基于TCP的氣動(dòng)手爪MCD模型虛擬調(diào)試的研究

趙永信，度國(guó)旭，吳堅(jiān)，黎玲萍

(廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，廣西南寧 530001)

0 前言

NX軟件中的機(jī)電概念設(shè)計(jì)模塊(MCD)可以用于三維模型的機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)和自動(dòng)化設(shè)計(jì)。MCD模型的概念設(shè)計(jì)融合多學(xué)科于一體，既可以實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備之間的仿真控制，也可以實(shí)現(xiàn)真實(shí)PLC控制虛擬三維模型，使得設(shè)計(jì)更為直觀和靈活。

在自動(dòng)化設(shè)計(jì)過(guò)程中可以使用內(nèi)部信號(hào)對(duì)模型進(jìn)行三維模型動(dòng)態(tài)仿真驗(yàn)證。肖祖東等詳細(xì)地闡明了基于NX 平臺(tái)的圓形裝載機(jī)MCD概念設(shè)計(jì)的過(guò)程，驗(yàn)證了基于MCD模塊平臺(tái)的機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)的可行性和優(yōu)越性。當(dāng)然也可以使用外界控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，目前也有很多基于OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)這種外界數(shù)據(jù)交換的研究。熊雪平等基于NX MCD平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了MAKA機(jī)床MCD仿真三維模型與PLC實(shí)物聯(lián)合調(diào)試。王俊杰等利用OPC作為橋梁，實(shí)現(xiàn)了某數(shù)控機(jī)床的MCD模型與虛擬PLC之間的虛擬調(diào)試。吳雁等人基于NX MCD平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)上下料機(jī)械手的虛擬仿真。但是，MCD虛擬調(diào)試的橋梁并非只有OPC技術(shù)，利用TCP協(xié)議作為橋梁的方式進(jìn)行虛擬調(diào)試的方法鮮有看到。

本文作者在NX軟件中建立工業(yè)機(jī)器人的一種雙氣爪工具的三維模型，并對(duì)該模型進(jìn)行MCD設(shè)計(jì)，分別說(shuō)明其機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)以及自動(dòng)化設(shè)計(jì)過(guò)程；利用非OPC技術(shù)，即一種開(kāi)放式用戶通信協(xié)議TCP實(shí)現(xiàn)虛擬PLC控制MCD虛擬模型的動(dòng)態(tài)虛擬仿真。

1 氣動(dòng)手爪模型的機(jī)械設(shè)計(jì)

在NX軟件中把模型的基本機(jī)電對(duì)象(剛體、碰撞體等)、運(yùn)動(dòng)副和約束等定義歸入機(jī)械設(shè)計(jì)部分。首先，定義雙氣動(dòng)手爪模型的機(jī)電對(duì)象，把雙氣爪模型的2個(gè)手爪的4個(gè)爪手均設(shè)置為剛體，在剛體的設(shè)置中，軟件會(huì)自動(dòng)賦予爪手相應(yīng)的質(zhì)量和慣性矩，賦予其真實(shí)的物理屬性。為實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)手爪模型的功能驗(yàn)證，把一個(gè)氣動(dòng)手爪的夾緊和釋放動(dòng)作分解為2個(gè)爪手沿著某個(gè)方向的滑動(dòng)。由于研究的模型是雙氣爪，因此需要建立4個(gè)滑動(dòng)副，1個(gè)手爪的2個(gè)爪手各自定義1個(gè)滑動(dòng)副，滑動(dòng)副的滑動(dòng)方向均指向相互靠近的方向，用以模擬仿真手爪的夾緊狀態(tài)。

2 氣動(dòng)手爪模型的電氣設(shè)計(jì)

在電氣設(shè)計(jì)部分，可以設(shè)計(jì)傳感器、位置控制、速度控制以及MCD內(nèi)部信號(hào)配置等內(nèi)容。通過(guò)MCD中電氣設(shè)計(jì)中的位置控制把雙氣爪的每個(gè)滑動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)速度設(shè)置為20 mm/s，并設(shè)置滑動(dòng)副的定位距離為7 mm。在完成機(jī)械設(shè)計(jì)和電氣設(shè)計(jì)后可以通過(guò)播放命令看到氣動(dòng)手爪的動(dòng)作仿真，用以驗(yàn)證機(jī)械設(shè)計(jì)部分和電氣設(shè)計(jì)中的相關(guān)設(shè)置是否合適，如圖1所示。

圖1 雙氣爪三維模型

為通過(guò)信號(hào)控制雙氣爪的2個(gè)氣爪的夾緊和松開(kāi)動(dòng)作，可以在MCD模塊中的電氣設(shè)計(jì)中進(jìn)行信號(hào)配置，如圖2所示。

圖2 雙氣爪的信號(hào)適配器設(shè)置

信號(hào)配置的思路是把雙氣動(dòng)手爪的2個(gè)手爪的位置控制中的定位參數(shù)作為機(jī)電對(duì)象的信號(hào)控制參數(shù)，具體地說(shuō)就是把4個(gè)爪手的位置控制中的定位參數(shù)修改為0。設(shè)置為0的目的是想通過(guò)信號(hào)配置實(shí)現(xiàn)信號(hào)控制參數(shù)的賦值，再添加2個(gè)輸入信號(hào)，在信號(hào)配置的公式中進(jìn)行編程。圖中對(duì)應(yīng)程序的含義：如果輸入信號(hào)qizhua1和qizhua2分別為“1” 狀態(tài)時(shí)，位置控制中定位參數(shù)均賦值7 mm，否則為0，由此改變信號(hào)控制參數(shù)，通過(guò)改變參數(shù)實(shí)現(xiàn)MCD中對(duì)氣動(dòng)手爪的位置控制動(dòng)態(tài)仿真。

同時(shí)，需要添加2個(gè)輸出信號(hào)，用以反饋氣爪的狀態(tài)。在信號(hào)適配器中添加輸出信號(hào)Sensorout_1和Sensorout_2，分別用來(lái)反饋2個(gè)手爪的狀態(tài)。在信號(hào)適配器中編寫(xiě)程序，圖2中對(duì)應(yīng)程序的含義：如果qizhua1(qizhua2)信號(hào)為“1” 狀態(tài)時(shí)，Sensorout1(Sensorout2)信號(hào)則為“1” 狀態(tài)，否則為“0” 狀態(tài)。

3 氣動(dòng)手爪模型的自動(dòng)化設(shè)計(jì)

MCD模塊中的自動(dòng)化設(shè)計(jì)主要是實(shí)現(xiàn)仿真序列、電子凸輪、運(yùn)行時(shí)的NC以及外界信號(hào)通信配置等功能。雙氣爪模型通過(guò)電氣設(shè)計(jì)配置了信號(hào)適配器的信號(hào)及其關(guān)聯(lián)動(dòng)作，接下來(lái)添加其仿真序列，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)控制氣動(dòng)手爪的動(dòng)態(tài)仿真效果。

在仿真序列中把信號(hào)適配器作為仿真序列的機(jī)電對(duì)象，在運(yùn)行時(shí)，把qizhua1和qizhua2信號(hào)均打勾并設(shè)置為true。再添加1個(gè)仿真序列把qizhua1和qizhua2信號(hào)均打勾并設(shè)置為false，再?gòu)?fù)制這2個(gè)仿真序列，持續(xù)時(shí)間均設(shè)置為1 s，把這4個(gè)仿真序列創(chuàng)建鏈接后點(diǎn)擊播放即可。

4 基于TCP的MCD虛擬仿真調(diào)試

前文中實(shí)現(xiàn)了在NX軟件中利用MCD自動(dòng)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)通過(guò)其內(nèi)部信號(hào)控制氣動(dòng)手爪的夾緊和松開(kāi)動(dòng)作的仿真試驗(yàn)，接下來(lái)利用外界虛擬PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)MCD內(nèi)部雙氣爪模型的信號(hào)控制。本文作者將S7-1500 PLC的高級(jí)仿真器PLCSIM Advanced 2.0作為虛擬PLC，通過(guò)TIA15軟件編程并下載到仿真器中，再通過(guò)TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)虛擬PLC與MCD模塊的通信。信號(hào)關(guān)系如圖3所示。

圖3 信號(hào)關(guān)系

從圖3可以看出：本文作者設(shè)想在TCP協(xié)議下實(shí)現(xiàn)虛擬PLC與MCD模塊之間的信號(hào)關(guān)聯(lián)，以此實(shí)現(xiàn)虛擬PLC控制MCD中虛擬氣動(dòng)手爪的自動(dòng)控制。

4.1 S7-1500 PLC組態(tài)及編程下載

在TIA15軟件中添加一款S7-1512C-1PN的PLC，添加一個(gè)子網(wǎng)后設(shè)置其IP地址為192.168.0.25，這里設(shè)置的IP地址與虛擬PLC(PLCSIM Advanced V2.0)中設(shè)定的IP地址要一致。在防護(hù)與安全的連接機(jī)制中需要勾選允許PUT/GET通信訪問(wèn)。然后，在OB1模塊中調(diào)用開(kāi)放式用戶通信中的TSEND_C和TRCV_C指令，編程如圖4所示。

圖4 PLC程序

在程序中利用TCP通信指令實(shí)現(xiàn)雙氣爪模型與虛擬PLC之間的信號(hào)連接，并通過(guò)添加2個(gè)非優(yōu)化的全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)SEND和RECEIVE來(lái)分別存放發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。利用旋鈕開(kāi)關(guān)信號(hào)M10.0控制qizhua1信號(hào)；利用旋鈕開(kāi)關(guān)信號(hào)M10.1控制qizhua2信號(hào)。通過(guò)TCP協(xié)議，把PLC中發(fā)出的qizhua1和qizhua2信號(hào)分別映射到MCD氣動(dòng)手爪模型的qizhua1和qizhua2信號(hào)，實(shí)現(xiàn)氣爪的夾緊和松開(kāi)動(dòng)態(tài)仿真。同時(shí)，通過(guò)監(jiān)控PLC中接收到的反饋信號(hào)Sensor1_feedback和Sensor2_feedback可以看出氣爪的狀態(tài)。為方便監(jiān)控這2個(gè)反饋信號(hào)，利用Q6.0和Q6.1信號(hào)分別作為反饋信號(hào)的輸出指示信號(hào)。

4.2 MCD中的TCP設(shè)定

在MCD中的自動(dòng)化設(shè)計(jì)部分進(jìn)行MCD信號(hào)服務(wù)器配置，綁定計(jì)算機(jī)中虛擬網(wǎng)卡的地址192.168.0.24，設(shè)置服務(wù)端口號(hào)，創(chuàng)建一個(gè)新的連接，在新的連接中填入虛擬PLC的地址192.168.0.25即可。在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū)會(huì)自動(dòng)識(shí)別MCD模塊中的內(nèi)部信號(hào)，每一個(gè)信號(hào)都有一個(gè)偏置，這個(gè)偏置與PLC接收和發(fā)送的全局?jǐn)?shù)據(jù)塊中的偏移量對(duì)應(yīng)上即可，不需要再進(jìn)行信號(hào)的映射設(shè)置。MCD信號(hào)服務(wù)器配置如圖5所示。

圖5 MCD信號(hào)服務(wù)器配置

4.3 虛擬PLC控制氣動(dòng)手爪仿真實(shí)現(xiàn)

首先，將TIA15軟件組態(tài)、編程及下載程序到虛擬PLC后，在MCD模塊中配置信號(hào)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)虛擬PLC與MCD模型的信號(hào)連接與信號(hào)映射，最后通過(guò)動(dòng)態(tài)仿真實(shí)現(xiàn)虛擬PLC控制氣動(dòng)手爪模型的功能。仿真結(jié)果圖如圖6所示。

從圖6(a)可以：當(dāng)氣爪1控制信號(hào)M10.0為true狀態(tài)時(shí)，MCD模塊中的氣爪1處于夾緊狀態(tài)，并且在TIA15軟件的監(jiān)控程序中，顯示了氣爪1的狀態(tài)反饋指示信號(hào)為true狀態(tài)；同理，圖6(b)中氣爪2控制信號(hào)M10.1為true狀態(tài)時(shí)，MCD模塊中的氣爪2處于夾緊狀態(tài)，并且在TIA15軟件的監(jiān)控程序中，顯示氣爪2的狀態(tài)反饋指示信號(hào)為true狀態(tài)。

圖6 仿真結(jié)果

5 結(jié)論

本文作者依托于NX MCD平臺(tái)，基于數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展，以工業(yè)機(jī)器人雙氣爪模型的機(jī)電概念設(shè)計(jì)為主要研究?jī)?nèi)容，利用開(kāi)放式用戶通信TCP協(xié)議作為橋梁，實(shí)現(xiàn)了雙氣爪MCD模型的虛擬調(diào)試(利用虛擬PLC控制氣動(dòng)手爪模型的三維動(dòng)態(tài)仿真調(diào)試),為機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)的發(fā)展提供了參考。