基于PLC與SolidWorks的三維模型虛擬運動仿真系統的研究

張衛 王麗娜 班嵐 遲歡 張超

摘 ?要：在生產自動化設備時，PLC程序主要是直接在硬件設備上進行調試，設備從設計到加工生產再到組裝調試周期較長，而且事先編程好的PLC程序是否正確也無從驗證，只能等到設備組裝完成后調試程序，這就影響了整個產品交付的周期。基于SolidWorks三維模型虛擬仿真，通過LabVIEW軟件來搭建PLC與虛擬模型的橋梁，實現PLC對虛擬模型的控制運動，完成相關程序的編寫與調試。

關鍵詞：PLC;SolidWorks;三維模型;運動仿真

中圖分類號：TP391.9 ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）05-0104-04

Research on 3D Model Virtual Motion Simulation System Based on PLC and SolidWorks

ZHANG Wei， WANG Lina， BAN Lan， CHI Huan， ZHANG Chao

（Tianjin College， University of Science and Technology Beijing， Tianjin ?301830， China）

Abstract： When producing automation equipment， the PLC program is mainly debugged directly on the hardware equipment. The equipment has a long cycle from design to processing and production to assembly and debugging， and it is impossible to verify whether the pre-programmed PLC program is correct. It can only wait until the equipment is assembled then debugs the program after completion， which affects the entire product delivery cycle. Based on SolidWorks 3D model virtual simulation， LabVIEW software is used to build a bridge between PLC and virtual model， to realize control movement to virtual model of PLC， and complete the writing and debugging of relevant programs.

Keywords： PLC; SolidWorks; 3D model; motion simulation

0 ?引 ?言

制造業正初步地向智能制造方向轉變，越來越多的產品生產趨向于定制生產，產品不再是簡單的機械組合，而是包含了電子、材料等新技術的集成，產品已經涉及控制、電子和機械等眾多科學范疇，這些領域需要大量的信息交互，他們之間相互影響，相互制約，使產品設計要求較強的并行性，而虛擬模型技術可以很好地解決這一問題[1]。通過虛擬模型技術，技術人員可以在虛擬環境下仿真機械產品運動，其仿真效果與實際情況基本一致。將虛擬三維設計系統（SolidWorks）與一個控制系統（PLC）通訊，可以在產品模型的基礎上進行控制系統的設計，一方面可以優化產品結構，另一方面對控制系統進行編程，大大縮短產品的開發周期[2]。

可編程控制器PLC是將計算機技術、通信技術和自動控制技術結合在一起的自動控制設備[3]。隨著數據處理和通信技術以及控制技術的發展，PLC控制技術得到了廣泛的應用，PLC正在成為工業控制領域的主控器。傳統上要想調試PLC程序可以在PLC編程軟件上，但PLC軟件不能仿真真實的傳感器信號或者輸出信號，所以常常采用在實際產品設備上運行，調試程序時需要反反復復地修改，因此程序調試會占用很長時間。

本研究以直角三坐標機器人為例，利用LabVIEW作為平臺中NI SoftMotion模塊實現PLC與SolidWorks通訊，通過PLC控制在SolidWorks三維模型運動，可以實現更逼真的仿真效果，避免了直接在硬件設備上的調試。

1 ?SolidWorks三維模型設計

1.1 ?機械建模

應用SolidWorks軟件對產品模型機型設計，包括零部件設計、裝配體設計以及零部件之間相對運動分析等內容。在SolidWorks軟件建模步驟包括：

（1）零件設計。三維模型是通過草圖的繪制，在利用拉伸、旋轉等特征來實現的，特征是三維實體的基本要素，草圖是三維模型的基礎。因此，零件設計包括繪制零件草圖和生成三維模型。

（2）裝配體設計。任何產品都是由一系列的零件構成的，這些零件組合裝配在一起構成了完整的且具有特定功能的產品，形成一個完整的三維機械模型。SolidWorks具有裝配功能，將每個件添加到裝配體中，通過零件配合關系，使各零件組合成一個完整體。下面是以三坐標機器人的裝配設計為例，采用標準配合進行整體設計和虛擬裝配，其上零部件包括伺服電機、滾珠絲杠、直線導軌及滑塊、直線模組框架及各種支撐架等組成。如圖1所示。

1.2 ?電氣建模

本仿真研究需要在SolidWorks模型中添加電機和傳感器電機特性。以三坐標機器人一直線單元為例，創建模型電氣特征。首先創建直線電機，本案例電機旋轉帶動絲杠轉動，實現滑塊的直線運動，所以創建的電機為直線電機，移動距離200 mm，時間5 s。然后在SolidWorks下創建兩個測量傳感器，左側傳感器尺寸1測量距離21 mm，右側傳感器尺寸3測量距離20 mm，如圖2所示。

2 ?LabVIEW與SolidWorks模型關聯

2.1 ?LabVIEW項目與SolidWorks裝配體連接

以三坐標機器人一軸直線單元為例，打開三維裝配體模型，然后在LabVIEW創建一個SolidWorks Assembly項目，利用NI SoftMotion模塊功能，軟件可以自動檢測到三維裝配體模型，最后點擊確定即完成LabVIEW項目與SolidWorks裝配體關聯，如圖3所示，為創建的LabVIEW項目。

2.2 ?NI SoftMotion與SolidWorks模型馬達連接

前文我們在三維模型中創建了電氣特性，這時需要通過SoftMotion模塊對SolidWorks裝配體馬達特性進行映射，并進行參數配置，然后通過SoftMotion的函數中Straight-line Move函數進行運動馬達程序的編寫。SoftMotion模塊可以將運動命令轉化成驅動命令，驅動SolidWorks中的馬達運動。方法步驟如下：點擊右鍵，新建NI SoftMotion Axis，選擇Add New Axis，此時軟件會自動識別在三維模型創建的馬達，然后選擇相應的馬達，這樣就創建一個軸。如圖4所示。

2.3 ?映射傳感器

在完成LabVIEW項目與SolidWorks裝配體關聯后，利用Map Sensors功能，指定傳感器相應的電機，然后配置傳感器數據線，從而關聯到SolidWorks模型的傳感器。如圖5所示。

2.4 ?LabVIEW直線運動程序

在LabVIEW VI文件中編寫程序。采用直線運動函數Straight-line Move，該函數共有四種運動模式，分別是絕對運動、相對運動、速度和相對捕捉[4]，如圖6所示。本研究采用Straight-line Move函數相對運動模式進行運動馬達程序的編寫該函數既可以驅動直線電機，也可以應用驅動旋轉電機。

3 ?LabVIEW實現與PLC通信搭建

3.1 ?硬件通訊連接

本研究系統硬件包括：歐姆龍CP1H、PC機、串口通信線。PC與PLC采用232串口通信，又PC不支持串口，所以需要串口轉USB通訊。其通訊連接線如圖7所示。

3.2 ?VISA串口通信

VISA作為一個在儀器編程上使用的標準I/O應用程序接口（API），具有一系列標準I/O底層函數，用戶使用起來特別方便，但是VISA自己不能進行儀器編程，但可以直接調用VISA函數[5]。VISA庫主要由VISA配置串口函數、VISA寫入函數、VISA讀取函數、VISA串口字節數函數、VISA關閉等函數組成。如圖8所示。

3.3 ?LabVIEW實現與PLC通信指令

采用歐姆龍CP1H系列的PLC作為控制器，用RS232型作為通訊，實現PLC與裝載LabVIEW的計算機通訊連接，PLC通訊指令包括C-mode指令和FINS指令[6]。C-mode指的是主機連接通信命令。由上位機產生并且發送到PLC，FINS指的是信息服務通信命令，FINS指令能用于各種網絡和串行通信。C-mode讀寫代碼如表1所示。

4 ?PLC程序調試

4.1 ?PLC程序編寫

本研究三坐標機器人一共有三個軸，需要對每一個伺服電機進行控制，以第一軸為例，編寫PLC程序，包括傳感器位置檢測程序，伺服電機驅動正反轉程序，PLC與LabVIEW通訊程序，伺服電機停止程序等等。如圖9所示，為伺服電機驅動程序，其中PLC地址0.00為調試啟動按鈕，0.01為調試停止按鈕，0.02和0.03分別為一軸的左右限位，其余兩軸與其相似。。

4.2 ?LabVIEW運動程序編寫

LabVIEW平臺作為SolidWorks三維模型和PLC之間信息交互的橋梁，因此，LabVIEW程序完成主要功能有：

（1）讀取PLC當前狀態;

（2）讀取直線單元運動限位傳感器;

（3）接受PLC信息，利用Soft Motion模塊控制SolidWorks模型運動，因此，編寫其中一軸LabVIEW運動控制程序如圖10所示，其他兩軸與其相似，這里不做贅述。

5 ?結 ?論

本文通過LabVIEW軟件來搭建PLC與虛擬模型的橋梁，從而實現PLC對虛擬模型的控制運動，完成相關程序的編寫與調試，無須把設備實體加工制造出來。以直角坐標機器人為例，基于PLC與SolidWorks的三維模型虛擬仿真系統能夠有效解決傳統PLC的調試方法，對于教學來說可以節省設備的投入，對企業來說可以縮短產品的研法周期，節約開發成本。

參考文獻：

[1] 武文佳.基于SolidWorks&LabVIEW的虛擬原型機電一體化設計技術研究 [D].西安：西安電子科技大學，2012.

[2] 張林艷.基于三維實體模型的PLC程序調試系統研究 [D].天津：河北工業大學，2015.

[3] 王延年，權建林.可編程控制器在真空吸盤式機械手中的應用 [J].西北紡織工學院學報，1995（2）：179-183+186.

[4] 樊明亮，陳傳好，唐民軍，等.LabVIEW和NI OPC在C#程序控制PLC中的應用研究 [J].日用電器，2020（3）：37-40.

[5] 姚蘭，劉鵬.基于LabVIEW的太陽能數據采集軟件系統 [J].儀表技術與傳感器，2012（3）：103-105.

[6] OMRON公司.OMRON Communications Commands Reference Manual [M].歐姆龍工業自動化公司出版，2010：2-3.

作者簡介：張衛（1988.11—），男，漢族，河北唐山人，助教，碩士研究生，研究方向：機電一體化;王麗娜（1993.08—），女，漢族，山西長治人，助教，碩士研究生，研究方向：激光光束偏轉控制技術研究、智能控制;班嵐（1984.04—），女，回族，遼寧凌源人，副教授，碩士研究生，研究方向：光機電檢測與控制;遲歡（1990.01—），女，漢族，黑龍江哈爾濱人，講師，碩士研究生，研究方向：機械設計;張超（1989.03—），男，漢族，天津人，實驗員，碩士研究生，研究方向：機械設計。