基于NX-MCD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 213164)

0 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MCD(Mechatronics Concept Designer)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[1-6]。

本文借助NX-MCD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。

1 设计原理

1.1 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170 m2,长宽约为18 m×9 m,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。

1.2 加工工序设计

生产线整体设计方案的虚拟搭建如图1所示,由料仓模块1、筛选模块2、钻孔模块3、抬升模块4和开槽模块5组成。

1-料仓模块;2-筛选模块;3-钻孔模块;4-抬升模块;5-开槽模块

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。

2 机电对象设置

2.1 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:

Cite this article as: BI Jian-Ping, LI PING, XU Xi-Xi, WANG Ting, LI Fei. Anti-rheumatoid arthritic effect of volatile components in notopterygium incisum in rats via anti-inflammatory and anti-angiogenic activities [J]. Chin J Nat Med, 2018, 16(12): 926-935.

(1) 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。

(2) 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。

(3) 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2为刚体的设置方法。

图2 刚体的设置方法

2.2 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:

(1) 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。

(2) 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3为碰撞体的设置方法。

2.3 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4为运动副的设置情况。

图4 运动副的设置

2.4 传感器和执行器的设置

MCD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5所示,速度和位置控制如图6所示。

图5 传感器的设置

图6 速度和位置控制

3 仿真测试运行

3.1 运行程序编制

3.1.1 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。

3.1.2 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。

3.1.3 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。

3.1.4 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。

3.1.5 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。

3.2 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7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7 运行时的序列

4 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。NX-MCD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。