基于數字孿生的新型四工位刀架設計

趙 飛，侯星宇，王 駿，葉雯宇

（1. 無錫職業技術學院 機械技術學院，江蘇 無錫 214121；2. 江蘇大學 流體機械研究中心，江蘇 鎮江 212013）

數字孿生即建立物理實體的數字化虛擬模型來仿真物理實體在真實環境中的屬性和行為[1-2]。數字孿生被中國科協列為世界智能制造十大科技進展之一[3]，作為踐行 “中國制造2025” 與 “工業4.0” 的重要技術手段，能有效實現產品設計階段與制造階段的虛實映射，提升產品開發和優化的迭代循環效率。美國國家航空航天局（NASA）應用數字孿生技術開展了宇航設備健康狀態預測[4]。吉利汽車應用數字孿生技術，將領克汽車的激光焊接質量提升到世界領先水平[5]。

數字孿生的概念最早由Grieves 等[6]提出，但直到近年來才被工業界和國內外學者所關注。陶飛等總結了數字孿生的五維模型及十大應用領域[7]，李浩等給出了基于數字孿生的產品設計制造關鍵技術與開發框架[8]，李琳利等研究了基于數字孿生的復雜產品多學科協同設計建模技術[9]。以上研究成果從不同角度對數字孿生的概念和應用場景進行了總結和概括，但國內外文獻較少涉及數字孿生技術的具體實施。本文基于NX、TIA、PLCSIM Advanced、SIMATIC NET等軟件開展了新型電動刀架的設計，并給出了基于NX MCD 的機電一體化虛擬聯調的具體實施過程。

新型四工位刀架研制來源于無錫貝斯特精機股份有限公司為適應智能制造新形勢而對現有的電動刀架進行智能化改造的需求。該公司擬設計一種新型多功能電動刀架，刀架本體采用蝸輪蝸桿傳動、齒盤嚙合的工作原理，通過霍爾傳感器感知刀位，通過壓電式加速度傳感器、紅外溫度傳感器采集刀體振動和溫度信息，使用西門子可編程邏輯控制器（PLC）作為控制器并設計相應算法，通過觸摸屏觀測和控制電動刀架的工作狀態。

NX 是一款被廣泛使用的工業設計軟件，具有三維建模、數控加工仿真、鈑金設計、模具設計、管線設計、機電概念設計等功能[10-12]。TIA 是西門子旗下的一款全集成自動化PLC 編程軟件，采用了優良的工程組態和軟件項目環境，用戶可以快速開發應用控制程序。本文使用NX、TIA 等軟件完成了新型四工位刀架機械結構的三維建模、電氣控制箱三維布線和PLC 控制程序及人機接口（HMI）界面設計等，并采用NX 中的機電概念設計模塊進行了虛擬三維模型和PLC 控制程序的機電聯合仿真，有效提升了產品設計效率，降低了研制成本。

1 新型四工位刀架的設計思路

采用 “設計—仿真—修改—優化—實施” 過程并行進行機械結構設計、電氣控制箱三維布線和PLC 控制程序及HMI 界面設計，在此基礎上進行了基于NX MCD 的機電虛擬聯合仿真，最后進行了樣機搭建與調試。新型四工位刀架總體設計思路如圖1 所示。

圖1 新型四工位刀架設計流程圖

2 新型四工位刀架的數字化設計

2.1 機械結構創新設計與三維建模

新型四工位電動刀架由刀架本體、機夾車刀、信號采集蓋和電動刀架監控系統組成。電動刀架監控系統由PLC、觸摸屏、外圍電路等組成。新型四工位電動刀架三維模型和內部結構如圖2 所示。

圖2 新型四工位刀架三維模型和結構示意圖

刀架本體采用蝸輪蝸桿傳動、離合銷和離合盤導向、上刀體和下刀體的端面齒相互嚙合定位鎖緊的結構。在刀架本體中，軸頂端設置無線充電發射模塊向信號采集蓋中的傳感器供電，實現了旋轉部件的持續供電。中軸內部的通孔用于無線充電發射模塊供電線及霍爾傳感器信號線的走線。

信號采集蓋內部采用模塊化設計，共分3 層：上層布置無線傳感器，通過無線方式將匯總的溫度、加速度信息發送到PLC 中，實現了旋轉部件中傳感器信號的輸出；中層布置加速度傳感器，采集刀體振動信息；下層布置無線充電接收模塊接收中軸頂端的無線充電發射模塊的磁能，將其轉換為電能給加速度傳感器、無線傳感器、溫度傳感器持續供電。

2.2 電氣控制箱三維布線

電氣控制箱是電動刀架的控制中心。圖3 為電氣控制箱PLC 接線圖。

圖3 電氣控制箱PLC 接線圖

對電動刀架控制箱進行三維布線有助于優化產品的設計，更好地進行成本預測，并能直觀地向工人展示線纜布線的要求，具有重要的實際意義。圖4 為電氣控制箱三維布線圖。

圖4 電氣控制箱三維布線圖

2.3 PLC 控制程序設計

2.3.1 自動選刀控制程序設計

在自動選刀控制程序中，當選擇所需刀位號后，PLC 讀取當前霍爾元件信號，判斷當前刀位是否為所需刀位。若當前刀位與目標刀位一致時，程序直接結束；當目標刀位與當前刀位不一致時，電機正轉，直到當前刀位與目標刀位一致，PLC 控制電機停止。整個控制流程如圖5(a)所示。

2.3.2 點動選刀控制程序設計

點動控制程序中，按下點動選刀按鈕后，PLC 控制電機正轉，同時程序判斷是否接收到下一刀位霍爾信號，若沒有接收到下一刀位霍爾信號則電機繼續正轉，若收到信號，則PLC 控制電機停止。整個控制流程如圖5(b)所示。

圖5 PLC 控制流程圖

2.3.3 傳感器數據采集處理程序設計

通過比較指令將采集數據與設定閾值進行比較，大于閾值1 時聲光報警器黃燈閃爍報警，大于閾值2時聲光報警器紅燈閃爍并蜂鳴報警，同時PLC 控制中間繼電器切斷主軸及機床控制系統的電源。溫度、振動傳感器控制流程如圖5(c)所示。

3 NX MCD 機電聯合仿真

下面以電動刀架換刀過程為例，詳細給出了NX MCD 機電聯合仿真過程。NX MCD 仿真的主要步驟如下：MCD 模塊中創建剛體、碰撞體、運動副約束、碰撞傳感器與速度控制，創建仿真序列、信號添加，建立MCD 模塊與TIA 通信連接，實現TIA 中的變量與MCD 中的傳感器信號的交互，最終實現通過TIA 中的PLC 程序控制MCD 中電動刀架三維模型的動作。

3.1 刀架霍爾傳感器工作原理與建模

電動刀架通過霍爾傳感器感知刀具位置，具體原理如下：發訊盤固定安裝在電動刀架中軸上，發訊盤內圓周方向均布有4 個霍爾傳感器，分別對應4 個刀位；罩座固定在上刀體頂端，內側凹槽內安裝有一磁鐵；當上刀體旋轉時，罩座內磁鐵會接近發訊盤上的各個霍爾傳感器，霍爾傳感器感應到磁鐵磁場后發送信號給PLC，進而獲取刀架位置。

進行四工位刀架三維建模時，需要將磁鐵和霍爾傳感器同步建模，便于后續MCD 中調用傳感器信號。磁鐵和霍爾傳感器在刀架上的裝配位置如圖6 所示。

圖6 磁鐵和霍爾傳感器位置

3.2 NX MCD 內部仿真環境搭建

（1）使用NX 打開電動刀架三維文件。

（2）創建剛體。①使用剛體創建命令，選擇對象為蝸桿，質量屬性選擇自動，命名為“剛體1”；②選擇對象為蝸輪，質量屬性選擇自動，命名為“剛體2”；③依次選中下刀體、中軸、離合盤、發訊盤、軸承等，命名為 “剛體3”，如圖7 所示；④依次選中上刀體、上刀體上的螺釘、鋁蓋、罩座、磁鐵塊等，命名為“剛體4”；⑤將剩余的組件也進行剛體設置。

圖7 剛體3 設置

（3）創建約束。①將下刀體部分設置成固定副，使下刀體保持固定；②將蝸桿設置成鉸鏈副，選擇連接件為蝸桿，指定軸矢量為蝸桿的軸，指定錨點為圓心，如圖8 所示；③將蝸輪設置成鉸鏈副，指定軸矢量為ZC軸，指定錨點為蝸輪圓心；④將螺桿、離合銷、離合盤、上刀體設置成鉸鏈副；⑤點擊耦合副里面的齒輪，選擇主對象為蝸桿的鉸鏈副，選擇從對象為蝸輪的鉸鏈副，約束中的主倍數和從倍數分別輸入1 和25（蝸桿頭數為2，蝸輪齒數為50）。

圖8 蝸桿鉸鏈副設置

（4）創建碰撞體。添加碰撞體，選擇對象為磁鐵塊的表面，碰撞形狀選擇方塊，形狀屬性選擇自動，在碰撞設置中勾選 “碰撞時高亮顯示”。

（5）創建碰撞傳感器。依次點擊4 個霍爾傳感器，創建4 個碰撞傳感器。

（6）創建速度控制。創建速度控制Speed Control1，選擇對象為剛體4 和剛體3 的鉸鏈副，將速度設置為30 (°)/s，點擊確定。

（7）添加信號。在機電導航器頁面中找到信號，右擊 “創建機電對象” 中的 “信號”，勾選 “連接運行時參數”，選擇機電對象為Collision Sensor1（碰撞傳感器1），I/O 類型選擇輸出，信號名稱命名為“傳感器1”。按同樣步驟添加另外3 個霍爾傳感器的信號。

（8）創建仿真序列。點擊仿真序列，選擇對象為速度控制（Speed Control），持續時間為3 s（刀架旋轉90°）。點擊編輯條件參數，在選擇條件對象上點擊信號中的 “傳感器1”（Collision Sensor(1)）；在條件中把參數修改為活動的，值選擇true。設置仿真序列的停止控制，點擊仿真序列，選擇對象為速度控制，持續時間為0.5 s，運行時速度設置為0 (°)/s。點擊時鐘的序列編輯器，在序列導航器中，選中“傳感器1”對應的2 個序列，右擊選擇“創建連接器”，點擊第①個序列，用鼠標拖動至第②序列。按同樣步驟設置另外3 個傳感器的仿真序列，如圖9 所示。

圖9 仿真序列設置

3.3 MCD 外部通信環境搭建

外部通信環境的建立將使用到NX、TIA、PLCSIM Advanced、SIMATIC NET 軟件，利用PLCSIM Advanced建立虛擬PLC，在TIA 中放置PC 站，內部添加OPC和IE General，更改相對應的MAC 地址，在SIMATIC NET 中插入OPC 和IE General，編譯下載后的SIMATIC NET 里出現連接成功提示，說明通信環境建立完畢。主要步驟如下：

（1）配置PLCSIM。將PLCSIM Advanced 設置為在線仿真模式。在Start Virtual PLC 的“Instance...”中選擇PLC_1；在IP address 的X1 欄中輸入192.168.0.1；在Subnet mask 欄中填寫255.255.255.0，并點擊Start按鈕，進入在線仿真模式。

（2）配置TIA。主要包括以下步驟：①在TIA項目中添加新設備“PC 系統”。點擊PC 系統中的PC station，配置IE general 通用服務器和OPC 服務器。②打開項目的網絡視圖，連接CPU 的PROFINET 接口和PC station 接口。③添加監控表，并將PLC 變量表的地址輸入監控表。

（3）下載PLC_1 和PC station。主要步驟如下：①選擇PLC_1 進行編譯，并下載到PLCSIM。②編譯和下載OPC 服務器。右擊PC station 的屬性，將XDB所有文件導入配置編輯器中的IE General。③在項目視圖中選擇PC station 中的編譯，選擇 “硬件（僅更改）”，并點擊 “下載設備”。

完成以上操作后，若OPC Server Conn 欄中出現圖10 所示插頭狀圖標，則說明PLC 中的組態信息連接成功，就可以進行基于MCD-TIA 的聯合仿真了。

圖10 連接成功狀態欄

3.4 基于MCD-TIA 的刀架換刀仿真

通過添加信號適配器，建立信號映射，實現MCD中運動副、傳感器器信號與PLC 程序的交互。

3.4.1 信號配置與映射建立

（1）信號適配器配置。打開MCD 中信號適配器，選擇“傳感器和執行器” 中的Speed Control(1)，點擊右邊的添加參數按鈕，勾選指派為下方的方框。點擊信號右側的添加按鈕，將名稱更改為a，“輸入/輸出”選擇輸入，在公式欄中輸入控制指令：if a then 90 else 0。

（2）外部信號配置。打開MCD“外部信號配置”，點擊服務器列表中的“O…NET.1”，修改時間為0.001 s，以獲取較快的信號更新速度。在Station_1 的子菜單找到PLC_1，將所需的外部信號進行勾選。

（3）信號映射。信號映射即為建立PLC 程序中的輸入輸出變量與MCD 中的運動副、傳感器信號間的聯系。進入MCD 信號映射設置，點擊映射圖標，將MCD 中速度控制信號a 與PLC 程序中的電機轉動輸出繼電器Tag_13（Q0.0）建立映射。通過同樣步驟將MCD 中的4 個傳感器信號與PLC 程序中4 個輸入繼電器分別建立映射關系，如圖11 所示：傳感器1-Tag_5（I0.0）、傳感器2-Tag_8(I0.1)、傳感器3-Tag_10(I0.2)、傳感器4-Tag_12(I0.3)。

3.4.2 基于MCD-TIA 的刀架換刀過程驗證

在 MCD 中，當罩座上磁鐵與霍爾傳感器接觸時，傳感器信號由0 變為1，通過信號映射給對應PLC輸入繼電器，PLC 程序進一步控制Q0.0 的狀態，Q0.0 通過信號映射控制MCD 中刀架的轉動與停止。下面通過選擇刀位1 來說明PLC 程序與MCD 交互的過程。

圖11 信號映射

在TIA 中打開刀架換刀PLC 程序，點擊工具欄中啟動CPU 選項，并選擇監控模式。在NX 中打開刀架三維模型，進入MCD 模塊。

刀架初始位置為刀位4，即罩座上磁鐵位于4 號霍爾傳感器處，此時I0.3=1，若此時直接點擊MCD中仿真按鈕，則刀架不轉動。

選擇 “刀位1”，即在TIA 中置位M0.0，使得M1.0 得電自鎖，并使Q0.0=1，激活MCD 中的速度控制，刀架開始轉動。相應 PLC 控制程序如圖 12所示。

圖12 PLC 控制程序

當刀架轉到1 號刀位時，1 號霍爾傳感器信號由0變為1，并映射給PLC 中I0.0，使I0.0=1，PLC 程序邏輯運算后使Q0.0=0，進而映射控制MCD 中刀架停轉。刀架換刀MCD 仿真動作過程如圖13 所示。

圖13 換刀MCD 仿真動作過程

MCD 機電虛擬聯調完成后，進行了新型四工位刀架樣機搭建與測試。搭建的新型電動刀架及其監控系統樣機實際換刀速度優于900 ms/工位，振動及溫度傳感器數據采集的響應時間低于50 ms。

4 結語

（1）創新設計了四工位電動刀架內部結構，用于刀具的溫度和加速度監測，實現了刀架旋轉部件中溫度和加速器傳感器的持續供電和傳感器數據的持續輸出。

（2）基于數字孿生設計理念，使用NX、TIA、PLCSIM Advanced、SIMATIC NET 等軟件開展了產品機械、電氣、控制程序的并行設計，提升了設計效率。

（3）在完成電動刀架三維建模和PLC 控制程序設計的基礎上，經剛體設置、運動副設置、碰撞體創建、信號創建、仿真序列創建、通信環境建立和信號映射等步驟后進行了四工位刀架換刀過程MCD-TIA聯合仿真。

（4）研制的新型四工位刀架樣機實際換刀速度優于900 ms/工位，振動及溫度傳感器數據采集的響應時間低于50 ms。

（5）對于NX MCD 機電概念設計模塊，國內相關書籍文獻記錄較少，本具體實施案例有助于這一模塊的推廣應用。