基于NXMCD的全自动注塑机的虚拟调试*

2022-02-24宋洪洋

机电工程技术 2022年1期

赵辉，杨超，宋洪洋

（东北林业大学机电工程学院，哈尔滨 150040）

0 引言

随着大数据、人工智能等工业科技的快速进步，现代制造业正在高速发展，我国出台了“中国制造2025”政策，希望借助新技术的发展，实现国内制造业的产业升级，进而实现智能制造。面对巨大的机遇和挑战，德国为实现数字化、智能化、个性化的产业模式也提出了“工业4.0”的技术模式，这些变化必将引发生产模式、商业模式和供需关系的重大变革。智能化、个性化制造和基于数据的产品开发构成了未来商业模式的基石。一直以来，西门子公司在机电一体化领域涉及广泛，工业领域中不同学科融合、协作的数字孪生（Digital Twin）技术也逐渐受到重视。工业仿真软件的出现实现了虚拟环境和现实环境之间的交互融合，让工业4.0真正成为现实。在工业4.0的背景下，NX MCD 作为一种前沿的数字孪生技术的的重要工具，其应用也越来越广泛。西门子机电概念设计（NX MCD）作为数字孪生技术中重要的数字化工具，可以把现有的机械、电气、气动、自动化、人机交互和编程等专业知识集合为一个整体，从而使人们在虚拟环境下对产品进行开发与调试[1-4]。由于NX MCD 模块是多方面的集成，所以在产品的开发过程中，能有效缩短花费的时间，节省研发所需要的成本，对于企业来说有重大意义[5]。

通常来说，产品的开发总是按部就班地，各个研发阶段渐次进行。如果在前期设计中出现的一些错误设计未被及时发现，那么在后期设计中，错误成本将大大增加，纠错的成本也就越来越大，未检测到的错误可能会在调试期间造成设备重大的损坏。如果设备在后期需要优化升级，那么必须找到合适的停机时间。停机时间越长造成的经济损失也就越大。解决这类问题的理想途径就是搭建虚拟平台，基于虚拟平台的MCD 模型，机械设计、电气设计和自动化等阶段可以同时进行，让设计的产品能够及时开展调试，就能够在早期阶段发现产品的设计错误，发现问题并及时优化，节省成本，降低风险。目前国内虚拟调试技术的应用在汽车生产制造行业内比较广泛，其他行业应用较少。随着“工业4.0”和“中国制造2025”的不断开展，虚拟调试及数字孪生技术会应用于越来越多的行业[6-10]。

本文以全自动注塑成型机为研究对象，提出了一种基于机电概念设计（NX MCD）模块的软件在环虚拟调试的方法，控制部分与机械部分均采用虚拟部件，在虚拟PLC 及其程序控制下组成的闭环反馈回路中进行程序编辑与验证的调试。机械部分在NX 中创建，模型创建完成以后添加到MCD 模块进行基本机电对象、运动副和约束与执行器等设置，同时需要在TIA 博途中编写好需要的PLC 程序。S7-PLCSIM Advanced 作为高级虚拟控制器，是连通NX 和TIA 博途的纽带，通过创建虚拟PLC来完成两个软件之间的交互，实现以PLC 程序带动注塑机模型完成真实注塑机的实际工作步骤的目的。软件在环虚拟调试原理如图1所示。

图1 软件在环虚拟调试原理

1 NX三维模型的构建

三维模型的构建以全自动注塑机为基础，对注塑机各结构尺寸进行准确测量，务求注塑机在虚拟环境中的还原。注塑机的主要部件有动模板、料筒、料斗和机械臂等，机械臂的伸缩和气动手指的开合是通过自身的3个气缸来实现的。图2所示为注塑机模型的平面图。

图2 注塑机模型平面图

2 MCD仿真环境的搭建

将构建好的注塑机三维模型引入到NX MCD 模块，根据对注塑机的工作需求进行分析整理，对其所要完成的功能分解，注塑机的工作流程如图3 所示。三维模型导入至MCD 模块后，为了使其具有特定的物理特性，从而完成对模型运动的虚拟仿真，要进行基本机电对象、运动副和约束、传感器和执行器等设置。

图3 注塑机模型的工作流程

2.1 基本机电对象的设置

机电概念设计（NX MCD）中的基本机电对象包括刚体、碰撞体、对象源、对象变换器、代理对象和对象收集器等。基本机电对象是MCD 物理引擎的基础，其设置要在NX 模型创建之后。在几何体三维模型没有被赋予需要的机电对象属性之前，它们并不具备质量、惯性、碰撞、摩擦等物理属性，只有赋予几何体三维模型需要的机电对象属性之后，才能够实现模型物理特性的运动仿真。图4所示为模型的基本机电对象设置。

图4 基本机电对象设置

2.2 运动副和约束的设置

两构件之间可动的接触组成了运动副，运动副定义了对象的运动方式，常见的运动副包括铰链副、固定副、滑动副、柱面副和球副等。图5 所示为本试验对注塑机模型的运动副设置。

图5 运动副和约束设置

2.3 传感器和执行器设置

传感器和执行器是MCD 模块实现电气仿真的基础。运用速度控制、位置控制、传输面与传感器相对应的运动副进行矢量运动控制以实现对构件的不同控制是定义传感器和执行器的主要目的。模型中共有8 个传感器，其中机械臂的气缸上装有4 个位置传感器，分别承担不同的作用。执行器是通过位置控制来实现注塑机的主要活动。图6 所示为注塑机传感器与执行器的设置。

图6 注塑机传感器与执行器设置

2.4 序列编辑器设置

仿真序列是NX MCD 中的控制元素，是MCD 模块处理机构运动与仿真的控制方式。通常使用仿真序列来控制执行机构（如速度控制和位置控制）、运动副（如移动副的连接件）等。除此以外，在仿真序列中还可以创建条件语句来确定何时触发改变。NX MCD中的仿真序列有两种基本类型：基于时间的仿真序列和基于事件的仿真序列。

在仿真对象中，每一个对象都有一个或者多个参数，都可以通过创建仿真序列进行修改预设值来改变仿真过程。总之，可以通过仿真序列控制NX MCD 中的任何对象。在虚拟调试过程中中，仿真序列不应勾选上。模型的运动是通过后来编写的的PLC 程序来控制的，仿真序列的勾选可能会影响到调试的进行。仿真序列的作用是在调试前期检验注塑机模型能否规范地完成相应动作。

2.5 信号与信号适配器设置

在机电概念设计平台NX MCD 的组件模型中，信号用于运动控制和外部的信息交互，有输入和输出两种信号类型。其中，输入信号是外部输入到MCD 模型的信号，输出则是MCD模型输出到外部设备的信号。

信号适配器是MCD 模块为了解决复杂的逻辑运行和函数运算而提出的方法，其作用是通过对数据的判断或处理，为MCD 对象提供新的信号，以支持运动或者行为的控制，新的信号也能够输出到外部设备或者其他MCD模型中。在本文中，将信号适配器中创建的信号与TIA Portal中的PLC程序连接，实现软件在环虚拟调试。创建的信号在合适的运行时公式的辅助下通过外部信号配置和信号映射才能与PLC 程序连接。图7～8 所示为注塑机模型信号适配器的信号设置与运行时公式。

图7 信号适配器中的信号

图8 信号适配器中的运行时公式

3 PLC编程与TIA-MCD虚拟调试

本文选用西门子S7-1500 系列PLC 进行组态设计，以确保数据安全和通讯的稳定，PLC 的具体型号为CPU1512C-1PN。

3.1 虚拟PLC与信号映射

TIA 博途和NX MCD 之间的连接需要通过S7-PLCSIM Advanced 来实现。无需PLC 硬件，该软件可以创建虚拟PLC，将编辑好的程序下载到软件中，完成连接之后就能够实现信号与程序之间的映射。虚拟PLC 创建成功后会亮起黄色指示灯，当程序成功下载到虚拟PLC后，软件界面的黄色指示灯会变成绿色。需要注意的是，S7-PLCSIM Advanced 的仿真应用于S7-1500 系列和ET200 SP 系列的CPU，不适用于1200 系列的PLC。图9所示为S7-PLCSIM Advanced软件界面。

图9 PLCSIM Advanced软件界面

虚拟PLC 创建完成后，在MCD 模块的外部信号配置中选择PLCSIM Adv，在实例中添加创建好的虚拟PLC，更新标记，选中需要连接的信号。在信号映射中，同样选择PLCSIM Adv 与创建好的PLC，将MCD 信号和外部信号一一对应，映射成功的信号连接会相应的出现在下方界面中。操作界面如图10～11所示。

图10 外部信号配置界面

3.2 软件在环虚拟调试

信号映射成功之后，就可以利用PLC 程序来控制注塑机模型的运动。模型的运动主要包括动模板的合模和开模、料筒的移动与机械臂的夹持。根据注塑机模型的运动情况，编写相应的PLC 程序。PLC 程序的仿真可以通过PLCSIM 来完成，与“强制表”命令同时使用验证程序的逻辑关系是否正确。图12～13所示为PLCSIM 仿真与PLC程序的变量表。

图12 PLCSIM仿真

图11 信号映射界面

图13 PLC程序的变量表

PLC 程序的下载和信号映射完成之后，开始虚拟调试。软件在环虚拟调试相比硬件在环虚拟调试的优点在于对硬件要求较低，不需要PLC 硬件就能够完成。开始调试之前，需要在详细视图的当前项目的属性中勾选“保护—块编译时支持仿真”，以免仿真时报错。下载完程序后启用监视，PLC 程序开始仿真。若调试时，传感器信号并未设置完成，可以使用“强制表”对PLC 程序中的I 输入点进行强制。在MCD 界面点击播放，注塑机模型将按PLC程序指令运行，如图14所示。

图14 软件在环虚拟调试

3.3 虚拟调试结果分析

通过对注塑机模型运动和PLC 程序运行的观测结果来看，模型根据编写好的程序做出了相应的动作，运行过程中也没有出现其他的错误，完成了虚拟调试的整个过程。虚拟调试的成功开展主要在于MCD 模型的物理特性设置与PLC 驱动程序的正确编写。将现实中的机电设备移至虚拟环境中，进行特定的参数设置后，通过PLC程序使MCD 模型完成现实环境中机电设备的工作流程，模型工作时出现的错误可以作为参考依据对现实设备进行优化，从而达到缩短工时、节约成本和降低风险的作用。