Virtual Commissioning 技術在沖壓自動化中的應用

狄 波，馮國明，王 彬

（濟南二機床集團有限公司，山東濟南 250022）

1 沖壓自動化調試現狀

沖壓自動化調試過程中的設備送料部分，以沖壓線壓機間的雙臂送料以及單臺多工位壓機內部的送料為例。實際最終客戶提出了設備需求之后，需要設備制造商廠家進行機械概念設計，然后進行細節工程設計包括：機械設計、電氣設計以及軟件設計，最后調試階段需要真實設備安裝完成之后再進行電氣調試，這些階段基本都是串行進行的。引入的虛擬調試數字孿生技術，其中機械細節工程設計階段，機械設計、電氣設計以及軟件設計就可以基本實現并行設計，這樣就變成了協作工程設計，會極大的縮短調試時間（圖1）。

2 虛擬調試技術原理及實現

2.1 虛擬調試的概念

虛擬調試全稱Virtual Commissioning，也稱為數字孿生Digital Twin，通過虛擬調試可以提前測試沖壓自動化干涉等問題隱患，測試PLC 程序內部的故障邏輯，也可以實現工程人員提前進行培訓和操作演練，能夠帶來時間、人工以及材料成本的節約。

2.2 虛擬調試技術理論介紹

虛擬調試通常由硬件在環和軟件在環兩種方式，其中硬件在環（圖2）是指利用實際的PLC 以及SIMIT Unit 仿真邏輯程序以及自動化過程，利用NX MCD 仿真工藝和機械部件運動，利用SIMIT 軟件仿真電氣自動化的行為。

圖2 硬件在環虛擬調試

軟件在環虛擬調試如圖3 所示，基本原理就是所有的仿真均為軟件仿真，在計算機上完成全部仿真過程。針對硬件在環，利用PLCSIM Adv 仿真PLC 程序邏輯，利用Wincc Runtime 仿真HMI，NX MCD（機電一體化概念設計）仿真設備的運動。這樣整體組成了純粹的軟件仿真。

圖3 軟件在環虛擬調試

2.3 虛擬調試基本行為建模（圖4）

圖4 驗證沖壓自動化運動控制功能

2.3.1 自動化模型

利用PLCSIM Advanced 構建項目中沖壓自動化設備中實際運動軸對應的工藝對象，工藝對象向驅動部分發送經過PLC內部位置環運算插補后的速度設定值。

2.3.2 行為模型

利用SIMIT 構建報文轉換器，將PLC 側速度設定作為輸入，通過接收到實際NX MCD 設備運動反饋的位置信息，通過輸出發送給PLC 作為位置反饋。

2.3.3 3D 物理運動模型

通過NX 軟件可以進行機械部件的3D 設計，并且利用NX MCD 對機械部件賦予物理屬性，例如剛體、碰撞體以及運動副的約束，通過速度控制、位置控制賦予運動控制屬性，通過MCD Coupling 方式與SIMIT 仿真軟件互通。

3 虛擬調試實現過程及沖壓自動化上實際應用

3.1 虛擬調試實現過程

3.1.1 NX MCD 設計

NX 軟件本身可以進行機械部件的建模，可以將沖壓自動化設備各個部件進行建模裝配，如果部件本身是由其他設計軟開發的，NX 軟件也可以導入3D 文件。上述兩種方式都可以獲取設備的裝配總圖。導入之后進行打包分組如圖5 所示，根據自動化設備本身的運動特性，例如雙臂橫桿是整體送進方向移動的，將橫桿和相關的部件歸結為一個整體。可以移動的組件可以整體設定為剛體，也可以依據機械設計過程中剛體部件的質量和質心制定慣性矩也就是慣量，依據實際運行情況設定相關平面的摩擦因數。

圖5 NX MCD 設計

針對設置好的剛體、碰撞體、傳輸面、對象源、對象收集器以及碰撞傳感器之后，針對機械結構本身實際設計的運動屬性，設定相關的約束，如滑動副、固定副、柱面副、鉸鏈副、球副或者齒輪和凸輪耦合等運動學屬性。本應用使用了鉸鏈副、滑動副以及固定副，組成運動副的兩個機械構建只能繞某一軸線作相對旋轉的運動副，鉸鏈副具有一個旋轉自由度。滑動副：組成運動副的兩個構件之間只能按照某一方向作相對移動，滑動副具有一個平移自由度，固定副將一個構件固定到另一個構件上，固定副所有自由度均被約束，自由度為零。

針對相關的運動副設定運動控制關系，例如速度控制、位置控制等信息。本應用主要進行了位置控制和速度控制，位置控制驅動運動副的軸以一定預設的恒定速度運動到某一預設位置，并且限制運動副的自由度。速度控制驅動運動副的軸以一預設的恒定速度運動（圖6）。

圖6 定義位置控制或速度控制

NX MCD 設置的相關變量信息在進行仿真時通過設置MCD Coupling 的方式與SIMIT 軟件進行關聯。

3.1.2 SIMIT 設計

SIMIT 設計連接主要包含兩個部分與NX MCD 的連接通過MCD Coupling 的方式，與PLCSIM Adv 的連接通過默認的設定即可，SIMIT 耦合方式如圖7 所示。

圖7 SIMIT 耦合方式

本應用使用的PLCSIM Advanced 和Mechatronics Concept Designer 耦合方式。

SIMIT 主要是仿真行為模型以及驅動報文，NX MCD 定義好相關的速度或位置控制后，SIMIT 仿真驅動報文關聯耦合相應的NX MCD 中反饋的實際位置和速度。本應用使用了2 號報文，關聯相關的輸入輸出數據（圖8）。

圖8 SIMIT 驅動報文仿真

SIMIT 還能進行行為模型的仿真，例如沖壓自動化設備上的操作按鈕、模式開關以及急停按鈕等（圖9）。

圖9 操作按鈕、模式切換以及急停等信息

SIMIT 還可以依據實際使用情況編寫相關的信號邏輯、數學運算等，本應用所使用的轉速轉換運算如圖10 所示。

圖10 轉速轉換運算

3.1.3 PLCSIM 和HMI

SIMIT 采用了PLCSIM Advanced 的耦合方式，啟動SIMIT 仿真時會自動開啟一個PLCSIM Advanced 的實例，這樣TIA Portal程序通過該實例進行在線連接下載，相應的程序就會在PLCSIM Advanced 的實例里面運行，至此整個虛擬仿真的搭建完畢。

3.2 實例應用

實際的實例應用到壓機與壓機間的雙臂送料以及多工位送料中：①NX MCD 與SIMIT 采用了Mechatronics Concept Designer 耦合方式；②PLC 程序邏輯仿真采用了PLCSIM Advanced；③PLCSIM Advanced 與SIMIT 采用了PLCSIM Advanced耦合方式；④仿真了送料的單次、連續、循環停止以及急停等主要功能；⑤采用了軟件在環的虛擬調試技術。

4 結束語

目前使用虛擬已經應用到多個項目，優點如下：①節省調試時間。在機械設計3D 圖紙完成之后，就可以進行調試，不需要設備安裝，縮短了調試時間；②避免程序邏輯問題導致機械部件損壞。虛擬調試軟件在環，在計算機上進行調試，重要功能可以提前檢查處程序錯誤，避免由于程序的邏輯問題造成機械部件損壞，更好更快的完善程序；③培訓以及客戶展示。針對客戶的培訓以及展示，使用計算機即可，可以在實際設備未完成調試之前，就可以培訓以及向客戶展示，設備的主要功能，非常形象和直觀。

隨著中國制造2025 和中國制造2035 發展規劃的提出，國家大力發展數字化工業，虛擬調試數字孿生作為數字化的重要環節，將發揮越來越重要的作用。