基于數(shù)字孿生技術(shù)的小型自動化生產(chǎn)線機(jī)電一體化概念設(shè)計與控制仿真

摘要：基于數(shù)字孿生技術(shù)在MCD平臺上完成小型自動化生產(chǎn)線機(jī)電一體化概念設(shè)計與控制仿真，主要包括：NX MCD機(jī)電概念設(shè)計任務(wù)、TIA博途編程、虛擬平臺與虛擬PLC的虛擬調(diào)試。借助NX MCD創(chuàng)建機(jī)電一體化模型，打破了現(xiàn)有的機(jī)電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計的模式，促進(jìn)了機(jī)械、電氣、傳感器、執(zhí)行器以及伺服運(yùn)動控制等多學(xué)科之間的協(xié)同融合，對指導(dǎo)企業(yè)設(shè)計方式的改革、加快企業(yè)的研發(fā)速度、增強(qiáng)部門之間的協(xié)同具有一定的實際意義。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；NX MCD；機(jī)電一體化；虛擬仿真

中圖分類號：TP278? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）12-0052-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.12.014

0? ? 引言

隨著制造業(yè)的智能發(fā)展，機(jī)電產(chǎn)品的復(fù)雜化使設(shè)計難度和調(diào)試難度逐步提高，研發(fā)生產(chǎn)周期也越來越長。缺少創(chuàng)新性的難題一直制約著企業(yè)的發(fā)展，限制了企業(yè)在市場上的競爭力。通常情況下，復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的建設(shè)投資大、周期長、自動化控制邏輯復(fù)雜、現(xiàn)場調(diào)試的難度與工作量非常大。如果能在投產(chǎn)前期，越早發(fā)現(xiàn)問題，整改的成本就會越低，因此有必要在機(jī)電設(shè)備正式生產(chǎn)、安裝和調(diào)試之前，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行模擬調(diào)試，解決機(jī)電產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計、干涉、PLC邏輯控制等問題。數(shù)字孿生技術(shù)為解決此類難題提供了方便。

數(shù)字孿生是基于工業(yè)生產(chǎn)數(shù)字化的新概念，是在數(shù)字虛體空間中，以數(shù)字化方式為物理對象創(chuàng)建虛擬模型，模擬物理空間中實體在現(xiàn)實環(huán)境中的行為特征，從而實現(xiàn)“虛—實”之間的精確映射，最終能夠在生產(chǎn)實踐中，從測試、開發(fā)、工藝及運(yùn)行維護(hù)等角度，打破現(xiàn)實與虛擬之間的藩籬，實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期內(nèi)的生產(chǎn)、管理、連接等高度數(shù)字化及模塊化的新技術(shù)。

1? ? 數(shù)字孿生與機(jī)電一體化概念設(shè)計

構(gòu)建數(shù)字孿生的前提是工程的數(shù)字化，Siemens NX MCD，即機(jī)電一體化概念設(shè)計，打破了平臺之間的界限，改變了傳統(tǒng)的機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計模式，它提供了多學(xué)科、多部門的信息互聯(lián)綜合技術(shù)，可以被用來模擬機(jī)電一體化系統(tǒng)的復(fù)雜運(yùn)動。

1.1? ? 機(jī)電一體化的傳統(tǒng)設(shè)計

以機(jī)電設(shè)備研發(fā)流程為例，傳統(tǒng)調(diào)試過程經(jīng)歷了概念設(shè)計、機(jī)械設(shè)計、液壓/電氣設(shè)計和軟件設(shè)計等，最后才能進(jìn)行設(shè)備調(diào)試。該過程涉及三維機(jī)械模型設(shè)計、電液氣驅(qū)動設(shè)計、執(zhí)行器與傳感器選擇、電氣輸入/輸出（I/O）資源配置以及PLC編程等。可以看出，該研發(fā)流程屬于串行流程，這不僅消耗了大量的時間，也抬高了研發(fā)成本。并且，在實物調(diào)試階段，如果出現(xiàn)變更，則會消耗更多的研發(fā)時間和費用。這會使整個產(chǎn)品設(shè)計具有成本高、周期長的缺點，且不能與詳細(xì)設(shè)計并行工作，也不能及時修改概念設(shè)計的意圖。

1.2? ? 基于NX MCD的機(jī)電一體化概念設(shè)計邏輯

從功能出發(fā)進(jìn)行研發(fā)設(shè)計的理念：在需求階段，建立需求模型；在概念設(shè)計階段，建立機(jī)電一體化的功能模型；在詳細(xì)設(shè)計階段，根據(jù)功能模型最終形成產(chǎn)品的裝盤、軟件和布局模型。其最顯著的特征是能夠并行展開工程實施進(jìn)程，大大地節(jié)省了時間、材料和管理上的消耗。

1.3? ? 數(shù)字孿生與機(jī)電一體化概念設(shè)計

依托TC平臺和CAD產(chǎn)品工程解決方案，任何機(jī)械三維模型的裝配、建模、研發(fā)、數(shù)據(jù)整理、集成等功能均得到了有力保障。在此基礎(chǔ)上，借助于NX MCD創(chuàng)建機(jī)電一體化模型，對包含多體物理場以及通常存在于機(jī)電一體化產(chǎn)品中的自動化相關(guān)行為概念進(jìn)行3D建模和仿真，可以實現(xiàn)創(chuàng)新性設(shè)計，達(dá)成機(jī)械、電氣、傳感器、執(zhí)行器以及伺服運(yùn)動控制等多學(xué)科之間的協(xié)同融合[1]。

2? ? 小型自動化生產(chǎn)線應(yīng)用案例

本文以小型自動化生產(chǎn)線為例，詳細(xì)說明如何進(jìn)行NX MCD機(jī)電一體化概念設(shè)計與TIA博途程序編寫，使其能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)線的虛擬調(diào)試與仿真。該小型自動化生產(chǎn)線由操作控制單元、出料與傳送單元、裝配與倉儲單元組成，各單元分布如圖1所示。

本案例首先為NX MCD的機(jī)電概念設(shè)計，然后編寫TIA博途控制程序，再進(jìn)行虛擬設(shè)備生產(chǎn)工藝過程仿真與調(diào)試，能夠?qū)崿F(xiàn)所需控制工藝要求。工作流程如圖2所示。

2.1? ? NX MCD機(jī)電概念設(shè)計任務(wù)

在小型自動化生產(chǎn)線初始平臺上按照給定的平面布局圖樣，調(diào)用資源中的各個部件文件，完成模型裝配。

完成NX MCD裝配后，根據(jù)工作流程和相關(guān)參數(shù)，針對設(shè)備進(jìn)行物理特性設(shè)置；根據(jù)相關(guān)電氣接線原理設(shè)置信號接口，與PLC的I/O形成數(shù)據(jù)變量交互，實現(xiàn)與PLC通信以及行為控制。

傳送帶和氣缸行程參數(shù)如下：

1）傳送帶。傳送帶實際線速度的算法：傳送帶變頻器輸出頻率乘以電動機(jī)轉(zhuǎn)速再除以50 Hz得到當(dāng)前電動機(jī)轉(zhuǎn)速；當(dāng)前電動機(jī)轉(zhuǎn)速除以減速器比是減速器輸出轉(zhuǎn)速，也就是帶輪轉(zhuǎn)速；乘以帶輪直徑（滾筒直徑+傳送帶厚度×2）乘以圓周率（π）就是每分鐘傳送帶的速度；再除以60等于傳送帶的每秒線速度。公式如下：

NX MCD中傳送帶速度=×

×

其中，電動機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min；滾筒直徑30 mm；傳送帶厚度2 mm；速比10[2]。

2）氣缸行程。Z軸氣缸行程：50 mm；Z軸緩沖器行程：10 mm；夾具雙邊行程：12 mm；出料氣缸行程：50 mm；退料氣缸行程：60 mm；裝配臺氣缸行程：10 mm。

2.2? ? TIA博途編程

2.2.1? ? HMI界面組態(tài)

HMI啟動后，視圖窗口進(jìn)入開機(jī)界面，點擊任意處，系統(tǒng)進(jìn)入自動控制界面，該界面應(yīng)包含如圖3所示的信息與功能。單擊“開機(jī)界面” “手動控制界面”或“狀態(tài)監(jiān)控界面”都能跳轉(zhuǎn)到對應(yīng)的界面。

手動控制界面應(yīng)包含如圖4所示的信息與功能，單擊“開機(jī)界面” “自動控制界面”或“狀態(tài)監(jiān)控界面”都能跳轉(zhuǎn)到對應(yīng)的界面。

狀態(tài)監(jiān)控界面應(yīng)包含如圖5所示的信息與功能，單擊“開機(jī)界面” “自動控制界面”或“手動控制界面”都能跳轉(zhuǎn)到對應(yīng)的界面。

2.2.2? ? 控制工藝要求

1）手動功能：將自動/手動開關(guān)打在手動檔位，手動功能生效，手動控制界面的按鈕生效，按下對應(yīng)的操作按鈕，做出相應(yīng)的動作。

2）自動功能：將自動/手動開關(guān)打在自動檔位，自動功能生效，此時手動功能失效。

（1）原點檢測。上電后，系統(tǒng)首先檢查各工作站是否處于初始狀態(tài)。初始狀態(tài)是指：傳送帶兩端傳感器無工件，出料氣缸處于后限位，退料氣缸處于前限位，X軸與Y軸處于原點，Z軸氣缸處于上限位，裝配臺氣缸處于上限位，夾具處于夾緊狀態(tài)。

若上述任意條件不滿足，系統(tǒng)均不能啟動。

（2）參數(shù)設(shè)定。上電后，系統(tǒng)自動對傳送帶的速度、X/Y軸伺服運(yùn)行的速度進(jìn)行默認(rèn)速度設(shè)置，默認(rèn)速度均為50 mm/s，用戶可在自動控制界面進(jìn)行速度修改。

（3）系統(tǒng)缺料檢測。系統(tǒng)上電后處于停機(jī)狀態(tài)，按下啟動按鈕，若系統(tǒng)處于初始狀態(tài)，且料倉有料，則系統(tǒng)啟動。若料倉中缺料，則系統(tǒng)進(jìn)入為期10 s的待加料狀態(tài)；在10 s內(nèi)若有工件放入，則系統(tǒng)啟動；若10 s內(nèi)未放入工件，則系統(tǒng)停機(jī)。

（4）出料與傳送。系統(tǒng)啟動后，料倉有料傳感器觸發(fā)，等待0.5 s后出料氣缸將電動機(jī)蓋送出至傳送帶；電動機(jī)蓋送至傳送帶上后，觸發(fā)傳送帶右側(cè)傳感器，等待0.5 s，傳送帶按設(shè)定的參數(shù)前行，并途經(jīng)姿態(tài)識別、材質(zhì)和顏色傳感器識別區(qū)域，電動機(jī)蓋送至傳送帶末端后，傳送帶停止。

（5）姿態(tài)識別。傳送帶運(yùn)行途中途徑姿態(tài)識別傳感器，若是正向電動機(jī)蓋則系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行；若是反向電動機(jī)蓋則傳送帶運(yùn)行至退料氣缸工作區(qū)時，傳送帶停止，退料氣缸將反向電動機(jī)蓋收入退料槽，等待0.5 s，退料氣缸回到原位，隨后系統(tǒng)返回缺料檢測結(jié)果。

（6）顏色與材質(zhì)識別。傳送帶運(yùn)行后段經(jīng)過顏色識別傳感器和材質(zhì)識別傳感器，若是黑色金屬電動機(jī)蓋則裝配至對應(yīng)黑色和金屬材質(zhì)的電動機(jī)，若是白色金屬電動機(jī)蓋則裝配至對應(yīng)白色和金屬材質(zhì)的電動機(jī)，若是白色塑料電動機(jī)蓋則裝配至對應(yīng)白色和塑料材質(zhì)的電動機(jī)。

（7）裝配。電動機(jī)蓋到達(dá)傳送帶末端，絲桿模組將電動機(jī)蓋搬運(yùn)至裝配臺上方，Z軸氣缸下降，將電動機(jī)蓋裝配在電動機(jī)上，夾具松開，完成裝配。

（8）倉儲。裝配完成后，裝配臺氣缸上升，夾具夾緊裝配完成的電動機(jī)，Z軸氣缸上升，絲桿模組將裝配完成的電動機(jī)搬運(yùn)至倉儲單元。至此一個周期完成，系統(tǒng)執(zhí)行下一個周期。

3）停止功能。按下停止按鈕，系統(tǒng)發(fā)出停止運(yùn)行指令，完成當(dāng)前周期工作后，所有的機(jī)構(gòu)回到初始狀態(tài)，系統(tǒng)停機(jī)。

4）急停功能。自動運(yùn)行過程中，按下急停按鈕，系統(tǒng)立刻停機(jī)，此時按啟動按鈕，系統(tǒng)無法啟動。

5）復(fù)位功能。松開急停按鈕，按下復(fù)位按鈕，所有的機(jī)械機(jī)構(gòu)回到初始狀態(tài)。

6）指示燈功能。當(dāng)系統(tǒng)不工作時，紅燈常亮；當(dāng)系統(tǒng)缺料時，黃燈以1 Hz速度閃爍；當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時，綠燈常亮。

2.3? ? 虛擬平臺與虛擬PLC的虛擬調(diào)試

小型自動化生產(chǎn)線數(shù)字孿生將硬件平臺模型化，仿真硬件平臺的電氣信號輸入、輸出，設(shè)置模型缸體物理屬性與運(yùn)動副，使虛擬平臺與真實硬件平臺一樣均有物理屬性。虛擬平臺與虛擬PLC的虛擬調(diào)試需要完成以下設(shè)置：

1）虛擬調(diào)試通信設(shè)置。

（1）將PLC下載至PLCSIM Advanced中。

（2）在MCD軟件中將下載至PLCSIM Advanced中的PLC程序變量與MCD參數(shù)信號連接映射。

2）虛擬PLC程序進(jìn)行驗證。

（1）啟動觸摸屏仿真。

（2）啟動MCD仿真。

（3）在虛擬平臺中添加工件物料。

（4）啟動系統(tǒng)運(yùn)行，驗證PLC程序的可靠性和穩(wěn)定性。

（5）仿真運(yùn)行并保存仿真文件。

3? ? 結(jié)束語

基于數(shù)字孿生技術(shù)在MCD平臺上完成小型自動化生產(chǎn)線的機(jī)電一體化概念設(shè)計，并借用MCD平臺的多系統(tǒng)集成、概念建模及模擬仿真、知識重用等優(yōu)勢，完全打破了現(xiàn)有的機(jī)電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計的模式，對指導(dǎo)企業(yè)設(shè)計方式的改革、加快企業(yè)的研發(fā)速度、增強(qiáng)部門之間的協(xié)同具有一定的實際意義。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 黃誠，梁偉東.生產(chǎn)線數(shù)字化仿真與調(diào)試（NX MCD）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2022.

[2] 孟慶波.生產(chǎn)線數(shù)字化設(shè)計與仿真（NX MCD）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2020.

收稿日期：2024-03-04

作者簡介：馬桂潮（1990—），男，廣東汕頭人，講師，研究方向：機(jī)電裝備設(shè)計與制造、模具設(shè)計與制造。