基于數(shù)字孿生的新型四工位刀架設(shè)計

趙 飛，侯星宇，王 駿，葉雯宇

（1. 無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214121；2. 江蘇大學(xué) 流體機(jī)械研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

數(shù)字孿生即建立物理實體的數(shù)字化虛擬模型來仿真物理實體在真實環(huán)境中的屬性和行為[1-2]。數(shù)字孿生被中國科協(xié)列為世界智能制造十大科技進(jìn)展之一[3]，作為踐行 “中國制造2025” 與 “工業(yè)4.0” 的重要技術(shù)手段，能有效實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計階段與制造階段的虛實映射，提升產(chǎn)品開發(fā)和優(yōu)化的迭代循環(huán)效率。美國國家航空航天局（NASA）應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)開展了宇航設(shè)備健康狀態(tài)預(yù)測[4]。吉利汽車應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，將領(lǐng)克汽車的激光焊接質(zhì)量提升到世界領(lǐng)先水平[5]。

數(shù)字孿生的概念最早由Grieves 等[6]提出，但直到近年來才被工業(yè)界和國內(nèi)外學(xué)者所關(guān)注。陶飛等總結(jié)了數(shù)字孿生的五維模型及十大應(yīng)用領(lǐng)域[7]，李浩等給出了基于數(shù)字孿生的產(chǎn)品設(shè)計制造關(guān)鍵技術(shù)與開發(fā)框架[8]，李琳利等研究了基于數(shù)字孿生的復(fù)雜產(chǎn)品多學(xué)科協(xié)同設(shè)計建模技術(shù)[9]。以上研究成果從不同角度對數(shù)字孿生的概念和應(yīng)用場景進(jìn)行了總結(jié)和概括，但國內(nèi)外文獻(xiàn)較少涉及數(shù)字孿生技術(shù)的具體實施。本文基于NX、TIA、PLCSIM Advanced、SIMATIC NET等軟件開展了新型電動刀架的設(shè)計，并給出了基于NX MCD 的機(jī)電一體化虛擬聯(lián)調(diào)的具體實施過程。

新型四工位刀架研制來源于無錫貝斯特精機(jī)股份有限公司為適應(yīng)智能制造新形勢而對現(xiàn)有的電動刀架進(jìn)行智能化改造的需求。該公司擬設(shè)計一種新型多功能電動刀架，刀架本體采用蝸輪蝸桿傳動、齒盤嚙合的工作原理，通過霍爾傳感器感知刀位，通過壓電式加速度傳感器、紅外溫度傳感器采集刀體振動和溫度信息，使用西門子可編程邏輯控制器（PLC）作為控制器并設(shè)計相應(yīng)算法，通過觸摸屏觀測和控制電動刀架的工作狀態(tài)。

NX 是一款被廣泛使用的工業(yè)設(shè)計軟件，具有三維建模、數(shù)控加工仿真、鈑金設(shè)計、模具設(shè)計、管線設(shè)計、機(jī)電概念設(shè)計等功能[10-12]。TIA 是西門子旗下的一款全集成自動化PLC 編程軟件，采用了優(yōu)良的工程組態(tài)和軟件項目環(huán)境，用戶可以快速開發(fā)應(yīng)用控制程序。本文使用NX、TIA 等軟件完成了新型四工位刀架機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維建模、電氣控制箱三維布線和PLC 控制程序及人機(jī)接口（HMI）界面設(shè)計等，并采用NX 中的機(jī)電概念設(shè)計模塊進(jìn)行了虛擬三維模型和PLC 控制程序的機(jī)電聯(lián)合仿真，有效提升了產(chǎn)品設(shè)計效率，降低了研制成本。

1 新型四工位刀架的設(shè)計思路

采用 “設(shè)計—仿真—修改—優(yōu)化—實施” 過程并行進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、電氣控制箱三維布線和PLC 控制程序及HMI 界面設(shè)計，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了基于NX MCD 的機(jī)電虛擬聯(lián)合仿真，最后進(jìn)行了樣機(jī)搭建與調(diào)試。新型四工位刀架總體設(shè)計思路如圖1 所示。

圖1 新型四工位刀架設(shè)計流程圖

2 新型四工位刀架的數(shù)字化設(shè)計

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計與三維建模

新型四工位電動刀架由刀架本體、機(jī)夾車刀、信號采集蓋和電動刀架監(jiān)控系統(tǒng)組成。電動刀架監(jiān)控系統(tǒng)由PLC、觸摸屏、外圍電路等組成。新型四工位電動刀架三維模型和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 新型四工位刀架三維模型和結(jié)構(gòu)示意圖

刀架本體采用蝸輪蝸桿傳動、離合銷和離合盤導(dǎo)向、上刀體和下刀體的端面齒相互嚙合定位鎖緊的結(jié)構(gòu)。在刀架本體中，軸頂端設(shè)置無線充電發(fā)射模塊向信號采集蓋中的傳感器供電，實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)部件的持續(xù)供電。中軸內(nèi)部的通孔用于無線充電發(fā)射模塊供電線及霍爾傳感器信號線的走線。

信號采集蓋內(nèi)部采用模塊化設(shè)計，共分3 層：上層布置無線傳感器，通過無線方式將匯總的溫度、加速度信息發(fā)送到PLC 中，實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)部件中傳感器信號的輸出；中層布置加速度傳感器，采集刀體振動信息；下層布置無線充電接收模塊接收中軸頂端的無線充電發(fā)射模塊的磁能，將其轉(zhuǎn)換為電能給加速度傳感器、無線傳感器、溫度傳感器持續(xù)供電。

2.2 電氣控制箱三維布線

電氣控制箱是電動刀架的控制中心。圖3 為電氣控制箱PLC 接線圖。

圖3 電氣控制箱PLC 接線圖

對電動刀架控制箱進(jìn)行三維布線有助于優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計，更好地進(jìn)行成本預(yù)測，并能直觀地向工人展示線纜布線的要求，具有重要的實際意義。圖4 為電氣控制箱三維布線圖。

圖4 電氣控制箱三維布線圖

2.3 PLC 控制程序設(shè)計

2.3.1 自動選刀控制程序設(shè)計

在自動選刀控制程序中，當(dāng)選擇所需刀位號后，PLC 讀取當(dāng)前霍爾元件信號，判斷當(dāng)前刀位是否為所需刀位。若當(dāng)前刀位與目標(biāo)刀位一致時，程序直接結(jié)束；當(dāng)目標(biāo)刀位與當(dāng)前刀位不一致時，電機(jī)正轉(zhuǎn)，直到當(dāng)前刀位與目標(biāo)刀位一致，PLC 控制電機(jī)停止。整個控制流程如圖5(a)所示。

2.3.2 點(diǎn)動選刀控制程序設(shè)計

點(diǎn)動控制程序中，按下點(diǎn)動選刀按鈕后，PLC 控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，同時程序判斷是否接收到下一刀位霍爾信號，若沒有接收到下一刀位霍爾信號則電機(jī)繼續(xù)正轉(zhuǎn)，若收到信號，則PLC 控制電機(jī)停止。整個控制流程如圖5(b)所示。

圖5 PLC 控制流程圖

2.3.3 傳感器數(shù)據(jù)采集處理程序設(shè)計

通過比較指令將采集數(shù)據(jù)與設(shè)定閾值進(jìn)行比較，大于閾值1 時聲光報警器黃燈閃爍報警，大于閾值2時聲光報警器紅燈閃爍并蜂鳴報警，同時PLC 控制中間繼電器切斷主軸及機(jī)床控制系統(tǒng)的電源。溫度、振動傳感器控制流程如圖5(c)所示。

3 NX MCD 機(jī)電聯(lián)合仿真

下面以電動刀架換刀過程為例，詳細(xì)給出了NX MCD 機(jī)電聯(lián)合仿真過程。NX MCD 仿真的主要步驟如下：MCD 模塊中創(chuàng)建剛體、碰撞體、運(yùn)動副約束、碰撞傳感器與速度控制，創(chuàng)建仿真序列、信號添加，建立MCD 模塊與TIA 通信連接，實現(xiàn)TIA 中的變量與MCD 中的傳感器信號的交互，最終實現(xiàn)通過TIA 中的PLC 程序控制MCD 中電動刀架三維模型的動作。

3.1 刀架霍爾傳感器工作原理與建模

電動刀架通過霍爾傳感器感知刀具位置，具體原理如下：發(fā)訊盤固定安裝在電動刀架中軸上，發(fā)訊盤內(nèi)圓周方向均布有4 個霍爾傳感器，分別對應(yīng)4 個刀位；罩座固定在上刀體頂端，內(nèi)側(cè)凹槽內(nèi)安裝有一磁鐵；當(dāng)上刀體旋轉(zhuǎn)時，罩座內(nèi)磁鐵會接近發(fā)訊盤上的各個霍爾傳感器，霍爾傳感器感應(yīng)到磁鐵磁場后發(fā)送信號給PLC，進(jìn)而獲取刀架位置。

進(jìn)行四工位刀架三維建模時，需要將磁鐵和霍爾傳感器同步建模，便于后續(xù)MCD 中調(diào)用傳感器信號。磁鐵和霍爾傳感器在刀架上的裝配位置如圖6 所示。

圖6 磁鐵和霍爾傳感器位置

3.2 NX MCD 內(nèi)部仿真環(huán)境搭建

（1）使用NX 打開電動刀架三維文件。

（2）創(chuàng)建剛體。①使用剛體創(chuàng)建命令，選擇對象為蝸桿，質(zhì)量屬性選擇自動，命名為“剛體1”；②選擇對象為蝸輪，質(zhì)量屬性選擇自動，命名為“剛體2”；③依次選中下刀體、中軸、離合盤、發(fā)訊盤、軸承等，命名為 “剛體3”，如圖7 所示；④依次選中上刀體、上刀體上的螺釘、鋁蓋、罩座、磁鐵塊等，命名為“剛體4”；⑤將剩余的組件也進(jìn)行剛體設(shè)置。

圖7 剛體3 設(shè)置

（3）創(chuàng)建約束。①將下刀體部分設(shè)置成固定副，使下刀體保持固定；②將蝸桿設(shè)置成鉸鏈副，選擇連接件為蝸桿，指定軸矢量為蝸桿的軸，指定錨點(diǎn)為圓心，如圖8 所示；③將蝸輪設(shè)置成鉸鏈副，指定軸矢量為ZC軸，指定錨點(diǎn)為蝸輪圓心；④將螺桿、離合銷、離合盤、上刀體設(shè)置成鉸鏈副；⑤點(diǎn)擊耦合副里面的齒輪，選擇主對象為蝸桿的鉸鏈副，選擇從對象為蝸輪的鉸鏈副，約束中的主倍數(shù)和從倍數(shù)分別輸入1 和25（蝸桿頭數(shù)為2，蝸輪齒數(shù)為50）。

圖8 蝸桿鉸鏈副設(shè)置

（4）創(chuàng)建碰撞體。添加碰撞體，選擇對象為磁鐵塊的表面，碰撞形狀選擇方塊，形狀屬性選擇自動，在碰撞設(shè)置中勾選 “碰撞時高亮顯示”。

（5）創(chuàng)建碰撞傳感器。依次點(diǎn)擊4 個霍爾傳感器，創(chuàng)建4 個碰撞傳感器。

（6）創(chuàng)建速度控制。創(chuàng)建速度控制Speed Control1，選擇對象為剛體4 和剛體3 的鉸鏈副，將速度設(shè)置為30 (°)/s，點(diǎn)擊確定。

（7）添加信號。在機(jī)電導(dǎo)航器頁面中找到信號，右擊 “創(chuàng)建機(jī)電對象” 中的 “信號”，勾選 “連接運(yùn)行時參數(shù)”，選擇機(jī)電對象為Collision Sensor1（碰撞傳感器1），I/O 類型選擇輸出，信號名稱命名為“傳感器1”。按同樣步驟添加另外3 個霍爾傳感器的信號。

（8）創(chuàng)建仿真序列。點(diǎn)擊仿真序列，選擇對象為速度控制（Speed Control），持續(xù)時間為3 s（刀架旋轉(zhuǎn)90°）。點(diǎn)擊編輯條件參數(shù)，在選擇條件對象上點(diǎn)擊信號中的 “傳感器1”（Collision Sensor(1)）；在條件中把參數(shù)修改為活動的，值選擇true。設(shè)置仿真序列的停止控制，點(diǎn)擊仿真序列，選擇對象為速度控制，持續(xù)時間為0.5 s，運(yùn)行時速度設(shè)置為0 (°)/s。點(diǎn)擊時鐘的序列編輯器，在序列導(dǎo)航器中，選中“傳感器1”對應(yīng)的2 個序列，右擊選擇“創(chuàng)建連接器”，點(diǎn)擊第①個序列，用鼠標(biāo)拖動至第②序列。按同樣步驟設(shè)置另外3 個傳感器的仿真序列，如圖9 所示。

圖9 仿真序列設(shè)置

3.3 MCD 外部通信環(huán)境搭建

外部通信環(huán)境的建立將使用到NX、TIA、PLCSIM Advanced、SIMATIC NET 軟件，利用PLCSIM Advanced建立虛擬PLC，在TIA 中放置PC 站，內(nèi)部添加OPC和IE General，更改相對應(yīng)的MAC 地址，在SIMATIC NET 中插入OPC 和IE General，編譯下載后的SIMATIC NET 里出現(xiàn)連接成功提示，說明通信環(huán)境建立完畢。主要步驟如下：

（1）配置PLCSIM。將PLCSIM Advanced 設(shè)置為在線仿真模式。在Start Virtual PLC 的“Instance...”中選擇PLC_1；在IP address 的X1 欄中輸入192.168.0.1；在Subnet mask 欄中填寫255.255.255.0，并點(diǎn)擊Start按鈕，進(jìn)入在線仿真模式。

（2）配置TIA。主要包括以下步驟：①在TIA項目中添加新設(shè)備“PC 系統(tǒng)”。點(diǎn)擊PC 系統(tǒng)中的PC station，配置IE general 通用服務(wù)器和OPC 服務(wù)器。②打開項目的網(wǎng)絡(luò)視圖，連接CPU 的PROFINET 接口和PC station 接口。③添加監(jiān)控表，并將PLC 變量表的地址輸入監(jiān)控表。

（3）下載PLC_1 和PC station。主要步驟如下：①選擇PLC_1 進(jìn)行編譯，并下載到PLCSIM。②編譯和下載OPC 服務(wù)器。右擊PC station 的屬性，將XDB所有文件導(dǎo)入配置編輯器中的IE General。③在項目視圖中選擇PC station 中的編譯，選擇 “硬件（僅更改）”，并點(diǎn)擊 “下載設(shè)備”。

完成以上操作后，若OPC Server Conn 欄中出現(xiàn)圖10 所示插頭狀圖標(biāo)，則說明PLC 中的組態(tài)信息連接成功，就可以進(jìn)行基于MCD-TIA 的聯(lián)合仿真了。

圖10 連接成功狀態(tài)欄

3.4 基于MCD-TIA 的刀架換刀仿真

通過添加信號適配器，建立信號映射，實現(xiàn)MCD中運(yùn)動副、傳感器器信號與PLC 程序的交互。

3.4.1 信號配置與映射建立

（1）信號適配器配置。打開MCD 中信號適配器，選擇“傳感器和執(zhí)行器” 中的Speed Control(1)，點(diǎn)擊右邊的添加參數(shù)按鈕，勾選指派為下方的方框。點(diǎn)擊信號右側(cè)的添加按鈕，將名稱更改為a，“輸入/輸出”選擇輸入，在公式欄中輸入控制指令：if a then 90 else 0。

（2）外部信號配置。打開MCD“外部信號配置”，點(diǎn)擊服務(wù)器列表中的“O…NET.1”，修改時間為0.001 s，以獲取較快的信號更新速度。在Station_1 的子菜單找到PLC_1，將所需的外部信號進(jìn)行勾選。

（3）信號映射。信號映射即為建立PLC 程序中的輸入輸出變量與MCD 中的運(yùn)動副、傳感器信號間的聯(lián)系。進(jìn)入MCD 信號映射設(shè)置，點(diǎn)擊映射圖標(biāo)，將MCD 中速度控制信號a 與PLC 程序中的電機(jī)轉(zhuǎn)動輸出繼電器Tag_13（Q0.0）建立映射。通過同樣步驟將MCD 中的4 個傳感器信號與PLC 程序中4 個輸入繼電器分別建立映射關(guān)系，如圖11 所示：傳感器1-Tag_5（I0.0）、傳感器2-Tag_8(I0.1)、傳感器3-Tag_10(I0.2)、傳感器4-Tag_12(I0.3)。

3.4.2 基于MCD-TIA 的刀架換刀過程驗證

在 MCD 中，當(dāng)罩座上磁鐵與霍爾傳感器接觸時，傳感器信號由0 變?yōu)?，通過信號映射給對應(yīng)PLC輸入繼電器，PLC 程序進(jìn)一步控制Q0.0 的狀態(tài)，Q0.0 通過信號映射控制MCD 中刀架的轉(zhuǎn)動與停止。下面通過選擇刀位1 來說明PLC 程序與MCD 交互的過程。

圖11 信號映射

在TIA 中打開刀架換刀PLC 程序，點(diǎn)擊工具欄中啟動CPU 選項，并選擇監(jiān)控模式。在NX 中打開刀架三維模型，進(jìn)入MCD 模塊。

刀架初始位置為刀位4，即罩座上磁鐵位于4 號霍爾傳感器處，此時I0.3=1，若此時直接點(diǎn)擊MCD中仿真按鈕，則刀架不轉(zhuǎn)動。

選擇 “刀位1”，即在TIA 中置位M0.0，使得M1.0 得電自鎖，并使Q0.0=1，激活MCD 中的速度控制，刀架開始轉(zhuǎn)動。相應(yīng) PLC 控制程序如圖 12所示。

圖12 PLC 控制程序

當(dāng)?shù)都苻D(zhuǎn)到1 號刀位時，1 號霍爾傳感器信號由0變?yōu)?，并映射給PLC 中I0.0，使I0.0=1，PLC 程序邏輯運(yùn)算后使Q0.0=0，進(jìn)而映射控制MCD 中刀架停轉(zhuǎn)。刀架換刀MCD 仿真動作過程如圖13 所示。

圖13 換刀MCD 仿真動作過程

MCD 機(jī)電虛擬聯(lián)調(diào)完成后，進(jìn)行了新型四工位刀架樣機(jī)搭建與測試。搭建的新型電動刀架及其監(jiān)控系統(tǒng)樣機(jī)實際換刀速度優(yōu)于900 ms/工位，振動及溫度傳感器數(shù)據(jù)采集的響應(yīng)時間低于50 ms。

4 結(jié)語

（1）創(chuàng)新設(shè)計了四工位電動刀架內(nèi)部結(jié)構(gòu)，用于刀具的溫度和加速度監(jiān)測，實現(xiàn)了刀架旋轉(zhuǎn)部件中溫度和加速器傳感器的持續(xù)供電和傳感器數(shù)據(jù)的持續(xù)輸出。

（2）基于數(shù)字孿生設(shè)計理念，使用NX、TIA、PLCSIM Advanced、SIMATIC NET 等軟件開展了產(chǎn)品機(jī)械、電氣、控制程序的并行設(shè)計，提升了設(shè)計效率。

（3）在完成電動刀架三維建模和PLC 控制程序設(shè)計的基礎(chǔ)上，經(jīng)剛體設(shè)置、運(yùn)動副設(shè)置、碰撞體創(chuàng)建、信號創(chuàng)建、仿真序列創(chuàng)建、通信環(huán)境建立和信號映射等步驟后進(jìn)行了四工位刀架換刀過程MCD-TIA聯(lián)合仿真。

（4）研制的新型四工位刀架樣機(jī)實際換刀速度優(yōu)于900 ms/工位，振動及溫度傳感器數(shù)據(jù)采集的響應(yīng)時間低于50 ms。

（5）對于NX MCD 機(jī)電概念設(shè)計模塊，國內(nèi)相關(guān)書籍文獻(xiàn)記錄較少，本具體實施案例有助于這一模塊的推廣應(yīng)用。