基于MCD 的物料分揀搬運裝置設計與仿真調試*

范然然，劉方平，俞宗薏

（柳州職業技術學院，廣西 柳州 545005）

0 引言

傳統的機電一體化設計根據產品功能分析，按順序進行機械部分、控制部分和傳感器部分等的設計，其設計過程沒有統一的設計工具平臺，且設計的各個階段缺乏連貫性和關聯性[1-2]。近年來，推出了一款面向多學科協同設計的機電一體化設計軟件平臺，該平臺是一種全新的機電一體化設計方案。其名稱為機電一體化概念設計MCD（Mechatronics Concept Designer）[3-4]。

MCD 在多學科協同設計及仿真調試等方面優勢明顯。基于MCD 平臺，通過對機電一體化產品進行虛擬樣機的設計、運動仿真以及與其他軟件通信接口集成，可以將機械設計、電氣設計和自動控制等功能實現協同設計與集成仿真，從而能有效提升機電一體化產品設計效率和質量[5-7]。基于MCD 對物料分揀搬運裝置進行虛擬仿真模型構建，并使用NX_MCD與TIA 15.1 聯合虛擬調試，用來檢驗虛擬樣機的準確性以及可行性，進而為下一步實物生產提供重要的技術支持。

1 物料分揀搬運裝置虛擬樣機

物料分揀裝置模型是采用AHK 機電一體化綜合實訓考試裝置進行改進設計的，由于該裝置僅限于把物料分揀并放置在臺上，不能更好地將物料進行運送，所以其在裝置基礎上，優化增加了2 個皮帶輸送機構和物料吸持機構，吸持機構采用磁鐵上電吸合方式將金屬物料吸住，并由滑軌帶動到不同位置；皮帶輸送機構則將其中分揀后的物料運送到指定位置。因此構建出了由滑臺模組機構單元、推料吸持機構單元、分揀臺機構單元、輸送機構單元等所組成的物料分揀搬運裝置模型，如圖1 所示。該裝置的功能是分揀金屬、非金屬物料，并將其搬運到指定位置。

圖1 物料分揀搬運裝置模型

圖1 中，物料1、2、3 從上至下分別為非金屬物料、紅色金屬物料以及藍色金屬物料。金屬和非金屬物料進入到推料吸持機構單元擋板槽中，通過推料氣缸將物料推出到分揀槽中。如果是非金屬，則分揀氣缸縮回，非金屬物料落入輸送機構單元的皮帶1（右），皮帶1 運送非金屬物料到達末端。如果表面為藍色的金屬，則吸料氣缸伸出，吸盤式電磁鐵得電吸持物料，滑臺模組機構單元將物料運送到皮帶2（左），皮帶2 運送藍色金屬物料到達末端。如果表面為紅色的金屬，則吸料氣缸伸出，吸盤式電磁鐵得電吸持物料，滑臺模組機構單元將物料運送到分揀臺機構單元的分揀臺上。

2 機電一體化概念設計

2.1 物理屬性與運動屬性定義

在MCD 環境下，確定各機構或元件運動方式的基礎前，先對裝置中各機構或元件定義物理模型，讓其自身帶有質量和慣性等性能[8]。本裝置機構中主要包括了鋼體、碰撞體。定義鋼體，是設計運動部件的首要關鍵，能使裝置機構中運動的元器件具有運動屬性，未定義的鋼體其運動的元器件不具有運動屬性。定義碰撞體，能使定義的兩個機構碰撞體間在碰撞下不發生穿透，未進行碰撞體定義的機構或元件可以相互穿透不發生碰撞關系。將PVC 黃塊、鐵質紅塊、鐵質藍塊創建對象源和對象收集器，對象源可以使仿真物料在開始位置自定義重復出現，用來作為仿真時物料的下料來源。對象收集器在物料放置或運送完成、傳感器識別出物料后，使物料可自行消失。

2.2 執行器和傳感器定義

物料分揀裝置中的執行機構元件主要包括傳送帶、氣缸、導軌滑臺等，采用傳輸面和速度控制等執行器屬性定義其運動。將裝置中的傳送帶1 和傳送帶2 的表面創建為傳輸面的電氣屬性，使傳送帶在速度設定大小下能在指定面形成傳輸效果。給推料氣缸創建速度控制的電氣屬性，使其在速度設定下也有運動效果，成為推出物料的執行器。同理，為氣缸和絲桿定義執行器，賦予速度控制屬性，使它們成為實現氣缸運動、絲桿轉動動作的執行器。在物料分揀裝置中，共有12 個傳感器元件，分別對這些傳感器元件進行碰撞傳感器屬性的定義，使其能在運動中作為識別特性的虛擬傳感器元件。在磁鐵吸合物料處需要創建假設的碰撞傳感器屬性，使其在磁鐵上電吸合情況下能黏住物料成為一體進行搬運，此假想的碰撞傳感器在實物中不存在。

最終，物料分揀裝置創建的執行器和碰撞傳感器的定義創建完成。這能使定義了傳輸面和速度控制等執行器屬性的機構元件如同于驅動器，能驅動運動，同時，定義了碰撞傳感器的機構元件能自動識別到物料，由此，這些機構元件分別具有了動作和感應識別的主動性。

2.3 信號的創建

在MCD 中為裝置創建信號，裝置的執行器及傳感器接收到來自PLC 控制器的信號后才開始執行相關動作[9-10]。對定義了碰撞傳感器屬性的元件進行信號創建，數據類型為布爾型，初始值為False 的輸出型信號，使其碰撞傳感器識別到物體后，信號能由False 值變成True 值，發出有效的信號。對執行機構進行信號創建，由于執行機構的運動有多種形式，如推料氣缸，其運動有伸出、縮回等，因此需要對執行機構進行信號適配。推料氣缸運用信號適配器創建信號，信號中氣缸的伸出和縮回運動為輸入型、氣缸到達上限位或下限位為輸出型，初始值均為False，同時為推料氣缸在運動時進行速度大小定義，到達上限位或下限位時，輸出型的信號同樣發出True 值。運用信號適配器為各氣缸、皮帶、物塊等執行機構創建信號，使其輸入信號時能運動，到達運動位置時能發出信號。

3 PLC控制程序設計

根據裝置的運動關系、檢測元件和執行機構創建了信號，輸入端口包括推料氣缸、吸持氣缸和分揀氣缸的上/下限位和各檢測元件等，輸出端口包括推料氣缸、吸持氣缸和分揀氣缸的輸出/縮回、絲桿正/反轉、皮帶1/2 的啟動等。物料分揀裝置的功能是將金屬和非金屬（PVC 物料）分揀出來，同時對表面不同顏色的金屬物料進行分揀，再由滑臺進行搬運，最后由皮帶輸送到指定區域。為裝置設計了手動模式和自動模式功能的子程序，通過主程序的啟動，可進行子程序（手動模式FB1 或自動模式FB2）的調換。

手動模式功能通過手動隨機將同種或不同種物料放入擋板槽中（3 個計滿）。3 個放滿后，擋板槽底端的2 個傳感器對底端物料進行檢測，同時推料氣缸伸出將底端物料推入分揀槽中，側邊傳感器檢測后則可進行物料不同區域分揀。物料搬運或由皮帶運送到指定位置完成后，滑塊（分揀吸持機構單元）到位置1 時則繼續推出物料，直至擋板槽中沒有物料為止。

自動模式其功能與手動模式有所不同，不同之處是放置物料的方式是通過加料按鈕，自動將不同種物料放入擋板槽中（3 個計滿）。下一步的程序流程則與手動模式相同。PLC控制程序設計如圖2所示。

分揀槽中物料為非金屬PVC 物料，分揀氣缸縮回，分揀擋板打開，物料落入皮帶1 中，傳感器檢測到物料，皮帶1 啟動將物料運載至指定位置，傳感器檢測到位，皮帶1停止，則物料搬運完成。

若分揀槽中物料為金屬，且表面顏色為藍色，則吸持氣缸伸出，磁鐵上電吸住物料，吸持氣缸縮回，縮回到位后電機啟動正轉，將物料搬運至皮帶2 處，到位后吸持氣缸伸出，伸出到位后磁鐵失電物料釋放，物料落入皮帶2 中，傳感器檢測到物料，皮帶2啟動將物料運載至指定位置，傳感器檢測到位，皮帶2 停止，則物料搬運完成。同時，在磁鐵失電釋放期間，吸持氣缸縮回，縮回到位后電機啟動反轉，到達原點處則電機停止。若分揀槽中物料為金屬，且表面顏色為紅色，則吸持氣缸伸出，磁鐵上電吸住物料，吸持氣缸縮回，縮回到位后電機啟動正轉，將物料搬運至位置2，到達指定位置后磁鐵失電物料釋放，物料落入分揀臺上，則物料搬運完成。同時，在磁鐵失電釋放后，電機啟動反轉，到達原點處則電機停止。

4 MCD與PLC聯合虛擬調試

由MCD平臺與TIA Portal程序編程之間進行信號映射，實現兩者信號互聯互通，通過啟動虛擬PLC 控制器為程序編輯下載，驅動物料分揀裝置運動邏輯控制。實現整個調試系統的工作運行驗證，如圖3所示。

圖3 裝置虛擬調試搭建

MCD 平臺除了可進行建模與仿真外，也能跟可編程軟件進行通信連接、模擬運動，同時也具備本設計與TIA Portal 通信連接的特質。TIA Portal 可完成PLC 編程和仿真工作，以對設計對象進行快速編程、調試及監控等，并能對設計過程的仿真數據進行存儲和管理，能在一個統一平臺上進行所有操作。虛擬PLC 控制器采用S7-PLCSIM Advanced 仿真器軟件代替S7-1500 控制器作虛擬控制。通過在MCD 中建立I/O 信號，以觸發形式為外部控制器與物料分揀裝置模型搭建連接提供有效條件。上述章節中，裝置模型已經創建了各執行機構和檢測元件的信號，同時在可編程控制軟件TIA Portal 中根據裝置模型信號創建了相同的變量，而且為裝置組成機構編輯了PLC 控制程序。外部信號配置成功后，通過搭建信號映射，實現可直接由PLC 指令程序對物料分揀裝置中執行機構和檢測元件進行控制。

虛擬調試仿真的驗證是對裝置模型的結構及運動行為和PLC 程序編程邏輯等做出的可行的驗證。如圖4 所示，裝置模型已創建完成、模型中運動的部件等信號創建完成、PLC 程序編程完成、HMI 觸摸屏畫面及變量設計完成、MCD 中裝置內部信號和PLC變量信號映射完成。現根據啟動虛擬PLC 控制器（S7-PLCSIM Advanced）和PLC 編程軟件，將程序下載至虛擬PLC 控制器，啟動程序監視，同時啟動HMI觸摸屏仿真、MCD 仿真，根據HMI 觸摸屏畫面中的啟動、停止加料按鈕觀察MCD 裝置模型的運動情況，來驗證裝置模型的運動邏輯以及PLC 程序設計和觸摸屏顯示的可行性。

圖4 MCD 與TIA聯合仿真運行

5 小結

項目組設計的裝置由4 個機構單元組成。建立各機構單元的虛擬樣機，通過裝配約束搭建出物料分揀裝置虛擬樣機模型。為各需要運動元件進行物理、運動和執行器/傳感器屬性定義，同時為裝置進行信號搭建，通過在MCD 中創建的裝置組成機構的I/O 信號和在TIA Portal 中創建的PLC 變量之間進行信號映射聯系，建立了物料分揀裝置的MCD 虛擬調試系統。最后通過運行虛擬PLC 控制器，驗證了物料分揀裝置的控制邏輯關系與設計期望功能的一致性，為進一步生產加工制造奠定了堅實的調試基礎，也為無實物調試提供了重要的技術支撐。