基于MCD的爆震轴类零件检测维修线虚拟调试仿真实验_邓飞.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 11 期 2023 年 11 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.11 Nov.2023 收稿日期:2023-06-30 基金项目:河北省第二批新工科研究与实践项目（2020GJXGK060）；河北省高等教育教学改革研究与实践项目（2020GJJG440）作者简介:邓飞（1973），男，河北石家庄，硕士，正高级实验师，主要研究方向为机械专业虚拟实验教学课程建设，deng_。通信作者:蔡文龙（1976），男，河北衡水，硕士，副教授，研究方向为智能控制、机器视觉和虚拟仿真，。引文格式:邓飞，李文昊，蔡文龙，等.基于 MCD 的爆震轴类零件检测维修线虚拟调试仿真实验J.实验技术与管理,2023,40(11):123-130.Cite this article:DENG F,LI W H,CAI W L,et al.Simulation experiment of virtual debugging of detonation shaft parts inspection and maintenance line based on MCDJ.Experimental Technology and Management,2023,40(11):123-130.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.11.019 基于 MCD 的爆震轴类零件检测维修线 虚拟调试仿真实验 邓 飞1，李文昊1，蔡文龙2，李文忠1（1.河北科技大学 机械工程学院，河北 石家庄 050018；2.北华航天工业学院 电子与控制工程学院，河北 廊坊 065000）摘 要：数字孪生技术的发展可以实现虚拟环境下的 PLC 控制仿真，该文针对爆震轴类零件检测维修线在现场实物调试过程中调试周期长、成本高、效率低、风险大等问题，以火炮轴类零件为工作模型，设计了一种基于MCD 的个性化虚拟调试仿真实验。首先基于 MCD 平台对火炮轴类零件检测维修线模型完成功能属性的定义，再通过 PLCSIM Advanced 软件建立 TIA Portal 内 PLC 程序与 MCD 模型的连接，最后在 TIA Portal 内用虚拟触摸屏控制模型的运动。该虚拟调试实验验证了 MCD 模型通过 PLCSIM Advanced 实现虚拟 PLC 的控制的有效性，为火炮轴类零件检测维修线的调试提供了新思路。关键词：MCD；检测维修；轴类零件；虚拟调试；仿真实验 中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)11-0123-09 Simulation experiment of virtual debugging of detonation shaft parts inspection and maintenance line based on MCD DENG Fei1,LI Wenhao1,CAI Wenlong2,LI Wenzhong1(1.School of Mechanical Engineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang 050018,China;2.School of Electronic and Control Engineering,North China Institute of Aerospace Engineering,Langfang 065000,China)Abstract:The development of digital twinning technology can realize the PLC control simulation under virtual environment.Aiming at the problems such as long debugging period,high cost,low efficiency and high risk in the field debugging process of the inspection and maintenance line of detonation shaft parts,a personalized virtual debugging simulation experimental scheme based on MCD is designed using artillery shaft parts as the working model.Firstly,the function attributes of the inspection and maintenance line model of artillery shaft parts is defined based on the MCD platform.Then,the PLC program in TIA Portal is connected to the MCD model through PLCSIM Advanced software.Finally,the virtual touch screen is used to control the movement of the model in TIA Portal.The virtual debugging experiment verifies the effectiveness of MCD model to realize virtual PLC control through PLCSIM Advanced,and provides a new idea for the debugging of artillery shaft parts inspection and maintenance line.Key words:MCD;inspection and maintenance;shaft parts;virtual debugging;simulation experiment 随着“工业 4.0”的提出，数字孪生越来越广泛地应用于工业生产中1-3。数字孪生是一种集成多物理、多尺度、多学科属性，具有实时同步、忠实映射、高保真度特性，能够实现物理世界与信息世界交互与融合的124 实 验 技 术 与 管 理 技术手段4-7。数字孪生技术已纳入新工科人才培养体系，通过设计个性化虚拟仿真实验来训练特定的专业技能。MCD（mechatronics concept designer）平台是指西门子机电一体化产品概念设计，是数字孪生技术中的一种数字化工具，集机械、电气和自动化设计于一体，可以进行多学科协同设计8。该平台可以通过 PLC对虚拟模型进行控制，能够轻松地定义和验证机电产品的设计，实现功能单元的模块化和重用，提高产品质量，加快产品开发速度9。吴雁等10基于 MCD 对数控车床上下料机械手进行了机电一体化概念设计与控制仿真；赵林等11基于 MCD 对堆垛机进行了机电概念设计；郑魁敬等12基于 MCD 对机器人磨削系统进行了虚拟调试。从目前研究进展来看，MCD 多针对单台设备、非产线的虚拟调试，以集成式工程方式为机械设备的虚拟调试提供新方法，避免了在实物调试过程中的一系列制约问题13-16。爆震轴类零件在设备运行过程中承受着巨大冲击，损坏率较高。以火炮轴类零件为例，由于火炮在射击时会产生强烈的冲击，容易对其轴类零件造成损坏，需要通过检测维修线对其进行定时检测维修。但由于检测维修线的实物调试存在效率低、风险大等问题，为此提出了一种基用 MCD 平台的虚拟调试方法。在 MCD 平台内建立火炮轴类零件检测维修线模型，并对模型添加相应的属性。通过 PLCSIM Advanced 软件建立MCD与TIA Portal的通信连接，并在TIA Portal软件内进行 CPU1511-1PN 和触摸屏 KTP900 BasicPN的环境搭建，完成触摸屏和 PLC 程序的数据交换以及MCD 与 PLC 的数据交换，实现虚拟环境下 PLC 程序和触摸屏对火炮轴类零件检测维修线的控制。1 检测维修线虚拟调试总体方案 1.1 虚拟调试原理 火炮轴类零件检测维修线的虚拟调试方案为以PLCSIM Advanced 软件作为仿真器，建立 MCD 与 TIA Portal 软件的通信连接，虚拟调试原理如图 1 所示。在 MCD 内建立火炮轴类零件检测维修线的三维模型并完成相应模型的装配，对各模型进行相应的基本机电对象设置、运动副设置、传感器和执行器设置、信号设置等。在 TIA Portal 软件内编写控制程序，设置虚拟触摸屏的界面，通过PLC程序和触摸屏控制NXMCD 图 1 虚拟调试原理图 邓 飞，等：基于 MCD 的爆震轴类零件检测维修线虚拟调试仿真实验 125 内火炮轴类零件检测维修线的机械模型运动。1.2 检测维修线工作过程 火炮轴类零件检测维修线由传送带 1、传送带 2、6 轴机器人以及维修工作台组成，工作过程主要包括两部分：一部分是通过 6 轴机器人将待检测维修轴类零件由传送带 1 移动到维修工作台上；另一部分是通过 6 轴机器人将维修好的轴类零件放置到传送带 2 上并输送离开。检测维修线工作流程如图 2 所示。图 2 工作流程图 火炮轴类零件检测维修线具体工作流程是：传送带 1 将待检测维修轴类零件向前输送，当传送带 1 上的碰撞传感器被触发后传送带 1 停止运动，由 6 轴机器人抓取待检测维修轴类零件并移动到维修工作台上；如果将待检测维修火炮轴类零件移动到维修工作台上后，不需要移动维修完成的火炮轴类零件，则机器人复位到初始位置；如果在维修工作台上有维修完成的火炮轴类零件，则通过 6 轴机器人定位并抓取放置在固定区域的维修完成的火炮轴类零件，移动到传送带2 上后 6 轴机器人恢复到初始位置；如果机器人恢复到初始位置后不再进行火炮轴类零件检测维修，则工作结束，否则火炮轴类零件检测维修线执行下一次动作。2 火炮轴类零件检测维修线 MCD 环境搭建 在 MCD 环境中，完成对模型的基本机电对象定义、运动副和约束定义、传感器和执行器定义、信号定义以及信号连接，搭建火炮轴类零件检测维修线MCD 环境，如图 3 所示。2.1 三维模型建立与装配 建立火炮轴类零件检测维修线的三维模型，包括6 轴机器人、检测维修台、传送带和待检测维修轴的三维模型，并进行虚拟装配，装配图如图 4 所示。火炮轴类零件检测维修线要实现的动作主要包括将传送带 1 上的待检测维修轴类零件移动到维修工作台上和将维修好的轴类零件移动到传送带 2 上。图 3 MCD 内环境搭建 126 实 验 技 术 与 管 理 图 4 三维模型装配图 2.2 基本机电对象的设置 基本机电对象的设置是对三维模型添加属性，包括刚体、碰撞体、对象源和对象收集器等属性。火炮轴类零件检测维修线所涉及的基本机电对象设置包括刚体和碰撞体属性的添加，刚体和碰撞体属性可以模拟物体所受重力与物体之间的接触碰撞。分别对 6 轴机器人、检测维修台、输送带和待检测维修轴的三维模型添加刚体属性和相应的碰撞体属性。如图 5 所示，首先对火炮轴类零件检测维修线的各三维模型部件创建刚体，之后还需要对传送带、待维修检测轴和检测维修台添加碰撞体属性，碰撞体的属性类别“0”代表与所有类别的碰撞体都会发生碰撞，因此将所有碰撞体的属性类别设置为“0”。碰撞体 图 5 基本机电对象定义 2.3 运动副和约束的设置 运动副是对模型之间运动的类型进行定义，如图 6所示。火炮轴类零件检测维修线各模型的运动类型包括固定副、滑动副和铰链副。6 轴机器人的夹爪夹取火炮轴类零件的动作也需要通过固定副实现，如图 7所示，当夹爪的碰撞传感器被触发时，通过仿真序列使夹爪与夹爪碰撞传感器被触发的对象由固定副连接，条件设为“if 碰撞夹爪加紧信号的值为 true”，实现加紧动作。对于夹爪卸下加紧的轴类零件动作也同样通过仿真序列控制固定副，将固定副的连接件设为“null”，条件设为“if 碰撞夹爪松开信号的值为 true”，实现卸下轴类零件动作。固定副滑动副铰链副 图 6 运动副定义 图 7 加紧仿真序列 2.4 传感器和执行器的设置 MCD 平台内的传感器是在虚拟环境中模拟传感器组件，用于在仿真虚拟调试过程中对一些物体的检测并产生信号。在 MCD 平台中传感器主要包括碰撞 邓 飞，等：基于 MCD 的爆震轴类零件检测维修线虚拟调试仿真实验 127 传感器、距离传感器和位置传感器等，火炮轴类零件检测维修线传感器的设置为碰撞传感器。执行器是在虚拟环境中接收信号并使物体执行相应的动作，火炮轴类零件检测维修线执行器的设置包括传输面、反算机构驱动和位置控制。如图 8 所示，在本文中，碰撞传感器设置为两个，一个用于使传送带停止运动，另一个用于 6 轴机器人夹爪夹取轴类零件。将传送带表面设置为执行器中的传输面，对各轴和夹爪添加位置控制执行器，6 轴机器人通过反算机构驱动进行运动，反算机构驱动的模式在“脱机”与“在线”模式中选择为“在线”模式，设置运动的各位置点，实现对 6轴机器人模型的驱动。图 8 传感器和执行器定义 2.5 仿真序列的建立 仿真序列是 MCD 中的控制元素，仿真序列包括基于时间的仿真序列、基于事件的仿真序列、复合仿真序列等，可以通过创建条件语句控制信号被触发时的仿真序列。在本文内创建的仿真序列如图 9 所示，主要包括 6 轴机器人夹爪不同位置点的连续移动序列 图 9 仿真序列 和控制夹爪加紧和松开的仿真序列，结合仿真的动作顺序，完成仿真序列的设定。2.6 信号与信号适配器的设置 信号用于建立MCD与TIA Portal的连接，在MCD平台内对各运动控制创建输入（TIA Portal 输入到MCD 内的信号）或输出信号（MCD 输出到 TIA Portal内的信号），实现 MCD 模型与控制程序的连接。信号适配器可以对生成的信号实现逻辑管理，从而在 MCD平台内部实现对运动的控制。如图 10 所示，创建输入信号为传送带信号、定位信号、动作信号、夹爪松开和加紧信号等，创建输出信号为光电传感器信号。对执行器内的传输面创建传送带信号，用于与外部信号进行连接，控制传送带的工作速度；对反算机构驱动创建定位信号，通过测量定位点的坐标，将坐标值输入反算机构驱动执行器内，实现 6 轴机器人夹爪的定位；动作信号用于控制 6 轴机器人夹爪在夹取轴类零件后移动动作，通过建立不同位置点的仿真序列，实现连续动作；对夹爪位置控制创建信号，并在夹爪位置控制执行器内输入夹爪的移动距离，实现夹爪的加紧和松开动作。对传送带的碰撞传感器创建光电输出信号，当碰撞传感器被触发后，将信号传输到外部设备中。信号定义信号适配器定义 图 10 信号和信号适配器定义 信号适配器是通过对数据的判断和处理，使创建信号适配器的对象获得新的信号，并且所获得新的信号可以输出到外部设备或 MCD 平台内其他模型。对6 轴机器人的反算机构驱动执行器创建信号适配器，如图 11 所示，在信号适配器内分别勾选 6 个轴，参数选择为“速度”，通过指派公式实现将角速度转换成速度百分比，更直观方便地表示 6 轴机器人的运行速度。128 实 验 技 术 与 管 理 图 11 速度信号适配器 3 PLC 环境搭建与编程 3.1 博图环境搭建 本文选用 S7-1500 系列 PLC 进行硬件组态设计，在博图软件内添加设备控制器 CPU1511-1PN 和触摸屏 KTP900Basic PN。将控制器 CPU1511-1PN 和KTP900Basic PN 进行通信连接，如图 12 所示，实现触摸屏与 PLC 的信息交互。图 12 博图环境搭建 3.2 PLC 程序编程 在进行 PLC 程序编写之前，需要添加 PLC 变量，如图 13 所示，之后在程序块中编写 PLC 梯形图。点击程序块中的“MainOB1”，编写 PLC 梯形图，如图 14 所示为部分 PLC 程序图。其中程序段 1 是用于对传送带 2 速度的控制，“MD0”为触摸屏的速度输入，“QD5”是将触摸屏的速度值信号传输到外部设备；程序段 2 是对传送带 1 速度的控制，当光电开关获得信号时常闭触点断开，则传送带 1 的速度变为“0”；程序段 3 是对机器人位置 1 定位的动作控制，通过触发 MCD 平台内机器人位置 1 定位的仿真序列信号完成动作。图 13 PLC 变量 (a)程序段 1 (b)程序段 2 (c)程序段 3 图 14 部分程序段 3.3 触摸屏的设置 在触摸屏 KTP900Basic PN 内打开画面内的根画面，拖拽元素内的“I/O 域”和“按钮”完成触摸屏界面的编辑。如图 15 所示，触摸屏界面分为速度控制栏和机器人动作控制栏。速度控制栏通过设置传送带 图 15 触摸屏界面 邓 飞，等：基于 MCD 的爆震轴类零件检测维修线虚拟调试仿真实验 129 速度输入框和机器人速度“I/O 域”，对“I/O 域”的属性进行编辑，连接 PLC 变量。例如传送带速度“I/O域”，在属性内的常规设置里选择 PLC 变量为“传输带速度”，类型选择为“输入/输出”，格式选择为“十进制”。机器人动作控制栏通过设置按钮实现相应的动作。例如夹爪“加紧”按钮，通过设定属性内的“事件”可以使按钮重复多次控制程序的执行。3.4 PLCSIM Advanced 通信与 PLC 程序下载 PLCSIM Advanced 是对 S7-1500 系列 PLC 研发的一种高功能仿真器，如图 16 所示，此软件用于博图软件内 PLC 与 MCD 的通信连接，新建项目名称为PLC_1，并将 IP 地址设置为与博图内 CPU 的地址一致，之后点击“Start”开始。PLCSIM Advanced 通信完成后需要下载 PLC 程序到虚拟 PLC 中，当程序下载完成后打开程序监视，可以看到每段程序的运行 情况。图 16 PLCSIM Advanced 4 MCD 与博图的虚拟调试 4.1 外部信号配置 PLC 控制 MCD 平台内模型的运动需要对信号建立连接，首先在 MCD 平台内打开外部信号配置，如图 17 所示，在 PLCSIM Advanced 内添加 实 例“PLC_1”，更新选项区域选择为“IOM”，之后更新标记并将更新的标记全部选中，完成外部信号配置。4.2 信号映射 信号映射是将 MCD 平台内创建的信号与外部PLC 信号进行通信。如图 18 所示，当完成外部信号配置后，打开信号映射模块，类型选择为“PLCSIMAdv”，将 MCD 平台内信号与外部信号分别执行映射，在底部映射的信号内可以看到 MCD 平台内信号与外部信号的映射方向。图 17 外部信号配置 图 18 信号映射关系 4.3 虚拟调试仿真结果 完 成 信 号 映 射 后，打 开 博 图 软 件 触 摸 屏KTP900Basic PN 的根画面，并启动触摸屏的仿真，在MCD 平台内点击“播放”按钮，之后通过触摸屏控制相应的仿真运动，同时在博图的 PLC 程序窗口可以看到程序的运行状况，图 19 为虚拟调试仿真结果。MCD在仿真过程也在与博图进行通信，实现数据交互，并且在 MCD 平台内的“运行时查看器”中可以看到各机构的实时数据和相应的运动曲线。如图 20 所示为末端执行器一侧夹爪在夹爪轨道的位移-时间曲线，从图中可知一侧夹爪在加紧待检测维修轴类零件过程中，从夹爪初始位置到加紧零件位置时位移为 50 mm，一侧夹爪在松开待检测维修轴类零件过程中，从加紧零130 实 验 技 术 与 管 理 件位置回到初始位置时位移为50 mm。通过运行时一侧夹爪沿导轨移动的位移-时间曲线图可以看出 6 轴机器人夹爪在导轨的移动距离取决于火炮轴类零件的直径，也可以看出 6 轴机器人夹爪加紧火炮轴类零件的运行时间。图 19 虚拟调试仿真结果 图 20 一侧夹爪位移-时间曲图 5 结语 本文对火炮轴类零件检测维修线进行了基于MCD 的虚拟调试，在 MCD 内添加了相应的功能属性，建立了MCD模型与PLC程序的通信连接，实现了PLC程序和触摸屏对 MCD 内火炮轴类零件检测维修线的控制。通过 MCD 对火炮轴类零件检测维修线虚拟调试，能够验证检测维修线多台设备实物调试过程中运行逻辑、PLC 程序、协同运行的合理性。此方法降低了实物调试过程中的风险，提高了调试过程的效率，对多台设备、产线类型的虚拟调试和研究具有一定的参考价值。参考文献(References)1 陶飞，刘蔚然，刘检华，等.数字孪生及其应用探索J.计算机集成制造系统，2018,24(1):118.TAO F,LIU W R,LIU J H,et al.Digital twin and its potential application explorationJ.Computer Integrated Manufacturing Systems,2018,24(1):118.(in Chinese)2 刘大同，郭凯，王本宽，等.数字孪生技术综述与展望J.仪器仪表学报，2018,39(11):110.LIU D T,GUO K,WANG B K,et al.Summary and perspective survey on 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