工业数字孪生项目5任务1 料盒供料模块与料芯双供料模块的建模与信号配置

项目5自动供料单元

工业数字孪生实战任务1料盒供料模块与料芯双供料模块的建模与信号配置目录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

DLDS-532实训平台的智能制造产线系统自动供料单元（一站）主要由操作台、料盒供料模块、料芯双供料模块、搬运机械手模块、转盘模块、深度检测模块、电气控制模块和气源模块等组成。该单元可完成多种不同料盒的供料、搬运（或传输）称重、料芯装配、深度检测、RFID信息标记和二维码扫描识别（记录）等功能。对基于NXMCD仿真的工业数字孪生实战而言，对仿真模型中自动供料单元的建模与调试主要涉及对料盒供料模块、料芯双供料模块、搬运机械手模块、深度检测模块、转盘模块机电对象的建模与设置。在完成对上述各模块建模与设置的基础上，本项目还将引导学生进行自动供料单元模块间的虚拟联调，并介绍实战环境下全单元调试综合实践中的虚实联调流程和技巧。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。培养学生爱岗敬业、艰苦奋斗的劳动精神。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、安全意识、质量意识。培养学生严谨细致、团队协作、表达沟通的职业素质。培养学生安全用电、文明生产的职业基本素养。能力目标具备对料盒供料模块与料芯双供料模块进行建模、信号配置与协同调试的能力。具备对搬运机械手模块进行建模、信号配置与协同调试的能力。具备对转盘模块与深度检测模块进行建模、信号配置与协同调试的能力。具备对自动供料单元（一站）各工序流程，如料盒瓶体供料、料芯供料、物料输送、深度检测等进行仿真与虚拟调试的能力。知识目标了解DLDS-532实训平台自动供料单元（一站）的组成、用途与主要工序流程。掌握DLDS-532实训平台自动供料单元（一站）各模块的组成、用途与主要工作模式。任务说明2任务说明

本任务以DLDS-532实训平台自动供料单元（一站）中的料盒供料模块与料芯双供料模块为例，介绍在工业数字孪生实战中对上述模块进行建模与信号配置的全流程。根据复杂程度与难度层次，随着任务的逐步推进，还将对相应的建模与模型控制操作选项加以讨论和剖析。

通过完成本任务，学生将掌握在NXMCD仿真环境中，对DLDS-532实训平台自动供料单元（一站）中的料盒供料模块与料芯双供料模块进行一体化概念设计与调试的方法和全流程，以及在此过程中提高操作效率、避免各类错误与问题的技巧，从而为后续完成自动供料单元模块间虚拟联调，以及平台全流程虚拟调试和虚实联调实战做好准备。知识准备3知识准备

1.料盒供料模块的组成、用途与主要工作模式

如图5-1所示，位于DLDS-532实训平台自动供料单元（一站）中的料盒供料模块（通称“供料A”模块）主要由井式料仓、料盒推料气缸、RFID读写器和检测传感器等组成。图5-1知识准备

1）井式料仓主要用于存放由料仓上方放入的标准料盒瓶体。2）料盒推料气缸用于推出井式料仓中的料盒。3）RFID读写器用于写入及读取瓶体中的RFID芯片所存储的各类数据，包括订单号高度检测数据、入库仓位号、称重数据、颜色检测结果、料芯颜色、操作员（赛位号）、日期和时间等。

注意，由于料盒供料模块不支持将已经被推出的物料重新移回至料仓，因此高度检测数据、称重数据、颜色检测结果等在后续工序才能获取的数据只存在理论上被先行写入（可在之后重新写入覆盖）的可能性，学生必须结合设备的实际运行工序加以分辨。4）检测传感器用于检测料仓中是否已有物料。知识准备一般而言，料盒供料模块的主要工作模式有如下步骤：1）检测传感器工作。如井式料仓中未放入物料，可在自动供料单元或其他选用HMI的界面上进行报警提示，直至有物料被放入料仓中，报警状态被清除，HMI提示已检测到物料。2）RFID读写器进行必要的数据读取与写入。具体读取和写入哪些数据取决于所需要完成任务给出的工序。3）料盒推料气缸推出井式料仓中的料盒。4）后接自动供料单元料芯双供料模块、搬运机械手模块、转盘模块、深度检测模块相关的其他工序。知识准备2.料芯双供料模块的组成、用途与主要工作模式

如图5-2所示，位于DLDS-532实训平台自动供料单元（一站）中的料芯双供料模块（通称“供料B"）由左/右料仓、左/右推料气缸、取料升降气缸、取料伸缩气缸、取料吸盘等组成。图5-21）左/右料仓主要用于存放由料仓上方放入的料芯。左、右料仓中存放的料芯一般存在材质、颜色、尺寸等方面的差异，便于在工序中依据实际需求选用。2）左/右推料气缸用于推出左、右料仓中的料芯。3）取料升降气缸、取料伸缩气缸、取料吸盘用于吸取、搬运和放置被推料气缸推出的料芯。通常，上述各气缸会在实际工序中配合转盘模块的运动，将料芯放入随转盘转动到料芯装配位置的料盒瓶体中。知识准备一般而言，料芯双供料模块的主要工作模式有如下步骤：1）在自动供料单元或其他选用HMI的界面上选择料芯（可按照实际情况选用模块的左右料仓仓位）。2）料盒瓶体随转盘转动到料芯装配位置的同时或之后，所选仓位对应的料芯双供料模块左/右推料气缸推出料仓中的料芯。3）取料升降气缸下降至吸附位置。4）取料吸盘吸附下方料芯。5）取料升降气缸上升至送料位置。6）取料伸缩气缸伸出至放料位置。7）取料升降气缸下降至放料位置。8）取料吸盘释放料芯，料芯落入下方的料盒瓶体中。9）后接自动供料单元搬运机械手模块、转盘模块、深度检测模块相关的其他工序。任务实施4任务实施一、料盒供料模块的建模与信号配置

（1）料盒供料模块的建模1）在NXMCD仿真环境中打开“总图_step.prt”文件。注意，为了便于建模，在此模型中，世界坐标系中Y轴的参考正方向与智能仓储单元（三站）中三维线性搬运机构的Y轴参考正方向相反。在这一子任务中，目标是为料盒供料模块与其在工业数字孪生实战中需要产生交互的其他各个对象进行MCD建模，包括为涉及上述交互的可动部分（料盒、料盒推料气缸）建立刚体、对象源（以便在需要时模拟放入多个料盒的工序）运动副、传感器与执行器，为交互中所有涉及碰撞的可动或不可动部分（料盒、料盒推料气缸、井式料仓、位于料仓外的传输面上表面）建立碰撞体。此外，还需要为MCD模型配置必要的信号、信号适配器，并使用运行时表达式、信号适配器公式或仿真序列对上述信号以及机电对象参数实施控制、输入和输出。

任务实施2）为自动供料单元中的料盒与料盒供料模块中的料盒推料气缸创建刚体，并为料盒刚体创建对象源。注意，在已打开“刚体”对话框时，可在装配导航器中按照装配目录选中需要建立刚体的模型部件，这样一来，所建立的刚体即可自动引用模型部件的名称，便于后续查找、索引。任务实施3）为自动供料单元中的料盒创建碰撞体，其中包括从底部承载料盒瓶体的方块或凸多面体类型的碰撞体、包含外侧或内侧表面的多个凸多面体类型的碰撞体，以及包含内侧拐角曲面、料盒瓶体上边缘的网格类型的碰撞体，如图5-3~图5-5所示。图5-3图5-4图5-5任务实施

在这其中，对于易受到摩擦而影响运动仿真效果的碰撞体，可为其另行创建摩擦系数低的新材料，如图5-6所示。图5-6

任务实施4）为料盒供料模块中的料盒推料气缸、井式料仓，以及位于料仓外的传输面创建碰撞体，其中包括对应料盒推料气缸推料与承载物料的前侧表面和上表面的多个凸多面体类型的碰撞体、井式料仓的底/侧内表面的多个凸多面体类型的碰撞体、井式料仓杆的圆柱体类型的碰撞体，以及对应位于料仓外的一站传输面上表面的凸多面体或方块类型的碰撞体，如图5-7~图5-10所示。

在这其中，对于易受到摩擦而影响运动仿真效果的碰撞体，可为其另行创建摩擦系数低的新材料。图5-7图5-8图5-9图5-10任务实施5）为料盒供料模块中的料盒推料气缸建立滑动副，如图5-11所示。在此，可以不设置滑动副运动的上下限，只需要在后续进行控制时注意限定向对应执行器传递的参数即可。图5-11任务实施6）为上一步骤中建立的滑动副建立位置控制（可将默认速度设置为一大于零的值），如图5-12所示。图5-12任务实施7）在井式料仓内创建碰撞传感器，以检测料仓内是否存在物料，如图5-13所示。图5-13

任务实施（2）料盒供料模块的信号配置1）创建信号适配器，根据实际运动控制与状态显示需要，在其中添加对应料盒供料模块的各个机电对象参数，创建控制料盒推料气缸推出/缩回的控制信号，以及用于实时显示气缸原位/到位状态、物料检测传感器检测结果的各个信号。接着，创建公式以实现如上所述的各功能，如图5-14所示。图5-14

任务实施2）确认完成料盒供料模块的信号配置后，单击NXMCD仿真环境“主页”选项卡下“仿真”组中的“播放”按钮开始仿真。仿真开始后，在机电导航器中反复选择对应对象源，以在井式料仓上方生成3或4个料盒瓶体，待其依次落入料仓中。在运行时察看器中，反复为料盒推料气缸对应的位置控制执行器的位置参数赋值“80”与“0”（默认单位均为mm），观察并验证多个料盒瓶体是否能正确逐个垒起，并与料仓碰撞体正确交互，以及模块是否能正确逐个推出料仓中的料盒瓶体，并在每次缩回后，令下一料盒瓶体正确落于料仓底侧内表面。随后，按照同样工序，不直接为执行器参数赋值，而是通过激活料盒推料气缸控制信号并为其赋值，验证是否能同样顺利完成上述工序。任务实施二、料芯双供料模块的建模与信号配置在这一子任务中，目标是为料芯双供料模块与其在工业数字孪生实战中需要产生交互的其他各个对象进行MCD建模，包括为涉及上述交互的可动部分（料芯、左/右推料气缸、取料升降气缸、取料伸缩气缸、承载于一站传输面上表面的空料盒瓶体）建立刚体、对象源（以便在需要时模拟放入多个料芯的工序）、运动副、执行器与运行时行为，为交互中的所有涉及碰撞的可动或不可动部分（料芯、左/右推料气缸、左/右料仓、一站传输面上表面、承载于一站传输面上表面的空料盒瓶体）建立碰撞体。此外，还需要为MCD模型配置必要的信号、信号适配器，并使用运行时表达式、信号适配器公式或仿真序列对上述信号以及机电对象参数实施控制、输入和输出。任务实施（1）料芯双供料模块的建模1）在NXMCD仿真环境中打开“总图_step.prt”文件。注意，为了便于建模，在此模型中，世界坐标系中Y轴的参考正方向与智能仓储单元（三站）中三维线性搬运机构的Y轴参考正方向相反。另外，在本子任务中，假设一站传输带上表面与承载于其上的空料盒瓶体在上一子任务中已经过必要的MCD建模。2）为自动供料单元中的料芯与料芯双供料模块中的左/右推料气缸、取料升降气缸取料伸缩气缸创建刚体，并为料芯刚体创建对象源。任务实施3）为自动供料单元中的料芯创建碰撞体，在此可选择创建多个凸多面体类型的碰撞体并分别选中左、右两处料芯的全部外表面如图5-15、图5-16。在实战中，为了节约时间，也可以选择将整个料芯创建为方块类型的碰撞体。注意，在自动创建碰撞体模式下，这样创建的碰撞体会超出部件的几何框架，且可能影响到后续的料芯装填工序仿真效果。因此，在此也可将碰撞体创建选项切换为“用户定义”，并适当地手动缩减方块碰撞体的尺寸对于易受到摩擦而影响运动仿真效果的碰撞体，可为其另行创建摩擦系数低的新材料。图5-15图5-16

任务实施4）为料芯双供料模块中的左/右推料气缸、左/右料仓创建碰撞体，其中包括对应左/右推料气缸推料和承载物料的前侧表面和上表面的多个凸多面体类型的碰撞体、左/右料仓的底/侧内表面的多个凸多面体类型的碰撞体、料仓杆的圆柱类型的碰撞体表面；碰撞体类型可根据时间需要与效果选择。如图5-17~图5-22所示。

在这其中，对于易受到摩擦而影响运动仿真效果的碰撞体，可为其另行创建摩擦系数低的新材料。图5-17图5-18图5-19任务实施图5-20图5-21图5-22任务实施5）为料芯双供料模块中的左、右推料气缸建立滑动副，如图5-23所示。在此，可以不设置滑动副运动的上下限，只需要在后续进行控制时注意限定向对应执行器传递的参数即可。另外，在设置上述滑动副的指定轴矢量时，要考虑到推料气缸处于原位时，必须先“向后缩”，待放置于气缸上表面的料芯落至对应料仓的底侧内表面后，再“向前推”，才能顺利推出物料。图5-23任务实施6）为料芯双供料模块中的取料伸缩气缸、取料升降气缸建立滑动副，如图5-24、图5-25所示。其中，由于取料升降气缸跟随取料伸缩气缸运动，需要为前者对应的滑动副选择后者作为基本体。在此，也可以不设置各滑动副运动的上下限，只需要在后续进行控制时注意限定向对应执行器传递的参数即可。图5-24图5-25任务实施7）为前述步骤中建立的滑动副建立位置控制（可将默认速度设置为一大于零的值）。8）为料芯双供料模块中的取料吸盘创建吸盘，如图5-26所示。图5-26

任务实施（2）料芯双供料模块的信号配置1）创建信号适配器，根据实际运动控制与状态显示需要，在其中添加对应料芯双供料模块的各个机电对象参数，创建控制左/右推料气缸推出/缩回、取料升降气缸上升/下降、取料伸缩气缸伸出/缩回、取料吸盘吸附/释放的控制信号，以及用于实时显示料芯仓位选择、各气缸原位/到位状态、吸盘是否处于“已抓握对象”状态的各个信号。接着，创建公式以实现如上所述的各功能，如图5-27所示。图5-27任务实施2）确认完成料芯双供料模块的信号配置后，单击NXMCD仿真环境“主页”选项卡下“仿真”组中的“播放”按钮开始仿真。仿真开始后，在机电导航器中选择左、右料芯对应的对象源，以在左、右料仓上方各生成1个料芯，待其落入料仓。在运行时察看器中，为左推料气缸对应的位置控制执行器的位置参数赋值“-70”与“0”（默认单位均为mm），观察并验证左料仓内的料芯是否能被顺利推出并与料仓碰撞体正确交互。随后，继续在运行时察看器中依次按照该模块主要工作模式的各步骤，验证模块中的各机构是否能顺利完成取料升降气缸下降后接取料吸盘吸附料芯（取料）、取料升降气缸上升后接取料伸缩气缸伸出（送料）、取料升降气缸下降后接取料吸盘释放料芯（放料）的流程。随后，按照同样工序，不直接为执行器参数赋值，而是通过激活各控制信号并为其赋值，验证是否能同样顺利完成上述工序，且可随时复位。

在以上验证过程中，观察并确认用于显示料芯仓位选择、各气缸原位/到位状态、吸盘是否处于“已抓握对象”状态、各个信号取值是否正确。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料盒供料模块的建模能在井式料仓内生成多个料盒瓶体，且料盒瓶体能正确逐个垒起，并与料仓碰撞体正确交互30能在运行时察看器中，反复控制料盒推料气缸伸出、缩回能正确逐个推出料仓中的料盒瓶体，并在每次缩回后，令下一料盒瓶体正确落下2料盒供料模块的信号配置传感器能正确检测出井式料仓内是否存在物料20能在运行时察看器中，通过对应信号正确地实时显示气缸原位/到位状态、物料检测传感器检测结果任务评价与拓展序号评价内容评价标准配分得分3料芯双供料模块的建模能在左、右料仓上方各生成1个料芯，并与对应推料气缸、料仓碰撞体正确交互30能在运行时察看器中，反复控制左、右推料气缸缩回、伸出，正确逐个推出料仓中的料芯能控制模块中的各机构顺利完成取料升