基于UG NX的拆碼垛機系統聯合運動仿真研究

（河南騰龍信息工程有限公司，鄭州 450001）

0 引言

隨著德國政府提出《德國2020高技術戰略》，工業4.0的概念已經深入人心。我國政府也提出：到2025年邁入制造強國行列。我國的工業制造加工業將迎來發展的快車道[1]。

隨著加工制造設備更新換代的加速，現代機械、電氣設計的時間也在不斷的縮短，新的設計方法層出不窮。現有的常用設計方法通常為：將機械設備建立模型后對該模型進行有限元仿真分析和運動學仿真分析，對電控程序在軟件內運行調試，最終待機械設備和電氣設備安裝完成后進行聯合調試，以確保該設備符合設計要求。這種設計方法雖然在設計階段有部分機械和電氣調試仿真，但機械仿真和電控程序仿真始終是互相獨立、不相關的。

西門子公司的UG NX軟件集成的機電概念設計（MCD）模塊具有將機械運動仿真和PLC控制程序進行集成仿真的功能。該功能可以在虛擬環境中對所設計的產品進行快速評估，增強機械、電子和自動化設計師的協作，而且通過虛擬樣機的調試減少了制造樣機的時間和成本[2]。

本次研究的碼垛機主要用于物流箱的拆垛和碼垛功能，在設計過程中建立基于UG NX的虛擬樣機，并運用MCD模塊對其進行虛擬仿真分析，以得到相關運動數據。

1 碼垛機簡介

圖1 碼垛機示意圖

本次所研究的拆碼垛機是針對電表存儲單元電表周轉箱，主要功能：入庫時進行拆垛功能，出庫時進行碼垛功能。

總體方案和工作原理。

拆垛：

1）首先人工推運由12個周轉箱組成的箱垛到預定位置（圖1中垛體所處位置）；

2）箱垛到位后下部貨叉在水平方向伸出，使貨叉叉頭伸入底部周轉箱中部卡槽內；

3）貨叉伸出到位后，下部貨叉向上提升50mm；

4）與3）同時橫移貨架后退到箱垛取放貨位置；

5）與4）同時橫移貨架貨叉運行至頂部周轉箱取貨位置；

6）4）、5）到位后橫移貨叉伸出使貨叉叉頭伸入頂部周轉箱邊部兩卡槽內；

7）橫移貨叉伸出到位后，該貨叉提升并帶動周轉箱提升20mm，使該周轉箱與其他周轉箱分離；

8）然后橫移貨架攜帶周轉箱向前移動（向輥道方向）；

9）橫移貨架到達輥道取放貨位置后，橫移貨叉帶動該周轉箱下降，直至將周轉箱放在輥道上，隨后貨架貨叉分開；

10）之后橫移貨架后退移動到箱垛取放貨位置。輥道轉動輸送輥道上箱體離開。

程序重復5）～10）步驟直至12箱體運送完畢完成拆垛過程。

2 MCD模塊簡介

MCD可為產品設計的全新方法提供支持。功能分解作為機械、電氣以及自動化學科之間的通用語言，通過這種設計手段，在產品設計的早期概念設計階段，可以協調各個學科進行協同設計，并行運行。

1）機械工程師可以根據模型的外形尺寸和運動規律創建機械模型。

2）電氣工程師可以根據仿真來確定光電傳感器或驅動器的參數。

3）自動化編程人員可以設計機械的基本邏輯行為，首先設計基于時間的行為，然后定義基于事件的控制[3]。

MCD可對一系列行為進行仿真，包括驗證機械概念所需的一切，涉及運動學、動力學、碰撞、驅動器彈簧、凸輪、物料流等方面。

3 虛擬樣機的聯合仿真

3.1 仿真設置

首先將模型導入至機電概念設計模塊MCD的基本運行流程如圖2所示。

1）對設備升降、抓取、氣缸、箱子等需要運動的部件，定義其剛體的屬性；定義完成后軟件會自動賦予部件質量屬性。同時對于箱子設置對象源和對象收集器，對象源表示箱子可源源不斷的從這里生成；對象收集器則是收集這些箱子的。

2）定義碰撞體：對于有接觸和力的傳遞部件，需要在其剛體屬性的基礎上對其進行碰撞體定義。抓取手一次要抓取一個箱子，從位置1移動到位置2；則需要對抓取手與箱子有力的傳遞位置定義碰撞體；或者對整個抓取手和整個箱子全部定義位碰撞體。

3）運動副的定義：對各種運動需要定義其運動副才能運轉，UG NX提供了多種運動副可以使用，用法與運動學仿真一致，也可以通過運動學仿真定義后再導入到機電概念設計內使用。對堆垛機定義升降、橫移、抓取等運動。如圖3、圖4所示。

圖2 MCD仿真流程圖

圖3 定義運動副

圖4 運動方向示意圖

4）添加傳感器：UG提供多種傳感器設置，有位置傳感器、碰撞傳感器等。當所定義的運動達到設計條件時，相關的傳感器就會觸發，得到信號。整個設備需要添加位置傳感器、檢測傳感器、碰撞傳感器等多種檢測信號；這些信號可以通過OPC協議將信號反饋給PLC。

圖5 定義的傳感器和執行器

5）對升降和橫移的運動副添加運動控制：相關運動副預先添加初始速度、位移量、力和扭矩的參數；對液壓缸和氣壓缸也有相應的驅動方式可以添加，而液壓缸和氣壓缸的運動要通過液壓閥和氣動閥來控制。

6）托輥的面定義位傳輸面：對這個面可以賦予一個運動速度，然后整個托輥的上表面即可按照這個速度穩定的運行。

7）信號：MCD可以創建多種信號，這種信號以不同的數據類型和符號名存儲在符號表內。這些信號源于之前所創建的傳感器、速度控制量、位置控制等。這些信號可以通過OPC與外部控制器進行的信號映射關聯。

圖6 OPC信號匹配圖

8）當所有的信號都建立以后，與外部PLC程序進行連接，同時運行PLC程序和MCD程序進行仿真[2]。這時候操作外部觸摸屏對設備進行運行控制，以查看設備在PLC控制程序下的運動是否符合設計要求。

3.2 MCD與運動學仿真結果對比

針對研究RigidBody（7）即上部貨叉進行研究，主要研究貨叉在橫移過程中速度與位置的關系，從而得出整體升降橫移機構的橫向、縱向運動規律[4]。

如圖7所示：橫向移動零位與目標位相距950mm，距離零位和目標位相差100mm時觸碰減速開關，橫移速度開始減速；超過零位和目標位100mm時極限開關觸發，橫移急停。

圖7 橫移位置示意圖

圖8 運動學仿真橫移速度圖

圖9 運動學仿真橫移位置圖

圖8所示為模型進行運動學仿真時所得到的結果，圖9為運行學仿真時橫移速度與時間的關系。根據圖8可以看到，當橫移開始運行時速度由0突然變位設定速度；當橫移停止時速度也由運行時直接下降為0。從而導致圖9的結果，也就是設備橫移的位置與時間是線性相關的，是一個非常理想的運行狀態[5]。

而根據實際經驗，電機的轉速不可能由0突然增加為額定轉速，中間有一個緩慢加速的過程。而用運動學仿真分析很難分析到電機轉速的加速和減速，也就很難分析到由于這個過程所導致的后果。致使仿真結果不能夠準確反映現實情況。

圖10和圖11為利用MCD進行仿真后得到的結果。圖10是仿真時速度與時間的關系，從圖中可以明顯的看到速度由0增加到設計速度的加速過程；在設備以設計速度橫移一段時間后觸碰減速開關后減速的過程；減速到尋位速度后開始緩慢橫向移動，直至運行到目標位后停止。同樣當反向運動開始后橫移的速度也有加速、減速、尋位等過程。這就使得橫移位置與時間的關系如圖11所示較為真實可靠，而不是一個線性的關系。

圖10 MCD仿真橫移速度圖

圖11 MCD仿真橫移位置圖

綜上所述可以得到結論：MCD機電概念設計仿真研究速度、位置與時間的關系所得的結果較運動學仿真更為真實、可靠。

3.3 MCD研究堆垛機升降橫移速度與位置關系

運用MCD進行仿真時得到的仿真結果不只可以輸出圖，也可以輸出每次運行后得到的數據，數據可以導出到外部表格文件內。所以在實際仿真運行時需要調用數據，以確定確切的數據。

圖12和圖13為升降橫移機構的升降速度和升降位置與時間的關系。由圖可以看到對于不同高度的箱子升降機構的運行速度是不同的，以適應不同的高度。根據升降機構位置高度數據與實際箱子的高度數據相對比，可以得到設計數據與實際運行數據略有偏差，但是偏差范圍在容錯范圍內，所以升降運動滿足設計需要。

圖12 升降橫移機構升降速度

圖13 升降橫移機構升降位置

升降橫移機構橫向移動時其位置也有一定偏差，這個偏差與橫移的質量、質心、速度、減速開關位置等有關。設定預定正向位置為845，負向預定位置為105。

橫移速度初始設置為260mm/s，運行后數據如下圖所示正向偏差達到34mm，負向偏差達到15mm。偏差略有些大，為了減小偏差，降低橫向移動的運行速度；由260mm/s降低為200mm/s。

圖14 升降橫移機構橫向移動位置圖

當速度為200mm/s時，運行后數據如圖11所示正向偏差達到4mm，負向偏差達到7mm，滿足容錯空間。

4 結論

1）通過本文研究可得：MCD機電概念設計仿真在研究速度、位置與時間的關系時的結果較純運動學仿真更為真實、可靠。

2）拆碼垛機橫向移動的速度應該設定為200mm/s較為合適。