基于NX進行聯合仿真運動控制系統的綜合分析

楊治山，張亦龍，雷麗琴

（1．天水電氣傳動研究所集團有限公司，甘肅 天水 741020；2．大型電氣傳動系統與裝備技術國家重點實驗室，甘肅 天水 741020）

在三自由度并聯機械手的運動控制系統中，選用伺服電動機作為驅動部件，在電氣性能方面憑借抗過載能力強、控制精度高和高速性能好的諸多優勢，其轉子的轉速受控制信號的作用能夠快速反應，且具有很好的機械特性，因此在各行業有著相當廣泛的應用，但是該運動控制系統存在設計復雜、系統搭建周期長等諸多干擾因素，本文在綜合考慮調試周期、維護成本和經濟效益的基礎上，對系統進行深入研究，建立了符合機械手的數學模型，結合虛擬調試NX軟件工具，搭建相應的機械模型，建模完成以后可以通過仿真直接從庫中選取現有部件重建幾何模型。然后將運動控制器中數據庫所對應的變量表與仿真軟件中事先約定好的控制和反饋信號，通過SIMIT建立虛擬API函數的通道，從而實現運動控制器中的命令信號作為仿真軟件NX中控制信號的這一目的。在線監控時，通過軟件的TRACE跟蹤功能，觀察運動過程中虛擬數據與實際期望不同的情況，此時再分析控制程序運行狀況和仿真軟件NX中信號觸發情況及仿真序列運行情況，根據軟件提示的錯誤進行修改，大大提高了自動化調試的效率。

1 系統概述

1．1 控制對象的數學模型

運動控制系統的執行機構通常是由伺服電動機、傳動機構、生產機械、控制設備和系統電源五個部分組成，在實際工程應用中，通常用n表示轉速，φ代替旋轉角速度來表示負載的旋轉速度，使用飛輪矩PQ2代替負載旋轉的慣量，K來表示系統的機械慣性。得到φ與n，PQ2和K的公式為：

式中：n為轉速，單位為r／min，M0和P為旋轉體的質量和重量，單位分別是kg與N；n與Q為半徑與直徑，單位是m，g為重力加速度，取值10m／s2。

把公式（1）、（2）代入拖動系統旋轉方程式得出：

式中PQ2為旋轉體的飛輪矩，單位為N·m2。

圖1 運動控制系統模型

1．2 仿真軟件NX的建模

在傳統的非標自動化流程下進行設備研發，不僅設計時間長，還消耗大量的人力物力，從設計需求到產品制造階段的試錯成本太高，再加上機械設計與電氣設計本身存在脫節的硬傷，導致整個產品的可重復使用性能未得到應有的保障。

在NX軟件中對該機械手進行建模設計之初想要達到的目的是，使抓取執行器被運動控制系統驅動旋轉并構建成空間上的組合順序，其主要任務就是對執行器的速度給定和位置控制。通過機器人每根軸的旋轉角度，推算出拾取機器人的空間姿態以及工作端的空間位置運動稱為正解；運動學反解是知道機器人的末端位置，反推每根軸的旋轉角度，根據三個主動臂A1的旋轉角度為α1、α2、α3，從動臂的長度為B1，e為兩個電機軸的軸距，計算出末端執行器的坐標Q（x，y，z）點。如圖2所示。

圖2 三自由度機械臂空間坐標系

該機械手正解公式主要用于控制機械手伺服電動機的位置給定，而當伺服電動機在執行完成一個控制命令后，通常會有一個完成信號反饋給控制系統，但是在NX軟件中這個輸出信號不能主動觸發，需要建立時序運行可執行腳本，讓輸出信號實現反饋輸入的條件，當條件滿足時，輸出信號才會觸發，從而執行下一步動作，為后面與運動控制器連接進行虛擬調試打好基礎。

2 自動化設計

基于TIA自動化組態平臺下的虛擬仿真控制器，憑借計算硬件資源，真實地還原了實際運動控制器循環掃描、處理器將對裝置狀態進行監控的工作方式，控制器從主周期任務的程序開始逐條執行用戶任務，直到所有任務結束，再次重新返回第一個主任務，繼續開始下一輪新的掃描。

首先打開TIA工程軟件，創建一個新項目，根據實際要求選擇運動控制器的選型卡，然后啟動虛擬仿真控制器，選擇下載按鈕，將硬件組態下載至虛擬軟件中。程序的架構是由預設目標位置坐標到控制電機實際旋轉角度的反解運動學，首先設置程序中的虛擬軸原點，通過上一節中的反解公式，計算機械手兩個電機的旋轉角度，由編碼器反饋的數據再計算出末端執行器的位移坐標Q（x，y，z），然后用指令實現虛擬軸與實際軸的角度同步。通過程序示教，定義出機械手末端執行器的運動軌跡。示教程序可以完成虛軸進行直線、圓弧插補、凸輪軌跡規劃，如圖3所示。

圖3 虛擬軌跡示教示意圖

在本文中運動控制系統是利用S7－PLCSIMAdavanced創建的虛擬運動控制器，與真實運動控制器具有相同的功能，然后借助TIA自動化編程環境的工藝對象添加對應位置的電機軸，同時添加Kinematics工藝對象，在基本參數下選擇運動機構類型下拉菜單中的三腳架（帶定位功能），在機械結構參數選項卡里，輸入機械手的機械參數，系統就會自動生成背景數據，作為和仿真軟件NX機械數據交互的接口。這樣即使在沒有真實運動控制器的條件下，照樣可以進行軟件調試工作，一臺計算機上就可以完成虛擬控制器與TIA的實時數據交換，使軟件調試工作更加方便、高效和快捷。

3 聯合仿真

整個系統在一臺工作站的臺式機上完成，在NX項目中定義剛體的運動軸名稱為MC－Axis－A1、MC－Axis－A2和MC－Axis－A3，在仿真軟件NX中創建一個信號適配器選項卡，為模型的信號連接到外部建立其接口，下圖顯示了與信號適配器的信號耦合用于NX軟件模型中軸MC－Axis－A1的位置控制，如圖4所示。

圖4 仿真軟件種運動機構與虛擬控制器的信號映射

模型之間通過剛體和運動副連接在一起，并為這個減速箱輸出軸分配一個速度控制接口；本文中運動控制借助SIMIT項目可以實現驅動設備層的仿真功能，SIMIT中具備過程對象層的仿真庫，從邏輯上講，底層的過程對象層、驅動設備層、IO、CPU都可以仿真其真實過程。也就是說，不同的應用場景，SIMIT所仿真的層級不同。設置如下：SIMIT的兩個通訊端口和P1端口需要設置，其中通訊端口用于連接SIMIT軟件，需要與工作站物理網卡在同一個網段；P1端口用于連接虛擬運動控制器名為X1的網絡接口，注意P1端口與通訊端口不能處于同一網段。啟動仿真軟件SIMIT后，在NX仿真軟件的菜單欄中選擇其外部信號配置選項卡，此時會跳轉到配置界面，然后選擇SHM選項卡，單擊添加新SHM按鈕圖標，此時系統會自動建立一個新的SHM連接，鍵入新的名稱，如：SIMITNXDemo。返回后在仿真軟件的菜單欄中選擇信號映射選項，在其設置界面中的類型鍵入新連接的名稱，此時軟件會自動執行自動映射任務，再單擊仿真軟件NX菜單欄下的功能播放按鈕，此時NX軟件會自動與SIMIT之間的Shared－Memory建立通訊連接。打開TIA軟件，將編譯好的運動控制程序下載到虛擬運動控制器中，在監控表中監視控制命令和反饋信號狀態，仿真軟件NX的時序運行隊列也會同步運行，至此聯合仿真組態策略全部完成。

圖3是虛擬伺服軸通過程序示教的虛擬軌跡，實際運行時，由于在空間坐標系下存在坐標轉換的原因，用Trace跟蹤器跟蹤出實際模型執行器運動的軌跡如圖5所示，這樣就完成了虛擬調試，通過建立NX運動行為模型的仿真方式實時性更快、穩定性更好、更接近實際工程系統的應用。

圖5 三自由度機械臂末端執行器運動軌跡

4 結論

本文圍繞NX聯合仿真的運動控制系統模型，首先規劃好運動控制系統的布局和設備資源，通過模型建立對其理論公式的推導分析，然后優化系統的動作流程，集成好數據模型后，制作相應的工藝仿真程序，分析加工的路徑與工藝參數，最后進入調試階段，接入運動系統，部署SIMIT與PLCSIM Advanced耦合的IO信號，同時調試驗證。在這樣的調試環境下，可以更早地發現編程錯誤和邏輯混亂等棘手情況，無需等設備在物理環境中安裝完成，最大程度地避免真實物理環境下的硬件沖突等錯誤，從而降低昂貴的修改成本。這使得自動化項目調試的整體環節所需的時間縮短近一半，交貨時間總體縮短18%以上。

綜上所述，在NX環境中驗證的運動控制系統可替換任意虛擬資源為真實設備，進行部分驗證，最終替換為實際的物理設備，完成物理與虛擬映射的調試。