基于MCD 的物料分拣搬运装置设计与仿真调试*

范然然，刘方平，俞宗薏

（柳州职业技术学院，广西 柳州 545005）

0 引言

传统的机电一体化设计根据产品功能分析，按顺序进行机械部分、控制部分和传感器部分等的设计，其设计过程没有统一的设计工具平台，且设计的各个阶段缺乏连贯性和关联性[1-2]。近年来，推出了一款面向多学科协同设计的机电一体化设计软件平台，该平台是一种全新的机电一体化设计方案。其名称为机电一体化概念设计MCD（Mechatronics Concept Designer）[3-4]。

MCD 在多学科协同设计及仿真调试等方面优势明显。基于MCD 平台，通过对机电一体化产品进行虚拟样机的设计、运动仿真以及与其他软件通信接口集成，可以将机械设计、电气设计和自动控制等功能实现协同设计与集成仿真，从而能有效提升机电一体化产品设计效率和质量[5-7]。基于MCD 对物料分拣搬运装置进行虚拟仿真模型构建，并使用NX_MCD与TIA 15.1 联合虚拟调试，用来检验虚拟样机的准确性以及可行性，进而为下一步实物生产提供重要的技术支持。

1 物料分拣搬运装置虚拟样机

物料分拣装置模型是采用AHK 机电一体化综合实训考试装置进行改进设计的，由于该装置仅限于把物料分拣并放置在台上，不能更好地将物料进行运送，所以其在装置基础上，优化增加了2 个皮带输送机构和物料吸持机构，吸持机构采用磁铁上电吸合方式将金属物料吸住，并由滑轨带动到不同位置；皮带输送机构则将其中分拣后的物料运送到指定位置。因此构建出了由滑台模组机构单元、推料吸持机构单元、分拣台机构单元、输送机构单元等所组成的物料分拣搬运装置模型，如图1 所示。该装置的功能是分拣金属、非金属物料，并将其搬运到指定位置。

图1 物料分拣搬运装置模型

图1 中，物料1、2、3 从上至下分别为非金属物料、红色金属物料以及蓝色金属物料。金属和非金属物料进入到推料吸持机构单元挡板槽中，通过推料气缸将物料推出到分拣槽中。如果是非金属，则分拣气缸缩回，非金属物料落入输送机构单元的皮带1（右），皮带1 运送非金属物料到达末端。如果表面为蓝色的金属，则吸料气缸伸出，吸盘式电磁铁得电吸持物料，滑台模组机构单元将物料运送到皮带2（左），皮带2 运送蓝色金属物料到达末端。如果表面为红色的金属，则吸料气缸伸出，吸盘式电磁铁得电吸持物料，滑台模组机构单元将物料运送到分拣台机构单元的分拣台上。

2 机电一体化概念设计

2.1 物理属性与运动属性定义

在MCD 环境下，确定各机构或元件运动方式的基础前，先对装置中各机构或元件定义物理模型，让其自身带有质量和惯性等性能[8]。本装置机构中主要包括了钢体、碰撞体。定义钢体，是设计运动部件的首要关键，能使装置机构中运动的元器件具有运动属性，未定义的钢体其运动的元器件不具有运动属性。定义碰撞体，能使定义的两个机构碰撞体间在碰撞下不发生穿透，未进行碰撞体定义的机构或元件可以相互穿透不发生碰撞关系。将PVC 黄块、铁质红块、铁质蓝块创建对象源和对象收集器，对象源可以使仿真物料在开始位置自定义重复出现，用来作为仿真时物料的下料来源。对象收集器在物料放置或运送完成、传感器识别出物料后，使物料可自行消失。

2.2 执行器和传感器定义

物料分拣装置中的执行机构元件主要包括传送带、气缸、导轨滑台等，采用传输面和速度控制等执行器属性定义其运动。将装置中的传送带1 和传送带2 的表面创建为传输面的电气属性，使传送带在速度设定大小下能在指定面形成传输效果。给推料气缸创建速度控制的电气属性，使其在速度设定下也有运动效果，成为推出物料的执行器。同理，为气缸和丝杆定义执行器，赋予速度控制属性，使它们成为实现气缸运动、丝杆转动动作的执行器。在物料分拣装置中，共有12 个传感器元件，分别对这些传感器元件进行碰撞传感器属性的定义，使其能在运动中作为识别特性的虚拟传感器元件。在磁铁吸合物料处需要创建假设的碰撞传感器属性，使其在磁铁上电吸合情况下能黏住物料成为一体进行搬运，此假想的碰撞传感器在实物中不存在。

最终，物料分拣装置创建的执行器和碰撞传感器的定义创建完成。这能使定义了传输面和速度控制等执行器属性的机构元件如同于驱动器，能驱动运动，同时，定义了碰撞传感器的机构元件能自动识别到物料，由此，这些机构元件分别具有了动作和感应识别的主动性。

2.3 信号的创建

在MCD 中为装置创建信号，装置的执行器及传感器接收到来自PLC 控制器的信号后才开始执行相关动作[9-10]。对定义了碰撞传感器属性的元件进行信号创建，数据类型为布尔型，初始值为False 的输出型信号，使其碰撞传感器识别到物体后，信号能由False 值变成True 值，发出有效的信号。对执行机构进行信号创建，由于执行机构的运动有多种形式，如推料气缸，其运动有伸出、缩回等，因此需要对执行机构进行信号适配。推料气缸运用信号适配器创建信号，信号中气缸的伸出和缩回运动为输入型、气缸到达上限位或下限位为输出型，初始值均为False，同时为推料气缸在运动时进行速度大小定义，到达上限位或下限位时，输出型的信号同样发出True 值。运用信号适配器为各气缸、皮带、物块等执行机构创建信号，使其输入信号时能运动，到达运动位置时能发出信号。

3 PLC控制程序设计

根据装置的运动关系、检测元件和执行机构创建了信号，输入端口包括推料气缸、吸持气缸和分拣气缸的上/下限位和各检测元件等，输出端口包括推料气缸、吸持气缸和分拣气缸的输出/缩回、丝杆正/反转、皮带1/2 的启动等。物料分拣装置的功能是将金属和非金属（PVC 物料）分拣出来，同时对表面不同颜色的金属物料进行分拣，再由滑台进行搬运，最后由皮带输送到指定区域。为装置设计了手动模式和自动模式功能的子程序，通过主程序的启动，可进行子程序（手动模式FB1 或自动模式FB2）的调换。

手动模式功能通过手动随机将同种或不同种物料放入挡板槽中（3 个计满）。3 个放满后，挡板槽底端的2 个传感器对底端物料进行检测，同时推料气缸伸出将底端物料推入分拣槽中，侧边传感器检测后则可进行物料不同区域分拣。物料搬运或由皮带运送到指定位置完成后，滑块（分拣吸持机构单元）到位置1 时则继续推出物料，直至挡板槽中没有物料为止。

自动模式其功能与手动模式有所不同，不同之处是放置物料的方式是通过加料按钮，自动将不同种物料放入挡板槽中（3 个计满）。下一步的程序流程则与手动模式相同。PLC控制程序设计如图2所示。

分拣槽中物料为非金属PVC 物料，分拣气缸缩回，分拣挡板打开，物料落入皮带1 中，传感器检测到物料，皮带1 启动将物料运载至指定位置，传感器检测到位，皮带1停止，则物料搬运完成。

若分拣槽中物料为金属，且表面颜色为蓝色，则吸持气缸伸出，磁铁上电吸住物料，吸持气缸缩回，缩回到位后电机启动正转，将物料搬运至皮带2 处，到位后吸持气缸伸出，伸出到位后磁铁失电物料释放，物料落入皮带2 中，传感器检测到物料，皮带2启动将物料运载至指定位置，传感器检测到位，皮带2 停止，则物料搬运完成。同时，在磁铁失电释放期间，吸持气缸缩回，缩回到位后电机启动反转，到达原点处则电机停止。若分拣槽中物料为金属，且表面颜色为红色，则吸持气缸伸出，磁铁上电吸住物料，吸持气缸缩回，缩回到位后电机启动正转，将物料搬运至位置2，到达指定位置后磁铁失电物料释放，物料落入分拣台上，则物料搬运完成。同时，在磁铁失电释放后，电机启动反转，到达原点处则电机停止。

4 MCD与PLC联合虚拟调试

由MCD平台与TIA Portal程序编程之间进行信号映射，实现两者信号互联互通，通过启动虚拟PLC 控制器为程序编辑下载，驱动物料分拣装置运动逻辑控制。实现整个调试系统的工作运行验证，如图3所示。

图3 装置虚拟调试搭建

MCD 平台除了可进行建模与仿真外，也能跟可编程软件进行通信连接、模拟运动，同时也具备本设计与TIA Portal 通信连接的特质。TIA Portal 可完成PLC 编程和仿真工作，以对设计对象进行快速编程、调试及监控等，并能对设计过程的仿真数据进行存储和管理，能在一个统一平台上进行所有操作。虚拟PLC 控制器采用S7-PLCSIM Advanced 仿真器软件代替S7-1500 控制器作虚拟控制。通过在MCD 中建立I/O 信号，以触发形式为外部控制器与物料分拣装置模型搭建连接提供有效条件。上述章节中，装置模型已经创建了各执行机构和检测元件的信号，同时在可编程控制软件TIA Portal 中根据装置模型信号创建了相同的变量，而且为装置组成机构编辑了PLC 控制程序。外部信号配置成功后，通过搭建信号映射，实现可直接由PLC 指令程序对物料分拣装置中执行机构和检测元件进行控制。

虚拟调试仿真的验证是对装置模型的结构及运动行为和PLC 程序编程逻辑等做出的可行的验证。如图4 所示，装置模型已创建完成、模型中运动的部件等信号创建完成、PLC 程序编程完成、HMI 触摸屏画面及变量设计完成、MCD 中装置内部信号和PLC变量信号映射完成。现根据启动虚拟PLC 控制器（S7-PLCSIM Advanced）和PLC 编程软件，将程序下载至虚拟PLC 控制器，启动程序监视，同时启动HMI触摸屏仿真、MCD 仿真，根据HMI 触摸屏画面中的启动、停止加料按钮观察MCD 装置模型的运动情况，来验证装置模型的运动逻辑以及PLC 程序设计和触摸屏显示的可行性。

图4 MCD 与TIA联合仿真运行

5 小结

项目组设计的装置由4 个机构单元组成。建立各机构单元的虚拟样机，通过装配约束搭建出物料分拣装置虚拟样机模型。为各需要运动元件进行物理、运动和执行器/传感器属性定义，同时为装置进行信号搭建，通过在MCD 中创建的装置组成机构的I/O 信号和在TIA Portal 中创建的PLC 变量之间进行信号映射联系，建立了物料分拣装置的MCD 虚拟调试系统。最后通过运行虚拟PLC 控制器，验证了物料分拣装置的控制逻辑关系与设计期望功能的一致性，为进一步生产加工制造奠定了坚实的调试基础，也为无实物调试提供了重要的技术支撑。