0引言

隨著制造業(yè)的智能發(fā)展,機電產(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)境中進行模擬調(diào)試,解決機電產(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)、工藝及運行維護等角度,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),可以被用來模擬機電一體化系統(tǒng)的復(fù)雜運動。

1.1機電一體化的傳統(tǒng)設(shè)計

以機電設(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、機械設(shè)計、液壓/電氣設(shè)計和軟件設(shè)計等,最后才能進行設(shè)備調(diào)試。該過程涉及三維機械模型設(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/0)資源配置以及PLC編程等?？梢钥闯?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NXMCD的機電一體化概念設(shè)計邏輯

從功能出發(fā)進行研發(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,建立機電一體化的功能模型;在詳細設(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NXMCD 創(chuàng)建機電一體化模型,對包含多體物理場以及通常存在于機電一體化產(chǎn)品中的自動化相關(guān)行為概念進行3D建模和仿真'可以實現(xiàn)創(chuàng)新性設(shè)計，達成機械、電氣、傳感器、執(zhí)行器以及伺服運動控制等多學(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,詳細說明如何進行NXMCD機電一體化概念設(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NXMCD的機電概念設(shè)計,然后編寫TIA博途控制程序,再進行虛擬設(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 NXMCD機電概念設(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轉(zhuǎn)速再除以50 Hz得到當(dāng)前電動機轉(zhuǎn)速;當(dāng)前電動機轉(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:

NXMCD中傳送帶速度=電動機轉(zhuǎn)速/50HZ×傳送帶變頻輸出頻率/速比×帶輪直徑·Π/60

其中,電動機轉(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:50mm;退料氣缸行程:60mm;裝配臺氣缸行程:10mm。

2.2TIA博途編程

2.2.1HMI界面組態(tài)

HMI啟動后,視圖窗口進入開機界面,點擊任意處,系統(tǒng)進入自動控制界面,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軸伺服運行的速度進行默認速度設(shè)置,默認速度均為50 mm/S,用戶可在自動控制界面進行速度修改。

(3)系統(tǒng)缺料檢測。系統(tǒng)上電后處于停機狀態(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。

(4)出料與傳送。系統(tǒng)啟動后,料倉有料傳感器觸發(fā),等待0.5S后出料氣缸將電動機蓋送出至傳送帶;電動機蓋送至傳送帶上后,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,電動機蓋送至傳送帶末端后,傳送帶停止。

(5)姿態(tài)識別。傳送帶運行途中途徑姿態(tài)識別傳感器,若是正向電動機蓋則系統(tǒng)繼續(xù)運行;若是反向電動機蓋則傳送帶運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蓋收入退料槽,等待0.5S,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蓋則裝配至對應(yīng)黑色和金屬材質(zhì)的電動機,若是白色金屬電動機蓋則裝配至對應(yīng)白色和金屬材質(zhì)的電動機,若是白色塑料電動機蓋則裝配至對應(yīng)白色和塑料材質(zhì)的電動機。

(7)裝配。電動機蓋到達傳送帶末端,絲桿模組將電動機蓋搬運至裝配臺上方,Z軸氣缸下降,將電動機蓋裝配在電動機上,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,Z軸氣缸上升,絲桿模組將裝配完成的電動機搬運至倉儲單元。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)出停止運行指令,完成當(dāng)前周期工作后,所有的機構(gòu)回到初始狀態(tài),系統(tǒng)停機。

4)急停功能。自動運行過程中,按下急停按鈕,系統(tǒng)立刻停機,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,所有的機械機構(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)運行,驗證PLC程序的可靠性和穩(wěn)定性。

(5)仿真運行并保存仿真文件。

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、增強部門之間的協(xié)同具有一定的實際意義。

[參考文獻]

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

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

2024年第12期第14篇