基于NX MCD虛擬調試的三軸桁架搬運機械手設計*

丁云鵬，馮國銅，李克強，趙洪鋒，薛迎春，王 勇

（1.蘇州工業職業技術學院精密制造工程系，江蘇 蘇州 215104；2.寧德時代新能源科技股份有限公司，福建 寧德 352000；3.蘇州麻雀智能科技有限公司，江蘇 蘇州 215156）

0 引言

機械裝備的數字化和智能化是當前制造業轉型升級的重點和難點。當前的機械裝備還是以傳統的基于物理樣機的研發和生產組織形式為主，設計過程通常由來自機械、電氣、自動化等不同學科團隊的工程師在各自專業領域軟件平臺上單獨完成，存在研發周期長、設計變更多、制造成本高、性能不確定等技術問題，嚴重制約了傳統制造企業向智造企業轉型升級[1]。

虛擬調試技術可以在虛擬環境中對機械裝置進行數字化實驗，可以模擬生產系統的真實狀況，縮短生產線和自動化設備的現場調試時間、優化節拍時間、提高生產效率及降低現場調試風險[2]。西門子NX MCD （Mechatronics Concept Designer，MCD）平臺支持機械、電氣和自動化等多學科技術人員并行協同設計與仿真，是虛擬制造仿真領域的領先解決方案。近年來國內外學者利用NX MCD 平臺在各領域展開了應用研究。Bank HS 等[3]和Wang J 等[4]利用NX MCD 平臺對龍門機器人和關節機器人進行了運動仿真。Qin R 等[5]利用NX MCD 平臺上對冷頭機傳動機構進行了虛擬調試。國內邢學快[6]、蘭濤[7]、林裕程[8]、趙飛[9]、趙永信[10]等分別利用MCD 平臺對包裝流水線、拆碼垛機、數控機床、四工位刀架、氣動手爪進行了機電一體化的協同設計。

本文以自動化生產中的桁架機械手設計為例，利用NX MCD、TIA、PLCSIM Advanced 等軟件對桁架機械手進行機械結構設計、電氣控制系統設計及MCD-TIA 機電聯合虛擬調試，進一步完成樣機設備的試制。

1 整體設計思路

桁架搬運機械手是現代化碼垛技術中應用最廣泛的自動化生產裝備之一，以其高柔性、高處理能力和高可靠性的特性，使其成為碼垛領域的流行趨勢[11]。 本文基于NX MCD 平臺采用虛擬調試的手段，將三軸桁架機械手的設計流程分為：整機結構概念設計、電氣設計、PLC 控制程序設計、HMI人機交互界面設計、機電一體化聯合虛擬調試、機械結構詳細設計6 個部分，設計流程如圖1所示[12]。

圖1 桁架機械手設計流程

2 桁架搬運機械手概念設計

2.1 機械概念設計

在NX CAD 模塊下建立桁架搬運機械手的概念模型，該模型根據產品的目標定位和功能要求進行整體設計，可反映出整個機構的主要空間形狀和位置關系，以及零部件之間的約束條件，直觀上反應設備的整體框架，桁架機械手概念模型如圖2所示。

圖2 桁架機械手概念模型

本文設計的桁架機械手主要用于高職課堂教學使用，驗證學生編寫的PLC搬運程序，實際工況要求如下：

（1）物料為直徑50 mm，高50 mm 圓柱形棒料，垛板為3×3的9宮格平板，標記號碼；

（2）工作臺尺寸1 200 mm×800 mm鋼板；

（3）X軸運動范圍為0～700 mm，Y軸運動范圍為0～470 mm，Z軸運動范圍為-100～0 mm；重復定位精度為0.5 mm。

制定桁架機械手搬運過程的工作路徑，通過示教1號位零件的搬運過程自動完成全部零件的搬運，如圖3所示。機械手通過氣動卡盤抓取零件。

圖3 桁架機械手碼垛運動軌跡

（1）料臺傳感器接收到有料發出信號，控制系統接收信號桁架機械手從零位（A點）經過中間點（B點）運動到料臺上方（C點），記錄示教點位置；

（2）Z軸向負方向運動到夾取位置（D點），記錄示教點位置，控制系統發出指令，氣泵啟動，機械手卡爪抓緊，同時料臺卡爪松開，卡爪帶物料緩慢上升至垛盤1號位置上方（E點）；

（3）Z軸緩緩下降至1 號位置（F點），控制系統發出指令，氣泵啟動，卡爪松開，放置物料1 號，同時記錄示教點位置，Z軸移至物料臺上方（C點），重復上述運動，碼垛完成9個工件，復位至零點（A點）。

2.2 控制柜設計

電氣控制柜是桁架機械手的控制中心，本項目為了便于教學使用，將控制柜設計成便攜快插形式。桁架機械手控制系統采用PLC 來實現系統的邏輯控制，根據CPU 性能及控制柜緊湊性要求，選取西門子S7-1500 系列PLC，根據桁架機械手控制需求，選取16輸入/16輸出的數字量輸入輸出模塊，同時，為了方便教學過程中拓展機械手功能，預留16輸入/16輸出的模擬量輸入輸出模塊。共32個數字量I/O總點數，32個模擬量I/O總點數。

輸入點包括控機械手3 個軸的限位開關、氣缸的限位開關、伺服的報警、啟動按鈕、急停按鈕等；輸出點主要是兩個電磁閥的控制；并且該系統的冗余為30% ，能夠滿足機械手的預設工況及教學拓展的使用需求。

人機交互界面可以實現操作者和機械手的溝通橋梁，可以理解為六軸機器人的示教器。本文選用西門子品牌7 英寸（1 in=2.54 cm）的觸摸屏，對桁架機械手和操作畫面進行組態，方便生產人員進行操作和監控。PLC 和HMI及西門子伺服驅動器的通信采用Profinet 總線方式，因此需要配有4 個通道的以太網交換機。控制柜的外型如圖4所示。

圖4 控制柜實物

2.3 PLC程序設計

（1）桁架機械手運動控制程序設計。在啟動控制系統時，分別將X軸、Y軸、Z軸進行歸零處理；在接收到HMI 示教指令時能夠對機械手進行示教；在HMI 發出入庫指令時，按照HMI 輸入的速度控制三軸運動準確運行到料架的上方并對物料進行抓取；控制料架及卡爪按照要求進行夾緊和放松；按照HMI 輸入的料盒號碼控制三軸運動，準確運行到指定料盒位置進行放料；搬運物料的數量能夠準確記錄。機械手在正常工作時需要按照圖5 所示的流程自動完成物料搬運，但為了方便示教及調試，同時為機械手添加了手動控制方式。

圖5 PLC控制邏輯圖

（2）人機交互界面設計。根據功能需求，人機交互截面設計了手動運行模型和自動運行模式兩個畫面。

在手動運行模式畫面中，能夠進行設備管理，顯示運行模式及狀態，對軸進行激活、復位、一鍵回零。同時，能夠采用手動方式設置三軸的運行速度并且控制三軸進行點動，從而調試三軸的運行；能夠手動控制抓料及裝料氣缸進行夾緊或放松，從而實現對氣缸的調試；能夠手動輸入料盤位置進行自動上料、下料測試。手動模式畫面如圖6所示。

圖6 手動模式交互界面設計

在自動運行模式畫面中，能夠對三軸進行激活、復位，同時顯示三軸的運行狀態；能夠輸入料盤位置及速度控制機械手單次自動化上料、下料；能夠控制機械手進行連續上料、下料；能夠對物料數量進行清零。自動模式畫面如圖7所示。

圖7 自動模式交互界面設計

3 基于NX MCD軟件的機電聯合仿真

針對碼垛機械手搬運過程，利用NX MCD 機電一體化仿真平臺對機械結構和電氣控制進行聯合仿真，主要步驟包括[13]：基本機電對象運動約束、執行驅動、信號配置的設置，以及博途與NX MCD 通信連接，最終實現通過博途PLC 程序控制NX MCD 中的碼垛機械手的搬運仿真。

3.1 內部仿真環境搭建

搭建過程分為以下幾個步驟。

（1）創建剛體。剛體屬性可以使幾何對象具有物理屬性，如重力；將X軸、Y軸、Z軸、機械手卡爪及物料設置為剛體。

（2）創建碰撞體。在物理模擬中，只有兩個剛體對象都被定義為碰撞體，兩者才會相互碰撞，非碰撞體的剛體則會相互穿過；將物料和物料臺的位點底面定義為碰撞體。

（3）定義對象源。將物料設置為對象源，前一物料被抓走后，產生新的物料，觸發條件為每次激活時設置一次。

（4）創建運動副。滑動副僅具有一個平移自由度，構成滑動副的兩個組件只能沿某個方向移動，可以通過設置上限、下限實現限位。把X軸、Y軸、Z軸、機械手設置為滑動副；機械手的3 個卡爪也定義為滑動副，以抓取、釋放物料；為了實現抓取運動，需將機械手卡爪設置為固定副。

（5）創建位置控制。位置控制定義是用來驅動運動副運動，并且限制運動副的自由度；為X軸、Y軸、Z軸添加位置控制。

（6）創建傳感器。根據功能需要，定義固定檢測和物料檢測兩個傳感器；對機械手設置“固定檢測”碰撞傳感器以檢測物料，當該傳感器檢測到物料時，傳遞信號給卡爪而抓取物體；對物料臺設置“物料檢測”碰撞傳感器，用來檢測是否出現新的物料。

（7）創建信號。三軸機械手搬運機構所需信號配置如表1所示。

表1 機械手搬運信號配置

（8）創建運行時參數。添加5 個運行時參數，分別是Grab、Check、Lay 和Finish，數據類型均為布爾型，Position為整型；Grab是取物料，Check是判斷物料，Lay為放物料，Finish 對應于所有步驟完成，Position 表示機械手運動位置。

3.2 創建仿真序列

仿真序列總體如圖8 所示。首先是物料源，在物料被抓走后產生新的物料；隨后就是取物料的環節，制定X軸、Y軸、Z軸的運動軌跡使其運動到物料上方，卡爪張開、固定物料，抓住物料；接著，機械手移動到物料臺位點1的位置；判斷是否運送完第一個物料，以繼續下一步操作；取消固定、卡爪張開，放開物料到物料臺上。

圖8 總體仿真序列

（1）X、Y——機械手X、Y方向移動。對象選擇機械手X、Y軸的控制信號，設置其位置參數為Y15、X355。設置其條件為：Grab信號為true的時候執行此操作。

（2）Z_Movedown（機械手向下移動）。對象選擇機械手Z軸的控制信號，設置其位置參數為Z51。設置其條件為：X_OUT信號為到達334.5位置的時候執行此操作。

（3）機械手抓取物料。為機械手設置名為“固定檢測”的碰撞傳感器，當機械手碰撞傳感器碰到物料時，固定檢測變為ture，機械手卡爪張開，固定副生效，機械手抓住物料。

（4）新的物料產生。當信號Null為true時，說明物料被運走，需要產生新的物料，時間間隔設置為0.001 s。

（5）機械手搬運物料。對象選擇機械手X、Y軸的控制信號，設置其位置參數為X0Y0，使其運動到物料臺。

（6）機械手釋放物料。對象選擇機械手Z軸的控制信號，設置其位置參數為Z103.5，使其運動到物料臺位點1，松開卡爪、固定副固定作用取消，物料隨之被放下，第一次搬運完成。

3.3 虛擬調試

（1）配置博途軟件。按照設置的信號編寫PLC程序，配置PLC SIMADV，新建信號通道。

（2）配置MCD 與PLC 信號。打開NX MCD 模塊以調試連接，如圖9所示，“外部信號設置”選擇上一步驟新建的888信號通道，選擇IOM變量，點擊“更新標記”，在標記欄中勾選“全選”，單擊“確定”，信號映射設置完畢。

圖9 外部信號配置

PLCSIM Adv 客戶端參數設置如圖9 所示，在主頁→自動化組→符號表中下拉找到PLCSIM Adanced 客戶端參數設置，類型選擇PLCSIM Adv，通道信號選擇888，MCD與PLC的變量是一一對應，點擊“執行自動映射”。

（3）機電一體化聯合調試。通過PLC_SIM-Adv 將MCD 與博圖V16 連接[14]，將第一步中編輯的博圖程序下載到仿真軟件MCD 中，點擊博圖任務欄的“啟用監禁”，回到MCD 中點擊“播放”按鈕。運行效果如圖10 所示：機械手處于起始位置→碰撞傳感器檢測到有物料→機械手根據編寫的程序去抓取物料→機械手根據信號控制將物料放到物料臺第一個位點位置，循環執行取料→搬運→放料過程，直至物料臺被放滿物料時停止。

圖10 虛擬調試效果

3.4 詳細設計

基于調試好的概念模型，通過運動模組、傳感器、啟動卡爪的選型，以及非標連接件的設計，將概念模型替換為詳細模型，實現物理定義轉換[15]，便于后續樣機設備的試制。詳細模型設計結果如圖11所示。

圖11 設計完成效果

4 結束語

西門子NX MCD平臺的出現和發展為復雜機械設備的協同設計提供了新的思路，特別是對涉及機械、電氣、自動化等多學科的交叉產品設計。本文作者以三軸桁架機械手設計為例，詳細闡述了利用西門子NX MCD仿真平臺進行進行產品的數字化設計，從機械手的功能分析和概念設計開始，同步進行電氣程序編制和人機交互界面設計，然后在仿真平臺內完成機械手的機電一體化聯合調試，最后對產品輔件進行選型，完成機電設備的詳細設計。西門子NX MCD 瓶體提供了一種新的虛擬調試手段。該方法有利于團隊協作同步開展并行設計，能夠大大縮短產品開發周期，為機械設備數字化設計提供一種有效路徑。