典藏-基于PLC数据匹配的拆码垛机MCD虚拟样机调试和运动学仿真研究

1、1、引言2、码垛机简介随着德国政府提出德国 2020高技术战略， 工业4.0的概念已经深入人心。我国政府也提出： 到2025年迈入制造强国行列。 我国的工业制造加工 业将迎来发展的快车道。1随着加工制造设备更新换代的加速，现代机械、电气设计的时间也在不断的缩短，新的设计方法层 出不穷。现有的常用设计方法通常为：将机械设备 建立模型后对该模型进行有限元仿真分析和运动学 仿真分析，对电控程序在软件内运行调试，最终待 机械设备和电气设备安装完成后进行联合调试，以 确保该设备符合设计要求。这种设计方法虽然在设 计阶段有部分机械和电气调试仿真，但机械仿真和 电控程序仿真始终是互相独立、不相关的。西门子公

2、司的UGNX软件集成的机电概念设计（MCD ）模块具有将机械运动仿真和PLC控制程序进行集成仿真的功能。该功能可以在虚拟环境中对 所设计的产品进行快速评估，增强机械、电子和自 动化设计师的协作，而且通过虚拟样机的调试减少 了制造样机的时间和成本。2本次研究的码垛机主要用于物流箱的拆垛和码 垛功能，在设计过程中建立基于 UGNX的虚拟样机, 并运用MCD模块对其进行虚拟仿真分析，以得到 相关运动数据。I湍货卜部升降机图1码垛机示意图本次所研究的拆码垛机是针对电表存储单元 电表周转箱，主要功能：入库时进行拆垛功能，出 库时进行码垛功能。总体方案和工作原理。拆垛： 首先人工推运由12个周转箱组成的箱

3、垛到预定位置（图1中垛体所处位置）； 箱垛到位后下部货叉在水平方向伸出，使货叉叉头伸入底部周转箱中部卡槽内； 货叉伸出到位后，下部货叉向上提升50mm ； 与同时橫移货架后退到箱垛取放货位置； 与同时橫移货架货叉运行至顶部周转箱取货位置；到位后橫移货叉伸出使货叉叉头伸入顶部周转箱边部两卡槽内； 橫移货叉伸出到位后，该货叉提升并带动周转箱提升20mm，使该周转箱与其他周转箱分离； 然后橫移货架携带周转箱向前移动（向辊道方向）； 橫移货架到达辊道取放货位置后，橫移货叉带动该周转箱下降，直至将周转箱放在辊道上，随后货架货叉分开 之后橫移货架后退移动到箱垛取放货位置。辊道转动输送辊道上箱体离开。程序重

4、复 步骤直至 12箱体运送完毕完成拆垛过程。3、MCD模块简介MCD可为产品设计的全新方法提供支持。功能分解作为机械、电气以及自动化学科之间的通用语言，通过这种设计手段，在产品设计的早期概念设计阶段，可以协调各个学科进行协同设计，并行 运行。1 机械工程师可以根据模型的外形尺寸和运动规律创建机械模型。2. 电气工程师可以根据仿真来确定光电传感器或驱动器的参数。3自动化编程人员可以设计机械的基本逻辑行为，首先设计基于时间的行为，然后定义基于事件的控制。3MCD可对一系列行为进行仿真，包括验证机械概念所需的一切，涉及运动学、动力学、碰撞、驱动器弹簧、凸轮、物料流等方面。4虚拟样机的联合仿真4.1仿

5、真设置首先将模型导入至机电概念设计模块MCD的基本运行流程如图 2所示。1、对设备升降、抓取、气缸、箱子等需要运动 的部件，定义其刚体的属性；定义完成后软件会自 动赋予部件质量属性。同时对于箱子设置对象源和对象收集器，对象源表示箱子可源源不断的从这里生成；对象收集器则是收集这些箱子的。2、定义碰撞体：对于有接触和力的传递部件，需要在其刚体属性的基础上对其进行碰撞体定义。 抓取手一次要抓取一个箱子，从位置1移动到位置2;则需要对抓取手与箱子有力的传递位置定义碰撞 体；或者对整个抓取手和整个箱子全部定义位碰撞 体。图2 MCD仿真流程图3、运动副的定义：对各种运动需要定义其运动 副才能运转，UGN

6、X提供了多种运动副可以使用， 用法与运动学仿真一致，也可以通过运动学仿真定义后再导入到机电概念设计内使用。对堆垛机定义 升降、横移、抓取等运动。如下图所示。-二冉倉器叩挂u芜団& LneLrinaticBollj 回摆二机i(AI ranpoiiSurfflicedJi-EZ 雌MZ二右汙降田喩二EZ二丰汙阵PI/HE千降图3定义运动副fc BJiHBli a；0码I El空-Sz M:EM* 步师KU 田 ?SPIi-KE刃邑良工启应H? 钗盂昊申虺:a f*.ft7*r*ijjy0竺广;ti用启刃Mm*豐产*u!3兰侥黑三卉上騙升x二叮-耳一： 升生戏卫 =|-Sit升电赍总样吕屯 也兰卄

7、至帚匸E*Wt*JB因竺彤牡血0TS图5定义的传感器和执行器5、对升降和横移的运动副添加运动控制， 相关 运动副预先添加初始速度、位移量、力和扭矩的参数；对液压缸和气压缸也有相应的驱动方式可以添 加，而液压缸和气压缸的运动要通过液压阀和气动 阀来控制。6、托辊的面定义位传输面， 对这个面可以赋予 一个运动速度，然后整个托辊的上表面即可按照这 个速度稳定的运行。7、信号，MCD可以创建多种信号，这种信号 以不同的数据类型和符号名存储在符号表内。这些 信号源于之前所创建的传感器、速度控制量、位置图4运动方向示意图4、添加传感器，UG提供多种传感器设置，有 位置传感器、碰撞传感器等。当所定义的运动达

8、到 设计条件时，相关的传感器就会触发，得到信号。 整个设备需要添加位置传感器、检测传感器、碰撞 传感器等多种检测信号；这些信号可以通过 OPC协 议将信号反馈给PLC。的信号映射关联。-事-呈 Q*CEJMwwsrwLftnriYMiiif町工 眄ShkSQM d口 MLJT忙wethswuuKJE片63堂nCAi. ,WmnJ.viihflAfSaJE怦丰虬MiVm施=巧严庄畴B5堂QCIIrtL噌事布*ft輛比餾只忙 0空 3LXZL a=SafrjziJS E出店心RTTV5F!=t上ffcIG 话堂&升上何世昌Itift卉上.80Z 事o评*曲*13巧审科1（园 口堂 HdLMSS鼻升

9、ZJtBhegMfKi凤蔭1拉1|1团M 旦匚材KI矍下 KIRBx ni7MWYU 0 厚9B! 岂 Q4l .3L0IMLafi#3rrRJ.m,Wft-TS-|TiF2!SlPlBl xoeiLj-wwii.MVi-jMA*.!* sfimfe 巳; GtQML* JLtW-hhSft 评 RM vtf_t殖 0堂 a_0AL JRH f a9.M MARTrHai 上 WE sa!吃皿胡和zlnm巧严*直琴Pl堂玛rw粘血他rm拓玛下祁图6 OPC信号匹配图控制等。这些信号可以通过 OPC与外部控制器进行图8运动学仿真横移速度图8、当所有的信号都建立以后，与外部 PLC程 序进行连接，

10、同时运行PLC程序和MCD程序进行仿真。【2这时候操作外部触摸屏对设备进行运行控 制，以查看设备在PLC控制程序下的运动是否符合 设计要求。4.2 MCD与运动学仿真结果对比针对研究RigidBody（ 7）即上部货叉进行研究， 主要研究货叉在横移过程中速度与位置的关系，从 而得出整体升降横移机构的横向、纵向运动规律。然变位设定速度；当横移停止时速度也由运行时直 接下降为0。从而导致图9的结果，也就是设备横 移的位置与时间是线性相关的，是一个非常理想的 运行状态。5而根据实际经验，电机的转速不可能由0突然增加为额定转速，中间有一个缓慢加速的过程。而 用运动学仿真分析很难分析到电机转速的加速和减

11、 速，也就很难分析到由于这个过程所导致的后果。 致使仿真结果不能够准确反映现实情况。4如图7所示：横向移动零位与目标位相距950mm，距离零位和目标位相差 100mm时触碰减速 开关，横移速度开始减速；超过零位和目标位100mm 时极限开关触发，横移急停。100mm lOOwn 1 1 1lOOniin WOmm11IIIW 零枪减速咸速 冃标位槻限图7横移位置示意图图10和图11为利用MCD进行仿真后得到的 结果。图10是仿真时速度与时间的关系，从图中可以明显的看到速度由 0增加到设计速度的加速过 程；在设备以设计速度横移一段时间后触碰减速开 关后减速的过程；减速到寻位速度后开始缓慢横向 移

12、动，直至运行到目标位后停止。同样当反向运动 开始后横移的速度也有加速、减速、寻位等过程。这就使得横移位置与时间的关系如图11所示较为真实可靠，而不是一个线性的关系。图9运动学仿真横移位置图图8所示为模型进行运动学仿真时所得到的结果，图9为运行学仿真时横移速度与时间的关系。根据图8可以看到，当横移开始运行时速度由0突图10 MCD仿真横移速度图图11 MCD仿真横移位置图综上所述可以得到结论： MCD机电概念设计仿真研究速度、位置与时间的关系所得的结果较运动学仿真更为真实、可靠。4.3 MCD研究堆垛机升降横移速度与位置关系运用MCD进行仿真时得到的仿真结果不只可 以输出图，也可以输出每次运行后

13、得到的数据，数 据可以导出到外部表格文件内。所以在实际仿真运 行时需要调用数据，以确定确切的数据。图12升降横移机构升降速度图12和图13为升降横移机构的升降速度和升 降位置与时间的关系。由图可以看到对于不同高度 的箱子升降机构的运行速度是不同的，以适应不同 的高度。根据升降机构位置高度数据与实际箱子的 高度数据相对比，可以得到设计数据与实际运行数 据略有偏差，但是偏差范围在容错范围内，所以升 降运动满足设计需要。动的运行速度；由 260mm/s降低为200mm/s。图14升降横移机构横向移动位置图当速度为200mm/s时，运行后数据如图11所示 正向偏差达到4mm ,负向偏差达到7mm，满足容错 空间。5结论1、通过本文研究可得： MCD机电概念设计仿 真在研究速度、位置与时间的关系时