工业数字孪生项目3任务1 传感器的设置与应用

项目3MCD仿真的

自动化控制任务1传感器的设置与应用目录01项目引入02任务说明03知识准备04任务实施05任务评价与拓展项目引入1项目引入

在NXMCD仿真环境下对模型的自动化控制涉及传感器、执行器、运行时参数、运行时表达式、运行时行为、信号、仿真序列等多个方面的内容。其中，传感器主要用于模拟实际设备中的实体传感器，为模型的自动化控制提供信号反馈；执行器用于模拟实际设备中的运动驱动部分，与模型的自动化运动控制直接相关；运行时参数（RuntimeParameter）和运行时表达式（RuntimeExpression）分别为仿真过程中对于仿真对象的计算、修改和监控查看提供自定义参数和算术或逻辑类型的参数控制；运行时行为（RuntimeBehavior）是一类定制化行为的统称，用于在仿真中实现一些较为复杂的功能；信号用于仿真中对模型的直接或间接控制，以及模型与外部的信息交互，多个不同信号可被归于同一个信号适配器（SignalAdapter）中，从而按照一定逻辑被组织起来，并在信号适配器中通过信号适配器公式与仿真对象参数形成连接与交互；仿真序列（Operation）可按照基于时间和基于事件的控制方式，通过控制各仿真对象参数控制仿真模型完成定制行为。

对于MCD模型的使用者而言，需要在建模阶段就注意在具体设计与操作层面进行充分准备，以便顺利完成此后对仿真的自动化控制。在合理建立与设置机电对象的基础上，还需要在NXMCD仿真环境中妥善规划涉及模型自动动控制的上述各类元素，确保仿真模型的各个对象以符合预期的方式进行交互，并注意合理、及时地修正调试过程中可能出现的任何建模与设置问题。项目引入素养目标培养学生探索创新、唯实求真的科学精神培养学生执着专注、精益求精、科技强国的工匠精神。培养学生的标准意识、规范意识。培养学生严谨细致、团队协作、表达沟通的职业素质。能力目标具备创建与设置碰撞传感器、距离传感器等常用传感器的能力。具备创建与设置位置控制、速度控制、传输面等常用执行器的能力。具备创建与设置运行时参数、运行时表达式并进行仿真自动化控制的能力。具备创建与设置信号、信号适配器并进行仿真自动化控制的能力。具备创建与设置仿真序列并进行仿真自动化控制的能力。具备综合应用传感器、执行器、运行时参数与运行时表达式、信号与信号适配器仿真序列，对模型进行复杂自动化仿真的能力。知识目标了解传感器、执行器的概念、类型和用途。了解运行时参数、运行时表达式的概念与创建、配置的步骤。了解信号、信号适配器的概念与创建、配置的步骤。了解仿真序列的概念、类型与创建、配置的步骤。熟悉碰撞传感器、距离传感器等常用传感器的参数选项。熟悉位置控制、速度控制、传输面等常用执行器的参数选项。熟悉运行时参数、运行时表达式的参数选项。熟悉信号适配器的参数选项。熟悉仿真序列的参数选项。任务说明2任务说明

本任务以使用DLDS-532实训平台中自动供料单元（一站）中的料盒供料模块进行物料有无检测，以及深度检测模块进行物料深度检测的功能为例，介绍MCD仿真中碰撞传感器距离传感器等基本类型传感器的建立、设置及使用方法。本任务所涉及的各单元与模块布局如图3-1所示。通过完成本任务，学生将掌握NXMCD仿真环境中对仿真模型与对象进行自动化控制所需要的基本传感器进行创建与设置的方法，以及对其加以应用的调试技巧，从而为完成更复杂与综合化的仿真任务做好准备。图3-1知识准备3知识准备1.传感器的用途与分类

在NXMCD仿真环境中，传感器用于模拟实体设备中的各类传感器，并可在必要时提供多种多样的信号反馈，用于填补仿真模型建模与实体设备配置之间的差异，从而满足对仿真模型进行从简单到复杂自动化控制的需求。在NXMCD仿真环境中，传感器的类型包括碰撞传感器、距离传感器、2D激光扫描仪、光幕、位置传感器、倾角传感器、速度传感器、加速度传感器、通用传感器、限位开关、继电器等。其中，最为常见的、在DLDS-532实训平台的数字孪生实战操作中也最为关键的两种基本类型的传感器是碰撞传感器和距离传感器。

碰撞传感器可输出一个bool类型的“已触发”信号。在其传感范围内检测到以及不再检测到碰撞体时，该信号的取值会发生相应改变。利用这一可变信号，可对仿真模型中的各类参数、信号进行灵活的控制。

距离传感器可输出一个double类型的“（距离）值”信号，其取值为在距离传感器的传感范围内，处于指定矢量方向上的、距离指定点最近的碰撞体与指定点之间的距离。利用这一可变信号，可对仿真模型中的各类参数、信号进行灵活的控制。知识准备

2.碰撞传感器的参数选项

如图3-2所示，在创建碰撞传感器的过程中，一般有以下常用选项。（1）类型

碰撞传感器“类型"选项决定了碰撞传感器“已触发”输出信号的切换模式，有“触发”和“交换”两种类型可选。“触发”意味着碰撞传感器“已触发”信号在检测到碰撞体时切换为“true”，在检测不到碰撞体时切换为“false”。而“交换”则意味着碰撞传感器“已触发”信号会在仿真开始后，在每次检测到碰撞体时都发生切换。（2）碰撞传感器对象“碰撞传感器对象”为碰撞传感器所依托的几何体。在创建碰撞传感器时，必须为其选择碰撞传感器对象，且可复选多个几何体作为碰撞传感器对象。图3-2（3）形状1）碰撞传感器的“碰撞形状”设置与碰撞体的“碰撞形状”设置类似，但只包括方块、球、直线、圆柱、网格、凸多面体、多个凸多面体等类型。2）可指定“自动”或“用户定义”作为碰撞传感器的“形状属性”，其意义与碰撞体的同名选项相同。3）通过对“指定坐标系”选项与其下的各碰撞形状参数和尺寸选项进行设置，可规定碰撞传感器的检测范围。其中，具体的碰撞形状参数和尺寸选项会因所选碰撞形状的不同而改变，其意义与碰撞体的各同名选项相同。（4）类别“类别”选项的取值必须为小于或等于15的非负整数。其默认取值为0，代表碰撞传感器能对任何类别的碰撞体进行知识准备检测；如果改变其默认取值，则碰撞传感器将只能对相同类别或类别取值为0的碰撞体进行检测。（5）碰撞时高亮显示如果勾选此选项，在仿真过程中，碰撞传感器将在处于触发状态时被突出显示。（6）检测类型可在此选择“系统”“用户”或“两者”。其中，“系统”为默认状态，代表碰撞传感器将自动处于开启状态；“用户”代表可通过仿真模型界面上的对应控制按钮，对传感器状态进行控制；“两者”则会同时激活上述两种功能。（7）名称可自行设置传感器的名称，以便后续辨认管理。该选项为可选项，如果不进行设置，软件会自动为传感器分配名称。知识准备

3.距离传感器的参数选项

如图3-3所示，在创建距离传感器的过程中，一般有以下常用选项。（1）刚体“刚体”为距离传感器所依附的主体。在创建距离传感器时，可不为其选择“刚体”，但只要选择，就必须为其选择刚体类型的机电对象。图3-3（2）形状1）“指定点”为创建距离传感器时的必选项，代表距离传感器测量距离时的原点。2）“指定矢量”为创建距离传感器时的必选项，代表距离传感器测量距离时的参考方向。3）“开口角度”为以指定点为原点、以指定矢量为中轴时，距离传感器测量范围的打开角度。4）“范围”为距离传感器测量范围的半径。5）如果勾选“仿真过程中显示距离传感器”选项，距离传感器的测量范围将在仿真过程中被显示出来。（3）类别

该选项与碰撞传感器设置中的“类别”选项相同。（4）输出1）如果勾选“比例”选项，则可通过设置在其下出现的各具体选项，令距离传感器按照一定比例输出指定范围的常量、电压或电流。2）“量度类型”可为“常量”“电压”或“电流”。3）“输出范围下限”与“输出范围上限”用于指定距离传感器输出的具体取值范围。（5）名称

可自行设置传感器的名称，以便后续辨认管理。该选项为可选项，如果不进行设置，软件会自动为传感器分配名称。知识准备任务实施4任务实施一、使用碰撞传感器检测料仓中物料有无（1）准备工作

为使料盒供料模块正确工作，首先需要进行如下的准备工作：1）为料盒供料模块中的料盒推料气缸与位于井式料仓上方的料盒瓶体创建刚体，并为料盒刚体创建默认处于取消勾选状态的对象源。2）为料盒供料模块中的料盒瓶体、井式料仓内表面、推料气缸，以及自动供料单元（一站）中的传输带上表面创建碰撞体。3）根据实际需要，在机电对象（如推料气缸与料仓内表面）之间进行防止碰撞设置。4）为料盒推料气缸创建滑动副。在此，需要将滑动副的“运动类型”选项设置为“动力学”。在这一子任务中，目标是建立并设置碰撞传感器，并使用其配合DLDS-532实训平台中的自动供料单元（一站）料盒供料模块进行物料检测。在功能的实现过程中，模型中的各个元素必须能够正确互动。

任务实施1）在NXMCD仿真环境“主页”选项卡下“电气”组最左侧的传感器下拉菜单中，选择“碰撞传感器"，开始创建目标传感器。2）在“类型”部分的下拉列表框中，选择“触发”作为碰撞传感器类型。3）在单击“碰撞传感器对象”部分的“选择对象”后，再单击软件主界面中位于料盒供料模块井式料仓两侧的检测传感器，将其选为碰撞传感器的对象。4）在“形状”部分的“碰撞形状”下拉列表框中，选择“直线”或“圆柱”类型的碰撞形状，以贴合实体设备中的检测传感器配置。5）在下方的“形状属性”下拉列表框中，选择“自动”。

（2）物料检测碰撞传感器的建立与设置任务实施图3-46）可按照实际需要，勾选“碰撞时高亮显示”。也可跳过此步。7）根据实际需要，为传感器设置名称。至此，对该传感器的设置如图3-4所示。8）单击“确定”按钮，完成碰撞传感器的建立与设置。后续若有需要，可在机电导航器中双击碰撞传感器以对其进行修改。任务实施1）将料盒对象源、碰撞传感器添加到运行时察看器。2）单击“主页”选项卡下“仿真”组中的“播放”按钮开始仿真。3）仿真开始后，在运行时察看器中查看并记录碰撞传感器的“已触发”值。4）在运行察看器中双击料盒对象源的“活动”值，使其由默认的“false”切换为“true”，从而在井式料仓的上方生成一个料盒瓶体，观察并记录其在落入井式料仓底端的过程中，碰撞传感器“已触发”值的变化。5）待料盒瓶体落入井式料仓底端后，单击料盒推料气缸并按住鼠标左键不放，拖动气缸伸出，从而令其将料盒瓶体从井式料仓推出至一站传输带上。观察并记录以上过程中碰撞传感器“已触发”值的变化。至此，初步完成了对碰撞传感器检测物料有无的效果验证。（3）使用碰撞传感器检测物料有无的检测效果验证任务实施二、使用距离传感器测量物料深度

（1）准备工作

为使深度检测模块正确工作，首先需要进行如下的准备工作：1）为深度检测模块中的检测伸缩气缸与检测升降气缸，以及位于一站传输带上方深度检测位置的料盒瓶体创建刚体。2）为深度检测位置处的料盒、深度检测探杆与一站传输带上表面创建碰撞体。3）为检测伸缩气缸与检测升降气缸分别创建滑动副。在此，需要将滑动副的“运动类型”选项设置为“动力学”。4）为检测升降气缸创建线性限制副。注意合理选择连接体“指定点”与基本体“指定点”，以及“最小位置”与“最大位置”，使得检测升降气缸在仿真开始后、未被操纵前保持在初始位置。5）使用“分析”选项卡下“测量"组中的“测量”功能，测量并记录深度检测探杆底面与一站传输带上表面的最小垂直距离（简称“最小垂直距离”）。测量并记录料盒的盒底高度，即其盒底的上、下两面间的最小垂直距离（简称“盒底高度”）。在这一子任务中，目标是建立并设置距离传感器，并使用其配合DLDS-532实训平台中的自动供料单元（一站）深度检测模块执行深度检测动作，并输出所测量的数值。在功能的实现过程中，模型中的各个元素必须能够正确互动。

任务实施1）在NXMCD仿真环境“主页”选项卡下“电气”组最左侧的传感器下拉菜单中，选择“距离传感器”，开始创建目标传感器。2）在单击“刚体”部分的“选择对象”后，再单击软件主界面或机电导航器中的检测伸缩气缸刚体，将其选为距离传感器的刚体。3）在单击“形状”部分的“指定点”后，在“自动判断点”或“圆弧中心/椭圆中心/球心”模式下，使用鼠标将检测升降气缸探杆的底面中心选为距离传感器的指定点。4）在“指定矢量”右侧的下拉列表框中，选择“-ZC”轴。这代表以Z轴的负方向作为距离传感器进行测量的正方向。5）将“开口角度”设为0。这代表距离传感器的测量范围是一根指定长度的线段。

（2）深度检测距离传感器的建立与设置任务实施6）将“范围”设为与此前测量并记录的最小垂直距离相等，或略小于后者（其差值应远小于所有可能测量对象的高度）。假设最小垂直距离为100mm，则可在此将“范围”设为100mm或99.9mm。7）可按照实际需要，勾选“仿真过程中显示距离传感器”。也可跳过此步。8）根据实际需要，为传感器设置名称。至此，对该传感器的设置如图3-5所示。9）单击“确定”按钮，完成距离传感器的建立与设置。后续若有需要，可在机电导航器中双击距离传感器以对其进行修改。图3-5

任务实施1）将各运动副、约束、传感器添加到运行时察看器。2）单击“主页”选项卡下“仿真”组中的“播放”按钮开始仿真。3）仿真开始后，单击检测伸缩气缸并按住鼠标左键不放，拖动气缸伸出，并使其在鼠标左键松开后保持在伸出位置。在此过程中，检测升降气缸应位于初始位置。4）在运行时察看器中，查看并记录距离传感器此时的值。不难发现，位于深度检测位置的料盒瓶体底部高度即为此前测量并记录的最小垂直距离减去距离传感器测量值。比较这-差值与此前测量并记录的盒底高度5）为模拟实体设备进行深度检测，通过反复在运行时察看器中双击线性限制副“最大位置”值并使用键盘更新此值，控制检测升降气缸逐步落下。6）在距离传感器测量值足够接近而又大于0时，读取并记录检测升降气缸滑动副的位置。不难发现，位于深度检测位置的料盒瓶体底部高度即为此前测量并记录的最小垂直距离减去检测升降气缸滑动副的位置值。比较这一差值与此前测量并记录的盒底高度。在本项目后续各任务的实施中，将学习与尝试把上述计算过程自动化并集成到仿真过程之中。至此，初步完成了对距离传感器测量物料深度的效果验证。（3）使用距离传感器测量物料深度的测量效果验证任务评价与拓展5任务评价与拓展序号评价内容评价标准配分得分1使用碰撞传感器检测料仓中物料有无未生成料盒瓶体时，碰撞传感器的“已触发”值为“false”，代表检测传感器未检测到料仓底部存有物料60使用对象源生成料盒瓶体后，料盒瓶体下落，在其落至碰撞传感器对象所在高度之前，碰撞传感器的“已触发”值保持“false”不变，代表检测传感器仍未检测到料仓底部存有物料料盒瓶体继续下落，在其落至碰撞传感器对象所在高度时，碰撞传感器的“已触发”值变为“true”，代表检测传感器检测到料仓底部存有物料控制料盒推料气缸将料盒瓶体从井式料仓中推出，在料盒所对应碰撞体与碰撞传感器对象完全脱离接触前，碰撞传感器的“已触发”值保持“true”不变，代表检测传感器仍能检测到料仓底部存有物料气缸继续推出料盒瓶体，料盒所对应碰撞体与碰撞传感器对象完全脱离接触时，碰撞传感器的“已触发”值变为“false”，代表检测传感器不再能检测到料仓底部存有物料任务评价与拓展序号评价内容评价标准配分得分2使用距离传感器测量物料深度控制检测伸缩气缸伸出，距离传感器的值在气缸伸出过程中从初始值变为一较小值（对应料盒上沿），再变为小于初始值的较大值（对应料盒盒底）40令检测伸缩气缸保持在伸出位置，计算此前测量并记录的最小垂直距离与距离传感器测量值之差，并验证其是否与此前直接测量的料盒盒底高度足够接近（误差≤1mm）改变线性限制副参数，控制检测升降气缸逐步下落当距离传感器的值足够接近而又大于0时，计算此前测量并记录的最小垂直距离与检测升降气缸滑动副的位置值之差，并验证其是否与此前直接测量的料盒盒底高度足够接近（误差≤1mm）任务评价与拓展

1.使用碰撞传感器测量物料深度

在完成以上各子任务的基础上，在深度检测模块中，改为使用碰撞传感器而非距离传感器完成对物料深度的测量。思考此时应如何将测量过程自动化并集成到仿真过程之中，并考虑其具体逻辑与使用距离传感器实现同样功能的异同。课后练习任务评价与拓展

2.使用传感器检测九宫格仓储模块中各库位中物料有无

思考如何模拟DLDS-532实训平台智能仓储单元（三站）九宫格仓储模块的库位传感器，实现对各库位中是否存有物料的检测，并验证思路是否可行。课后练习任务评价与拓展1.光幕

下面以DLDS-532实训平台正面（台面一侧）两侧设有的安全光栅建模为例，介绍NXMCD仿真中光幕的创建和设置方法。1）单击“主页”选项卡下“电气”组中的“碰撞传感器”下三角按钮，在弹出的菜单中选择“光幕”。任务拓展任务评价与拓展2）在单击“