基于CADe_SIMU軟件的機電綜合仿真研究

0 引言

自2014年頒布《國務院關(guān)于加快發(fā)展現(xiàn)代職業(yè)教育的決定》（簡稱“職教發(fā)展28條”）以來，我國職業(yè)教育進入蓬勃發(fā)展時期，在國家政策引導和各級政府的推動下，職業(yè)教育體系建設穩(wěn)步推進，為社會培養(yǎng)培訓了大批中高級技能型人才，為提高勞動者素質(zhì)、推動經(jīng)濟社會發(fā)展和促進就業(yè)作出了重要貢獻。加快發(fā)展現(xiàn)代職業(yè)教育，是黨中央、國務院作出的重大戰(zhàn)略部署，對于深入實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，創(chuàng)造更大人才紅利，加快轉(zhuǎn)方式、調(diào)結(jié)構(gòu)、促升級具有十分重要的意義。當前，人類社會正加速步入智能社會，對企業(yè)員工的素質(zhì)和技能要求更高，綜合職業(yè)能力需求更加完善。以機電一體化專業(yè)為例，要培養(yǎng)專業(yè)人才的綜合職業(yè)能力就要挖掘資源、開動腦筋、轉(zhuǎn)變思路，全面實施機械專業(yè)基礎(chǔ)教育；要突出電氣專業(yè)發(fā)展與技能訓練相結(jié)合，突出機電混合應用能力和目標培養(yǎng)。本文以機電綜合項目一氣動機械手為例，就實施機電綜合設計展開討論，克服設備和資源不足的問題，引導學生全面學習機電綜合知識，將機械、電氣和智能控制融合，全方位提升機電專業(yè)學生的專業(yè)素養(yǎng)和職業(yè)能力。

1機電綜合課程介紹

機電綜合課程是一門融合機械工程與電氣工程相關(guān)知識的課程，旨在培養(yǎng)學生在機電一體化領(lǐng)域的綜合能力。其目標就是將機械和電氣知識整合，使學生理解機電一體化系統(tǒng)的工作原理和設計方法。提升機電專業(yè)學生的綜合職業(yè)能力，需要夯實專業(yè)基礎(chǔ)，提升專業(yè)能力，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，通過工學一體的教學模式，校企結(jié)合，全方位提升學生的綜合機電應用能力，通過實踐環(huán)節(jié)，提高學生的簡單機電系統(tǒng)設計、調(diào)試能力和電氣控制線路的安裝與檢修技能[1]。

機電綜合課程以就業(yè)為導向，讓學生具備機械和電氣方面的綜合知識與技能，能夠適應機電設備維護、機電系統(tǒng)設計等多種崗位需求，增加在制造業(yè)、自動化行業(yè)等領(lǐng)域的就業(yè)機會。機電設備操作人員的個人發(fā)展要與企業(yè)發(fā)展相結(jié)合，提升學生的綜合素質(zhì)，培養(yǎng)學生的工程思維、創(chuàng)新能力和解決實際問題的能力，有助于他們適應人工智能社會的新要求。行業(yè)要發(fā)展，對人才綜合職業(yè)能力的要求更高，綜合機電課程所培養(yǎng)的綜合性人才能夠一定程度上滿足行業(yè)發(fā)展對人才的需求，有利于推動行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，促進行業(yè)發(fā)展和技術(shù)升級。

2 CADe_SIMU軟件簡介

CADe_SIMU軟件作為一款電氣制圖模擬軟件，憑借其小巧的體積、卓越的性能和易用易懂性，成為機電一體化專業(yè)學生學習機電專業(yè)課程的首選工具。對于初學者來說，CADe_SIMU軟件作為入門級的設計和仿真軟件能滿足個人學習需求，實現(xiàn)電路設計的多樣化和自由化。它具有豐富的功能模塊，可以讓電路圖繪制變得輕松高效。它還能為線路設計和仿真提供全面支持，可通過原理圖設計仿真和實際元件綜合布線相結(jié)合提升學生的學習效果[2]。

2.1 軟件通用性好

CADe_SIMU軟件擁有友好且直觀的電氣圖形繪制工具，用戶可以通過拖放元件和連線的方式繪制電氣圖，方便快捷。CADe_SIMU軟件具備強大的電氣控制仿真功能，提供了全面的PLC仿真功能，能夠模擬和調(diào)試復雜的電氣控制系統(tǒng)，它擁有的元件庫和豐富的仿真器件，可以進行真實場景的虛擬仿真，通過軟件仿真，避免了器件品種、規(guī)格和數(shù)量不足的困擾，同時可以避免儀器損壞等問題。CADe_SIMU軟件能夠支持多種訓練模式，包括驗證型、測試型、設計型、糾錯型和創(chuàng)新型等，這些模式可以滿足不同學習目標和實踐需求，有助于培養(yǎng)學生的理論應用能力和解決問題的能力[2]。

2.2性能完善，能夠進行綜合仿真

CADe_SIMU軟件的元件庫包含電氣控制、電子線路、邏輯控制、氣動仿真模塊、PLC控制模塊、實際控制模塊等，軟件幾乎包含了能夠用到的電氣設計功能，是綜合設計仿真的好助手。以氣動機械手設計為例，軟件能夠提供幾種不同的氣動回路，便于學生進行選擇和分析，通過不同的回路設計讓學生學會基本的氣動回路[2]。設計過程可以通過繼電器回路的設計驅(qū)動氣動回路實現(xiàn)機械手的動作，仿真過程可以清楚地看到氣動機械手的動作過程和系統(tǒng)元件的具體動作，繼電器的得電和失電狀態(tài)在軟件中有明確顯示。進行PLC改造和優(yōu)化過程中，通過PLC的外部接線，元件符號命名關(guān)聯(lián)，開關(guān)器件的選擇等提升學生的PLC技能，通過梯形圖設計的程序觀察系統(tǒng)運行情況，進行系統(tǒng)仿真。軟件給機電綜合項目的學習提供了更多的可能性，能夠幫助學生全方位對機電綜合控制項目進行學習，全面提升職業(yè)素養(yǎng)和職業(yè)技能[2]。

3CADe_SIMU軟件在機電綜合課程教學中的應用

作為機電綜合課程的典型項目，氣動機械手項目涵蓋了機械構(gòu)造和設計專業(yè)知識、氣動專業(yè)知識、電氣設計和運行專業(yè)知識、PLC外圍控制和編程的專業(yè)知識等，知識面廣，專業(yè)要求高，下面以氣動系統(tǒng)設計、電氣化設計和改造為例進行討論分析[3]。

3.1 氣動系統(tǒng)設計

CADe_SIMU軟件自帶幾種簡單氣動系統(tǒng)，針對氣動機械手，軟件提供了兩種不同的設計思路，可以選擇單作用機械手或者雙作用機械手，機械手的主控采用二位三通電磁閥或者二位五通電磁閥，電磁閥采用雙電控的方式便于系統(tǒng)進行初始位的設置。機械手運行過程速度控制采用單向節(jié)流閥反向串聯(lián)的方式或者雙作用口單控的方式實現(xiàn)，節(jié)流的調(diào)整根據(jù)系統(tǒng)運行仿真的速度進行調(diào)整設定，能夠更好地調(diào)整機械手抓取物體的速度和力度。在機械手運行過程中，要進行準確定位，采用磁性開關(guān)對機械手初始位和抓取位進行準確定位，方便對電氣控制回路的設計和保護，如果考慮到后期的PLC設計和優(yōu)化，可以采用三線制磁性開關(guān)，結(jié)合軟件提供的西門子PLC模型，選取PNP型的三線制傳感器，這樣在外部接線時就不會出現(xiàn)接線錯誤或者通電試車故障不通的現(xiàn)象[3]。

機械手氣動系統(tǒng)的選擇。考慮到工業(yè)現(xiàn)場和具體要求，適宜采用雙作用氣動系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)首選，在元器件選擇上，氣源可采用AC220V供電的空壓機，壓力值達到 0.8MPa ，儲氣罐容積 10L 以上，電機功率 1kW 以下；單向節(jié)流閥采用亞德客小型節(jié)流閥，壓力1MPa以下即可；兩位五通雙電控電磁換向閥采用亞德客或者正泰品牌均可，電壓類型選擇DC24V，功率5W左右。

3.2氣動系統(tǒng)的電氣化設計和改造

氣動機械手電氣化系統(tǒng)的設計調(diào)試，要充分結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場的實際，在氣動系統(tǒng)中選用了DC24V的氣動元件，這就要求在電氣控制系統(tǒng)設計中要采用直流電源進行電氣設計。工業(yè)現(xiàn)場沒有現(xiàn)成的直流電源可用，往往能夠提供AC220V和AC380V兩種不同的控制電壓，所以在系統(tǒng)設計中就要考慮開關(guān)電源的使用，系統(tǒng)要具備必要的短路和過載保護，電氣化設計的方向上，設計過程采用間接控制的方式更加有利于實現(xiàn)電氣化的控制和保護。

3.2.1 電氣設計圖紙

氣動機械手的電氣化設計采用簡單的點動控制方式，由于雙電控電磁換向閥自身的自鎖特性，當左位電磁閥得電時，二位五通雙電控電磁換向閥置于左位，由于沒有彈簧復位，保持在左位，讓氣動機械手夾緊且保持夾緊狀態(tài)。當右位電磁閥得電時，二位五通雙電控電磁換向閥處于右位換向，氣動機械手釋放，夾爪松開并保持。采用點動的設計方式優(yōu)點是線路設計簡單，便于操作，對于基礎(chǔ)操作人員來說便于理解和操作；缺點是線路設計不可靠，容易存在接觸不良或者因線路老化等帶來的不動作的故障[1]。為了更可靠地實現(xiàn)氣動機械手的操作，可以對線路進行優(yōu)化，采用自鎖的控制方式，更加安全可靠地實現(xiàn)氣動機械手的抓取和釋放。

3.2.2 電氣設計圖紙優(yōu)化

優(yōu)化后的電氣圖紙設計如圖1所示。

圖1中，通過兩個中間繼電器KA1和KA2實現(xiàn)對二位五通電磁閥換向的自鎖控制，能夠更加可靠地實現(xiàn)二位電磁閥線圈的得電。氣動機械手的終端限位采用三線制PNP型磁性開關(guān)，磁性開關(guān)的限位能夠保證機械手抓取或者釋放后，二位五通電磁換向閥可靠的失電，避免機械手保持無法換向。三線制PNP型磁性開關(guān)通過指示燈的識別準確判斷機械手的到位情況，由于采用終端的限位保護控制，在選取磁性開關(guān)時時候采用常閉型的磁性開關(guān)，而選取PNP型的目的是為了方便后期通過西門子PLC進行智能化改造，如果采用NPN型的磁性開關(guān)傳感器，后期改造時適合用三菱型PLC，由于CADe_SIMU軟件內(nèi)含西門子PLC模型，因此在選取時通常采用PNP型的磁性開關(guān)。

3.2.3 電氣設計原理分析

電氣回路設計時從220V交流電引入到總控開關(guān)QF上，空氣開關(guān)QF帶熱脫扣和電磁脫扣器，能夠進行短路和過載的保護，空氣開關(guān)輸出電流進入開關(guān)電源V，實現(xiàn)把交流220V變成直流 24V ，開關(guān)電源的作用是整流，整流輸出的直流電連接中間繼電器和電磁閥線圈。線路設計采用直流的方式，因此在選取中間繼電器和電磁換向閥時要選取直流24V的電氣元件，否則不能正常使用。當按下啟動按鈕SB1時，中間繼電器KA1得電自鎖，電磁閥線圈EV1得電，二位五通雙電控電磁換向閥換向左位，氣壓通過1、4口進入單向節(jié)流閥1V2，單向閥起作用，全壓進入氣動機械手，單向節(jié)流閥1V3起到調(diào)節(jié)機械手抓取速度的作用，節(jié)流閥起作用。當氣動機械手夾緊抓取物體后，檢測傳感器B1檢測到位動作，常閉點斷開，切斷KA1控制回路，左位電磁線圈EV1斷電，得電后抓取的動作如圖2所示。

當按下啟動按鈕SB2時，中間繼電器KA2得電自鎖，電磁閥線圈EV2得電，二位五通雙電控電磁換向閥換向右位，氣壓通過1、2口進入單向節(jié)流閥1V3，單向閥起作用，全壓進入氣動機械手，單向節(jié)流閥1V2起到調(diào)節(jié)機械手抓取速度的作用，節(jié)流閥起作用。當氣動機械手釋放松開物體后，檢測傳感器B2檢測到位動作，常閉點斷開，切斷KA2控制回路，右位電磁線圈EV2斷電。過程中的速度調(diào)節(jié)依靠單向節(jié)流閥的節(jié)流調(diào)節(jié)功能，實現(xiàn)氣動機械手的抓取和釋放比較平滑。

圖1電氣設計優(yōu)化圖紙

圖2氣動機械手得電后動作

4氣動機械手智能化設計和改造

CADe_SIMU軟件具備豐富的PLC模型庫，軟件中的元件庫可以進行PLC外圍控制和仿真，借助系統(tǒng)自帶的西門子PLC模型，可以搭建控制系統(tǒng)，進行模擬仿真和動作，進行氣動機械手系統(tǒng)設計內(nèi)容的鑒定和調(diào)整，通過外圍接線搭建和PLC簡易編程，能夠?qū)鈩訖C械手系統(tǒng)進行綜合設計和仿真[3]

4.1 PLC外圍系統(tǒng)

通過CADe_SIMU軟件進行機械手系統(tǒng)設計時，外部接線圖如圖3所示。

考慮到PLC帶負載的能力較弱，在實際設計時，PLC的輸出端通過單獨的開關(guān)電源供電，而自身所帶的24V直流電只連接三線制磁性開關(guān)，PLC的供給電源為交流220V，外圍接線時要考慮到用線的規(guī)格和顏色，火線采用紅色線，零線采用藍色線，地線采用黃綠雙色導線。PLC的輸入和輸出在線顏色的選擇上，正極線采用紅色線，負極線采用黑色線。由于西門子PLC選取的是PNP型，對應的磁性開關(guān)也為PNP型，所以在外圍接線時，輸入端采用共正接線，而輸出端采用共負接線，這樣便于PLC的正確使用和調(diào)試。

4.2 氣動機械手I0分配

CADe_SIMU軟件進行智能化設計過程中，對氣動機械手要精準定義I0，否則在程序調(diào)試過程中容易出錯，尤其要注意兩個磁性開關(guān)定位功能的使用，抓取和釋放的定義明確區(qū)分，具體I0分配如表1所示。

表110分配表

4.3氣動機械手梯形圖設計和調(diào)試

氣動機械手外圍控制和I0分配好后，要對PLC進行編程，軟件提供了基本編程所需要的符號，如常開點、常閉點、線圈、置位指令、復位指令、脈沖指令和定時器指令等，可以根據(jù)自己的編程習慣進行編程和調(diào)試，本文以最簡單的梯形圖指令進行編程，借鑒起保停程序?qū)鈩訖C械手進行編程仿真，系統(tǒng)能夠完整地運行，梯形圖程序如圖4所示。

PLC仿真系統(tǒng)的調(diào)試由于動作時間短，磁性開關(guān)的動作快，要準確調(diào)試就需要反復操作按鈕，確認機械手能夠可靠地抓取和釋放，并同步監(jiān)控程序里的常開點和常閉點及線圈的得電情況。由于在外圍控制中使用了常閉點，在編程時要注意采用常開符號編程，這是作為編程者應該掌握的基本知識點。

5 結(jié)束語

本文利用CADeSIMU軟件進行綜合設計，復現(xiàn)了機械手抓取和釋放動作，提出通過計算機軟件綜合設計，克服設備資源緊缺的問題，實現(xiàn)機電綜合仿真。本文對機電綜合仿真項目—氣動機械手的電氣化設計進行了綜合分析，通過繼電器回路設計和PLC智能化改造兩個方向?qū)鈩訖C械手進行控制，通過軟件設計和仿真練習，提高學生的機電綜合設計能力，展示了CADe_SIMU軟件在機電一體化設計中的作用和優(yōu)勢[2]。該軟件在機電綜合方向的教學培訓中具有推廣性，可提升機電專業(yè)人員的綜合能力，因而應繼續(xù)加強對CADe_SIMU軟件的研究、應用和開發(fā)，有效提升機電一體化專業(yè)教學質(zhì)量。

6 參考文獻

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[2]潘春玲.基于CADeSIMU的三相異步電動機仿真分析[J].河北軟件職業(yè)技術(shù)學院學報，2021，23（1）：19-22，43.

[3]靳宏，左右祥．基于PLC的氣動機械手控制系統(tǒng)設計[J].科技創(chuàng)新與應用，2023，13（6）：49-52.

圖3PLC外部接線圖

圖4梯形圖程序