基于NX-MCD的搬運(yùn)機(jī)械手虛實(shí)結(jié)合調(diào)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

唐月夏 李光平

（南寧學(xué)院機(jī)電與質(zhì)量技術(shù)工程學(xué)院,廣西 南寧 530200）

自動(dòng)化生產(chǎn)線調(diào)試過程中要完成電路設(shè)計(jì)、程序編寫、軟硬件調(diào)試等工作。目前，調(diào)試的方式主要有2種：①直接在實(shí)際設(shè)備上調(diào)試，這種方式耗時(shí)長(zhǎng)，對(duì)于設(shè)備及人員安全存在一定的危險(xiǎn)性[1-2]；②利用虛擬仿真技術(shù)，對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)線進(jìn)行可視化的虛擬仿真，完成結(jié)構(gòu)、功能、行為以及用戶的思維過程和行為動(dòng)態(tài)性的模擬[3-4]。通過操作這些虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，即可進(jìn)行各種調(diào)試。這種模式下，只對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試，不涉及硬件，調(diào)試結(jié)果不能直接用于實(shí)際設(shè)備。

NX-MCD是NX設(shè)計(jì)軟件中一個(gè)集機(jī)械、電氣、自動(dòng)化設(shè)計(jì)于一體的全新的機(jī)電產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)模塊。該模塊的仿真平臺(tái)采用NVIDIA PhysX 物理運(yùn)算引擎，其特有的動(dòng)力學(xué)仿真設(shè)計(jì)使仿真效果更加接近物理環(huán)境[5-7]。目前已有不少基于MCD模塊的設(shè)計(jì)應(yīng)用，如趙飛等設(shè)計(jì)基于數(shù)字孿生的刀具前處理機(jī)[8]，吳雁等研究基于 MCD 平臺(tái)的數(shù)控車床上下料機(jī)械手機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)[9]。大部分研究只運(yùn)用了NX-MCD的運(yùn)動(dòng)仿真，仿真與硬件同時(shí)進(jìn)行的較少，而且基本使用西門子系列PLC，沒有涉及其他品牌的PLC[10-12]。

針對(duì)目前自動(dòng)化生產(chǎn)線調(diào)試中存在的問題，以自動(dòng)化生產(chǎn)線中最復(fù)雜的搬運(yùn)機(jī)械手為例，基于NX-MCD設(shè)計(jì)了搬運(yùn)機(jī)械手虛實(shí)結(jié)合的調(diào)試平臺(tái)。該平臺(tái)利用虛擬仿真模型，觀察程序運(yùn)行結(jié)果，解決現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操中風(fēng)險(xiǎn)等問題。通過IO接口電路板驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)，解決純虛擬仿真不涉及硬件設(shè)計(jì)問題。通過開發(fā)數(shù)據(jù)采集插件，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真模型與IO接口電路板的數(shù)據(jù)共享，解決更換PLC就要更換OPC服務(wù)器的問題，實(shí)現(xiàn)了搬運(yùn)機(jī)械手虛擬仿真的工作。在該調(diào)試平臺(tái)上能夠完成調(diào)試工作的全部?jī)?nèi)容，同時(shí)所設(shè)計(jì)的硬件電路和控制程序可直接應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)線設(shè)備中，提高調(diào)試設(shè)備的效率。

1 虛實(shí)結(jié)合的調(diào)試平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，搬運(yùn)機(jī)械手虛實(shí)結(jié)合的調(diào)試平臺(tái)主要由虛擬仿真模型、數(shù)據(jù)采集插件、IO接口電路板等3個(gè)模塊組成。

圖1 搬運(yùn)機(jī)械手虛實(shí)結(jié)合的調(diào)試平臺(tái)

虛擬仿真模型由虛擬機(jī)械結(jié)構(gòu)、虛擬傳感器和執(zhí)行器組成。在測(cè)試時(shí)，將PLC控制器引入調(diào)試平臺(tái)。通過PLC與IO接口電路板的接線，實(shí)現(xiàn)模型中虛擬傳感器和虛擬執(zhí)行器與PLC的連接，完成硬件電路設(shè)計(jì)。運(yùn)行調(diào)試過程中，模型中的機(jī)械結(jié)構(gòu)觸發(fā)虛擬傳感器，數(shù)據(jù)采集插件采集虛擬傳感信號(hào)轉(zhuǎn)換為真實(shí)電信號(hào)傳送至IO接口電路板，驅(qū)動(dòng)IO接口電路板上的線路狀態(tài)與虛擬傳感器同步并發(fā)出真實(shí)的傳感信號(hào)至PLC。PLC根據(jù)程序運(yùn)行結(jié)果發(fā)出真實(shí)的執(zhí)行信號(hào)，由IO接口電路板轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳送至數(shù)據(jù)采集插件，數(shù)據(jù)采集插件將其轉(zhuǎn)換為虛擬執(zhí)行信號(hào)驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)完成各個(gè)動(dòng)作。

2 搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)電概念模型建立

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

搬運(yùn)機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)由滑竿、滑塊、升降氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸、伸縮氣缸、夾緊氣缸組成。為使模型更逼真、增強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)感，需到現(xiàn)場(chǎng)搜集搬運(yùn)機(jī)械手各部位照片、尺寸大小等相關(guān)材料作為建模標(biāo)準(zhǔn)。在NX設(shè)計(jì)軟件中利用幾何體組件建立搬運(yùn)機(jī)械手各個(gè)部位的模型，并依據(jù)搬運(yùn)機(jī)械手的布局裝配約束各部位的空間位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)的定義。圖2為搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)。

圖2 搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.2 運(yùn)動(dòng)副

運(yùn)動(dòng)副是兩構(gòu)件直接接觸并能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的活動(dòng)連接。為使機(jī)械結(jié)構(gòu)中各部件能夠產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，需對(duì)各部件設(shè)置相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副，常用的運(yùn)動(dòng)副有：鉸鏈副、滑動(dòng)副、固定副等[13]。各部件之間的運(yùn)動(dòng)副關(guān)系如表1所示。

表1 機(jī)械結(jié)構(gòu)各部分之間的運(yùn)動(dòng)副

以機(jī)械機(jī)構(gòu)中的滑塊和滑竿為例，滑塊帶動(dòng)整個(gè)搬運(yùn)機(jī)械手在滑竿上左右移動(dòng)，因此對(duì)于滑塊和滑竿之間要設(shè)置一個(gè)滑動(dòng)副，設(shè)置界面如圖3所示。滑塊為連接件，滑竿為基本件，滑竿方向?yàn)橹付ㄊ噶糠较颉?/p>

圖3 滑動(dòng)副設(shè)置

2.3 虛擬傳感器與虛擬執(zhí)行器

設(shè)置運(yùn)動(dòng)副之后，為實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真，需對(duì)各運(yùn)動(dòng)副設(shè)置執(zhí)行器，常用的執(zhí)行器有：位置控制、速度控制等[14]。同時(shí)為限制各運(yùn)動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)位置，需對(duì)各運(yùn)動(dòng)副設(shè)置限位傳感器。電氣信號(hào)與控制模型的傳感器和執(zhí)行器設(shè)置如圖4所示。

圖4 傳感器和執(zhí)行器

3 數(shù)據(jù)采集插件設(shè)計(jì)

NX-MCD集成有OPC客戶端，可以采用OPC服務(wù)器的方式作為NX-MCD與仿真控制軟件以及PLC的通信方式，但是各大品牌的PLC廠商都有自己的OPC服務(wù)器，更換PLC需要重新安裝相同品牌的OPC服務(wù)器。為解決PLC不兼容問題，采用C#開發(fā)了數(shù)據(jù)采集插件。數(shù)據(jù)采集插件讀取虛擬仿真模型中的傳感器信號(hào)，信號(hào)通過串行通信的方式發(fā)送到IO接口電路板中，或者根據(jù)IO接口電路板傳入的數(shù)據(jù)控制虛擬執(zhí)行器進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作。通過數(shù)據(jù)采集插件，可以省略O(shè)PC服務(wù)器的安裝，實(shí)現(xiàn)各品牌PLC與調(diào)試平臺(tái)的兼容問題。

3.1 插件接口映射

在NX-MCD軟件中，創(chuàng)建運(yùn)行時(shí)行為代碼，建立數(shù)據(jù)采集插件的接口，并將其與虛擬仿真模型中傳感器、執(zhí)行器一一對(duì)應(yīng)，如圖5所示。

圖5 運(yùn)行時(shí)行為代碼與傳感器和執(zhí)行器的映射

3.2 通信協(xié)議

為保障數(shù)據(jù)通信可靠運(yùn)行，需定制一套符合設(shè)計(jì)的通信協(xié)議，采用ASCII碼進(jìn)行通信，其中數(shù)據(jù)包格式如表2所示。

根據(jù)電路設(shè)計(jì)的要求，通信過程中要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有兩種類型，一種為開關(guān)量，另一種是脈沖數(shù)據(jù)量，功能碼具體說明如表3所示。

表2 通信協(xié)議

表3 功能碼說明

根據(jù)通信協(xié)議分析，一個(gè)周期內(nèi)要采集完所有數(shù)據(jù)，計(jì)算所需通信波特率。

開關(guān)量數(shù)據(jù)長(zhǎng)度：

式中： L( ) ——某個(gè)字段的長(zhǎng)度。

脈沖數(shù)據(jù)量長(zhǎng)度：

一個(gè)周期總傳輸數(shù)據(jù)量：

為保障動(dòng)畫的連續(xù)性，NX-MCD軟件中STEP函數(shù)調(diào)用周期T=0.01s。設(shè)計(jì)中傳輸一個(gè)Byte采用1個(gè)開始位、1個(gè)結(jié)束位、1個(gè)校驗(yàn)位的方式，每傳輸一個(gè)字節(jié)需要的數(shù)據(jù)位數(shù)為11個(gè)位。因此最低通信波特率為：

為保障通信余量，設(shè)計(jì)選擇要求大于68 200Baud的串口通信，設(shè)計(jì)最終選擇國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)通信速率115 200Baud為本設(shè)計(jì)的通信波特率。

3.3 數(shù)據(jù)采集

在通信保障的前提下，利用C#語(yǔ)言開發(fā)數(shù)據(jù)采集插件，通過編寫程序，控制運(yùn)行時(shí)行為代碼便可控制與之相對(duì)應(yīng)的虛擬傳感器和執(zhí)行器。

數(shù)據(jù)采集插件讀取虛擬仿真模型中的傳感器信號(hào)，將信號(hào)數(shù)據(jù)打包后發(fā)送到IO接口電路板中，電路板根據(jù)通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)解析。以伸出到位傳感器為例，部分程序如下。

圖6 搬運(yùn)機(jī)械手工作流程圖

將數(shù)據(jù)采集插件嵌入到NX-MCD軟件的STEP函數(shù)中，NX-MCD軟件定時(shí)調(diào)用STEP函數(shù)。STEP函數(shù)執(zhí)行過程中，數(shù)據(jù)采集插件不斷收集信息，對(duì)IO接口電路板進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，不用經(jīng)過OPC服務(wù)器，更換不同品牌的PLC時(shí)不受影響。

4 運(yùn)行調(diào)試

搬運(yùn)機(jī)械手調(diào)試流程為：根據(jù)搬運(yùn)機(jī)械手的控制流程，計(jì)算所需PLC的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，選擇合適的PLC，設(shè)計(jì)PLC硬件接線圖，PLC與IO接口電路板連線，編寫控制程序，運(yùn)行調(diào)試。下面以三菱PLC為例，介紹搬運(yùn)機(jī)械手調(diào)試的實(shí)施過程。

搬運(yùn)機(jī)械手的功能為將軌道左側(cè)料盤處的物料搬運(yùn)到軌道右側(cè)的料盤處，具體工作流程如圖6所示。

對(duì)于搬運(yùn)機(jī)械手控制對(duì)象為各氣缸的電磁換向閥，需要檢測(cè)的參數(shù)為各動(dòng)作的極限位置。根據(jù)搬運(yùn)機(jī)械手的控制要求，整個(gè)搬運(yùn)機(jī)械手的數(shù)字量輸入點(diǎn)數(shù)為11點(diǎn)，數(shù)字量輸出點(diǎn)數(shù)為6點(diǎn)，I/O地址分配表如表4、表5所示。考慮到10%～15%的I/O點(diǎn)數(shù)余量，選取PLC型號(hào)為三菱FX1N-32MT，其硬件接線如圖7所示。

表4 輸入端口分配表

表5 輸出端口分配表

圖7 硬件接線圖

按圖7完成PLC與IO接口電路板的接線后，編寫控制程序，如圖8所示，下載并運(yùn)行。

圖8 搬運(yùn)機(jī)械手虛實(shí)結(jié)合的調(diào)試平臺(tái)運(yùn)行

5 結(jié)語(yǔ)

調(diào)試結(jié)果證明，該虛實(shí)結(jié)合的調(diào)試平臺(tái)與PLC通信良好。可利用IO接口電路板，設(shè)計(jì)硬件電路并完成接線測(cè)試；設(shè)計(jì)PLC程序并進(jìn)行調(diào)試，通過觀察虛擬仿真模型快速準(zhǔn)確地進(jìn)行驗(yàn)證；虛實(shí)結(jié)合，滿足調(diào)試工作要求的軟硬件同時(shí)設(shè)計(jì)、調(diào)試運(yùn)行的要求。