基于MCD的玫瑰精油瓶装生产线的虚拟调试

郑星浩, 李 玮

(西南林业大学机械与交通学院,云南 昆明 650000)

2022年,昆明市花卉种植面积达2.55万 hm2,鲜切花产量105.01亿枝,综合产值达361.17亿元。本文以玫瑰精油瓶装生产线为研究对象,提出了一种基于NX MCD的机电概念设计用于虚拟模型与实际设备的虚实同步的方法。通过NX MCD设计出玫瑰精油瓶装生产线的三维虚拟数字化模型,设置部件的刚体、碰撞体、运动副、约束等赋予其部件的基本物理、机电属性;依据玫瑰精油瓶装生产线的工艺流程,在博途(TIA)软件中利用基本指令编辑设备所对应的程序。PLC程序与MCD的虚拟同步是靠PLCSIM Advanced软件,其能够实现PLC程序与MCD的数据交互与控制,从而对玫瑰精油瓶装生产线进行虚实同步的调试与控制。该设计的出现可使设备自动化、小型化、简化操作、降低成本以及价格等需求得以实现,能够有效提高劳动生产效率,减少劳动力需求量,对于制造行业的发展有重大意义。

1 基于NX UG的玫瑰精油瓶装生产线的三维模型

三维模型的创建以实际设备为本,对玫瑰精油瓶装生产线的各个工位的大小、长度进行精确计算与测量,以保证玫瑰精油瓶装生产线在虚拟环境调试中与实际设备相吻合。设备主要组成的部件有振动盘、输送链、机械手、精油瓶装盘等,气缸控制机械手的夹取松开等。图1所示为玫瑰精油瓶装生产线的三维模型图。

图1 玫瑰精油瓶装生产线的三维模型

图2 总工艺流程图

2 玫瑰精油瓶装生产线的总工艺流程

创建的玫瑰精油瓶装生产线三维模型导入NX MCD中,依据玫瑰精油瓶装生产线的设计目标对设备进行工艺流程的主分析,对设备各工位工作过程与其功能进行细分与设计,玫瑰精油瓶装生产线的工艺流程如图 2 所示。

工艺流程为:设备启动,输送链启动,玫瑰精油瓶通过输送链到达指定位置后停止。振动盘启动将瓶盖移动到指定位置,识别瓶身跟瓶盖的颜色。如果不一致,组装机械臂启动,机械爪将瓶盖夹取移走的同时振动盘启动,下一个瓶盖移至指定位置。颜色一致后,组装机械臂启动,组装夹爪抓取并固定瓶身后组装机械臂复位。搬运机械臂启动,搬运夹爪抓取玫瑰精油瓶,根据颜色、位置移至放置盘中,搬运机械臂复位等待下一次工作。

3 各工位间的设计过程与PLC部分编程

由于设备的复杂性以及各设备间的关联关系,将小型香水组装设备分为4个工位。其中,各个工位分工不同但又相互关联。

输送链机构为工位一。香水瓶身放置在输送链上,通过电机给予输送链动力,使之带动香水瓶身移动至颜色识别传感器1识别位置范围内并检测香水瓶颜色。

在对输送链机构赋予机电对象属性时,PLC程序同时也对它进行运动控制,如图3所示。

图3 输送链机构及PLC程序

震动盘装置为工位二,如图4所示。玫瑰精油瓶盖在震动盘装置中通过震动方式沿路径移动至颜色识别传感器2识别范围内检测玫瑰精油瓶盖的颜色。

图4 震动盘装置及PLC程序

输送链机构(工位一)工作,香水瓶身颜色受到检测的同时震动盘(工位二)启动,瓶盖运动并检测颜色。

组装机械手机构为工位三,如图5所示。在输送链机构(工位一)与震动盘(工位二)完成动作并识别颜色结束后,组装机械手(工位三)工作机械手的运动分为两种:玫瑰精油瓶身与瓶盖的颜色不一致,机械手动作,机械爪下移到规定位置夹取瓶盖,将瓶盖丢弃;玫瑰精油瓶身与瓶盖颜色一致,机械手动作,机械爪下移到指定位置夹取瓶盖后运动到瓶盖处进行组装。

图5 组装机械手机构及其PLC程序

摆盘机械手为工位四,如图6所示。在输送链机构(工位一)与震动盘(工位二)完成动作并识别颜色结束,组装机械手(工位三)完成组装工作并复位后,摆盘机械手到已组装完成的玫瑰精油瓶处夹取,通过颜色识别传感器反馈到的颜色进行分库位摆放(设置1-3,7-9,库位摆放红色玫瑰精油瓶,4-6库位摆放黑色玫瑰精油瓶)。

图6 摆盘机械手以及PLC程序

图7 刚体与碰撞体

图10 信号适配器设置

4 NX MCD设计

4.1 机电对象的创建

由于NX MCD中的零件在三维模型中机电对象属性属于缺失状态,即它并不满足物理系统控制下的各种运动的属性,只有授予其机电对象的基础特征后,才能够满足软件中的运动仿真效果。本文对机床的零部件部分等设置了对应的刚体和碰撞体基本属性参数,如图 7 所示。

4.2 运动副与约束的创建

两零件间相互碰撞可动的部分构成了运动副,运动副定义性表达了实际零件的虚拟运动过程,常见的运动副包含铰链副、固定副、 滑动副、柱面副和球副等。图 8 所示为本设计对玫瑰精油瓶装模型的运动副设置。

4.3 传感器与执行器的构建

对于部件运动属性而言,需要在MCD中设置的运动副完成对运动位置和运动速度的设计将其变为执行机构,目的在于部件可符合设计要求运动到指定的位置并反馈信号至PLC中。设备中的组装机械爪、搬运机械爪、 搬运X轴、Y轴、Z轴和输送链和振动盘等具有运动属性,因此本文对它们进行了位置的控制和速度的控制设置,如图 9 所示。

4.4 信号与信号适配器的设置

在NX MCD的三维立体模型中,信号类型为输入与输出之分,输入信号是外部设备信号输送到NX MCD虚拟模型中,输出信号为MCD模型传输至外部设备信号。信号适配器(Signal Adapter)的功能为编写公式和创建信号,从而控制机电对象完成要求。创建包含信号的信号适配器后,会在机电导航器中自动创建信号对象,可以使用该信号连接到外部信号,也可以在MCD内使用仿真序列命令控制该信号。在一个信号适配器中可以包含若干个信号和公式。

本文利用信号及信号适配器来对需要信号处理的机械爪、输送链、振动盘等机构设置。如图 10所示。

5 虚拟调试

5.1 PLC与MCD虚拟调试

该设计利用PLC的程序与MCD的运动仿真的协同完成虚拟仿真调试,下一步在联合实际设备来完成虚实同步调试。首先,使用Advanced 软件连接PLC与MCD软件的程序,将信号互相对应起来,完成程序间的虚拟调试。将编程好的PLC程序灌入实际设备中,利用PLC中HMI触摸屏来控制程序的启停、手自动运行、报警、复位等一系列操作,再将虚拟调试与实际设备相连,实际设备与MCD中虚拟设备运行基本一致,这就是虚实同步完成的标志。

5.2 调试结果

调试过程中,三维虚拟模型部分零部件的虚拟大小与实际相差较大,导致虚拟仿真中瓶身瓶盖相合位置不一、玫瑰精油瓶摆放设定距离偏离库位、搬运机械手与摆盘机械手无法夹取玫瑰精油瓶等问题的出现。利用改变零部件尺寸或精确测量三维模型中部件运动位置的数值,改变运动副或信号中设定好的位置。

玫瑰精油瓶身与瓶盖为圆柱形内壁,对于在虚拟模型中玫瑰精油瓶安装不合问题,提出两种解决方案:

(1)改变碰撞体的碰撞形状,将瓶盖内部改为网格面或圆柱。

(2)利用对象变换器,在瓶身瓶盖结合的瞬间改为一个完整的玫瑰精油瓶模型,从而解决问题。

玫瑰精油瓶两种颜色摆放库位不一的问题也提出两种方案:

(1)通过MCD中的摆盘机械手的运动位置设置及通过运动仿真调试中设置运动实际位置来解决。

(2)利用PLC程序,在程序中控制机械手的运动距离和摆盘位置,从而达到目标。如图 6 程序所示。

在进行实际设备与虚拟设备调试过程中,出现的最大问题则为实际设备运行要比虚拟设备运行慢,针对这一问题,提供了两种解决思路:

(1)改变PLC中电机转速,从而改变实际设备的运行速度。

(2)改变MCD中虚拟模型部件设置的速度,多次测试,完成虚实同步的设计要求。

通过设备的虚实同步的完成,实现三维虚拟模型和实际设备的映射联合、以实控虚、以虚控实的设计目的。

6 结束语

本文利用NX UG软件设计玫瑰精油生产线,导入到NX MCD软件中进行运动虚拟仿真设计,同时依据工艺流程编写相对应的PLC程序及HMI触摸屏,借助S7-PLCSIM Advanced软件相连接,通过虚拟调试来验证程序的可行性及工艺流程的准确性,从而表明基于MCD的玫瑰精油生产线设计的可实现性。通过虚拟调试,精准及时发现设备运行时出现的各种问题,可以一定程度降低现场调试时实际设备中出现错误或缺陷的风险,其调试结果也会更真实可靠,在处理各种问题的同时积累经验并完成预期的设计需求,有利于减少项目资金与时间成本。

也可根据现有设备解决问题的思路方法为其他同类设备问题提供解决思路。研究该类型的自动化生产线,完成自动化加工处理,为此类型企业及其教学场所提供特定定制生产线,实现自动控制生产的有效解决方案,改变企业原有的生产加工设备的落后现状或教学场所设备稀缺、无法实际学习的现状,大幅度改善生产作业环境,满足该行业生产及教学需求,提升工厂的生产效率、产品质量和教学质量。为工厂大部分复杂设备出现的机械结构问题及操作复杂、虚实结合无法同步等问题提供设计思路与方向,利用三维机械模型的设计,验证机械结构的操作性、可靠性和合理性,依据虚拟模型的设计、运行和调试模型来提前预知设备运行中可能会产生的问题,避免出现因设备损坏等不可逆转的问题造成的严重人身安全及设备损失,更好地进行设备后期的改良。