基于NX MCD虛擬調(diào)試的三軸桁架搬運機械手設(shè)計*

丁云鵬，馮國銅，李克強，趙洪鋒，薛迎春，王 勇

（1.蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院精密制造工程系，江蘇 蘇州 215104；2.寧德時代新能源科技股份有限公司，福建 寧德 352000；3.蘇州麻雀智能科技有限公司，江蘇 蘇州 215156）

0 引言

機械裝備的數(shù)字化和智能化是當前制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重點和難點。當前的機械裝備還是以傳統(tǒng)的基于物理樣機的研發(fā)和生產(chǎn)組織形式為主，設(shè)計過程通常由來自機械、電氣、自動化等不同學科團隊的工程師在各自專業(yè)領(lǐng)域軟件平臺上單獨完成，存在研發(fā)周期長、設(shè)計變更多、制造成本高、性能不確定等技術(shù)問題，嚴重制約了傳統(tǒng)制造企業(yè)向智造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級[1]。

虛擬調(diào)試技術(shù)可以在虛擬環(huán)境中對機械裝置進行數(shù)字化實驗，可以模擬生產(chǎn)系統(tǒng)的真實狀況，縮短生產(chǎn)線和自動化設(shè)備的現(xiàn)場調(diào)試時間、優(yōu)化節(jié)拍時間、提高生產(chǎn)效率及降低現(xiàn)場調(diào)試風險[2]。西門子NX MCD （Mechatronics Concept Designer，MCD）平臺支持機械、電氣和自動化等多學科技術(shù)人員并行協(xié)同設(shè)計與仿真，是虛擬制造仿真領(lǐng)域的領(lǐng)先解決方案。近年來國內(nèi)外學者利用NX MCD 平臺在各領(lǐng)域展開了應(yīng)用研究。Bank HS 等[3]和Wang J 等[4]利用NX MCD 平臺對龍門機器人和關(guān)節(jié)機器人進行了運動仿真。Qin R 等[5]利用NX MCD 平臺上對冷頭機傳動機構(gòu)進行了虛擬調(diào)試。國內(nèi)邢學快[6]、蘭濤[7]、林裕程[8]、趙飛[9]、趙永信[10]等分別利用MCD 平臺對包裝流水線、拆碼垛機、數(shù)控機床、四工位刀架、氣動手爪進行了機電一體化的協(xié)同設(shè)計。

本文以自動化生產(chǎn)中的桁架機械手設(shè)計為例，利用NX MCD、TIA、PLCSIM Advanced 等軟件對桁架機械手進行機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、電氣控制系統(tǒng)設(shè)計及MCD-TIA 機電聯(lián)合虛擬調(diào)試，進一步完成樣機設(shè)備的試制。

1 整體設(shè)計思路

桁架搬運機械手是現(xiàn)代化碼垛技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的自動化生產(chǎn)裝備之一，以其高柔性、高處理能力和高可靠性的特性，使其成為碼垛領(lǐng)域的流行趨勢[11]。 本文基于NX MCD 平臺采用虛擬調(diào)試的手段，將三軸桁架機械手的設(shè)計流程分為：整機結(jié)構(gòu)概念設(shè)計、電氣設(shè)計、PLC 控制程序設(shè)計、HMI人機交互界面設(shè)計、機電一體化聯(lián)合虛擬調(diào)試、機械結(jié)構(gòu)詳細設(shè)計6 個部分，設(shè)計流程如圖1所示[12]。

圖1 桁架機械手設(shè)計流程

2 桁架搬運機械手概念設(shè)計

2.1 機械概念設(shè)計

在NX CAD 模塊下建立桁架搬運機械手的概念模型，該模型根據(jù)產(chǎn)品的目標定位和功能要求進行整體設(shè)計，可反映出整個機構(gòu)的主要空間形狀和位置關(guān)系，以及零部件之間的約束條件，直觀上反應(yīng)設(shè)備的整體框架，桁架機械手概念模型如圖2所示。

圖2 桁架機械手概念模型

本文設(shè)計的桁架機械手主要用于高職課堂教學使用，驗證學生編寫的PLC搬運程序，實際工況要求如下：

（1）物料為直徑50 mm，高50 mm 圓柱形棒料，垛板為3×3的9宮格平板，標記號碼；

（2）工作臺尺寸1 200 mm×800 mm鋼板；

（3）X軸運動范圍為0～700 mm，Y軸運動范圍為0～470 mm，Z軸運動范圍為-100～0 mm；重復定位精度為0.5 mm。

制定桁架機械手搬運過程的工作路徑，通過示教1號位零件的搬運過程自動完成全部零件的搬運，如圖3所示。機械手通過氣動卡盤抓取零件。

圖3 桁架機械手碼垛運動軌跡

（1）料臺傳感器接收到有料發(fā)出信號，控制系統(tǒng)接收信號桁架機械手從零位（A點）經(jīng)過中間點（B點）運動到料臺上方（C點），記錄示教點位置；

（2）Z軸向負方向運動到夾取位置（D點），記錄示教點位置，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，氣泵啟動，機械手卡爪抓緊，同時料臺卡爪松開，卡爪帶物料緩慢上升至垛盤1號位置上方（E點）；

（3）Z軸緩緩下降至1 號位置（F點），控制系統(tǒng)發(fā)出指令，氣泵啟動，卡爪松開，放置物料1 號，同時記錄示教點位置，Z軸移至物料臺上方（C點），重復上述運動，碼垛完成9個工件，復位至零點（A點）。

2.2 控制柜設(shè)計

電氣控制柜是桁架機械手的控制中心，本項目為了便于教學使用，將控制柜設(shè)計成便攜快插形式。桁架機械手控制系統(tǒng)采用PLC 來實現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯控制，根據(jù)CPU 性能及控制柜緊湊性要求，選取西門子S7-1500 系列PLC，根據(jù)桁架機械手控制需求，選取16輸入/16輸出的數(shù)字量輸入輸出模塊，同時，為了方便教學過程中拓展機械手功能，預(yù)留16輸入/16輸出的模擬量輸入輸出模塊。共32個數(shù)字量I/O總點數(shù)，32個模擬量I/O總點數(shù)。

輸入點包括控機械手3 個軸的限位開關(guān)、氣缸的限位開關(guān)、伺服的報警、啟動按鈕、急停按鈕等；輸出點主要是兩個電磁閥的控制；并且該系統(tǒng)的冗余為30% ，能夠滿足機械手的預(yù)設(shè)工況及教學拓展的使用需求。

人機交互界面可以實現(xiàn)操作者和機械手的溝通橋梁，可以理解為六軸機器人的示教器。本文選用西門子品牌7 英寸（1 in=2.54 cm）的觸摸屏，對桁架機械手和操作畫面進行組態(tài)，方便生產(chǎn)人員進行操作和監(jiān)控。PLC 和HMI及西門子伺服驅(qū)動器的通信采用Profinet 總線方式，因此需要配有4 個通道的以太網(wǎng)交換機?？刂乒竦耐庑腿鐖D4所示。

圖4 控制柜實物

2.3 PLC程序設(shè)計

（1）桁架機械手運動控制程序設(shè)計。在啟動控制系統(tǒng)時，分別將X軸、Y軸、Z軸進行歸零處理；在接收到HMI 示教指令時能夠?qū)C械手進行示教；在HMI 發(fā)出入庫指令時，按照HMI 輸入的速度控制三軸運動準確運行到料架的上方并對物料進行抓?。豢刂屏霞芗翱ㄗΠ凑找筮M行夾緊和放松；按照HMI 輸入的料盒號碼控制三軸運動，準確運行到指定料盒位置進行放料；搬運物料的數(shù)量能夠準確記錄。機械手在正常工作時需要按照圖5 所示的流程自動完成物料搬運，但為了方便示教及調(diào)試，同時為機械手添加了手動控制方式。

圖5 PLC控制邏輯圖

（2）人機交互界面設(shè)計。根據(jù)功能需求，人機交互截面設(shè)計了手動運行模型和自動運行模式兩個畫面。

在手動運行模式畫面中，能夠進行設(shè)備管理，顯示運行模式及狀態(tài)，對軸進行激活、復位、一鍵回零。同時，能夠采用手動方式設(shè)置三軸的運行速度并且控制三軸進行點動，從而調(diào)試三軸的運行；能夠手動控制抓料及裝料氣缸進行夾緊或放松，從而實現(xiàn)對氣缸的調(diào)試；能夠手動輸入料盤位置進行自動上料、下料測試。手動模式畫面如圖6所示。

圖6 手動模式交互界面設(shè)計

在自動運行模式畫面中，能夠?qū)θS進行激活、復位，同時顯示三軸的運行狀態(tài)；能夠輸入料盤位置及速度控制機械手單次自動化上料、下料；能夠控制機械手進行連續(xù)上料、下料；能夠?qū)ξ锪蠑?shù)量進行清零。自動模式畫面如圖7所示。

圖7 自動模式交互界面設(shè)計

3 基于NX MCD軟件的機電聯(lián)合仿真

針對碼垛機械手搬運過程，利用NX MCD 機電一體化仿真平臺對機械結(jié)構(gòu)和電氣控制進行聯(lián)合仿真，主要步驟包括[13]：基本機電對象運動約束、執(zhí)行驅(qū)動、信號配置的設(shè)置，以及博途與NX MCD 通信連接，最終實現(xiàn)通過博途PLC 程序控制NX MCD 中的碼垛機械手的搬運仿真。

3.1 內(nèi)部仿真環(huán)境搭建

搭建過程分為以下幾個步驟。

（1）創(chuàng)建剛體。剛體屬性可以使幾何對象具有物理屬性，如重力；將X軸、Y軸、Z軸、機械手卡爪及物料設(shè)置為剛體。

（2）創(chuàng)建碰撞體。在物理模擬中，只有兩個剛體對象都被定義為碰撞體，兩者才會相互碰撞，非碰撞體的剛體則會相互穿過；將物料和物料臺的位點底面定義為碰撞體。

（3）定義對象源。將物料設(shè)置為對象源，前一物料被抓走后，產(chǎn)生新的物料，觸發(fā)條件為每次激活時設(shè)置一次。

（4）創(chuàng)建運動副。滑動副僅具有一個平移自由度，構(gòu)成滑動副的兩個組件只能沿某個方向移動，可以通過設(shè)置上限、下限實現(xiàn)限位。把X軸、Y軸、Z軸、機械手設(shè)置為滑動副；機械手的3 個卡爪也定義為滑動副，以抓取、釋放物料；為了實現(xiàn)抓取運動，需將機械手卡爪設(shè)置為固定副。

（5）創(chuàng)建位置控制。位置控制定義是用來驅(qū)動運動副運動，并且限制運動副的自由度；為X軸、Y軸、Z軸添加位置控制。

（6）創(chuàng)建傳感器。根據(jù)功能需要，定義固定檢測和物料檢測兩個傳感器；對機械手設(shè)置“固定檢測”碰撞傳感器以檢測物料，當該傳感器檢測到物料時，傳遞信號給卡爪而抓取物體；對物料臺設(shè)置“物料檢測”碰撞傳感器，用來檢測是否出現(xiàn)新的物料。

（7）創(chuàng)建信號。三軸機械手搬運機構(gòu)所需信號配置如表1所示。

表1 機械手搬運信號配置

（8）創(chuàng)建運行時參數(shù)。添加5 個運行時參數(shù)，分別是Grab、Check、Lay 和Finish，數(shù)據(jù)類型均為布爾型，Position為整型；Grab是取物料，Check是判斷物料，Lay為放物料，F(xiàn)inish 對應(yīng)于所有步驟完成，Position 表示機械手運動位置。

3.2 創(chuàng)建仿真序列

仿真序列總體如圖8 所示。首先是物料源，在物料被抓走后產(chǎn)生新的物料；隨后就是取物料的環(huán)節(jié)，制定X軸、Y軸、Z軸的運動軌跡使其運動到物料上方，卡爪張開、固定物料，抓住物料；接著，機械手移動到物料臺位點1的位置；判斷是否運送完第一個物料，以繼續(xù)下一步操作；取消固定、卡爪張開，放開物料到物料臺上。

圖8 總體仿真序列

（1）X、Y——機械手X、Y方向移動。對象選擇機械手X、Y軸的控制信號，設(shè)置其位置參數(shù)為Y15、X355。設(shè)置其條件為：Grab信號為true的時候執(zhí)行此操作。

（2）Z_Movedown（機械手向下移動）。對象選擇機械手Z軸的控制信號，設(shè)置其位置參數(shù)為Z51。設(shè)置其條件為：X_OUT信號為到達334.5位置的時候執(zhí)行此操作。

（3）機械手抓取物料。為機械手設(shè)置名為“固定檢測”的碰撞傳感器，當機械手碰撞傳感器碰到物料時，固定檢測變?yōu)閠ure，機械手卡爪張開，固定副生效，機械手抓住物料。

（4）新的物料產(chǎn)生。當信號Null為true時，說明物料被運走，需要產(chǎn)生新的物料，時間間隔設(shè)置為0.001 s。

（5）機械手搬運物料。對象選擇機械手X、Y軸的控制信號，設(shè)置其位置參數(shù)為X0Y0，使其運動到物料臺。

（6）機械手釋放物料。對象選擇機械手Z軸的控制信號，設(shè)置其位置參數(shù)為Z103.5，使其運動到物料臺位點1，松開卡爪、固定副固定作用取消，物料隨之被放下，第一次搬運完成。

3.3 虛擬調(diào)試

（1）配置博途軟件。按照設(shè)置的信號編寫PLC程序，配置PLC SIMADV，新建信號通道。

（2）配置MCD 與PLC 信號。打開NX MCD 模塊以調(diào)試連接，如圖9所示，“外部信號設(shè)置”選擇上一步驟新建的888信號通道，選擇IOM變量，點擊“更新標記”，在標記欄中勾選“全選”，單擊“確定”，信號映射設(shè)置完畢。

圖9 外部信號配置

PLCSIM Adv 客戶端參數(shù)設(shè)置如圖9 所示，在主頁→自動化組→符號表中下拉找到PLCSIM Adanced 客戶端參數(shù)設(shè)置，類型選擇PLCSIM Adv，通道信號選擇888，MCD與PLC的變量是一一對應(yīng)，點擊“執(zhí)行自動映射”。

（3）機電一體化聯(lián)合調(diào)試。通過PLC_SIM-Adv 將MCD 與博圖V16 連接[14]，將第一步中編輯的博圖程序下載到仿真軟件MCD 中，點擊博圖任務(wù)欄的“啟用監(jiān)禁”，回到MCD 中點擊“播放”按鈕。運行效果如圖10 所示：機械手處于起始位置→碰撞傳感器檢測到有物料→機械手根據(jù)編寫的程序去抓取物料→機械手根據(jù)信號控制將物料放到物料臺第一個位點位置，循環(huán)執(zhí)行取料→搬運→放料過程，直至物料臺被放滿物料時停止。

圖10 虛擬調(diào)試效果

3.4 詳細設(shè)計

基于調(diào)試好的概念模型，通過運動模組、傳感器、啟動卡爪的選型，以及非標連接件的設(shè)計，將概念模型替換為詳細模型，實現(xiàn)物理定義轉(zhuǎn)換[15]，便于后續(xù)樣機設(shè)備的試制。詳細模型設(shè)計結(jié)果如圖11所示。

圖11 設(shè)計完成效果

4 結(jié)束語

西門子NX MCD平臺的出現(xiàn)和發(fā)展為復雜機械設(shè)備的協(xié)同設(shè)計提供了新的思路，特別是對涉及機械、電氣、自動化等多學科的交叉產(chǎn)品設(shè)計。本文作者以三軸桁架機械手設(shè)計為例，詳細闡述了利用西門子NX MCD仿真平臺進行進行產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計，從機械手的功能分析和概念設(shè)計開始，同步進行電氣程序編制和人機交互界面設(shè)計，然后在仿真平臺內(nèi)完成機械手的機電一體化聯(lián)合調(diào)試，最后對產(chǎn)品輔件進行選型，完成機電設(shè)備的詳細設(shè)計。西門子NX MCD 瓶體提供了一種新的虛擬調(diào)試手段。該方法有利于團隊協(xié)作同步開展并行設(shè)計，能夠大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，為機械設(shè)備數(shù)字化設(shè)計提供一種有效路徑。