产线装备数字化仿真与装调（NX MCD）课件 项目五 间歇送料装置的数字孪生机电联合装调与控制

项目五

间歇送料装置的数字孪生机电联合装调与控制知识目标1.了解间歇送料装置的运行特点及其在产线中的作用。2.掌握常用间歇送料装置的运行原理及常见的结构形式。3.掌握槽轮送料和分度盘送料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。4.掌握使用MCD基于数字化模型进行仿真运行的方法。5.熟练掌握使用数字孪生技术进行带步进电机装备的虚拟调试方法。6.熟练掌握槽轮送料和分度盘送料装置的机械组装步骤和电气接线步骤。7.掌握基于虚拟调试的间歇送料装置实体调试的方法。技能目标1.能熟练完成基于NXMCD的装备仿真运行验证。2.能结合NXMCD模型和PLC程序，熟练完成带步进电机装备的软在环或硬在环虚拟调试。3.能根据电路图，正确安装电路。4.能正确安装和使用光纤传感器、光电传感器、直流电机、步进电机等。5.能正确基于虚拟调试，完成间歇送料装置的机电实体调试。间歇送料装置及其作用准确来说，间歇输送指的是在自动化装配或加工操作中，根据工艺的要求，沿输送方向以固定的时间间隔、固定的移动距离将各工件从当前的位置准确地移动到相邻的下一个位置。上方的一系列工件在拨杆的作用下，每次被同步地向前推动相同的距离（两个相邻工件之间的距离），停留一定的时间后又重复下一个循环，因此每个工件每次都同时向前移动一个步距。工件停留下来的时间就可以进行装配、加工等工序操作。

间歇输送是相对于连续输送方式而言的，最典型的间歇输送方式为沿直线方向输送，工件都在一条直线方向上从一个位置向相邻的下一个位置输送，各位置之间相隔相同的距离；另一种典型的方式为沿圆周方向的间歇输送，工件在机构作用下从圆周的一个位置移动到相邻的下一个位置，各位置之间相隔相同的角度。槽轮机构、棘轮机构、棘爪机构、分度机构等。间歇送料装置之所以在自动化生产线上得到大量使用，是因为它们具有以下优点：（1）结构紧凑间歇输送装置将输送过程与生产工艺过程有机结合起来，不仅省略了连续输送方式下产线需要采用的分料、挡料机构，简化了产线的结构，且可以方便地将各种工序集成化，最大限度减小了机器的体积及占用的空间。（2）提高机器的生产效率采用间歇输送的产线由于将各工位的辅助操作时间（工件输送）、工艺操作时间分别完全重合，所以节省了大量的辅助操作时间，最大限度地缩短了机器的总节拍时间，提高了产线的生产效率。由于间歇送料装置的上述特点，其广泛应用于各类自动线和智造产线中进行送料、进给、分度，对产线的运行起到重要的作用。槽轮送料装置

槽轮机构是自动机械中广泛应用的一种间歇运动机构，又称马耳他机构或日内瓦机构，有平面槽轮机和空间槽轮机两种类型。平面槽轮机构又分外啮合和内啮合两种，典型的结构为外啮合平面槽轮机构。

典型的平面槽轮机构由具有径向槽的槽轮1和带有拨销2的拨杆3组成。其中拨杆为主动件，作连续周期性的转动，槽轮为从动件，在拨杆上面的拨销2驱动下作时转时停的间歇运动。（a）拨杆进入槽内；（b）拨杆出槽；（c）拨杆空转1-槽轮；2-拨销；3-拨杆槽轮机构结构简单，工作可靠，机械效率高，而且能准确控制转角，工作平稳性较好，能够较平稳地间歇转位，但因为运动行程（槽轮的转角）是固定的，不可调节，而且拨销突然进入与脱离径向槽时传动存在柔性冲击，所以不适宜用于高速场合。此外，槽轮机构加工精度要求较高，制造成本也更高。

该槽轮送料装置主要由槽轮齿轮组、同步带机构组、落料检测传感器、输送电机、接线端子等组成。本项目中槽轮送料装置的作用是进行电池产品的底座零件的排列和间歇输送。在产线的连续生产中，通过槽轮机构结合同步带机构，将槽轮机构圆周方向的间歇运动转为直线向下的间歇输送，底座零件以一定周期被送至皮带输送装置上。仿真序列节拍图结构分析与仿真验证

电机运转后，带动槽轮齿轮组运行，实现装置预期的功能。小齿轮由电机带动，驱动大齿轮旋转；大齿轮上的槽轮拔销划入槽轮中，带动槽轮运转一个分度；槽轮的分度运动带动下链接齿轮旋转，联合中间的传递齿轮，使得一对中齿轮以相对的方向同步旋转；中齿轮联接同步带机构组，两组同步带机构以等高的齿形拉动物料经落料口下落。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路径约束运动副的位置控制碰撞传感器（已触发）=true速度：30s-1定位：72°（参考值）当槽轮盘切入槽轮（碰撞传感器触发），路径约束运动副驱动物料下落

2小齿轮的速度控制距离传感器（已触发）=true速度：0mm/s（参考值）当物料下落至落料口（距离传感器触发），电机停止旋转

3断开约束距离传感器（已触发）=true活动的：true当物料下落至落料口（距离传感器触发），断开路径约束运动副，可以使物料顺利下落

虚拟调试

在产线中，槽轮送料装置是架设于皮带输送装置上方的。当槽轮送料装置下落的物料落至皮带输送装置，由皮带输送装置通过正向和反向运行，完成产线的生产过程。在设计该装置的PLC程序时，在槽轮送料装置的落料口设置了条件信号。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：仿真序列的落料检测基于距离传感器，为模型本身的虚拟信号；在虚拟调试环节，落料检测为基于信号适配器与PLC的信号映射。装备基于自动控制逻辑，由信号控制运行与停止。PLC端信号分析与设置

直流电机通过PLC输出的24V信号进行驱动。

由于虚拟调试时PLC无法基于真实I和Q地址的输出状态进行设备的调试，在编写PLC程序时，为便于调试，需将输出地址位设置为中间寄存器M中的地址。信号类型序号符号名IO地址数据类型附注输入信号1落料检测%M0.0布尔型（BOOL）槽轮送料装置的落料口是否落料输出信号2槽轮电机启动%M1.0布尔型（BOOL）电机启动信号位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落料检测落料口有料检测.[已触发]布尔型槽轮送料装置落料口检测信号信号名称机电参数数据类型备注电机启动路径约束运动副.[速度控制]双精度型物料下落的路径约束运动副的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落料检测落料距离传感器.[已触发]落料检测=落料距离传感器.[已触发]由落料检测传感器的状态触发落料检测信号2路径约束运动副.[速度控制]电机启动If电机状态Then90Else0当收到电机启动信号，给路径约束运动副的运行速度赋值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架体与电机的安装背部同步带模组的安装槽轮与齿轮组的安装传感器(光电开关)电机（直流减速电机）

装置使用了直流减速电机（70JB40H10+55ZYN001）。直流电机是利用定子和转子之间的电磁相互作用，将输入的直流电能转换成机械能输出的电动机。进行设备侧端子台接线。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。PLC输入PLC输出地址信号说明地址信号说明I0.0落料检测Q0.0槽轮电机送料机电实体调试槽轮送料装置需要先进行光纤传感器的调整，使其运行正常；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）光纤传感器（E3X-NA41）调整。传感器安装完成之后，在传感器检测位置上放一些需要被检测的物料，同时调节光纤放大器上的8旋转灵敏度调节按钮，使放大器的动作指示灯亮起，同时将物料拿开时，动作指示灯熄灭，即调试完成。（注：无物料的检测距离不宜过大，易造成误差）。2）修改PLC程序的变量表。对程序的变量地址进行调整和修改，即可适配真实设备。结合实际的接线图，将槽轮送料装置的部分由外部反馈信号启动程序的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落料检测%M0.0%I0.0Bool落料检测2槽轮电机启动%M1.0%Q0.0Bool电机启动序号常见故障描述故障分析处理方法1PLC在执行绝对位置控制指令时出错

执行绝对定位指令前时，必须先执行回零指令2PLC执行回零时，超出行程范围

1.检查限位开关是否与硬件配置一致2.限位开关工作是否正常3托盘放置于上料口，PLC控制程序不按逻辑执行

1.检测输入点是否接通2.检查光纤传放大器动作指示灯是否亮4托盘放置在上料口，光纤放大器上的动作指示灯不亮

1.检查光纤头工作是否正常2.调整光纤传放大器上的8旋转灵敏度调节旋钮5光纤头受光弱

玻璃纤维没有完全插入光纤放大器中6总线出错

1.检查PLC硬件组态是否正确2.检查通讯连接线3.检查伺服驱动器通讯参数槽轮送料装置常见故障及处理方法分度盘送料装置

分度装置是一种专业化的、高精度的回转分度间歇输送装置，是一种为适应高度自动化、高速化、高精度生产装配场合而专门设计开发的装备。它既可以在圆周方向上进行间歇输送，也可以通过机构变换应用在输送线上，完成直线方向上的间歇输送。

分度装置的核心是分度器，只要在分度器的上方根据生产要求加装特制的圆盘形状的转盘、各种装配执行机构、上下料装置及控制系统后，就组成了一台高效率、高精度的设备。分度器目前比较主流的分度类型为：凸轮分度、蜗轮蜗杆分度、槽轮机构分度、棘轮机构分度、不完全齿轮分度或气动等。分度器的工作循环方式主要有转位分度循环和摆动循环两种，其中转位分度循环是产线生产中最典型且大量采用的工作方式。a)转位分度循环b)摆动循环

装置主要由分度盘、精密旋转台（带步进电机）、步进电机驱动器、原点位置传感器、接线端子等组成。本项目中分度盘送料装置输送的物料为图中所示的电池盒零件。在产线的连续生产中，步进电机驱动精密旋转台实现间歇旋转，电池盒零件以一定周期被送至承接铜片触头零件的位置，由机械手夹取触头零件放置于电池盒内，再旋转一定角度，将对应工位的触头零件周期性地运转至下一工序的抓取机器人的工作位置。这种运作方式宜采用圆周间歇运动，故而采用分度盘这一最常用的圆周间歇送料方式。仿真序列节拍图结构分析与仿真验证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分度盘的速度控制距离传感器（已触发）=true速度：0mm/s当传感器检测到传感器挡片，表示位置已经回零，分度盘停止运行

2分度盘的位置控制

活动的：true回零后，使得[位置控制]的各项设置可以使用向上链接3分度盘的速度控制

活动的：false使得[速度控制]的各项设置可以使用，避免冲突向序号1链接4

时间：0.5s停顿0.5s向上链接5分度盘的位置控制

目标：225°；时间：1.5s分度盘顺时针旋转45°向上链接6

时间：0.5s停顿0.5s向上链接7分度盘的位置控制

目标：270°；时间：1.5s分度盘顺时针旋转45°向上链接8

时间：0.5s停顿0.5s向上链接虚拟调试

在产线中，分度盘送料装置在复位后，经升降机械手将触头零件送至对应位置的电池盒，该电池盒物料顺时针间歇旋转90°后，到达多自由度上料机械手夹取位，分度盘送料装置停止，由机械手完成物料抓取。在设计该装置的PLC程序时，在装置的分度盘底部设置了用于回零条件信号的传感器。PLC控制程序的逻辑设计与仿真逻辑基本一致，区别为：仿真序列的回零检测基于虚拟的距离传感器，为模型本身的虚拟信号；在虚拟调试环节，回零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。装备基于自动控制逻辑，由信号控制运行与停止。PLC端信号分析与设置

输入信号为BOOL型变量，对应装置的原点位置检测传感器信号；输出信号为实数型变量，用于存放分度盘的实时位置值。

由于虚拟调试时PLC无法基于真实I和Q地址的输出状态进行设备的调试，在编写PLC程序时，为便于调试，需将输出地址位设置为中间寄存器M中的地址。信号类型序号符号名IO地址数据类型附注输入信号1原点位置检测%M0.0布尔型（BOOL）分度盘送料装置是否回原点输出信号2分度盘位置%MD4实数型（REAL）装置转盘的实时位置3分度盘速度%MD8实数型（REAL）装置转盘的转动速度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分度盘回零检测回零位置检测.[已触发]布尔型分度盘送料装置回零状态检测信号信号名称机电参数数据类型备注转盘实时位置分度盘位置控制.[目标]双精度型装置转盘的实时位置转盘转动速度分度盘位置控制.[速度]双精度型装置转盘的转动速度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带步进电机的PLC组态2.该装备采用了步进电机，其采用PTO脉冲方式进行电机驱动，1500系列PLC需要增加工艺模块TMPTO41.打开TIAPortal博途软件123.定位轴工艺配置。由于在本装备中，步进电机驱动分度盘旋转，因而在此设置轴类型为“旋转”；由于在虚拟调试中是基于虚拟模型进行虚拟调试，无法完全获取真实载体的运行反馈，需要勾选“虚拟轴”。注：虚拟模型无法设置“硬限位开关”，因而在参数设置中所有相关的触电开关都不勾选。4.位置赋值程序段编写。由于PLC端是通过内置值“ActualPosition”实时获取电机轴的实际位置的，因而在子程序中需完成电机轴位置与转盘位置的换算，并提供转动速度。电机和转盘存在的转速比，也需要在子程序中提前完成换算。在程序中，可直接使用MOVE指令和运算指令将值赋给需要的实时位置、实时速度、设定目标位置等变量。可通过“ActualPosition”获取轴的实时位置，并通过除法运算消除电机轴与转盘之间的减速比。信号关系式序号指派对象关联对象公式备注1原点位置检测回零位置检测.[已触发]原点位置检测=回零位置检测.[已触发]由回零检测传感器的状态触发原点位置检测信号2分度盘位置控制.[目标]分度盘位置分度盘位置控制.[目标]=分度盘位置由PLC端传送的分度盘位置驱动位置控制的目标值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

步进电机采用PTO方式进行驱动，因而需要先在PLC中设置脉冲发生器。“启用脉冲发生器”后，将信号类型选择为“PTO（脉冲A和方向B）”，再讲脉冲输出和方向输出对应至实际地址位。

在真实调试中，需要在轴工艺对象中取消“虚拟轴”设置，并根据方向和脉冲的真实接线地址进行硬件接口设置。驱动器选择“PTO”模式，硬件接口则与前述的PLC中设置的脉冲发生器对应。机械与电气装调机械组件精密旋转台的安装分度盘的安装传感器(光电开关)光电传感器是将光信号转换为电信号的一种器件。其工作原理基于光电效应，是用于检测工件不足或工件有无的一种光电接近开关。在该分度盘送料装置中，光电传感器被用于检测分度盘原点位置，选用的是PM-L25-P型光电传感器（PNP型）。由于该传感器采用中缝遮挡的原理进行信号触发，通常又被形象地称为U型光电传感器。U型光电传感器由两部分组成：发射器和接收器。发射器发光，光线进入接收器，如果发射器和接收器之间的光束被障碍物挡住，接收器即会检测不到入射光，输出电平将会改变，光线隔断是高电平，没有挡住时则是低电平。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精密旋转台

精密旋转台通常使用步进电机，采用蜗轮蜗杆传动结构，使得上圆台面进行分度运行。台面外圈是刻度，可以方便的读出数值与初始定位，使用时只需将自行设计的分度盘与上圆台面进行联接即可。结构角度范围360°

精度分辨率0.03°（无细分）台面尺寸φ100mm0.015°（20细分）中心通孔直径φ30mm最大速度60°/s传动比180:1重复定位精度0.005°=18”驱动机构蜗轮蜗杆绝对定位精度0.01°=36”导轨形式轴承端跳精度15μ标配电机42两相混合步进电机额定电流1.7A

标配有标准DB9接口，方便地配合驱动器实现自动控制。精密旋转台相比传统的分度器，具备体积小、精度高、空回小、寿命长、安装方便等优点。其配合其使用精密蜗轮蜗杆调整机构，可任意正反旋转，并可方便地消除机械误差，保证长期使用精度。步进电机与步进电机控制器步进电机是将电脉冲信号转变为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号时，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步距角）。

步进电机驱动器是一种配合步进电机将电脉冲转化为角位移的装置。由于步进电动机不能直接接到直流或交流电源上工作，必须使用专用的驱动电源（步进电动机驱动器）。它通过驱动步进电机按设定的方向转动一定数量的步距角，通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。驱动器面板端口备注公共端信号公共端0V脉冲脉冲信号输入方向方向信号输入脱机脱机信号输入A+两相混合式步进电机绕组线A-B+B-DC+驱动器电源DC24VDC-

（1）完成精密旋转台与步进电机驱动器的连接与设置。电气装调

精密旋转台的步进电机四线是引接到DB9针型插座上的。

再通过电缆完成DB9针型插座与步进电机驱动器的连接。该电缆一头采用DB9针型插头与插座连接，另一头与步进驱动器相应端口进行连接步进电机侧描述驱动器侧6号脚A+驱动器上A+接口7号脚A-驱动器上A-接口8号脚B+驱动器上B+接口9号脚B-驱动器上B-接口

用户可以通过驱动器面板上第1、2、3、4四位拨码开关组成的16种细分模式，根据需要自行选择细分；通过驱动器侧板第5、6、7三位开关的不同组合可以方便选择八种电流值，从0.5A到2.6A。本项目中，选择6400细分和1.5ASW1SW2SW3SW4SW5SW6SW7SW8OFFONOFFOFFONONOFFON（2）进行设备侧端子台接线。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。PLC输入PLC输出地址信号说明地址信号说明I0.0分度盘原点检测Q0.0分度盘脉冲

Q0.1分度盘方向机电实体调试分度盘送料装置设备需要先进行光电传感器的调整，使元器件运行正常；再修改PLC程序的变量表，设置好PLC中的步进电机轴工艺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