基于MCD的氣動搬運機械手生產線虛擬調試

趙 輝，宋洪揚，楊 超

（東北林業大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150006）

1 引言

傳統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，降低在設計變為實體過程中存在的風險。

隨著全球進入工業4.0時代，傳統制造業正在向智能化、數字化轉變，數字孿生通過創建與實體環境相同的數字化模型，運用虛擬調試技術，早發現機械結構和控制系統中存在的問題，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、實施和優化等提供依據。

MCD 是數字孿生技術中的一種重要的數字化工具，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、開發的技術平臺。借助 NX MCD 創建機電一體化模型，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/工具進行協同工作。

TIA 是一種采用統一的工程組態和軟件項目環境的全集成自動化軟件，可在同一環境中組態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，實現控制系統與機械部件之間的交互。現以 S7-PLCSIM Advanced 高功能仿真器模擬真實 PLC 控制系統，建立 S7-1500 系列 PLC 與 MCD 的通信連接，實現數據交換，在仿真環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仿真，軟件在環虛擬調試如圖1所示。

圖 1 軟件在環虛擬調試

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的是物料搬運的功能，在開始動作前生產線處于初始狀態，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，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，根據要滿足的需求和要實現的功能創建機電一體化模型。

（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，達到聯合調試的目的。本文根據生產線氣缸、機械手等部件的運動特性，對其速度與位置控制進行設置，執行器與傳感器如圖6所示。

圖 6 執行器與傳感器

（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據的判斷與處理，為 MCD 對象提供新的信號，以實現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同時進行信號的創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，數據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，實現相應的運動控制。最后再根據添加的參數通過公式將具體的數值寫入到創建的信號中，用于數據交互，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。最后再根據添加的參數通過公式將具體的數值寫入到創建的信號中。

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，實現旋轉運動。在信號適配器中添加位置控制的參數，勾選指派為添加信號類型，選擇輸入信號，并編寫運動函數控制卡盤旋轉指定角度。

3 PLC 組態及編程

3.1 PLC 硬件組態

選用基于西門子 S7-1500 系列 PLC 進行硬件組態，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，主要是實現夾取和搬運的動作，首先根據運動需求定義變量地址和數據類型，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 博圖中的組態和程序下載到虛擬 PLC 中，若高功能仿真器中的黃燈變為綠色則證明連接成功，在 TIA 博圖中啟用監視，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外部信號控制 MCD模型的可行性。通過此方法能夠及時發現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。