产线装备数字化仿真与装调（NX MCD）课件 项目六 压装装置的数字孪生机电联合装调与控制

项目六

压装装置的数字孪生机电联合装调与控制知识目标1.了解压装装置的功能、运行原理及常见的结构形式。2.掌握机械压装和气动压装装置中常用的光纤传感器和光电传感器的原理、结构及应用。3.掌握使用MCD基于数字化模型进行仿真运行的方法。4.熟练掌握使用数字孪生技术进行装置虚拟调试的方法。5.熟练掌握机械压装和气动压装装置的机械组装步骤和电气接线步骤。6.掌握基于虚拟调试的压装装置实体调试的方法。技能目标1.能熟练完成基于NXMCD的压装装置仿真运行验证。2.能结合NXMCD模型和PLC程序，熟练完成装备的软在环或硬在环虚拟调试。3.能根据电路图和气动图，正确安装两类压装装置的电路和气路。4.能正确安装和使用各类气缸，能正确组建气动系统等。5.能正确基于虚拟调试，完成压装装置的机电实体调试。

在产线生产中，会经常使用类似冲压的实现快速下压的装置（包括冲压设备），该类装置承担了大量产线生产加工或装配的职能。压装装置及其作用要实现快速且一定冲力下压的动作，压装设备可采用多种机构或部套件来实现。目前比较常见的为以下两种形式。（1）气动或液压方式——气液压装。气动和液压技术是在提供压力或拉力时最常见的方式之一。通过气缸、油缸和气液增压缸等部套件，可以方便地经控制为产线中的压装设备提供压装所需的明确动力。（2）机械方式——凸轮机构压装。凸轮机构是传统冲压机的典型结构型式。通过凸轮机构的偏心运动，可以便利地获得周期性下压力，完成压装操作。因而这种典型的机械方法也被广泛应用于压装设备。由于在产线中，压装装置通常是需要与产线中的其余装备进行联合生产和节拍协同的，压装装置可以通过向专业制造商配套订购，也可根据产线实际需要自行设计制造。气动技术

系统一般由气泵、气动二联件、气缸、电磁阀、检测元件和控制器等组成，能实现气缸的伸缩运动控制。气动系统是以压缩空气为工作介质，在控制元件的控制和辅助元件的配合下，驱动气缸直线或回转运动，并对外做功。

一个完整的气动控制系统基本由气压发生器（气源装置）、执行元件、控制元件、辅助元件、检测装置以及控制器等6部分组成。

通常来说，产线装备以静音气泵或以工厂架设的气动系统作为气压发生装置，包括空气压缩机、安全阀、过载安全保护器、储气罐、压力指示表及气源开关等部件。气动系统气缸

在气动控制系统中，气动执行元件是一种将压缩空气的能量转化为机械能，实现直线、摆动或者回转运动的传动装置。在产线的气动系统中常用的执行元件是气缸，其中直线行程气缸用于实现直线往复运动，转动气缸则实现摆动或回转运动的动作。气缸作为气动控制系统中重要的组成部分被广泛应用在产线装备中。为满足各种应用场合的需要，实际设备中使用的气缸的结构特点与应用场合也都不尽相同，根据使用特点主要有普通气缸、多面安装气缸、薄型气缸、无杆气缸、气动手指、转动气缸等。a)b)c)

d)e)f）a）普通气缸b）多面安装气缸c）薄型气缸d）无杆气缸e）气动手爪f）转动气缸气动控制元件在气动控制系统中，气动控制元件控制和调节压缩空气的压力、流量和流动方向，以保证执行元件具有一定的输出力和速度，并按设计的程序工作。控制元件主要有压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。压力控制阀用于控制系统中压缩空气的压力，以满足各种压力需求与节能；流量控制阀通过对流量的控制，达到控制气缸运动速度、控制换向阀的切换时间和气动信号的传递速度；方向控制阀通过改变空气的流动方向和气流通断来控制执行元件启动、停止和运动方向。a)b)c)a)气动三联件b)单向节流阀c)电磁换向阀

气动三联件为将分水滤气器、减压阀和油雾器组合在一起，可稳定系统气压；单向节流阀由单向阀和节流阀并联而成，常用于控制气缸的运动速度。单向节流阀上带有气管的快速接头，只需将气管插入快速接头即可，使用方便，因而得到广泛应用。为了简化控制回路与气路的连接，优化控制系统的结构，通常将多个电磁阀及相应的气控和电控信号接口、消声器和汇流板等集中在一起组成电磁阀岛。凸轮机构

凸轮机构是一种常见的运动机构，是由主动件、从动件和机架组成的高副机构。一般情况下凸轮作为主动件，凸轮具有曲线轮廓或凹槽，在旋转的过程中呈现典型的偏心特征，从动件与凸轮作点接触或线接触，由凸轮的回转运动或往复运动推动从动件作规定往复移动或摆动。凸轮机构型式多种多样，按凸轮形状分类可分为平面凸轮和空间凸轮；按从动件形状分类可分为尖顶从动件、滚子从动件、平底从动件、曲面从动件等；按照从动件的运动形式分为移动从动件和摆动从动件凸轮机构。

该装置主要由冲压气缸、伸缩气缸、手指气缸、冲压到位检测传感器、入料口检测传感器、伸出到位传感器、电磁阀、接线端子等组成。本项目中气动压装装置需要将图中所示的铜片零件压入电池盒零件。在

产线的连续生产中，由手指气缸完成上述两个零件的夹取，伸缩气缸完成物料的进入工作位和推出工作位操作，冲压气缸完成将铜片向下压入继电器盒的操作。仿真序列节拍图结构分析与仿真验证

机械压装（凸轮）装置的生产流程与气动压装装置相似，其向下压装的动作由凸轮机构模组完成。仿真序列运行逻辑表序号点击对象条件设置值仿真序列描述是否运行链接1物料平移夹紧的位置控制

定位：-5mm；速度：5mm/s（可自定）当仿真序列开始时，先确保将夹紧物料的手指气缸松开。

2驱动凸轮速度控制（机械压装装置需设置）驱动凸轮原位检测距离传感器（已触发）=false速度：200°/s（可自定）当仿真序列开始时，先确保驱动凸轮处于原位。

3物料平移夹紧的位置控制入料口处距离传感器（已触发）=true定位：0mm；时间：0s当检测到入口处有物料，手指气缸夹紧物料。

4物料送入送出位置控制

定位：97.7mm；速度：40mm/s（可自定）物料送入压装工作区。向上链接5压装冲头上下位置控制

定位：21.5mm；速度：5mm/s（可自定）当物料送至压装工作区，冲头向下进行压装。向上链接6压装冲头上下位置控制（气动压装装置需设置）

定位：0mm；时间：0s（可自定）压装完成后，冲头向上复位。向上链接驱动凸轮速度控制（机械压装装置需设置）

速度：200°/s（可自定）当物料送至压装工作区，驱动凸轮带动冲头向下进行压装。向上链接驱动凸轮速度控制（机械压装装置需设置）驱动凸轮原位检测距离传感器（已触发）=true速度：0°/s（可自定）压装完成后，冲头向上复位。向上链接7物料送入送出位置控制

定位：0mm；时间：0s（可自定）伸缩气缸将物料送出到夹取位置。向上链接8物料平移夹紧的位置控制

定位：-5mm；速度：5mm/s（可自定）手指气缸打开，物料可经由后续机械手夹取。向上链接虚拟调试

在产线中，压装装置承接多自由度上料机械手运送来的物料，首先通过传感器判断自动将设备调整至接料状态；物料送至入料口后，手指气缸夹紧物料，再送至压装工作区；完成压装后，伸缩气缸将物料夹紧组件推出；最后手指气缸打开，由机械手搬运并移送至下一流程，完成物料的压装全过程。在设计该装置的PLC程序时，在装置的入料口、手指气缸、伸出缩回气缸和压装处都设置了条件信号。PLC控制程序的逻辑设计与任务1的仿真序列逻辑基本一致，区别为：仿真序列的入口有料检测采用距离传感器模拟，非对应的信号；在虚拟调试环节，入料口、伸出到位、冲压到位等检测为基于信号适配器与PLC的信号映射，为与PLC交互的真实信号。PLC端信号分析与设置

输入信号为BOOL型变量，分别对应四个检测传感器信号；输出信号也为BOOL型变量，用于提供驱动电磁阀的启动信号，或用一个实数型变量存放驱动凸轮的运行速度值。信号类型序号符号名IO地址数据类型附注输入信号1入口物料检测%M0.0布尔型（BOOL）装置入口处是否有料2夹紧到位检测%M0.1布尔型（BOOL）装置入口处物料是否被夹紧3伸出到位检测%M0.2布尔型（BOOL）物料连同伸出缩回组件是否伸出到位4压装到位检测（气动压装装置需设置）%M0.3布尔型（BOOL）气缸向下压装是否到位驱动凸轮原位检测（机械压装装置需设置）%M0.3布尔型（BOOL）确认驱动凸轮是否处于原点位置输出信号5夹紧气缸电磁阀%M1.0布尔型（BOOL）电磁阀启动信号6伸缩气缸电磁阀%M1.1布尔型（BOOL）电磁阀启动信号7压装气缸电磁阀（气动压装装置需设置）%M1.2布尔型（BOOL）电磁阀启动信号驱动凸轮速度（机械压装装置需设置）%MD4布尔型（BOOL）驱动凸轮的回转速度NXMCD端信号分析与设置输出信号适配器输入信号适配器信号名称机电参数数据类型备注入料口有料入料口处距离传感器.[已触发]布尔型入料口有料检测信号物料夹紧手指气缸处距离传感器.[已触发]布尔型手指气缸夹紧检测信号物料送出伸缩气缸处距离传感器.[已触发]布尔型推料气缸伸出到位检测信号压装到位（气动压装装置需设置）压装冲头处距离传感器.[已触发]布尔型压装气缸伸出到位检测信号驱动凸轮原位检测（机械压装装置需设置）驱动凸轮原位检测距离传感器.[已触发]布尔型驱动凸轮原位检测信号信号名称机电参数数据类型备注夹紧气缸电磁阀对应：物料平移夹紧位置控制.[定位]布尔型电磁阀启动信号伸缩气缸电磁阀对应：物料送入送出位置控制.[定位]布尔型电磁阀启动信号压装气缸电磁阀（气动压装装置需设置）对应：压装冲头上下位置控制.[定位]布尔型电磁阀启动信号驱动凸轮速度（机械压装装置需设置）对应：驱动凸轮速度控制.[速度]双精度型驱动凸轮回转速度赋值软在环设置与操作虚拟PLC组态设定变量/程序块完成信号关系式设置[信号适配器]外部信号配置信号映射信号关系式序号指派对象关联对象公式备注1入料口有料入料口处距离传感器.[已触发]入料口有料=入料口处距离传感器.[已触发]若入料口处距离传感器被触发，则入料口有料信号被赋值2物料夹紧手指气缸处距离传感器.[已触发]物料夹紧=手指气缸处距离传感器.[已触发]若手指气缸处距离传感器被触发，则物料夹紧信号被赋值3物料送出伸缩气缸处距离传感器.[已触发]物料送出=伸缩气缸处距离传感器.[已触发]若伸缩气缸处距离传感器被触发，则物料送出信号被赋值4压装到位（气动压装装置需设置）压装冲头处距离传感器.[已触发]压装到位=压装冲头处距离传感器.[已触发]若压装冲头处距离传感器被触发，则压装到位信号被赋值驱动凸轮原位检测（机械压装装置需设置）驱动凸轮原位检测距离传感器.[已触发]驱动凸轮原位检测=驱动凸轮原位检测距离传感器.[已触发]若驱动凸轮原位检测距离传感器被触发，则原位检测信号被赋值5物料平移夹紧位置控制.[定位]夹紧气缸电磁阀If(夹紧气缸电磁阀=1)Then(定位=-5)Else(定位=0)若夹紧气缸电磁阀被触发，则给物料平移夹紧位置控制赋相应定位值6物料送入送出位置控制.[定位]伸缩气缸电磁阀If(伸缩气缸电磁阀=1)Then(定位=97.7)Else(定位=0)若伸缩气缸电磁阀被触发，则给物料送入送出位置控制赋相应定位值7压装冲头上下位置控制.[定位]压装气缸电磁阀（气动压装装置需设置）If(压装气缸电磁阀=1)Then(定位=21.5)Else(定位=0)若压装气缸电磁阀被触发，则给压装冲头上下位置控制赋相应定位值驱动凸轮速度控制.[速度]驱动凸轮速度（机械压装装置需设置）驱动凸轮速度控制.[速度]=驱动凸轮速度将输入的驱动凸轮速度赋值给驱动凸轮速度控制硬在环设置与操作虚拟PLC组态设定变量/程序块完成信号关系式设置[信号适配器]外部信号配置信号映射机械与电气装调机械组件横移模组的安装架体安装手指气缸模组的安装伸缩气缸的安装传感器

1）工件检测用光电开关的安装。工件有无检测采用GTB6-P1212型光电开关。2）磁性开关的安装。三个气缸中，冲压气缸和手指气缸采用D-M9B型无触点磁性开关。传感器D-C73型磁性开关为有触点磁性开关，其透过磁簧管内的两个簧片，在感应到磁场时磁化并相互吸合，进而机械性地接触导通电路并发出信号；当磁场强度减弱，低于保持吸合的强度时则两簧片弹开，开关断开。

磁性开关有2线式和3线式两种，通常设置为茶色（棕色）和蓝色，接线时需要弄清其引出线不同的含义再进行准确接线使用，未按照正确方法接线可能会导致磁性开关不工作或者磁性开关的损坏。

该磁性开关尺寸较大，首先将固定套环安装于笔形气缸的缸筒上，再以螺钉将磁性开关通过安装孔锁紧。此处的磁性开关用于检测气缸伸出是否到位，因而需要安装在距离活塞杆伸出一端。传感器输出导线颜色输出动作输出1（OUT1）黑（BK）入光时ON输出2（OUT2）白（WH）遮光时ON

该传感器用于检测凸轮机构的原点位置，以使得凸轮机构在压装动作前可以回到初始位置，并且得以对凸轮转动的实际角度进行控制。光电传感器的安装较简单，凸轮轴上事先安装了检测用转盘，该转盘与凸轮轴保持同时旋转。而在该处使用U型光电传感器，只需通过安装板安装于座体侧面相应位置，并保证检测用的转盘零件可顺畅通过光电传感器中部的U形空隙即可。气路设计与连接1）气动元件安装。气动压装装置应用了三个二位五通电磁阀，机械压装装置则应用两个二位五通阀，将二位五通电磁阀组成阀岛装在底板上。阀岛共用一个进气口，将所有气口气口（1进气、6出气【气动压装】/4出气【机械压装】）安装好气管接头，为每个气缸的两个气口拧好节流阀。2）电磁阀并装后，进气口外接气源，三个二位五通电磁阀的出口分别用气管连接至手指气缸和伸缩气缸等的节流阀。电磁阀的电源及信号线一端通过快速插头接入电磁阀端，另一端则接入设备侧IO端子台。1）进行设备侧端子台接线。PLC输入PLC输出地址信号说明地址信号说明I0.0入料口有料检测Q0.0夹料电磁阀I0.1夹料夹紧检测Q0.1冲压电磁阀I0.2伸出到位检测Q0.2伸缩电磁阀I0.3冲压到位检测

电路连接PLC输入PLC输出地址信号说明地址信号说明I0.0入料口有料检测Q0.0夹料电磁阀I0.1夹料夹紧检测Q0.1凸轮冲压电机I0.2伸出到位检测Q0.2伸缩电磁阀I0.3凸轮原点位置检测

设备侧与控制侧的接线在设备侧完成传感器、电源端子等引线到设备侧接线端口之间的接线，再通过IO信号电缆进行设备侧与控制侧联接。机电实体调试装置在进行实体调试时需要先进行各类型气缸、光电开关和磁性开关的调整，使各元器件运行正常；再修改PLC程序的变量表并将程序下载入实体设备，进行最后的机电实体调试。虚拟调试时所使用的输入信号均为PLC的内部继存器，因而程序在完成硬在环调试后下载到真实设备上时，PLC程序不需要修改，也不需要映射IO。但由于在做虚拟调试时，由于无法修改真实PLC的IO，所以使用PLC内部寄存器的M点。在调试真实设备时，需要修改回原来的I点和Q点。装备调整1）气缸调整。通过气动三联件完成气动系统的供气气压调节后，该装置中的三个气缸都需要通过调节单向节流阀调节气缸运行速度。2）光电传感器调整。GTB6-P1212型光电传感器上电之后，电源指示灯绿灯亮起，将需要被检测的物料放置在检测位置，调节传感器的距离检测旋钮，使传感器工作指示灯黄灯亮起，PLC相应点位得电指示灯亮，之后将物料拿开黄色指示灯熄灭，PLC相应指示灯熄灭，传感器调解即完成。（注：无物料的检测距离不宜过大，易造成误差）。3）光电传感器（PM-L25-P）调整（机械压装装置）。传感器上电之后，红色指示灯亮起，手动转动精密旋转电控台，将传感器检测挡片移动至传感器槽内，若挡住了光源，传感器红色指示灯熄灭，传感器得电发出信号，若未传感器指示灯未熄灭则需要调整挡片位置至传感器指示灯熄灭得电。4）无触点磁性开关调整先将磁性开关的固定螺丝拧松，使其可以在气缸的导轨中自由移动。上下移动下限检测的磁性开关，使其上面的工作指示灯亮起时，停止移动，将磁性开关固定。之后按下气缸电磁阀的手动控制按钮并锁住，这时气缸升起，下限检测的磁性开关指示灯熄灭，然后就可以上下移动上限检测的磁性开关了，同样的方法将上限检测的磁性开关固定完成，松开电磁阀的手动控制按钮，出现下限检测指示灯亮起，上限检测指示灯熄灭，即完成检测的位置调试。5）有触点磁性开关调整。压装装置中的伸缩气缸使用了有触点磁性开关D-C73。先将磁性开关固定螺丝拧松，使其可以在气缸上自由移动，再将伸缩气缸调至伸出状态，之后前后移动传感器位置至其上面的工作指示灯亮起时，停止移动，将磁性开关固定钢带螺丝拧紧。之后将气缸缩回初始位置，伸出检测的磁性开关指示灯熄灭，重复伸出缩回几次，确认传感器通断正常后，传感器检测调节完毕。6）修改PLC程序的变量表。对程序的变量地址进行调整和修改，在PLC程序中需新增步进电机方向和脉冲信号，以驱动真实的步进电机运转。若在硬在环虚拟调试时已进行了设置，此处不需再修改。结合实际的接线图，将分度盘送料装置的部分变量地址由虚拟调试时使用的M存储区地址修改为真实IO地址序号变量名（参考）虚拟调试地址实体调试地址数据类型注释1入口物料检测%M0.0%I0.0Bool入料口有料检测2夹紧到位检测%M0.1%I0.1Bool夹料夹紧检测