基于TCP的氣動手爪MCD模型虛擬調(diào)試的研究

趙永信，度國旭，吳堅，黎玲萍

(廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，廣西南寧 530001)

0 前言

NX軟件中的機(jī)電概念設(shè)計模塊(MCD)可以用于三維模型的機(jī)械設(shè)計、電氣設(shè)計和自動化設(shè)計。MCD模型的概念設(shè)計融合多學(xué)科于一體，既可以實現(xiàn)虛擬設(shè)備之間的仿真控制，也可以實現(xiàn)真實PLC控制虛擬三維模型，使得設(shè)計更為直觀和靈活。

在自動化設(shè)計過程中可以使用內(nèi)部信號對模型進(jìn)行三維模型動態(tài)仿真驗證。肖祖東等詳細(xì)地闡明了基于NX 平臺的圓形裝載機(jī)MCD概念設(shè)計的過程，驗證了基于MCD模塊平臺的機(jī)電一體化概念設(shè)計的可行性和優(yōu)越性。當(dāng)然也可以使用外界控制信號實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，目前也有很多基于OPC技術(shù)實現(xiàn)這種外界數(shù)據(jù)交換的研究。熊雪平等基于NX MCD平臺實現(xiàn)了MAKA機(jī)床MCD仿真三維模型與PLC實物聯(lián)合調(diào)試。王俊杰等利用OPC作為橋梁，實現(xiàn)了某數(shù)控機(jī)床的MCD模型與虛擬PLC之間的虛擬調(diào)試。吳雁等人基于NX MCD平臺實現(xiàn)了自動上下料機(jī)械手的虛擬仿真。但是，MCD虛擬調(diào)試的橋梁并非只有OPC技術(shù)，利用TCP協(xié)議作為橋梁的方式進(jìn)行虛擬調(diào)試的方法鮮有看到。

本文作者在NX軟件中建立工業(yè)機(jī)器人的一種雙氣爪工具的三維模型，并對該模型進(jìn)行MCD設(shè)計，分別說明其機(jī)械設(shè)計、電氣設(shè)計以及自動化設(shè)計過程；利用非OPC技術(shù)，即一種開放式用戶通信協(xié)議TCP實現(xiàn)虛擬PLC控制MCD虛擬模型的動態(tài)虛擬仿真。

1 氣動手爪模型的機(jī)械設(shè)計

在NX軟件中把模型的基本機(jī)電對象(剛體、碰撞體等)、運(yùn)動副和約束等定義歸入機(jī)械設(shè)計部分。首先，定義雙氣動手爪模型的機(jī)電對象，把雙氣爪模型的2個手爪的4個爪手均設(shè)置為剛體，在剛體的設(shè)置中，軟件會自動賦予爪手相應(yīng)的質(zhì)量和慣性矩，賦予其真實的物理屬性。為實現(xiàn)氣動手爪模型的功能驗證，把一個氣動手爪的夾緊和釋放動作分解為2個爪手沿著某個方向的滑動。由于研究的模型是雙氣爪，因此需要建立4個滑動副，1個手爪的2個爪手各自定義1個滑動副，滑動副的滑動方向均指向相互靠近的方向，用以模擬仿真手爪的夾緊狀態(tài)。

2 氣動手爪模型的電氣設(shè)計

在電氣設(shè)計部分，可以設(shè)計傳感器、位置控制、速度控制以及MCD內(nèi)部信號配置等內(nèi)容。通過MCD中電氣設(shè)計中的位置控制把雙氣爪的每個滑動副的運(yùn)動速度設(shè)置為20 mm/s，并設(shè)置滑動副的定位距離為7 mm。在完成機(jī)械設(shè)計和電氣設(shè)計后可以通過播放命令看到氣動手爪的動作仿真，用以驗證機(jī)械設(shè)計部分和電氣設(shè)計中的相關(guān)設(shè)置是否合適，如圖1所示。

圖1 雙氣爪三維模型

為通過信號控制雙氣爪的2個氣爪的夾緊和松開動作，可以在MCD模塊中的電氣設(shè)計中進(jìn)行信號配置，如圖2所示。

圖2 雙氣爪的信號適配器設(shè)置

信號配置的思路是把雙氣動手爪的2個手爪的位置控制中的定位參數(shù)作為機(jī)電對象的信號控制參數(shù)，具體地說就是把4個爪手的位置控制中的定位參數(shù)修改為0。設(shè)置為0的目的是想通過信號配置實現(xiàn)信號控制參數(shù)的賦值，再添加2個輸入信號，在信號配置的公式中進(jìn)行編程。圖中對應(yīng)程序的含義：如果輸入信號qizhua1和qizhua2分別為“1” 狀態(tài)時，位置控制中定位參數(shù)均賦值7 mm，否則為0，由此改變信號控制參數(shù)，通過改變參數(shù)實現(xiàn)MCD中對氣動手爪的位置控制動態(tài)仿真。

同時，需要添加2個輸出信號，用以反饋氣爪的狀態(tài)。在信號適配器中添加輸出信號Sensorout_1和Sensorout_2，分別用來反饋2個手爪的狀態(tài)。在信號適配器中編寫程序，圖2中對應(yīng)程序的含義：如果qizhua1(qizhua2)信號為“1” 狀態(tài)時，Sensorout1(Sensorout2)信號則為“1” 狀態(tài)，否則為“0” 狀態(tài)。

3 氣動手爪模型的自動化設(shè)計

MCD模塊中的自動化設(shè)計主要是實現(xiàn)仿真序列、電子凸輪、運(yùn)行時的NC以及外界信號通信配置等功能。雙氣爪模型通過電氣設(shè)計配置了信號適配器的信號及其關(guān)聯(lián)動作，接下來添加其仿真序列，以實現(xiàn)信號控制氣動手爪的動態(tài)仿真效果。

在仿真序列中把信號適配器作為仿真序列的機(jī)電對象，在運(yùn)行時，把qizhua1和qizhua2信號均打勾并設(shè)置為true。再添加1個仿真序列把qizhua1和qizhua2信號均打勾并設(shè)置為false，再復(fù)制這2個仿真序列，持續(xù)時間均設(shè)置為1 s，把這4個仿真序列創(chuàng)建鏈接后點(diǎn)擊播放即可。

4 基于TCP的MCD虛擬仿真調(diào)試

前文中實現(xiàn)了在NX軟件中利用MCD自動化設(shè)計實現(xiàn)通過其內(nèi)部信號控制氣動手爪的夾緊和松開動作的仿真試驗，接下來利用外界虛擬PLC實現(xiàn)對MCD內(nèi)部雙氣爪模型的信號控制。本文作者將S7-1500 PLC的高級仿真器PLCSIM Advanced 2.0作為虛擬PLC，通過TIA15軟件編程并下載到仿真器中，再通過TCP協(xié)議實現(xiàn)虛擬PLC與MCD模塊的通信。信號關(guān)系如圖3所示。

圖3 信號關(guān)系

從圖3可以看出：本文作者設(shè)想在TCP協(xié)議下實現(xiàn)虛擬PLC與MCD模塊之間的信號關(guān)聯(lián)，以此實現(xiàn)虛擬PLC控制MCD中虛擬氣動手爪的自動控制。

4.1 S7-1500 PLC組態(tài)及編程下載

在TIA15軟件中添加一款S7-1512C-1PN的PLC，添加一個子網(wǎng)后設(shè)置其IP地址為192.168.0.25，這里設(shè)置的IP地址與虛擬PLC(PLCSIM Advanced V2.0)中設(shè)定的IP地址要一致。在防護(hù)與安全的連接機(jī)制中需要勾選允許PUT/GET通信訪問。然后，在OB1模塊中調(diào)用開放式用戶通信中的TSEND_C和TRCV_C指令，編程如圖4所示。

圖4 PLC程序

在程序中利用TCP通信指令實現(xiàn)雙氣爪模型與虛擬PLC之間的信號連接，并通過添加2個非優(yōu)化的全局?jǐn)?shù)據(jù)庫SEND和RECEIVE來分別存放發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。利用旋鈕開關(guān)信號M10.0控制qizhua1信號；利用旋鈕開關(guān)信號M10.1控制qizhua2信號。通過TCP協(xié)議，把PLC中發(fā)出的qizhua1和qizhua2信號分別映射到MCD氣動手爪模型的qizhua1和qizhua2信號，實現(xiàn)氣爪的夾緊和松開動態(tài)仿真。同時，通過監(jiān)控PLC中接收到的反饋信號Sensor1_feedback和Sensor2_feedback可以看出氣爪的狀態(tài)。為方便監(jiān)控這2個反饋信號，利用Q6.0和Q6.1信號分別作為反饋信號的輸出指示信號。

4.2 MCD中的TCP設(shè)定

在MCD中的自動化設(shè)計部分進(jìn)行MCD信號服務(wù)器配置，綁定計算機(jī)中虛擬網(wǎng)卡的地址192.168.0.24，設(shè)置服務(wù)端口號，創(chuàng)建一個新的連接，在新的連接中填入虛擬PLC的地址192.168.0.25即可。在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū)會自動識別MCD模塊中的內(nèi)部信號，每一個信號都有一個偏置，這個偏置與PLC接收和發(fā)送的全局?jǐn)?shù)據(jù)塊中的偏移量對應(yīng)上即可，不需要再進(jìn)行信號的映射設(shè)置。MCD信號服務(wù)器配置如圖5所示。

圖5 MCD信號服務(wù)器配置

4.3 虛擬PLC控制氣動手爪仿真實現(xiàn)

首先，將TIA15軟件組態(tài)、編程及下載程序到虛擬PLC后，在MCD模塊中配置信號服務(wù)器，實現(xiàn)虛擬PLC與MCD模型的信號連接與信號映射，最后通過動態(tài)仿真實現(xiàn)虛擬PLC控制氣動手爪模型的功能。仿真結(jié)果圖如圖6所示。

從圖6(a)可以：當(dāng)氣爪1控制信號M10.0為true狀態(tài)時，MCD模塊中的氣爪1處于夾緊狀態(tài)，并且在TIA15軟件的監(jiān)控程序中，顯示了氣爪1的狀態(tài)反饋指示信號為true狀態(tài)；同理，圖6(b)中氣爪2控制信號M10.1為true狀態(tài)時，MCD模塊中的氣爪2處于夾緊狀態(tài)，并且在TIA15軟件的監(jiān)控程序中，顯示氣爪2的狀態(tài)反饋指示信號為true狀態(tài)。

圖6 仿真結(jié)果

5 結(jié)論

本文作者依托于NX MCD平臺，基于數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展，以工業(yè)機(jī)器人雙氣爪模型的機(jī)電概念設(shè)計為主要研究內(nèi)容，利用開放式用戶通信TCP協(xié)議作為橋梁，實現(xiàn)了雙氣爪MCD模型的虛擬調(diào)試(利用虛擬PLC控制氣動手爪模型的三維動態(tài)仿真調(diào)試),為機(jī)電一體化概念設(shè)計的發(fā)展提供了參考。