基于NX-MCD平臺的加工線設計與控制仿真研究*

奚曉嬿

(常州紡織服裝職業技術學院 機電學院，江蘇 常州 213164)

0 引言

隨著智能制造產業的發展,西門子公司推出了數字化雙胞胎系統,新型MCD(Mechatronics Concept Designer)機電一體化概念設計應運而生。機電一體化概念設計具有集成性,把機械設計和控制自動化等融合起來,縮短了產品的生產周期,在產品還沒有實際制造出來之前,已經進行了功能方面的驗證,對新產品的生產成本影響很大[1-6]。

本文借助NX-MCD的虛擬仿真,設計出最優化的加工線并調試出最佳的運行參數,達到生產效率最大化。相較于普通的實物搭建調試,該方法大大縮短了開發周期,降低了現場調試成本和機械結構優化成本。如果更換被加工對象或加工單元,也能立即在虛擬模型里進行變更,調試出新的參數,實現柔性制造。

1 設計原理

1.1 基本方案設計

此次項目的具體要求是:在自動化加工線上實現自動進料、篩選、加工、轉運、入庫等流程,給定面積約為170 m2,長寬約為18 m×9 m,占車間一角,車間整體高度較高。如果按照直線型傳輸帶設計,車間長度不夠放置全部的加工單元。采用環形設計的時候發現在模擬物料運行軌跡時,經過回轉后的物料會相對傳輸帶發生各個方向的偏轉。因此經過方案對比,最終決定生產線的布置方案為在高度方向層疊設計兩條傳輸帶,通過一個抬升機構完成兩條傳輸帶之間的銜接。

1.2 加工工序設計

生產線整體設計方案的虛擬搭建如圖1所示,由料倉模塊1、篩選模塊2、鉆孔模塊3、抬升模塊4和開槽模塊5組成。

1-料倉模塊;2-篩選模塊;3-鉆孔模塊;4-抬升模塊;5-開槽模塊

本項目中,被加工物料是由上一道工序從棒料切割得到,在切割過程中難免會有一些高度上不符合要求的物料混入,所以需要在第一道工序設置篩選裝置,借助距離傳感器,將高度不合適的物料篩選出,經由推料氣缸推出至回收箱回收。

在物料加工的兩個工序(一個是鉆孔加工,一個是開槽加工)中,由于在平面上鉆孔加工相對容易,所以第一步先安排鉆孔加工,然后再安排開槽加工。因為是上、下兩層生產線的設計,所以鉆孔加工完成后,由上下抬升裝置將物料搬至上層,進行開槽加工。

加工好的物料從加工線上滑入零件收集箱,完成整個流程。

2 機電對象設置

2.1 剛體的設置

有質量的對象需要將其設置為剛體。點擊軟件中的剛體設置,選擇運動的對象,即可完成剛體的設置,但需要注意以下情況:

Cite this article as: BI Jian-Ping, LI PING, XU Xi-Xi, WANG Ting, LI Fei. Anti-rheumatoid arthritic effect of volatile components in notopterygium incisum in rats via anti-inflammatory and anti-angiogenic activities [J]. Chin J Nat Med, 2018, 16(12): 926-935.

(1) 剛體的設置一定要完整,一起運動的部件需要設置成一個剛體,例如氣缸的活塞頭和活塞桿。

(2) 對于形狀特殊的剛體,可手動設置其重心位置,有利于更好地虛擬仿真。

(3) 剛體的坐標系需要與實際要求方向一致,如果不一致,則要在首選項-機電概念設計里修改默認的重力方向,否則會出現模擬運行后剛體亂飛的情況。

圖2為剛體的設置方法。

圖2 剛體的設置方法

2.2 碰撞體的設置

剛體需要同時設置碰撞體,與剛體有接觸的物體或表面也需要設置碰撞體,運行的時候剛體就不會穿過物體發生錯誤。點擊碰撞體設置,選擇需要碰撞的面或物體即可,在碰撞設置里可以勾選碰撞時高亮顯示,方便在運行時觀察。碰撞體的形狀和位置可以通過形狀屬性去設置。在設置碰撞體的時候需要注意以下幾點:

(1) 碰撞體的形狀越簡單,模擬的效果越好,所以盡量將碰撞體形狀設置為方塊、圓柱等簡單結構,少用凸多面體、網格面等,以免仿真運行的時候出現不良模擬現象。

(2) 對于形狀復雜的物體,可以分段設置碰撞體,滿足每段的碰撞體形狀都是簡單的。

圖3為碰撞體的設置方法。

2.3 運動副的設置

有相對運動的物體之間需要設置運動副。本項目中,因為都是氣缸的伸出與縮回動作,所以主要用到的運動副有固定副和滑動副。

在設置滑動副的時候,大多數將基本件選為空,即為參考大地坐標系,這樣就不需要設置額外的固定副。

但如果選擇了基本件,在運行后出現剛體掉落現象的話,則需要將與剛體有相對運動關系的基本件設置為固定副,例如鉸鏈副、柱面副等。圖4為運動副的設置情況。

圖4 運動副的設置

2.4 傳感器和執行器的設置

MCD中常用的傳感器有碰撞傳感器、距離傳感器等,傳感器觸發,則進入下一步動作。在本例中,還在碰撞傳感器基礎上進一步設置了對象變換器、對象收集器等。常用的執行器通過不同的變量來控制動作執行,如通過位置控制、速度控制等對滑動副和鉸鏈副在極限位置和運行速度上進行設置,這里需要注意位置的上下限,也就是運行的行程需要考慮與初設方向的正負關系,速度的方向也是如此,尤其是一些初始狀態為伸出的氣缸。本模型傳感器的設置如圖5所示,速度和位置控制如圖6所示。

圖5 傳感器的設置

圖6 速度和位置控制

3 仿真測試運行

3.1 運行程序編制

3.1.1 料倉模塊運行程序

料倉模塊負責物料的推出,其運行流程如下:料倉傳感器檢測有料—頂料氣缸伸出—推料氣缸伸出—推料氣缸縮回—頂料氣缸縮回。完成一次循環后,為了保證物料不會在生產線上出現堆積,可以設置下一次循環開始的等待時間,也可以通過物料自身的對象源設置物料出倉的頻率。

3.1.2 篩選模塊運行程序

篩選模塊負責將高度不合格的物料經距離傳感器檢測出,再由推料氣缸推出,其運行流程如下:距離傳感器檢測到距離符合要求,則氣缸不伸出,若距離不符合要求,則推料氣缸伸出,氣缸伸出到位后,自動縮回。

在程序編制的時候,需要調試距離傳感器響應時間、氣缸的伸出速度和傳輸帶運行速度,保證推料氣缸剛好能將不合格的物料準確推至滑槽。

3.1.3 鉆孔模塊運行程序

鉆孔模塊負責在零件中心位置進行鉆孔加工,其運行流程如下:傳感器檢測到物料經過—推料氣缸將物料推出—鉆孔加工—等待加工時長完成—推料氣缸縮回—退料氣缸伸出,將物料重新送回傳輸帶。

3.1.4 抬升模塊運行程序

抬升模塊負責將物料從下層搬運至上層,其運行流程如下:傳感器檢測物料到達—垂直氣缸伸出,物料抬升—抬升到位,水平氣缸伸出,物料推至傳輸帶—水平氣缸縮回—垂直氣缸縮回。

3.1.5 開槽模塊運行程序

開槽模塊負責在物料上加工中心槽,其運行流程如下:傳感器檢測到物料經過—推料氣缸將物料推出—開槽加工—等待加工時長完成—推料氣缸縮回—退料氣缸伸出,將物料重新送回傳輸帶。

3.2 序列編輯

將以上每個模塊的運行情況串聯,分析觸發條件和氣缸動作,完成序列的編輯,如圖7所示。運行該序列,觀察其在軟件中的運行情況,是否會出現物料堆積、氣缸推出時間不合適或氣缸推出速度過快打飛零件等問題,調整里面的參數,最終實現既定的運行要求。

圖7 運行時的序列

4 結束語

本文完成了一個特定生產線的設計并對其進行了虛擬仿真運行。從物理模型的設計到機電對象的設置,本文都清楚地列舉了容易出現的問題并給出了解決方法,對于初學者來說,是一個較好的學習參考。NX-MCD技術作為一個新型的數字化手段,為機電產品的開發提供了機電一體化解決方案,在成本控制和搶占市場時必有大作用。