鄭星浩, 李 瑋

(西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院,云南 昆明 650000)

2022年,昆明市花卉種植面積達(dá)2.55萬 hm2,鮮切花產(chǎn)量105.01億枝,綜合產(chǎn)值達(dá)361.17億元。本文以玫瑰精油瓶裝生產(chǎn)線為研究對(duì)象,提出了一種基于NX MCD的機(jī)電概念設(shè)計(jì)用于虛擬模型與實(shí)際設(shè)備的虛實(shí)同步的方法。通過NX MCD設(shè)計(jì)出玫瑰精油瓶裝生產(chǎn)線的三維虛擬數(shù)字化模型,設(shè)置部件的剛體、碰撞體、運(yùn)動(dòng)副、約束等賦予其部件的基本物理、機(jī)電屬性;依據(jù)玫瑰精油瓶裝生產(chǎn)線的工藝流程,在博途(TIA)軟件中利用基本指令編輯設(shè)備所對(duì)應(yīng)的程序。PLC程序與MCD的虛擬同步是靠PLCSIM Advanced軟件,其能夠?qū)崿F(xiàn)PLC程序與MCD的數(shù)據(jù)交互與控制,從而對(duì)玫瑰精油瓶裝生產(chǎn)線進(jìn)行虛實(shí)同步的調(diào)試與控制。該設(shè)計(jì)的出現(xiàn)可使設(shè)備自動(dòng)化、小型化、簡(jiǎn)化操作、降低成本以及價(jià)格等需求得以實(shí)現(xiàn),能夠有效提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率,減少勞動(dòng)力需求量,對(duì)于制造行業(yè)的發(fā)展有重大意義。

1 基于NX UG的玫瑰精油瓶裝生產(chǎn)線的三維模型

三維模型的創(chuàng)建以實(shí)際設(shè)備為本,對(duì)玫瑰精油瓶裝生產(chǎn)線的各個(gè)工位的大小、長(zhǎng)度進(jìn)行精確計(jì)算與測(cè)量,以保證玫瑰精油瓶裝生產(chǎn)線在虛擬環(huán)境調(diào)試中與實(shí)際設(shè)備相吻合。設(shè)備主要組成的部件有振動(dòng)盤、輸送鏈、機(jī)械手、精油瓶裝盤等,氣缸控制機(jī)械手的夾取松開等。圖1所示為玫瑰精油瓶裝生產(chǎn)線的三維模型圖。

圖1 玫瑰精油瓶裝生產(chǎn)線的三維模型

圖2 總工藝流程圖

2 玫瑰精油瓶裝生產(chǎn)線的總工藝流程

創(chuàng)建的玫瑰精油瓶裝生產(chǎn)線三維模型導(dǎo)入NX MCD中,依據(jù)玫瑰精油瓶裝生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)設(shè)備進(jìn)行工藝流程的主分析,對(duì)設(shè)備各工位工作過程與其功能進(jìn)行細(xì)分與設(shè)計(jì),玫瑰精油瓶裝生產(chǎn)線的工藝流程如圖 2 所示。

工藝流程為:設(shè)備啟動(dòng),輸送鏈啟動(dòng),玫瑰精油瓶通過輸送鏈到達(dá)指定位置后停止。振動(dòng)盤啟動(dòng)將瓶蓋移動(dòng)到指定位置,識(shí)別瓶身跟瓶蓋的顏色。如果不一致,組裝機(jī)械臂啟動(dòng),機(jī)械爪將瓶蓋夾取移走的同時(shí)振動(dòng)盤啟動(dòng),下一個(gè)瓶蓋移至指定位置。顏色一致后,組裝機(jī)械臂啟動(dòng),組裝夾爪抓取并固定瓶身后組裝機(jī)械臂復(fù)位。搬運(yùn)機(jī)械臂啟動(dòng),搬運(yùn)夾爪抓取玫瑰精油瓶,根據(jù)顏色、位置移至放置盤中,搬運(yùn)機(jī)械臂復(fù)位等待下一次工作。

3 各工位間的設(shè)計(jì)過程與PLC部分編程

由于設(shè)備的復(fù)雜性以及各設(shè)備間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,將小型香水組裝設(shè)備分為4個(gè)工位。其中,各個(gè)工位分工不同但又相互關(guān)聯(lián)。

輸送鏈機(jī)構(gòu)為工位一。香水瓶身放置在輸送鏈上,通過電機(jī)給予輸送鏈動(dòng)力,使之帶動(dòng)香水瓶身移動(dòng)至顏色識(shí)別傳感器1識(shí)別位置范圍內(nèi)并檢測(cè)香水瓶顏色。

在對(duì)輸送鏈機(jī)構(gòu)賦予機(jī)電對(duì)象屬性時(shí),PLC程序同時(shí)也對(duì)它進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制,如圖3所示。

圖3 輸送鏈機(jī)構(gòu)及PLC程序

震動(dòng)盤裝置為工位二,如圖4所示。玫瑰精油瓶蓋在震動(dòng)盤裝置中通過震動(dòng)方式沿路徑移動(dòng)至顏色識(shí)別傳感器2識(shí)別范圍內(nèi)檢測(cè)玫瑰精油瓶蓋的顏色。

圖4 震動(dòng)盤裝置及PLC程序

輸送鏈機(jī)構(gòu)(工位一)工作,香水瓶身顏色受到檢測(cè)的同時(shí)震動(dòng)盤(工位二)啟動(dòng),瓶蓋運(yùn)動(dòng)并檢測(cè)顏色。

組裝機(jī)械手機(jī)構(gòu)為工位三,如圖5所示。在輸送鏈機(jī)構(gòu)(工位一)與震動(dòng)盤(工位二)完成動(dòng)作并識(shí)別顏色結(jié)束后,組裝機(jī)械手(工位三)工作機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)分為兩種:玫瑰精油瓶身與瓶蓋的顏色不一致,機(jī)械手動(dòng)作,機(jī)械爪下移到規(guī)定位置夾取瓶蓋,將瓶蓋丟棄;玫瑰精油瓶身與瓶蓋顏色一致,機(jī)械手動(dòng)作,機(jī)械爪下移到指定位置夾取瓶蓋后運(yùn)動(dòng)到瓶蓋處進(jìn)行組裝。

圖5 組裝機(jī)械手機(jī)構(gòu)及其PLC程序

擺盤機(jī)械手為工位四,如圖6所示。在輸送鏈機(jī)構(gòu)(工位一)與震動(dòng)盤(工位二)完成動(dòng)作并識(shí)別顏色結(jié)束,組裝機(jī)械手(工位三)完成組裝工作并復(fù)位后,擺盤機(jī)械手到已組裝完成的玫瑰精油瓶處夾取,通過顏色識(shí)別傳感器反饋到的顏色進(jìn)行分庫位擺放(設(shè)置1-3,7-9,庫位擺放紅色玫瑰精油瓶,4-6庫位擺放黑色玫瑰精油瓶)。

圖6 擺盤機(jī)械手以及PLC程序

圖7 剛體與碰撞體

圖10 信號(hào)適配器設(shè)置

4 NX MCD設(shè)計(jì)

4.1 機(jī)電對(duì)象的創(chuàng)建

由于NX MCD中的零件在三維模型中機(jī)電對(duì)象屬性屬于缺失狀態(tài),即它并不滿足物理系統(tǒng)控制下的各種運(yùn)動(dòng)的屬性,只有授予其機(jī)電對(duì)象的基礎(chǔ)特征后,才能夠滿足軟件中的運(yùn)動(dòng)仿真效果。本文對(duì)機(jī)床的零部件部分等設(shè)置了對(duì)應(yīng)的剛體和碰撞體基本屬性參數(shù),如圖 7 所示。

4.2 運(yùn)動(dòng)副與約束的創(chuàng)建

兩零件間相互碰撞可動(dòng)的部分構(gòu)成了運(yùn)動(dòng)副,運(yùn)動(dòng)副定義性表達(dá)了實(shí)際零件的虛擬運(yùn)動(dòng)過程,常見的運(yùn)動(dòng)副包含鉸鏈副、固定副、 滑動(dòng)副、柱面副和球副等。圖 8 所示為本設(shè)計(jì)對(duì)玫瑰精油瓶裝模型的運(yùn)動(dòng)副設(shè)置。

4.3 傳感器與執(zhí)行器的構(gòu)建

對(duì)于部件運(yùn)動(dòng)屬性而言,需要在MCD中設(shè)置的運(yùn)動(dòng)副完成對(duì)運(yùn)動(dòng)位置和運(yùn)動(dòng)速度的設(shè)計(jì)將其變?yōu)閳?zhí)行機(jī)構(gòu),目的在于部件可符合設(shè)計(jì)要求運(yùn)動(dòng)到指定的位置并反饋信號(hào)至PLC中。設(shè)備中的組裝機(jī)械爪、搬運(yùn)機(jī)械爪、 搬運(yùn)X軸、Y軸、Z軸和輸送鏈和振動(dòng)盤等具有運(yùn)動(dòng)屬性,因此本文對(duì)它們進(jìn)行了位置的控制和速度的控制設(shè)置,如圖 9 所示。

4.4 信號(hào)與信號(hào)適配器的設(shè)置

在NX MCD的三維立體模型中,信號(hào)類型為輸入與輸出之分,輸入信號(hào)是外部設(shè)備信號(hào)輸送到NX MCD虛擬模型中,輸出信號(hào)為MCD模型傳輸至外部設(shè)備信號(hào)。信號(hào)適配器(Signal Adapter)的功能為編寫公式和創(chuàng)建信號(hào),從而控制機(jī)電對(duì)象完成要求。創(chuàng)建包含信號(hào)的信號(hào)適配器后,會(huì)在機(jī)電導(dǎo)航器中自動(dòng)創(chuàng)建信號(hào)對(duì)象,可以使用該信號(hào)連接到外部信號(hào),也可以在MCD內(nèi)使用仿真序列命令控制該信號(hào)。在一個(gè)信號(hào)適配器中可以包含若干個(gè)信號(hào)和公式。

本文利用信號(hào)及信號(hào)適配器來對(duì)需要信號(hào)處理的機(jī)械爪、輸送鏈、振動(dòng)盤等機(jī)構(gòu)設(shè)置。如圖 10所示。

5 虛擬調(diào)試

5.1 PLC與MCD虛擬調(diào)試

該設(shè)計(jì)利用PLC的程序與MCD的運(yùn)動(dòng)仿真的協(xié)同完成虛擬仿真調(diào)試,下一步在聯(lián)合實(shí)際設(shè)備來完成虛實(shí)同步調(diào)試。首先,使用Advanced 軟件連接PLC與MCD軟件的程序,將信號(hào)互相對(duì)應(yīng)起來,完成程序間的虛擬調(diào)試。將編程好的PLC程序灌入實(shí)際設(shè)備中,利用PLC中HMI觸摸屏來控制程序的啟停、手自動(dòng)運(yùn)行、報(bào)警、復(fù)位等一系列操作,再將虛擬調(diào)試與實(shí)際設(shè)備相連,實(shí)際設(shè)備與MCD中虛擬設(shè)備運(yùn)行基本一致,這就是虛實(shí)同步完成的標(biāo)志。

5.2 調(diào)試結(jié)果

調(diào)試過程中,三維虛擬模型部分零部件的虛擬大小與實(shí)際相差較大,導(dǎo)致虛擬仿真中瓶身瓶蓋相合位置不一、玫瑰精油瓶擺放設(shè)定距離偏離庫位、搬運(yùn)機(jī)械手與擺盤機(jī)械手無法夾取玫瑰精油瓶等問題的出現(xiàn)。利用改變零部件尺寸或精確測(cè)量三維模型中部件運(yùn)動(dòng)位置的數(shù)值,改變運(yùn)動(dòng)副或信號(hào)中設(shè)定好的位置。

玫瑰精油瓶身與瓶蓋為圓柱形內(nèi)壁,對(duì)于在虛擬模型中玫瑰精油瓶安裝不合問題,提出兩種解決方案:

(1)改變碰撞體的碰撞形狀,將瓶蓋內(nèi)部改為網(wǎng)格面或圓柱。

(2)利用對(duì)象變換器,在瓶身瓶蓋結(jié)合的瞬間改為一個(gè)完整的玫瑰精油瓶模型,從而解決問題。

玫瑰精油瓶?jī)煞N顏色擺放庫位不一的問題也提出兩種方案:

(1)通過MCD中的擺盤機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)位置設(shè)置及通過運(yùn)動(dòng)仿真調(diào)試中設(shè)置運(yùn)動(dòng)實(shí)際位置來解決。

(2)利用PLC程序,在程序中控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)距離和擺盤位置,從而達(dá)到目標(biāo)。如圖 6 程序所示。

在進(jìn)行實(shí)際設(shè)備與虛擬設(shè)備調(diào)試過程中,出現(xiàn)的最大問題則為實(shí)際設(shè)備運(yùn)行要比虛擬設(shè)備運(yùn)行慢,針對(duì)這一問題,提供了兩種解決思路:

(1)改變PLC中電機(jī)轉(zhuǎn)速,從而改變實(shí)際設(shè)備的運(yùn)行速度。

(2)改變MCD中虛擬模型部件設(shè)置的速度,多次測(cè)試,完成虛實(shí)同步的設(shè)計(jì)要求。

通過設(shè)備的虛實(shí)同步的完成,實(shí)現(xiàn)三維虛擬模型和實(shí)際設(shè)備的映射聯(lián)合、以實(shí)控虛、以虛控實(shí)的設(shè)計(jì)目的。

6 結(jié)束語

本文利用NX UG軟件設(shè)計(jì)玫瑰精油生產(chǎn)線,導(dǎo)入到NX MCD軟件中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)虛擬仿真設(shè)計(jì),同時(shí)依據(jù)工藝流程編寫相對(duì)應(yīng)的PLC程序及HMI觸摸屏,借助S7-PLCSIM Advanced軟件相連接,通過虛擬調(diào)試來驗(yàn)證程序的可行性及工藝流程的準(zhǔn)確性,從而表明基于MCD的玫瑰精油生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的可實(shí)現(xiàn)性。通過虛擬調(diào)試,精準(zhǔn)及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的各種問題,可以一定程度降低現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)實(shí)際設(shè)備中出現(xiàn)錯(cuò)誤或缺陷的風(fēng)險(xiǎn),其調(diào)試結(jié)果也會(huì)更真實(shí)可靠,在處理各種問題的同時(shí)積累經(jīng)驗(yàn)并完成預(yù)期的設(shè)計(jì)需求,有利于減少項(xiàng)目資金與時(shí)間成本。

也可根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備解決問題的思路方法為其他同類設(shè)備問題提供解決思路。研究該類型的自動(dòng)化生產(chǎn)線,完成自動(dòng)化加工處理,為此類型企業(yè)及其教學(xué)場(chǎng)所提供特定定制生產(chǎn)線,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制生產(chǎn)的有效解決方案,改變企業(yè)原有的生產(chǎn)加工設(shè)備的落后現(xiàn)狀或教學(xué)場(chǎng)所設(shè)備稀缺、無法實(shí)際學(xué)習(xí)的現(xiàn)狀,大幅度改善生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境,滿足該行業(yè)生產(chǎn)及教學(xué)需求,提升工廠的生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和教學(xué)質(zhì)量。為工廠大部分復(fù)雜設(shè)備出現(xiàn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)問題及操作復(fù)雜、虛實(shí)結(jié)合無法同步等問題提供設(shè)計(jì)思路與方向,利用三維機(jī)械模型的設(shè)計(jì),驗(yàn)證機(jī)械結(jié)構(gòu)的操作性、可靠性和合理性,依據(jù)虛擬模型的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和調(diào)試模型來提前預(yù)知設(shè)備運(yùn)行中可能會(huì)產(chǎn)生的問題,避免出現(xiàn)因設(shè)備損壞等不可逆轉(zhuǎn)的問題造成的嚴(yán)重人身安全及設(shè)備損失,更好地進(jìn)行設(shè)備后期的改良。