基于MCD仿真模型的圓鋼堆垛機設計

李漫天，黃海東

（廣西大學 機械工程學院，廣西 南寧 530004）

0 引言

在20世紀60年代，美國開始首次將計算機技術應用到倉庫上，創建了第一座計算機控制的立體倉庫[1]。將計算機技術運用到物流一體化倉庫中，從物流的進入到流出，采用自動化技術，可以取代人工操作的弊端，大大提高了堆垛效率。目前，國內大多數使用半自動或者人工操作的方式去實現堆垛。隨著工業4.0時代的到來，機械行業和互聯網技術緊密聯合，運用機電一體化設計堆垛機成為了一種趨勢。在MCD平臺中，通過PLC控制MCD仿真模型。PLC編程是一種可用來控制設備的一個存儲器，可在內部執行指令來完成對設備的控制[2]。可以實現物理仿真，電氣仿真以及軟件的控制，能夠很好地提升機電一體化的設計水平[3]。本文采用西門子公司推出的NX設計平臺及其MCD模塊，開發設計自動化程度較高的圓鋼堆垛機，以提高倉庫堆垛效率。

1 基于MCD仿真模型的機電產品開發設計方法

基于MCD仿真模型的機電產品開發設計方法如圖1所示，說明如下：

圖1 MCD模型開發方法

（1）根據裝備的功能，利用NX UG建立裝備的機械3D模型。

（2）使用NX MCD模塊，確定各個機構的運動關系，進行各運動副設計、零件的屬性（如碰撞體，剛體）設定、速度/位置的設定，使得各機構可實現所要求的運動；設置相應的傳感器，通過傳感器來作為觸發物體運動的條件，用于事件觸發動作。

（3）根據所需的動作以及動作時間順序或者事件觸發順序，設計基于時間或基于事件的仿真序列；設置所需的運動傳感器，信號接收器等關鍵零件，對應至裝備的仿真序列，初步完成MCD仿真動作。

（4）通過TIA Portal和虛擬仿真器組成一個虛擬的調試環境，并通過搜索外部信號，建立MCD中信號與PLC外部接口變量的映射關系。

（5）在TIA Portal中編寫PLC梯形圖程序，并下載到PLC仿真器。

（6）進行PLC程序與MCD模型的聯合調試，對裝備功能進行評估與優化。

2 圓鋼堆垛機模型設計及工作流程

2.1 圓鋼堆垛機模型設計

圓鋼堆垛機可分為六大裝置：送料裝置、取料裝置、運料裝置、抬升阻擋裝置、堆垛裝置和送垛裝置。其圓鋼堆垛機各部件的位置關系如圖2所示。

圖2 堆垛機各機構位置關系

2.2 圓鋼堆垛機工作流程

工作流程是進行MCD仿真中不可或缺的一個環節，明確了工作流程才能有效地進行傳感器的設計、速度控制、位置控制還有傳輸面等基于時序的操作，同時也能為設計各機構的執行部件的屬性進行明確。本文圓鋼堆垛機的工作流程如圖3所示。該流程圖說明了各機構以及傳感器在工作中如何起作用，為圓鋼堆垛機MCD模型的虛擬仿真的設計奠定了基礎。

圖3 堆垛機工作流程

3 MCD仿真模型各部件的設置

在構建堆垛機的三維模型后，需要通過MCD模塊對各部件進行設置，以建立運動仿真模型。

3.1 剛體與碰撞體屬性的設置

在MCD仿真模型中，零件屬性要設置為剛體或碰撞體。只有這樣的零件才能進行運動副的添加。要注意的是，在MCD中，碰撞體設置的類型也會影響運動的穩定性：

（1）碰撞體的形狀越高越穩定，在進行MCD仿真時盡量選用盡可能簡單的碰撞類型。

（2）要合理利用碰撞體，避免碰撞體之間的干擾以及傳感器的干擾。

（3）如果碰撞體過多可以通過設置去檢查重點。

3.2 圓鋼堆垛機運動關系的建立

圓鋼堆垛機的運動關系的建立，需要設置MCD中的運動副。運動副是指兩個物體相互接觸之后產生相對接觸的運動鏈接，在一般機械運動中可按照接觸方式分為低副和高副。本文各部件之間的運動關系，主要是鉸鏈副、固定副、滑動副等運動副。

3.3 運動控制類型的設置

前面我們已經確定了執行機構，以及各機構的運動副，但還要確定動作發生的先后順序，確定機構的速度控制、位移控制以及傳輸面等參數等。位置控制是指位置控制驅動運動副的軸以一設定的恒定速度運動到某一位置，并且限制其運動副的自由度。速度控制是指添加在運動副上用來驅動剛體，添加的可以是速度、加速度等。

（1）送料機構：由于送料機構是由棍子旋轉帶動圓鋼移動，各棍子的參數一樣，設置為速度控制。

（2）取料機構：設置為速度控制。

（3）運料機構：運料機構的工作方式主要是設置傳輸面和擋板帶動圓鋼運動。設置的主要是帶式運輸機的傳輸面速度。

（4）抬升機構：改抬升機構主要設置了凸輪平臺的一個位置控制，用于提升凸輪平臺的傳輸面；

（5）堆垛機構：本次的堆垛主要有豎直的滾珠絲桿運動，以及水平的滾珠絲桿運動，故設置為位置控制。

（6）送垛機構：該送料機構主要是由速度控制棍子帶動物料前行，故設置為速度控制。

4 MCD仿真序列設計

要使所建立的MCD模型產生所設計的動作，需要進行仿真序列的控制。MCD的仿真序列一般有2種方式：一種是基于時間發生的序列，另一種是基于事件發生的時序，本文對于兩種都有涉及。

第1類是基于時間發生的，以送料和抬升為例，同時有以下2個動作：

第1個動作是棍子運輸機要把棍子運輸過來，要設置運動的速度和運動時間，把圓鋼設置成碰撞體，然后把平面設置成傳輸面、速度控制、給定速度值，第一階段運輸就完成了。

與此同時，第2個動作要把此時凸輪平臺上的圓鋼吸附起來堆垛到最后的送垛機構。為了實現這個功能，設置滾珠絲桿的水平以及豎直的滑動副。另外，還要進行位置控制，只需要給這個凸輪平臺的滑動副一個向上的數值，之后豎直滾珠絲桿下落再上升，橫向絲桿再移動到送垛機構，放開圓鋼。將以上的仿真序列再連接起來給各運動副設定各自的參數之后，就能按照所設定的動作運動。

其他的基于時間發生序列的設計，如運料機構的設定，還有帶式運輸機的設置，方法是一樣的，在此不再敘述。

第2類是基于事件的仿真序列，與上面不同的是，此類仿真序列還得添加一個觸發條件，這樣才能讓它運動起來。

以取料機構為例，當棍子運輸機把圓鋼運過來之后，要等到棍子觸發碰撞傳感器，此時運料機構停止，取料機構，即板式運輸機才開始啟動。設定好運動條件之后，當滿足所需的條件時，就會產生預先設置的速度和位置關系，從而達到所需的運動效果。圓鋼堆垛機的各個仿真序列完成后，可通過其在MCD中進行了初步的動作仿真。

5 虛擬PLC調試設計

雖然通過MCD的仿真序列可檢驗各機構實現動作的可行性，但實際工程中都要求控制器對裝備進行控制。因此，采用博途軟件（TIA PORTAL），實現對該圓鋼堆垛機MCD模型的PLC控制，能檢驗PLC程序的實際控制效果。

5.1 信號映射

要實現MCD模型與PLC程序的連接，首先要完成兩者的信號映射。以送料機構的運輸為例，進行說明。首先在MCD中，我們要添加所運行機構的信號，如圖4所示，運輸棍子的傳送面設置成了傳送帶，此時的速度要清零，不然后面編寫程序時會定義不清楚，容易出錯。定義IO類型為輸入，雙精度型。像這樣設置好三個傳送帶，此時我們需要一個反饋裝置，所以本次設置了一個擋板碰撞傳感器用來反饋信號，如圖5所示，IO為輸出，數據類型為布爾型，這樣就可以起到一個檢測棍子運動的作用。

圖4 信號設計

圖5 反饋信號設計

MCD設置好要控制的信號之后，就開始創建一個虛擬調試所需的高級仿真器plc advance，通過設置地址，掩碼等一系列操作之后建立一個虛擬的plc，完成此信號的映射。

5.2 PLC梯形圖程序的開發與調試

在博圖中添加組件，添加程序塊，編寫程序，得到如圖6所示，將該程序下載到PLC advance中，即可控制該棍子的運行。

圖6 控制運輸運動的PLC梯形

該程序是賦予傳送帶每秒500 mm的速度，當棍子到達指定位置時，碰撞傳感器收到信號反饋回來，導致傳送帶停止。設置對應的映射信號，通過設計程序塊達到控制的一個目的。通過建立信號接受器反饋回來的信號傳給數據處理器，當滿足每一個堆垛根數的信號時，該信號即控制滾珠絲桿等運動。

其他功能的實現類似，先進行信號映射，再進行PLC梯形圖程序的開發，最后進行MCD模型與PLC程序的聯合調試，測試設計效果。

6 結語

本文結合MCD模塊和圓鋼堆垛機介紹了NX機電產品設計開發方法，建立了堆垛機3D模型、MCD仿真模型，并將其信號與PLC外部接口變量進行了映射，從而實現了PLC與MCD模型的聯合測試，提高了開發效率，降低了開發成本，對拓寬機電產品設計開發方法具有一定的參考意義。