MCD中設置好的信號，并將其導入到TIA博圖中，定義變量地址與數據類型,如圖11所示。

2.2 編寫PLC程序

根據圖2所示的功能模型以及MCD中定義的機床運動控制情況，編寫PLC程序，部分PLC梯形圖如圖12所示。

2.3 S7-PLCSIM Advanced配置

本文使用S7-PLCSIM Advanced V2.0創建虛擬PLC，由于本文探究軟件在環虛擬調試，因此在Online Access選項中選擇PLCSIM，在Instance name中輸入PLC1，點擊Start，完成PLC的創建，如圖13所示。

在完成上述設置后，將TIA博圖中的組態和程序下載到虛擬PLC1中，PLCSIM Advanced中的綠燈亮起，則表示TIA博圖與虛擬PLC1連接成功，在TIA博圖中的主程序和變量啟用監視。

3 MCD-TIA聯合調試

在MCD中進行虛擬調試，信號的連接是關鍵的一步。

3.1 信號映射

在建立映射之前，需要將PLC中的信號在MCD中的“外部信號配置”中進行連接，完成上述配置后，將外部信號與MCD信號建立信號映射，如圖14所示。

3.2 機電一體化虛擬調試

信號連接完成之后，就可以實現MCD與虛擬PLC程序的運動信號交互?？梢詫⒅付▽ο蟮男盘柼砑拥健斑\行時查看器”中，對實時數據進行觀察分析。本文將“啟動”、“XYZ”和“刀盤”等信號添加到了“運行時查看器”，在“運行時查看器”中找到啟動信號，雙擊將false改為true以啟動機床，點擊“播放”按鈕，可以觀察到機床模型的實時行為在MCD中得到了虛擬驗證；同時在TIA博圖的主程序窗口和變量窗口可以看到，MCD在仿真的同時與博圖進行了數據交互，如圖15所示。

此外，可以在“運行時查看器”中檢測到實時數據和運動曲線，如圖16所示。

4 結語

本文提出來一種基于NX MCD軟件在環系統的虛擬調試方法，并以數控機床樣機為實例，對機床的機械結構、PLC程序及其運行邏輯進行了驗證。此外，通過研究“位置-時間”的關系，可以看出Z軸速度由0增加到設計速度的過程和工件接近刀具的時候的減速過程更為真實可靠。因此，可以得出結論：使用本文提出的方法對機電一體化設備進行虛擬調試，能夠快速地發現設備設計缺陷和程序異常，通過不斷地調試修改以達到設計要求，從而降低現場調試風險，節省成本，調試結果也更為準確和真實。