基于NX-MCD平台的加工线设计与控制仿真研究.pdf

第期(总第 期)年 月机 械 工 程 与 自 动 化ME CHAN I C A LE N G I N E E R I N G&AUT OMA T I ONN o D e c 文章编号:()基于N X MC D平台的加工线设计与控制仿真研究奚晓嬿(常州纺织服装职业技术学院 机电学院,江苏常州 )摘要:详细介绍了设计一个加工线并模拟其运行的方法.首先利用N X MC D平台建立了符合要求的加工线三维模型;然后对三维模型赋予物理属性,接着填写信号适配器,包括参数、信号和公式表达;最后根据运行要求梳理每一步的动作顺序,编制仿真序列,模拟真实生产线运行.所述内容给MC D的初学者提供了一套系统的设计方法,指出了在设计中容易出现的错误并加以解答.利用MC D技术可以缩短产品开发周期、降低现场调试成本和机械结构优化成本,实现柔性制造.关键词:MC D加工线设计方法;控制仿真;数字孪生中图分类号:T P 文献标识码:A常州纺织服装职业技术学院校级基金资助项目()收稿日期:;修订日期:作者简介:奚晓嬿(),女,江苏常州人,讲师,本科,研究领域为机械工程及自动化.引言随着智能制造产业的发展,西门子公司推出了数字化双胞胎系统,新型MC D(M e c h a t r o n i c sC o n c e p tD e s i g n e r)机电一体化概念设计应运而生.机电一体化概念设计具有集成性,把机械设计和控制自动化等融合起来,缩短了产品的生产周期,在产品还没有实际制造出来之前,已经进行了功能方面的验证,对新产品的生产成本影响很大 .本文借助N X MC D的虚拟仿真,设计出最优化的加工线并调试出最佳的运行参数,达到生产效率最大化.相较于普通的实物搭建调试,该方法大大缩短了开发周期,降低了现场调试成本和机械结构优化成本.如果更换被加工对象或加工单元,也能立即在虚拟模型里进行变更,调试出新的参数,实现柔性制造.设计原理 基本方案设计此次项目的具体要求是:在自动化加工线上实现自动进料、筛选、加工、转运、入库等流程,给定面积约为 m,长宽约为 mm,占车间一角,车间整体高度较高.如果按照直线型传输带设计,车间长度不够放置全部的加工单元.采用环形设计的时候发现在模拟物料运行轨迹时,经过回转后的物料会相对传输带发生各个方向的偏转.因此经过方案对比,最终决定生产线的布置方案为在高度方向层叠设计两条传输带,通过一个抬升机构完成两条传输带之间的衔接.加工工序设计生产线整体设计方案的虚拟搭建如图所示,由料仓模块、筛选模块、钻孔模块、抬升模块和开槽模块组成.本项目中,被加工物料是由上一道工序从棒料切割得到,在切割过程中难免会有一些高度上不符合要求的物料混入,所以需要在第一道工序设置筛选装置,借助距离传感器,将高度不合适的物料筛选出,经由推料气缸推出至回收箱回收.在物料加工的两个工序(一个是钻孔加工,一个是开槽加工)中,由于在平面上钻孔加工相对容易,所以第一步先安排钻孔加工,然后再安排开槽加工.因为是上、下两层生产线的设计,所以钻孔加工完成后,由上下抬升装置将物料搬至上层,进行开槽加工.加工好的物料从加工线上滑入零件收集箱,完成整个流程.料仓模块;筛选模块;钻孔模块;抬升模块;开槽模块图生产线整体设计方案虚拟搭建机电对象设置 刚体的设置有质量的对象需要将其设置为刚体.点击软件中的刚体设置,选择运动的对象,即可完成刚体的设置,但需要注意以下情况:()刚体的设置一定要完整,一起运动的部件需要设置成一个刚体,例如气缸的活塞头和活塞杆.()对于形状特殊的刚体,可手动设置其重心位置,有利于更好地虚拟仿真.()刚体的坐标系需要与实际要求方向一致,如果不一致,则要在首选项机电概念设计里修改默认的重力方向,否则会出现模拟运行后刚体乱飞的情况.图为刚体的设置方法.碰撞体的设置刚体需要同时设置碰撞体,与刚体有接触的物体或表面也需要设置碰撞体,运行的时候刚体就不会穿过物体发生错误.点击碰撞体设置,选择需要碰撞的面或物体即可,在碰撞设置里可以勾选碰撞时高亮显示,方便在运行时观察.碰撞体的形状和位置可以通过形状属性去设置.在设置碰撞体的时候需要注意以下几点:()碰撞体的形状越简单,模拟的效果越好,所以尽量将碰撞体形状设置为方块、圆柱等简单结构,少用凸多面体、网格面等,以免仿真运行的时候出现不良模拟现象.()对于形状复杂的物体,可以分段设置碰撞体,满足每段的碰撞体形状都是简单的.图为碰撞体的设置方法.运动副的设置有相对运动的物体之间需要设置运动副.本项目中,因为都是气缸的伸出与缩回动作,所以主要用到的运动副有固定副和滑动副.在设置滑动副的时候,大多数将基本件选为空,即为参考大地坐标系,这样就不需要设置额外的固定副.但如果选择了基本件,在运行后出现刚体掉落现象的话,则需要将与刚体有相对运动关系的基本件设置为固定副,例如铰链副、柱面副等.图为运动副的设置情况.图刚体的设置方法图碰撞体的设置方法 传感器和执行器的设置MC D中常用的传感器有碰撞传感器、距离传感器等,传感器触发,则进入下一步动作.在本例中,还在碰撞传感器基础上进一步设置了对象变换器、对象收集器等.常用的执行器通过不同的变量来控制动作执行,如通过位置控制、速度控制等对滑动副和铰链副在极限位置和运行速度上进行设置,这里需要注意位置的上下限,也就是运行的行程需要考虑与初设方向的正负关系,速度的方向也是如此,尤其是一些初始状态为伸出的气缸.本模型传感器的设置如图所示,速度和位置控制如图所示.图运动副的设置图传感器的设置图速度和位置控制仿真测试运行 运行程序编制 料仓模块运行程序料仓模块负责物料的推出,其运行流程如下:料仓传感器检测有料顶料气缸伸出推料气缸伸出推料气缸缩回顶料气缸缩回.完成一次循环后,为了保证物料不会在生产线上出现堆积,可以设置下一次循环开始的等待时间,也可以通过物料自身的对象源设置物料出仓的频率.筛选模块运行程序筛选模块负责将高度不合格的物料经距离传感器检测出,再由推料气缸推出,其运行流程如下:距离传感器检测到距离符合要求,则气缸不伸出,若距离不符合要求,则推料气缸伸出,气缸伸出到位后,自动缩回.在程序编制的时候,需要调试距离传感器响应时间、气缸的伸出速度和传输带运行速度,保证推料气缸刚好能将不合格的物料准确推至滑槽.钻孔模块运行程序钻孔模块负责在零件中心位置进行钻孔加工,其运行流程如下:传感器检测到物料经过推料气缸将物料推出钻孔加工等待加工时长完成推料气缸缩回退料气缸伸出,将物料重新送回传输带.抬升模块运行程序抬升模块负责将物料从下层搬运至上层,其运行机 械 工 程 与 自 动 化 年第期流程如下:传感器检测物料到达垂直气缸伸出,物料抬升抬升到位,水平气缸伸出,物料推至传输带水平气缸缩回垂直气缸缩回.开槽模块运行程序开槽模块负责在物料上加工中心槽,其运行流程如下:传感器检测到物料经过推料气缸将物料推出开槽加工等待加工时长完成推料气缸缩回退料气缸伸出,将物料重新送回传输带.序列编辑将以上每个模块的运行情况串联,分析触发条件和气缸动作,完成序列的编辑,如图所示.运行该序列,观察其在软件中的运行情况,是否会出现物料堆积、气缸推出时间不合适或气缸推出速度过快打飞零件等问题,调整里面的参数,最终实现既定的运行要求.图运行时的序列结束语本文完成了一个特定生产线的设计并对其进行了虚拟仿真运行.从物理模型的设计到机电对象的设置,本文都清楚地列举了容易出现的问题并给出了解决方法,对于初学者来说,是一个较好的学习参考.N X MC D技术作为一个新型的数字化手段,为机电产品的开发提供了机电一体化解决方案,在成本控制和抢占市场时必有大作用.参考文献:赵永信,黎玲萍基于MC D平台的气动手抓设计与控制仿真研究J装备制造技术,():郑俊强,徐玉梁,冯治国基于MC D平台的机器人码垛工作站设计及虚拟调试J机电工程技术,():吴雁,王彦瑞,郑刚,等基于MC D平台的数控车床上下料机械手机电一体化概念设计与控制仿真J机床与液压,():李漫天,黄海东基于MC D仿真模型的圆钢堆垛机设计J装备制造技术,():郭联金,吴冠杰,陈焕杰,等基于N X MC D的物料装配及分拣设备设计J机械,():赵林,吴双,张可义,等基于N X MC D的堆垛机机电概念设计J制造业自动化,():S i m u l a t i o nS t u d yo fM a c h i n i n gL i n eD e s i g na n dC o n t r o lB a s e do nN X MC DP l a t f o r mX IX i a o y a n(S c h o o l o fM e c h a n o t r o n i cT e c h n o l o g y,C h a n g z h o uV o c a t i o n a l I n s t i t u t eo fT e x t i l ea n dG a r m e n t,C h a n g z h o u ,C h i n a)A b s t r a c t:T h i sp a p e rd e t a i l sh o wt od e s i g nam a c h i n i n g l i n ea n ds i m u l a t e i t so p e r a t i o n F i r s t l y,u s i n gt h eN X MC Dp l a t f o r m,a Dm o d e l o f t h em a c h i n i n g l i n e t h a tm e e t st h er e q u i r e m e n t s i sd e s i g n e d T h e D m o d e l i st h e ng i v e np h y s i c a lp r o p e r t i e s,f o l l o w e db yf i l l i n g i ns i g n a l a d a p t e r s,i n c l u d i n gp a r a m e t e r s,s i g n a l sa n de q u a t i o ne x p r e s s i o n s F i n a l l y,t h es e q u e n c eo fa c t i o n sf o re a c hs t e pi ss o r t e do u ta c c o r d i n gt ot h eo p e r a t i o n a lr e q u i r e m e n t sa n das i m u l a t i o ns e q u e n c ei sp r e p a r e dt os i m u l a t et h eo p e r a t i o no far e a lp r o d u c t i o nl i n e T h i sp a p e rp r o v i d e s a s y s t e m a t i c a p p r o a c h f o rMC Db e g i n n e r s,p o i n t i n go u t a n da n s w e r i n g t h em i s t a k e s t h a t t e n d t oo c c u r i nt h ed e s i g n T h eu s eo fMC Dt e c h n o l o g ys h o r t e n s t h ep r o d u c td e v e l o p m e n t c y c l e,r e d u c e s t h ec o s t o f o n s i t ec o mm i s s i o n i n ga n dm e c h a n i c a l s t r u c t u r eo p t i m i s a t i o n,e n a b l i n gf l e x i b l em a n u f a c t u r i n g K e y w o r d s:MC D;m a c h i n i n g l i n ed e s i g nm e t h o d;c o n t r o l s i m u l a t i o n;d i g i t a l t w i n 年第期奚晓嬿:基于N X MC D平台的加工线设计与控制仿真研究