基于NXMCD的全自動注塑機(jī)的虛擬調(diào)試*

趙 輝，楊 超，宋洪洋

（東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040）

0 引言

隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等工業(yè)科技的快速進(jìn)步，現(xiàn)代制造業(yè)正在高速發(fā)展，我國出臺了“中國制造2025”政策，希望借助新技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)國內(nèi)制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級，進(jìn)而實現(xiàn)智能制造。面對巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，德國為實現(xiàn)數(shù)字化、智能化、個性化的產(chǎn)業(yè)模式也提出了“工業(yè)4.0”的技術(shù)模式，這些變化必將引發(fā)生產(chǎn)模式、商業(yè)模式和供需關(guān)系的重大變革。智能化、個性化制造和基于數(shù)據(jù)的產(chǎn)品開發(fā)構(gòu)成了未來商業(yè)模式的基石。一直以來，西門子公司在機(jī)電一體化領(lǐng)域涉及廣泛，工業(yè)領(lǐng)域中不同學(xué)科融合、協(xié)作的數(shù)字孿生（Digital Twin）技術(shù)也逐漸受到重視。工業(yè)仿真軟件的出現(xiàn)實現(xiàn)了虛擬環(huán)境和現(xiàn)實環(huán)境之間的交互融合，讓工業(yè)4.0真正成為現(xiàn)實。在工業(yè)4.0的背景下，NX MCD 作為一種前沿的數(shù)字孿生技術(shù)的的重要工具，其應(yīng)用也越來越廣泛。西門子機(jī)電概念設(shè)計（NX MCD）作為數(shù)字孿生技術(shù)中重要的數(shù)字化工具，可以把現(xiàn)有的機(jī)械、電氣、氣動、自動化、人機(jī)交互和編程等專業(yè)知識集合為一個整體，從而使人們在虛擬環(huán)境下對產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)與調(diào)試[1-4]。由于NX MCD 模塊是多方面的集成，所以在產(chǎn)品的開發(fā)過程中，能有效縮短花費的時間，節(jié)省研發(fā)所需要的成本，對于企業(yè)來說有重大意義[5]。

通常來說，產(chǎn)品的開發(fā)總是按部就班地，各個研發(fā)階段漸次進(jìn)行。如果在前期設(shè)計中出現(xiàn)的一些錯誤設(shè)計未被及時發(fā)現(xiàn)，那么在后期設(shè)計中，錯誤成本將大大增加，糾錯的成本也就越來越大，未檢測到的錯誤可能會在調(diào)試期間造成設(shè)備重大的損壞。如果設(shè)備在后期需要優(yōu)化升級，那么必須找到合適的停機(jī)時間。停機(jī)時間越長造成的經(jīng)濟(jì)損失也就越大。解決這類問題的理想途徑就是搭建虛擬平臺，基于虛擬平臺的MCD 模型，機(jī)械設(shè)計、電氣設(shè)計和自動化等階段可以同時進(jìn)行，讓設(shè)計的產(chǎn)品能夠及時開展調(diào)試，就能夠在早期階段發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計錯誤，發(fā)現(xiàn)問題并及時優(yōu)化，節(jié)省成本，降低風(fēng)險。目前國內(nèi)虛擬調(diào)試技術(shù)的應(yīng)用在汽車生產(chǎn)制造行業(yè)內(nèi)比較廣泛，其他行業(yè)應(yīng)用較少。隨著“工業(yè)4.0”和“中國制造2025”的不斷開展，虛擬調(diào)試及數(shù)字孿生技術(shù)會應(yīng)用于越來越多的行業(yè)[6-10]。

本文以全自動注塑成型機(jī)為研究對象，提出了一種基于機(jī)電概念設(shè)計（NX MCD）模塊的軟件在環(huán)虛擬調(diào)試的方法，控制部分與機(jī)械部分均采用虛擬部件，在虛擬PLC 及其程序控制下組成的閉環(huán)反饋回路中進(jìn)行程序編輯與驗證的調(diào)試。機(jī)械部分在NX 中創(chuàng)建，模型創(chuàng)建完成以后添加到MCD 模塊進(jìn)行基本機(jī)電對象、運動副和約束與執(zhí)行器等設(shè)置，同時需要在TIA 博途中編寫好需要的PLC 程序。S7-PLCSIM Advanced 作為高級虛擬控制器，是連通NX 和TIA 博途的紐帶，通過創(chuàng)建虛擬PLC來完成兩個軟件之間的交互，實現(xiàn)以PLC 程序帶動注塑機(jī)模型完成真實注塑機(jī)的實際工作步驟的目的。軟件在環(huán)虛擬調(diào)試原理如圖1所示。

圖1 軟件在環(huán)虛擬調(diào)試原理

1 NX三維模型的構(gòu)建

三維模型的構(gòu)建以全自動注塑機(jī)為基礎(chǔ)，對注塑機(jī)各結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行準(zhǔn)確測量，務(wù)求注塑機(jī)在虛擬環(huán)境中的還原。注塑機(jī)的主要部件有動模板、料筒、料斗和機(jī)械臂等，機(jī)械臂的伸縮和氣動手指的開合是通過自身的3個氣缸來實現(xiàn)的。圖2所示為注塑機(jī)模型的平面圖。

圖2 注塑機(jī)模型平面圖

2 MCD仿真環(huán)境的搭建

將構(gòu)建好的注塑機(jī)三維模型引入到NX MCD 模塊，根據(jù)對注塑機(jī)的工作需求進(jìn)行分析整理，對其所要完成的功能分解，注塑機(jī)的工作流程如圖3 所示。三維模型導(dǎo)入至MCD 模塊后，為了使其具有特定的物理特性，從而完成對模型運動的虛擬仿真，要進(jìn)行基本機(jī)電對象、運動副和約束、傳感器和執(zhí)行器等設(shè)置。

圖3 注塑機(jī)模型的工作流程

2.1 基本機(jī)電對象的設(shè)置

機(jī)電概念設(shè)計（NX MCD）中的基本機(jī)電對象包括剛體、碰撞體、對象源、對象變換器、代理對象和對象收集器等。基本機(jī)電對象是MCD 物理引擎的基礎(chǔ)，其設(shè)置要在NX 模型創(chuàng)建之后。在幾何體三維模型沒有被賦予需要的機(jī)電對象屬性之前，它們并不具備質(zhì)量、慣性、碰撞、摩擦等物理屬性，只有賦予幾何體三維模型需要的機(jī)電對象屬性之后，才能夠?qū)崿F(xiàn)模型物理特性的運動仿真。圖4所示為模型的基本機(jī)電對象設(shè)置。

圖4 基本機(jī)電對象設(shè)置

2.2 運動副和約束的設(shè)置

兩構(gòu)件之間可動的接觸組成了運動副，運動副定義了對象的運動方式，常見的運動副包括鉸鏈副、固定副、滑動副、柱面副和球副等。圖5 所示為本試驗對注塑機(jī)模型的運動副設(shè)置。

圖5 運動副和約束設(shè)置

2.3 傳感器和執(zhí)行器設(shè)置

傳感器和執(zhí)行器是MCD 模塊實現(xiàn)電氣仿真的基礎(chǔ)。運用速度控制、位置控制、傳輸面與傳感器相對應(yīng)的運動副進(jìn)行矢量運動控制以實現(xiàn)對構(gòu)件的不同控制是定義傳感器和執(zhí)行器的主要目的。模型中共有8 個傳感器，其中機(jī)械臂的氣缸上裝有4 個位置傳感器，分別承擔(dān)不同的作用。執(zhí)行器是通過位置控制來實現(xiàn)注塑機(jī)的主要活動。圖6 所示為注塑機(jī)傳感器與執(zhí)行器的設(shè)置。

圖6 注塑機(jī)傳感器與執(zhí)行器設(shè)置

2.4 序列編輯器設(shè)置

仿真序列是NX MCD 中的控制元素，是MCD 模塊處理機(jī)構(gòu)運動與仿真的控制方式。通常使用仿真序列來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如速度控制和位置控制）、運動副（如移動副的連接件）等。除此以外，在仿真序列中還可以創(chuàng)建條件語句來確定何時觸發(fā)改變。NX MCD中的仿真序列有兩種基本類型：基于時間的仿真序列和基于事件的仿真序列。

在仿真對象中，每一個對象都有一個或者多個參數(shù)，都可以通過創(chuàng)建仿真序列進(jìn)行修改預(yù)設(shè)值來改變仿真過程。總之，可以通過仿真序列控制NX MCD 中的任何對象。在虛擬調(diào)試過程中中，仿真序列不應(yīng)勾選上。模型的運動是通過后來編寫的的PLC 程序來控制的，仿真序列的勾選可能會影響到調(diào)試的進(jìn)行。仿真序列的作用是在調(diào)試前期檢驗注塑機(jī)模型能否規(guī)范地完成相應(yīng)動作。

2.5 信號與信號適配器設(shè)置

在機(jī)電概念設(shè)計平臺NX MCD 的組件模型中，信號用于運動控制和外部的信息交互，有輸入和輸出兩種信號類型。其中，輸入信號是外部輸入到MCD 模型的信號，輸出則是MCD模型輸出到外部設(shè)備的信號。

信號適配器是MCD 模塊為了解決復(fù)雜的邏輯運行和函數(shù)運算而提出的方法，其作用是通過對數(shù)據(jù)的判斷或處理，為MCD 對象提供新的信號，以支持運動或者行為的控制，新的信號也能夠輸出到外部設(shè)備或者其他MCD模型中。在本文中，將信號適配器中創(chuàng)建的信號與TIA Portal中的PLC程序連接，實現(xiàn)軟件在環(huán)虛擬調(diào)試。創(chuàng)建的信號在合適的運行時公式的輔助下通過外部信號配置和信號映射才能與PLC 程序連接。圖7～8 所示為注塑機(jī)模型信號適配器的信號設(shè)置與運行時公式。

圖7 信號適配器中的信號

圖8 信號適配器中的運行時公式

3 PLC編程與TIA-MCD虛擬調(diào)試

本文選用西門子S7-1500 系列PLC 進(jìn)行組態(tài)設(shè)計，以確保數(shù)據(jù)安全和通訊的穩(wěn)定，PLC 的具體型號為CPU1512C-1PN。

3.1 虛擬PLC與信號映射

TIA 博途和NX MCD 之間的連接需要通過S7-PLCSIM Advanced 來實現(xiàn)。無需PLC 硬件，該軟件可以創(chuàng)建虛擬PLC，將編輯好的程序下載到軟件中，完成連接之后就能夠?qū)崿F(xiàn)信號與程序之間的映射。虛擬PLC 創(chuàng)建成功后會亮起黃色指示燈，當(dāng)程序成功下載到虛擬PLC后，軟件界面的黃色指示燈會變成綠色。需要注意的是，S7-PLCSIM Advanced 的仿真應(yīng)用于S7-1500 系列和ET200 SP 系列的CPU，不適用于1200 系列的PLC。圖9所示為S7-PLCSIM Advanced軟件界面。

圖9 PLCSIM Advanced軟件界面

虛擬PLC 創(chuàng)建完成后，在MCD 模塊的外部信號配置中選擇PLCSIM Adv，在實例中添加創(chuàng)建好的虛擬PLC，更新標(biāo)記，選中需要連接的信號。在信號映射中，同樣選擇PLCSIM Adv 與創(chuàng)建好的PLC，將MCD 信號和外部信號一一對應(yīng)，映射成功的信號連接會相應(yīng)的出現(xiàn)在下方界面中。操作界面如圖10～11所示。

圖10 外部信號配置界面

3.2 軟件在環(huán)虛擬調(diào)試

信號映射成功之后，就可以利用PLC 程序來控制注塑機(jī)模型的運動。模型的運動主要包括動模板的合模和開模、料筒的移動與機(jī)械臂的夾持。根據(jù)注塑機(jī)模型的運動情況，編寫相應(yīng)的PLC 程序。PLC 程序的仿真可以通過PLCSIM 來完成，與“強(qiáng)制表”命令同時使用驗證程序的邏輯關(guān)系是否正確。圖12～13所示為PLCSIM 仿真與PLC程序的變量表。

圖12 PLCSIM仿真

圖11 信號映射界面

圖13 PLC程序的變量表

PLC 程序的下載和信號映射完成之后，開始虛擬調(diào)試。軟件在環(huán)虛擬調(diào)試相比硬件在環(huán)虛擬調(diào)試的優(yōu)點在于對硬件要求較低，不需要PLC 硬件就能夠完成。開始調(diào)試之前，需要在詳細(xì)視圖的當(dāng)前項目的屬性中勾選“保護(hù)—塊編譯時支持仿真”，以免仿真時報錯。下載完程序后啟用監(jiān)視，PLC 程序開始仿真。若調(diào)試時，傳感器信號并未設(shè)置完成，可以使用“強(qiáng)制表”對PLC 程序中的I 輸入點進(jìn)行強(qiáng)制。在MCD 界面點擊播放，注塑機(jī)模型將按PLC程序指令運行，如圖14所示。

圖14 軟件在環(huán)虛擬調(diào)試

3.3 虛擬調(diào)試結(jié)果分析

通過對注塑機(jī)模型運動和PLC 程序運行的觀測結(jié)果來看，模型根據(jù)編寫好的程序做出了相應(yīng)的動作，運行過程中也沒有出現(xiàn)其他的錯誤，完成了虛擬調(diào)試的整個過程。虛擬調(diào)試的成功開展主要在于MCD 模型的物理特性設(shè)置與PLC 驅(qū)動程序的正確編寫。將現(xiàn)實中的機(jī)電設(shè)備移至虛擬環(huán)境中，進(jìn)行特定的參數(shù)設(shè)置后，通過PLC程序使MCD 模型完成現(xiàn)實環(huán)境中機(jī)電設(shè)備的工作流程，模型工作時出現(xiàn)的錯誤可以作為參考依據(jù)對現(xiàn)實設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到縮短工時、節(jié)約成本和降低風(fēng)險的作用。

4 結(jié)束語

本文采用了一種基于機(jī)電概念設(shè)計（NX MCD）模塊的軟件在環(huán)虛擬調(diào)試方法，運用TIA博途軟件來組態(tài)PLC，通過S7-PLCSIM Advanced來連接MCD模型與博途PLC程序，以注塑機(jī)模型為例證實了軟件在環(huán)虛擬調(diào)試的可行性。

在機(jī)電設(shè)備的設(shè)計和調(diào)試過程中，使用本文提出的方法在虛擬環(huán)境中進(jìn)行虛擬調(diào)試時，能夠及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的設(shè)計缺陷和PLC 程序異常并給予及時的改正，有利于節(jié)省項目資金與時間成本，缺陷修改之后再進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試，可以一定程度降低現(xiàn)場調(diào)試時實際設(shè)備中出現(xiàn)錯誤或缺陷的風(fēng)險，其調(diào)試結(jié)果也會更真實可靠。