基于CADe_SIMU軟件的機電綜合仿真研究

0 引言

自2014年頒布《國務院關于加快發展現代職業教育的決定》（簡稱“職教發展28條”）以來，我國職業教育進入蓬勃發展時期，在國家政策引導和各級政府的推動下，職業教育體系建設穩步推進，為社會培養培訓了大批中高級技能型人才，為提高勞動者素質、推動經濟社會發展和促進就業作出了重要貢獻。加快發展現代職業教育，是黨中央、國務院作出的重大戰略部署，對于深入實施創新驅動發展戰略，創造更大人才紅利，加快轉方式、調結構、促升級具有十分重要的意義。當前，人類社會正加速步入智能社會，對企業員工的素質和技能要求更高，綜合職業能力需求更加完善。以機電一體化專業為例，要培養專業人才的綜合職業能力就要挖掘資源、開動腦筋、轉變思路，全面實施機械專業基礎教育；要突出電氣專業發展與技能訓練相結合，突出機電混合應用能力和目標培養。本文以機電綜合項目一氣動機械手為例，就實施機電綜合設計展開討論，克服設備和資源不足的問題，引導學生全面學習機電綜合知識，將機械、電氣和智能控制融合，全方位提升機電專業學生的專業素養和職業能力。

1機電綜合課程介紹

機電綜合課程是一門融合機械工程與電氣工程相關知識的課程，旨在培養學生在機電一體化領域的綜合能力。其目標就是將機械和電氣知識整合，使學生理解機電一體化系統的工作原理和設計方法。提升機電專業學生的綜合職業能力，需要夯實專業基礎，提升專業能力，培養創新能力，通過工學一體的教學模式，校企結合，全方位提升學生的綜合機電應用能力，通過實踐環節，提高學生的簡單機電系統設計、調試能力和電氣控制線路的安裝與檢修技能[1]。

機電綜合課程以就業為導向，讓學生具備機械和電氣方面的綜合知識與技能，能夠適應機電設備維護、機電系統設計等多種崗位需求，增加在制造業、自動化行業等領域的就業機會。機電設備操作人員的個人發展要與企業發展相結合，提升學生的綜合素質，培養學生的工程思維、創新能力和解決實際問題的能力，有助于他們適應人工智能社會的新要求。行業要發展，對人才綜合職業能力的要求更高，綜合機電課程所培養的綜合性人才能夠一定程度上滿足行業發展對人才的需求，有利于推動行業技術創新，促進行業發展和技術升級。

2 CADe_SIMU軟件簡介

CADe_SIMU軟件作為一款電氣制圖模擬軟件，憑借其小巧的體積、卓越的性能和易用易懂性，成為機電一體化專業學生學習機電專業課程的首選工具。對于初學者來說，CADe_SIMU軟件作為入門級的設計和仿真軟件能滿足個人學習需求，實現電路設計的多樣化和自由化。它具有豐富的功能模塊，可以讓電路圖繪制變得輕松高效。它還能為線路設計和仿真提供全面支持，可通過原理圖設計仿真和實際元件綜合布線相結合提升學生的學習效果[2]。

2.1 軟件通用性好

CADe_SIMU軟件擁有友好且直觀的電氣圖形繪制工具，用戶可以通過拖放元件和連線的方式繪制電氣圖，方便快捷。CADe_SIMU軟件具備強大的電氣控制仿真功能，提供了全面的PLC仿真功能，能夠模擬和調試復雜的電氣控制系統，它擁有的元件庫和豐富的仿真器件，可以進行真實場景的虛擬仿真，通過軟件仿真，避免了器件品種、規格和數量不足的困擾，同時可以避免儀器損壞等問題。CADe_SIMU軟件能夠支持多種訓練模式，包括驗證型、測試型、設計型、糾錯型和創新型等，這些模式可以滿足不同學習目標和實踐需求，有助于培養學生的理論應用能力和解決問題的能力[2]。

2.2性能完善，能夠進行綜合仿真

CADe_SIMU軟件的元件庫包含電氣控制、電子線路、邏輯控制、氣動仿真模塊、PLC控制模塊、實際控制模塊等，軟件幾乎包含了能夠用到的電氣設計功能，是綜合設計仿真的好助手。以氣動機械手設計為例，軟件能夠提供幾種不同的氣動回路，便于學生進行選擇和分析，通過不同的回路設計讓學生學會基本的氣動回路[2]。設計過程可以通過繼電器回路的設計驅動氣動回路實現機械手的動作，仿真過程可以清楚地看到氣動機械手的動作過程和系統元件的具體動作，繼電器的得電和失電狀態在軟件中有明確顯示。進行PLC改造和優化過程中，通過PLC的外部接線，元件符號命名關聯，開關器件的選擇等提升學生的PLC技能，通過梯形圖設計的程序觀察系統運行情況，進行系統仿真。軟件給機電綜合項目的學習提供了更多的可能性，能夠幫助學生全方位對機電綜合控制項目進行學習，全面提升職業素養和職業技能[2]。

3CADe_SIMU軟件在機電綜合課程教學中的應用

作為機電綜合課程的典型項目，氣動機械手項目涵蓋了機械構造和設計專業知識、氣動專業知識、電氣設計和運行專業知識、PLC外圍控制和編程的專業知識等，知識面廣，專業要求高，下面以氣動系統設計、電氣化設計和改造為例進行討論分析[3]。

3.1 氣動系統設計

CADe_SIMU軟件自帶幾種簡單氣動系統，針對氣動機械手，軟件提供了兩種不同的設計思路，可以選擇單作用機械手或者雙作用機械手，機械手的主控采用二位三通電磁閥或者二位五通電磁閥，電磁閥采用雙電控的方式便于系統進行初始位的設置。機械手運行過程速度控制采用單向節流閥反向串聯的方式或者雙作用口單控的方式實現，節流的調整根據系統運行仿真的速度進行調整設定，能夠更好地調整機械手抓取物體的速度和力度。在機械手運行過程中，要進行準確定位，采用磁性開關對機械手初始位和抓取位進行準確定位，方便對電氣控制回路的設計和保護，如果考慮到后期的PLC設計和優化，可以采用三線制磁性開關，結合軟件提供的西門子PLC模型，選取PNP型的三線制傳感器，這樣在外部接線時就不會出現接線錯誤或者通電試車故障不通的現象[3]。

機械手氣動系統的選擇?？紤]到工業現場和具體要求，適宜采用雙作用氣動系統作為控制系統首選，在元器件選擇上，氣源可采用AC220V供電的空壓機，壓力值達到 0.8MPa ，儲氣罐容積 10L 以上，電機功率 1kW 以下；單向節流閥采用亞德客小型節流閥，壓力1MPa以下即可；兩位五通雙電控電磁換向閥采用亞德客或者正泰品牌均可，電壓類型選擇DC24V，功率5W左右。

3.2氣動系統的電氣化設計和改造

氣動機械手電氣化系統的設計調試，要充分結合工業現場的實際，在氣動系統中選用了DC24V的氣動元件，這就要求在電氣控制系統設計中要采用直流電源進行電氣設計。工業現場沒有現成的直流電源可用，往往能夠提供AC220V和AC380V兩種不同的控制電壓，所以在系統設計中就要考慮開關電源的使用，系統要具備必要的短路和過載保護，電氣化設計的方向上，設計過程采用間接控制的方式更加有利于實現電氣化的控制和保護。

3.2.1 電氣設計圖紙

氣動機械手的電氣化設計采用簡單的點動控制方式，由于雙電控電磁換向閥自身的自鎖特性，當左位電磁閥得電時，二位五通雙電控電磁換向閥置于左位，由于沒有彈簧復位，保持在左位，讓氣動機械手夾緊且保持夾緊狀態。當右位電磁閥得電時，二位五通雙電控電磁換向閥處于右位換向，氣動機械手釋放，夾爪松開并保持。采用點動的設計方式優點是線路設計簡單，便于操作，對于基礎操作人員來說便于理解和操作；缺點是線路設計不可靠，容易存在接觸不良或者因線路老化等帶來的不動作的故障[1]。為了更可靠地實現氣動機械手的操作，可以對線路進行優化，采用自鎖的控制方式，更加安全可靠地實現氣動機械手的抓取和釋放。

3.2.2 電氣設計圖紙優化

優化后的電氣圖紙設計如圖1所示。

圖1中，通過兩個中間繼電器KA1和KA2實現對二位五通電磁閥換向的自鎖控制，能夠更加可靠地實現二位電磁閥線圈的得電。氣動機械手的終端限位采用三線制PNP型磁性開關，磁性開關的限位能夠保證機械手抓取或者釋放后，二位五通電磁換向閥可靠的失電，避免機械手保持無法換向。三線制PNP型磁性開關通過指示燈的識別準確判斷機械手的到位情況，由于采用終端的限位保護控制，在選取磁性開關時時候采用常閉型的磁性開關，而選取PNP型的目的是為了方便后期通過西門子PLC進行智能化改造，如果采用NPN型的磁性開關傳感器，后期改造時適合用三菱型PLC，由于CADe_SIMU軟件內含西門子PLC模型，因此在選取時通常采用PNP型的磁性開關。

3.2.3 電氣設計原理分析

電氣回路設計時從220V交流電引入到總控開關QF上，空氣開關QF帶熱脫扣和電磁脫扣器，能夠進行短路和過載的保護，空氣開關輸出電流進入開關電源V，實現把交流220V變成直流 24V ，開關電源的作用是整流，整流輸出的直流電連接中間繼電器和電磁閥線圈。線路設計采用直流的方式，因此在選取中間繼電器和電磁換向閥時要選取直流24V的電氣元件，否則不能正常使用。當按下啟動按鈕SB1時，中間繼電器KA1得電自鎖，電磁閥線圈EV1得電，二位五通雙電控電磁換向閥換向左位，氣壓通過1、4口進入單向節流閥1V2，單向閥起作用，全壓進入氣動機械手，單向節流閥1V3起到調節機械手抓取速度的作用，節流閥起作用。當氣動機械手夾緊抓取物體后，檢測傳感器B1檢測到位動作，常閉點斷開，切斷KA1控制回路，左位電磁線圈EV1斷電，得電后抓取的動作如圖2所示。

當按下啟動按鈕SB2時，中間繼電器KA2得電自鎖，電磁閥線圈EV2得電，二位五通雙電控電磁換向閥換向右位，氣壓通過1、2口進入單向節流閥1V3，單向閥起作用，全壓進入氣動機械手，單向節流閥1V2起到調節機械手抓取速度的作用，節流閥起作用。當氣動機械手釋放松開物體后，檢測傳感器B2檢測到位動作，常閉點斷開，切斷KA2控制回路，右位電磁線圈EV2斷電。過程中的速度調節依靠單向節流閥的節流調節功能，實現氣動機械手的抓取和釋放比較平滑。

圖1電氣設計優化圖紙

圖2氣動機械手得電后動作

4氣動機械手智能化設計和改造

CADe_SIMU軟件具備豐富的PLC模型庫，軟件中的元件庫可以進行PLC外圍控制和仿真，借助系統自帶的西門子PLC模型，可以搭建控制系統，進行模擬仿真和動作，進行氣動機械手系統設計內容的鑒定和調整，通過外圍接線搭建和PLC簡易編程，能夠對氣動機械手系統進行綜合設計和仿真[3]

4.1 PLC外圍系統

通過CADe_SIMU軟件進行機械手系統設計時，外部接線圖如圖3所示。

考慮到PLC帶負載的能力較弱，在實際設計時，PLC的輸出端通過單獨的開關電源供電，而自身所帶的24V直流電只連接三線制磁性開關，PLC的供給電源為交流220V，外圍接線時要考慮到用線的規格和顏色，火線采用紅色線，零線采用藍色線，地線采用黃綠雙色導線。PLC的輸入和輸出在線顏色的選擇上，正極線采用紅色線，負極線采用黑色線。由于西門子PLC選取的是PNP型，對應的磁性開關也為PNP型，所以在外圍接線時，輸入端采用共正接線，而輸出端采用共負接線，這樣便于PLC的正確使用和調試。

4.2 氣動機械手I0分配

CADe_SIMU軟件進行智能化設計過程中，對氣動機械手要精準定義I0，否則在程序調試過程中容易出錯，尤其要注意兩個磁性開關定位功能的使用，抓取和釋放的定義明確區分，具體I0分配如表1所示。

表110分配表

4.3氣動機械手梯形圖設計和調試

氣動機械手外圍控制和I0分配好后，要對PLC進行編程，軟件提供了基本編程所需要的符號，如常開點、常閉點、線圈、置位指令、復位指令、脈沖指令和定時器指令等，可以根據自己的編程習慣進行編程和調試，本文以最簡單的梯形圖指令進行編程，借鑒起保停程序對氣動機械手進行編程仿真，系統能夠完整地運行，梯形圖程序如圖4所示。

PLC仿真系統的調試由于動作時間短，磁性開關的動作快，要準確調試就需要反復操作按鈕，確認機械手能夠可靠地抓取和釋放，并同步監控程序里的常開點和常閉點及線圈的得電情況。由于在外圍控制中使用了常閉點，在編程時要注意采用常開符號編程，這是作為編程者應該掌握的基本知識點。

5 結束語

本文利用CADeSIMU軟件進行綜合設計，復現了機械手抓取和釋放動作，提出通過計算機軟件綜合設計，克服設備資源緊缺的問題，實現機電綜合仿真。本文對機電綜合仿真項目—氣動機械手的電氣化設計進行了綜合分析，通過繼電器回路設計和PLC智能化改造兩個方向對氣動機械手進行控制，通過軟件設計和仿真練習，提高學生的機電綜合設計能力，展示了CADe_SIMU軟件在機電一體化設計中的作用和優勢[2]。該軟件在機電綜合方向的教學培訓中具有推廣性，可提升機電專業人員的綜合能力，因而應繼續加強對CADe_SIMU軟件的研究、應用和開發，有效提升機電一體化專業教學質量。

6 參考文獻

[1]柴彩彩，湯萍，付莎莎．基于PLC的氣動機械手控制系統設計［J].內燃機與配件，2024（8）：63-65.

[2]潘春玲.基于CADeSIMU的三相異步電動機仿真分析[J].河北軟件職業技術學院學報，2021，23（1）：19-22，43.

[3]靳宏，左右祥．基于PLC的氣動機械手控制系統設計[J].科技創新與應用，2023，13（6）：49-52.

圖3PLC外部接線圖

圖4梯形圖程序