基于MCD平臺的機器人碼垛工作站設計及虛擬調試*

鄭俊強，徐玉梁，馮治國

（1.貴陽學院機械工程學院，貴陽 550005；2.貴州大學機械工程學院，貴陽 550025）

0 引言

MCD（Mechatronics Concept Designer）是Siemens公司開發的在新一代數字化產品開發系統（Unigraphics Next Generation，UG NX）環境下建立3D 模型并實現運動仿真的虛擬平臺[1]?；贛CD 平臺可在產品方案設計階段建立三維模型，設計配套的電氣控制方案，搭建數字孿生虛擬樣機。在模擬真實工作場景下進行設備的程序運行和運動仿真，驗證機電一體化系統方案的可行性。通過虛擬傳感器獲取機械模型的數據信號與PLC實時通信，實現虛擬機電設備工作狀態的在線監控[2]。通過設備的虛實結合，實現數字化雙胞胎。

邢學快[3]采用PLC 數據匹配的MCD 實現風力發電機虛擬仿真監控，黃海濤[4]基于MCD 平臺設計了空心杯線圈成型裝置，并進行了實驗驗證。吳雁[5]基于MCD 平臺完成了數控車床上下料機械手機電一體化概念設計與控制仿真，體現了NX MCD 平臺多系統集成性高、概念建模及模擬仿真等優勢。林裕程等[6]提出了一種基于NX MCD 的數控機床軟件在環虛擬調試方法，通過PLCSIM Advanced 構建虛擬PLC，運用TIA 博圖作為數據通訊和實時監測的虛擬驗證手段，并以數控機床的模型和PLC控制程序的聯合仿真為應用案例。鄭魁敬等[7]以機器人磨削系統為應用案例，提出一種基于三維仿真平臺NX MCD 的機器人自動化生產系統虛擬調試方法，實現磨削系統、機器人控制器和PLC 控制器的信號實時交互，驗證了基于NXMCD 的機器人自動化生產系統虛擬調試方案的有效性。代小龍等[8]基于NX MCD進行了沖壓生產線運動仿真研究，驗證了基于NX MCD的自動化沖壓生產線運動仿真的可操作性。王俊杰等[9]提出了一種基于MCD 的并行概念設計理念，運用OPC（OLE for Process Control）通訊技術作為實時虛擬驗證的實現手段，并用某數控機床的概念設計過程作為實例驗證。

研究表明，MCD 平臺可廣泛應用于各類機電產品的設計開發、運行調試、在線監控，能有效縮短產品研發周期，降低開發過程的硬件消耗[10]。

本文以機器人碼垛工作站為研究對象，基于MCD 平臺進行機械系統設計和控制系統PLC程序設計，實現機電一體化系統仿真，并開展調試實驗，搭建穩定可靠的機器人碼垛工作站虛擬樣機模型。

1 機器人碼垛工作站三維模型設計

圖1 所示為機器人碼垛工作站模型簡化圖，采用模塊化設計方法進行機械系統建模，簡化后的模型主要分為4 個模塊：機器人模塊、夾具模塊、鉆床模塊、傳送帶模塊。

圖1 機器人碼垛工作站

機器人模塊由機器人本體和夾具組成，本體采用ABB IRB1200 系列機器人模型。夾具模塊采用伸縮機構實現工件的抓取和釋放。

鉆床模塊由可旋轉可升降鉆床刀架和鉆頭組成。

傳送帶模塊由進料傳送帶和出料傳送帶組成，進料傳送帶上設置了光電傳感器1 和2，出料傳送帶上設置了光電傳感器3，用于工件的到達檢測。

2 機器人碼垛工作站工作流程設計

機器人碼垛工作站實現的加工作業：工件的進料搬運、工件鉆孔、工件的出料搬運。

為了設計機器人碼垛工作站電氣控制系統，并在MCD 平臺上進行機電一體化聯合調試，先對機器人碼垛工作站的工作流程和動作邏輯進行系統規劃和設計，圖2 所示為機器人碼垛工作站工作流程。

圖2 機器人碼垛工作站工作流程

圖1 所示位置為機器人、工件、鉆床、傳送帶開機前的初始位置。工作過程中1 個工件加工周期機器人設置了6 條運動路徑。

進料傳送帶的啟動由機器人復位信號控制，停止由光電傳感器2 控制。系統啟動狀態下當機器人回到初始位置時，進料傳送帶啟動；當光電傳感器2 觸發時，進料傳送帶停止。出料傳送帶的啟停由光電傳感器3、4 控制，當光電傳感器3 觸發，傳送帶2啟動；當光電傳感器4觸發，出料傳送帶停止。

機器人運動軌跡由6 條路徑組成，工作過程中根據傳感器信號的狀態邏輯啟動相應的路徑。

鉆床模塊的被控對象包括刀架的旋轉、升降、鉆頭的旋轉啟停，采集過程信號構建控制邏輯。

3 MCD機械屬性設置

3.1 基本機電對象設置

通過機電對象的設置可以賦予三維模型物理屬性，包括重力、摩擦、碰撞等，使之與現實世界中的真實物體具有相同的物理性質[11]。

本文采用組件裝配的方式設置機電對象，該方法適用于結構復雜、零部件數量龐大的機電裝備或生產線，圖3 所示為機器人碼垛工作站MCD模型的機電對象設置結構。

圖3 碼垛工作站機電對象設置結構

其中，以機器人本體為例進行機電對象設置。工業機械臂由6 個軸組成，仿真過程中6 個軸的位置都發生運動，且每個軸都繞軸線轉動，因此將6 個軸分別設置為剛體，運動副設置為鉸鏈副，如圖4所示。

圖4 機器人本體機電對象設置

3.2 機器人運動路徑規劃

機器人運動路徑規劃是機器人碼垛工作站設計的關鍵，決定了機器人運動的精度和工件抓取的穩定性。

MCD 中有反算機構和路徑約束運動副兩種方式進行機器人的運動路徑控制[12]。反算機構可以在線設定目標位置參數，適用于目標位置在線更改的自動控制系統，但其運動軌跡的平滑性差，波動較大。路徑約束運動副需預先設定運動軌跡，仿真過程中目標位置不可更改，路徑可控性好，軌跡平滑，適用于運動軌跡固定的控制系統。

本文采用路徑約束運動副進行機器人的運動軌跡控制，創建6 段連續路徑構成機器人全周期運動軌跡，如圖5 所示。每段路徑取起點、終點、中間過渡點3 個點，保證路徑平滑，曲率半徑小。

圖5 機器人運動路徑軌跡

4 MCD信號及數據創建

信號是機械模型與電氣控制系統交互的橋梁，機械模型的狀態反饋、傳感器的信號輸出，控制系統的控制信號輸入均是以信號的方式進行傳遞。

機器人碼垛工作站MCD 模型中以組件為單元進行信號的創建，通過對工作流程的分析共創建各類控制信號29 個。其中，輸入信號12 個，輸出信號17 個。整型數據信號11 個，雙精度數據信號3個，布爾型數據信號15個。表1所示為MCD模型中創建的部分信號。

表1 虛擬碼垛實驗參數

5 PLC電氣控制設計

采用西門子S7-1500 PLC 進行機器人碼垛工作站控制系統設計，基于西門子自動化集成平臺TIA Portal 進行程序設計和HMI 人機界面設計，如圖6 所示。程序設計了自動模式和手動模式兩種操作模式，程序設計的I/O 信號與MCD 創建的信號匹配。程序在S7-PLCSIM Advanced 虛擬PLC 環境中運行。將S7-PLCSIM Advanced 虛擬PLC 與MCD 連接，配置I/O 信號，并與MCD中的信號進行映射。

圖6 機器人碼垛工作站人機界面

6 虛擬調試實驗與結果分析

機器人碼垛工作站中，對不同質量和表面摩擦因數工件的穩定抓取和精確放置是碼垛工作站調試的重點，也是耗時較長的調試環節。機器人夾具的接觸面積、摩擦因數、正壓力是影響工件穩定抓取的關鍵因素，機器人放置工件時的運動速度是影響工件精確放置的關鍵因素。

基于MCD 平臺的機器人碼垛工作站機電一體化模型，開展虛擬碼垛調試實驗，探索機器人夾具的接觸面積及工件/夾具摩擦因數一定，夾具穩定抓取時，夾具正壓力與工件質量之間的關系。探索機器人放置工件時的運動速度與工件放置精度之間的關系。實驗參數及結果如表1所示。

實驗結果表明：工件與夾具的摩擦因數為0.2 時，穩定拾取工件所需的夾具正壓力與工件質量有關。當工件質量為1 kg時，夾具正壓力大于或等于30 N，可實現工件的穩定拾取，夾具正壓力等于20 N 時，機器人運動過程中出現工件滑落；當工件質量為2 kg時，夾具正壓力大于或等于60 N，可實現工件的穩定拾取，夾具正壓力等于50 N 時，機器人運動過程中出現工件滑落；當工件質量為3 kg 時，夾具正壓力大于或等于80 N，可實現工件的穩定拾取，夾具正壓力等于70 N時，機器人運動過程中出現工件滑落。

工件與夾具的摩擦因數為0.2 時，精確放置工件所需的放置速度與工件質量有關。當工件質量為1 kg時，放置速度小于或等于0.2 m/s，可實現工件的精確放置，放置速度等于0.3 m/s時，工件放置時出現滑移；當工件質量為2 kg時，放置速度小于或等于0.3 m/s，可實現工件的精確放置，放置速度等于0.4 m/s時，工件放置時出現滑移；當工件質量為3 kg時，放置速度小于或等于0.4 m/s，可實現工件的精確放置，放置速度等于0.5 m/s時，工件放置時出現滑移。

7 結束語

采用MCD 數字化機電產品開發平臺可同時實現機器人碼垛工作站的機械系統設計、電氣控制系統設計，模擬真實工作環境完成機電一體化聯合仿真和虛擬調試。在機械實體制造前預先進行控制程序設計，基于MCD虛擬模型進行程序的驗證和調試，在設計階段發現問題，進行機械和控制系統的優化改進。

基于MCD 平臺的機電一體化虛擬調試模型進行碼垛實驗，獲得了不同質量工件穩定拾取所需的夾具正壓力和精確放置所需的機器人放置速度。在工件與夾具的摩擦因數為0.2 的接觸條件下，當工件質量為1 kg 時，穩定抓取所需的夾具正壓力大于或等于30 N，放置速度小于或等于0.2 m/s；當工件質量為2 kg時，穩定抓取所需的夾具正壓力大于或等于60 N，放置速度小于或等于0.3 m/s；當工件質量為3 kg時，穩定抓取所需的夾具正壓力大于或等于80 N，放置速度小于或等于0.4 m/s。對于質量為1～3 kg 的工件，夾具正壓力大于或等于80 N，放置速度小于或等于0.2 m/s，可實現工件的穩定抓取和精確放置。

相比傳統的基于機械實體的機電系統開發和現場調試模式，該方法大大縮短了開發周期，降低了現場調試成本和機械結構優成本，為機電產品的開發提供了機電一體化解決方案。