基于MCD仿真模型的圓鋼堆垛機(jī)設(shè)計(jì)

李漫天，黃海東

（廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

0 引言

在20世紀(jì)60年代，美國(guó)開始首次將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到倉(cāng)庫(kù)上，創(chuàng)建了第一座計(jì)算機(jī)控制的立體倉(cāng)庫(kù)[1]。將計(jì)算機(jī)技術(shù)運(yùn)用到物流一體化倉(cāng)庫(kù)中，從物流的進(jìn)入到流出，采用自動(dòng)化技術(shù)，可以取代人工操作的弊端，大大提高了堆垛效率。目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)使用半自動(dòng)或者人工操作的方式去實(shí)現(xiàn)堆垛。隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來，機(jī)械行業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)緊密聯(lián)合，運(yùn)用機(jī)電一體化設(shè)計(jì)堆垛機(jī)成為了一種趨勢(shì)。在MCD平臺(tái)中，通過PLC控制MCD仿真模型。PLC編程是一種可用來控制設(shè)備的一個(gè)存儲(chǔ)器，可在內(nèi)部執(zhí)行指令來完成對(duì)設(shè)備的控制[2]。可以實(shí)現(xiàn)物理仿真，電氣仿真以及軟件的控制，能夠很好地提升機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)水平[3]。本文采用西門子公司推出的NX設(shè)計(jì)平臺(tái)及其MCD模塊，開發(fā)設(shè)計(jì)自動(dòng)化程度較高的圓鋼堆垛機(jī)，以提高倉(cāng)庫(kù)堆垛效率。

1 基于MCD仿真模型的機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)方法

基于MCD仿真模型的機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)方法如圖1所示，說明如下：

圖1 MCD模型開發(fā)方法

（1）根據(jù)裝備的功能，利用NX UG建立裝備的機(jī)械3D模型。

（2）使用NX MCD模塊，確定各個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，進(jìn)行各運(yùn)動(dòng)副設(shè)計(jì)、零件的屬性（如碰撞體，剛體）設(shè)定、速度/位置的設(shè)定，使得各機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)所要求的運(yùn)動(dòng)；設(shè)置相應(yīng)的傳感器，通過傳感器來作為觸發(fā)物體運(yùn)動(dòng)的條件，用于事件觸發(fā)動(dòng)作。

（3）根據(jù)所需的動(dòng)作以及動(dòng)作時(shí)間順序或者事件觸發(fā)順序，設(shè)計(jì)基于時(shí)間或基于事件的仿真序列；設(shè)置所需的運(yùn)動(dòng)傳感器，信號(hào)接收器等關(guān)鍵零件，對(duì)應(yīng)至裝備的仿真序列，初步完成MCD仿真動(dòng)作。

（4）通過TIA Portal和虛擬仿真器組成一個(gè)虛擬的調(diào)試環(huán)境，并通過搜索外部信號(hào)，建立MCD中信號(hào)與PLC外部接口變量的映射關(guān)系。

（5）在TIA Portal中編寫PLC梯形圖程序，并下載到PLC仿真器。

（6）進(jìn)行PLC程序與MCD模型的聯(lián)合調(diào)試，對(duì)裝備功能進(jìn)行評(píng)估與優(yōu)化。

2 圓鋼堆垛機(jī)模型設(shè)計(jì)及工作流程

2.1 圓鋼堆垛機(jī)模型設(shè)計(jì)

圓鋼堆垛機(jī)可分為六大裝置：送料裝置、取料裝置、運(yùn)料裝置、抬升阻擋裝置、堆垛裝置和送垛裝置。其圓鋼堆垛機(jī)各部件的位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 堆垛機(jī)各機(jī)構(gòu)位置關(guān)系

2.2 圓鋼堆垛機(jī)工作流程

工作流程是進(jìn)行MCD仿真中不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)，明確了工作流程才能有效地進(jìn)行傳感器的設(shè)計(jì)、速度控制、位置控制還有傳輸面等基于時(shí)序的操作，同時(shí)也能為設(shè)計(jì)各機(jī)構(gòu)的執(zhí)行部件的屬性進(jìn)行明確。本文圓鋼堆垛機(jī)的工作流程如圖3所示。該流程圖說明了各機(jī)構(gòu)以及傳感器在工作中如何起作用，為圓鋼堆垛機(jī)MCD模型的虛擬仿真的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

圖3 堆垛機(jī)工作流程

3 MCD仿真模型各部件的設(shè)置

在構(gòu)建堆垛機(jī)的三維模型后，需要通過MCD模塊對(duì)各部件進(jìn)行設(shè)置，以建立運(yùn)動(dòng)仿真模型。

3.1 剛體與碰撞體屬性的設(shè)置

在MCD仿真模型中，零件屬性要設(shè)置為剛體或碰撞體。只有這樣的零件才能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)副的添加。要注意的是，在MCD中，碰撞體設(shè)置的類型也會(huì)影響運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性：

（1）碰撞體的形狀越高越穩(wěn)定，在進(jìn)行MCD仿真時(shí)盡量選用盡可能簡(jiǎn)單的碰撞類型。

（2）要合理利用碰撞體，避免碰撞體之間的干擾以及傳感器的干擾。

（3）如果碰撞體過多可以通過設(shè)置去檢查重點(diǎn)。

3.2 圓鋼堆垛機(jī)運(yùn)動(dòng)關(guān)系的建立

圓鋼堆垛機(jī)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系的建立，需要設(shè)置MCD中的運(yùn)動(dòng)副。運(yùn)動(dòng)副是指兩個(gè)物體相互接觸之后產(chǎn)生相對(duì)接觸的運(yùn)動(dòng)鏈接，在一般機(jī)械運(yùn)動(dòng)中可按照接觸方式分為低副和高副。本文各部件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，主要是鉸鏈副、固定副、滑動(dòng)副等運(yùn)動(dòng)副。

3.3 運(yùn)動(dòng)控制類型的設(shè)置

前面我們已經(jīng)確定了執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以及各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副，但還要確定動(dòng)作發(fā)生的先后順序，確定機(jī)構(gòu)的速度控制、位移控制以及傳輸面等參數(shù)等。位置控制是指位置控制驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)副的軸以一設(shè)定的恒定速度運(yùn)動(dòng)到某一位置，并且限制其運(yùn)動(dòng)副的自由度。速度控制是指添加在運(yùn)動(dòng)副上用來驅(qū)動(dòng)剛體，添加的可以是速度、加速度等。

（1）送料機(jī)構(gòu)：由于送料機(jī)構(gòu)是由棍子旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)圓鋼移動(dòng)，各棍子的參數(shù)一樣，設(shè)置為速度控制。

（2）取料機(jī)構(gòu)：設(shè)置為速度控制。

（3）運(yùn)料機(jī)構(gòu)：運(yùn)料機(jī)構(gòu)的工作方式主要是設(shè)置傳輸面和擋板帶動(dòng)圓鋼運(yùn)動(dòng)。設(shè)置的主要是帶式運(yùn)輸機(jī)的傳輸面速度。

（4）抬升機(jī)構(gòu)：改抬升機(jī)構(gòu)主要設(shè)置了凸輪平臺(tái)的一個(gè)位置控制，用于提升凸輪平臺(tái)的傳輸面；

（5）堆垛機(jī)構(gòu)：本次的堆垛主要有豎直的滾珠絲桿運(yùn)動(dòng)，以及水平的滾珠絲桿運(yùn)動(dòng)，故設(shè)置為位置控制。

（6）送垛機(jī)構(gòu)：該送料機(jī)構(gòu)主要是由速度控制棍子帶動(dòng)物料前行，故設(shè)置為速度控制。

4 MCD仿真序列設(shè)計(jì)

要使所建立的MCD模型產(chǎn)生所設(shè)計(jì)的動(dòng)作，需要進(jìn)行仿真序列的控制。MCD的仿真序列一般有2種方式：一種是基于時(shí)間發(fā)生的序列，另一種是基于事件發(fā)生的時(shí)序，本文對(duì)于兩種都有涉及。

第1類是基于時(shí)間發(fā)生的，以送料和抬升為例，同時(shí)有以下2個(gè)動(dòng)作：

第1個(gè)動(dòng)作是棍子運(yùn)輸機(jī)要把棍子運(yùn)輸過來，要設(shè)置運(yùn)動(dòng)的速度和運(yùn)動(dòng)時(shí)間，把圓鋼設(shè)置成碰撞體，然后把平面設(shè)置成傳輸面、速度控制、給定速度值，第一階段運(yùn)輸就完成了。

與此同時(shí)，第2個(gè)動(dòng)作要把此時(shí)凸輪平臺(tái)上的圓鋼吸附起來堆垛到最后的送垛機(jī)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，設(shè)置滾珠絲桿的水平以及豎直的滑動(dòng)副。另外，還要進(jìn)行位置控制，只需要給這個(gè)凸輪平臺(tái)的滑動(dòng)副一個(gè)向上的數(shù)值，之后豎直滾珠絲桿下落再上升，橫向絲桿再移動(dòng)到送垛機(jī)構(gòu)，放開圓鋼。將以上的仿真序列再連接起來給各運(yùn)動(dòng)副設(shè)定各自的參數(shù)之后，就能按照所設(shè)定的動(dòng)作運(yùn)動(dòng)。

其他的基于時(shí)間發(fā)生序列的設(shè)計(jì)，如運(yùn)料機(jī)構(gòu)的設(shè)定，還有帶式運(yùn)輸機(jī)的設(shè)置，方法是一樣的，在此不再敘述。

第2類是基于事件的仿真序列，與上面不同的是，此類仿真序列還得添加一個(gè)觸發(fā)條件，這樣才能讓它運(yùn)動(dòng)起來。

以取料機(jī)構(gòu)為例，當(dāng)棍子運(yùn)輸機(jī)把圓鋼運(yùn)過來之后，要等到棍子觸發(fā)碰撞傳感器，此時(shí)運(yùn)料機(jī)構(gòu)停止，取料機(jī)構(gòu)，即板式運(yùn)輸機(jī)才開始啟動(dòng)。設(shè)定好運(yùn)動(dòng)條件之后，當(dāng)滿足所需的條件時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生預(yù)先設(shè)置的速度和位置關(guān)系，從而達(dá)到所需的運(yùn)動(dòng)效果。圓鋼堆垛機(jī)的各個(gè)仿真序列完成后，可通過其在MCD中進(jìn)行了初步的動(dòng)作仿真。

5 虛擬PLC調(diào)試設(shè)計(jì)

雖然通過MCD的仿真序列可檢驗(yàn)各機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的可行性，但實(shí)際工程中都要求控制器對(duì)裝備進(jìn)行控制。因此，采用博途軟件（TIA PORTAL），實(shí)現(xiàn)對(duì)該圓鋼堆垛機(jī)MCD模型的PLC控制，能檢驗(yàn)PLC程序的實(shí)際控制效果。

5.1 信號(hào)映射

要實(shí)現(xiàn)MCD模型與PLC程序的連接，首先要完成兩者的信號(hào)映射。以送料機(jī)構(gòu)的運(yùn)輸為例，進(jìn)行說明。首先在MCD中，我們要添加所運(yùn)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)，如圖4所示，運(yùn)輸棍子的傳送面設(shè)置成了傳送帶，此時(shí)的速度要清零，不然后面編寫程序時(shí)會(huì)定義不清楚，容易出錯(cuò)。定義IO類型為輸入，雙精度型。像這樣設(shè)置好三個(gè)傳送帶，此時(shí)我們需要一個(gè)反饋裝置，所以本次設(shè)置了一個(gè)擋板碰撞傳感器用來反饋信號(hào)，如圖5所示，IO為輸出，數(shù)據(jù)類型為布爾型，這樣就可以起到一個(gè)檢測(cè)棍子運(yùn)動(dòng)的作用。

圖4 信號(hào)設(shè)計(jì)

圖5 反饋信號(hào)設(shè)計(jì)

MCD設(shè)置好要控制的信號(hào)之后，就開始創(chuàng)建一個(gè)虛擬調(diào)試所需的高級(jí)仿真器plc advance，通過設(shè)置地址，掩碼等一系列操作之后建立一個(gè)虛擬的plc，完成此信號(hào)的映射。

5.2 PLC梯形圖程序的開發(fā)與調(diào)試

在博圖中添加組件，添加程序塊，編寫程序，得到如圖6所示，將該程序下載到PLC advance中，即可控制該棍子的運(yùn)行。

圖6 控制運(yùn)輸運(yùn)動(dòng)的PLC梯形

該程序是賦予傳送帶每秒500 mm的速度，當(dāng)棍子到達(dá)指定位置時(shí)，碰撞傳感器收到信號(hào)反饋回來，導(dǎo)致傳送帶停止。設(shè)置對(duì)應(yīng)的映射信號(hào)，通過設(shè)計(jì)程序塊達(dá)到控制的一個(gè)目的。通過建立信號(hào)接受器反饋回來的信號(hào)傳給數(shù)據(jù)處理器，當(dāng)滿足每一個(gè)堆垛根數(shù)的信號(hào)時(shí)，該信號(hào)即控制滾珠絲桿等運(yùn)動(dòng)。

其他功能的實(shí)現(xiàn)類似，先進(jìn)行信號(hào)映射，再進(jìn)行PLC梯形圖程序的開發(fā)，最后進(jìn)行MCD模型與PLC程序的聯(lián)合調(diào)試，測(cè)試設(shè)計(jì)效果。

6 結(jié)語

本文結(jié)合MCD模塊和圓鋼堆垛機(jī)介紹了NX機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)方法，建立了堆垛機(jī)3D模型、MCD仿真模型，并將其信號(hào)與PLC外部接口變量進(jìn)行了映射，從而實(shí)現(xiàn)了PLC與MCD模型的聯(lián)合測(cè)試，提高了開發(fā)效率，降低了開發(fā)成本，對(duì)拓寬機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)方法具有一定的參考意義。