工业数字孪生项目5任务2 搬运机械手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2搬运机械手模块的建模与信号配置目录01任务说明02知识准备03任务实施04任务评价与拓展任务说明1任务说明

本任务以DLDS-532实训平台自动供料单元（一站）中的搬运机械手模块为例，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的要求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）中的搬运机械手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2知识准备

如图5-28所示，位于DLDS-532实训平台自动供料单元（一站）中的搬运机械手模块主要由伺服电动机（增量式）、升降气缸、取料盒夹具和扫码器等组成。1）伺服电动机主要用于驱动搬运机构在水平方向上移动。一般以向右（面对模块正面视角）为正方向。2）升降气缸用于在垂直方向上配合取料盒夹具夹取、释放物料。3）取料盒夹具用于夹取、释放物料。图5-28知识准备4）称重传感器用于将取料盒夹具的压力反馈转换为所抓握物料的重量。5）扫码器用于读取并识别条形码信息。6）检测传感器用于检测搬运机构的位置。

一般而言，搬运机械手模块的主要工作模式有如下步骤：1）电动机驱动搬运机构在水平方向上移动至物料所在位置，升降气缸下降到位，取料盒夹具抓握，完成取料流程。2）升降气缸上升至原位，伺服电动机驱动搬运机构在水平方向上将物料搬运至目标位置，完成送料流程。3）升降气缸下降到位，取料盒夹具释放物料，完成放料流程。4）取料一送料一放料流程后接自动供料单元料芯双供料模块、转盘模块、深度检测模块相关的其他工序。依照实际工序需要，在其他模块工作的间隙，可能需要重复取料一送料一放料流程。任务实施3任务实施一、搬运机械手模块的建模

（1）搬运机械手模块的静态建模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。2）为自动供料单元中的料盒及搬运机械手模块中的伺服机构、升降气缸、取料盒夹具创建刚体，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。在这一子任务中，目标是为搬运机械手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、伺服机构、升降气缸、取料盒夹具）建立和设置刚体、对象源（以便在需要时模拟放置料盒的工序）、运动副、传感器、执行器与运行时行为，并为交互中的所有涉及碰撞的可动或不可动部分（料盒、搬运机构外表面、一站传输面上表面）建立碰撞体。任务实施3）为自动供料单元中的料盒创建碰撞体，如图5-29~图5-31所示。图5-29图5-30图5-31任务实施图5-32

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5-32所示。任务实施图5-334）为搬运机械手模块中的搬运机构外表面，以及一站传输面上表面创建碰撞体，其中包括对应搬运机构外表面的方块或多个凸多面体类型的碰撞体（见图5-33），以及对应一站传输面上表面的方块或凸多面体类型的碰撞体。

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。

任务实施1）为搬运机械手模块中的伺服机构建立滑动副，如图5-34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，或善用传感器辅助运动控制即可。

（2）搬运机械手模块的动态建模图5-34任务实施图5-352）为搬运机械手模块中的升降气缸建立滑动副，如图5-35所示。其中，由于升降气缸跟随伺服机构运动，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。

任务实施3）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）。4）按照设备实际布局，在伺服机构的左、右限位处创建碰撞传感器，如图5-36、图5-37所示，以检测机构是否已运动到限位处。图5-36图5-37

任务实施5）为搬运机械手模块中的取料盒夹具创建手指握爪，如图5-38所示。6）学生可根据自身需要，将料盒从初始位置（转盘模块转动角度为零时，一站传输带的起点处）移动至其他位置。图5-38任务实施二、搬运机械手模块的信号配置

在这一子任务中，目标是为MCD模型中的搬运机械手模块及其运行相关的其他部件配置必要的信号、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

创建信号适配器，根据实际运动控制与状态显示需要，在其中添加对应搬运机械手模块的各个机电对象参数，创建控制伺服机构沿正/负方向移动、升降气缸上升/下降、取料盒夹具抓握/释放、各机构复位的控制信号，以及用于实时显示伺服正/反转状态、伺服是否到达左/右限位状态、伺服机构实时位置、伺服机构实时速度、气缸原位/到位状态、夹具是否处于“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功能，如图5-39所示。图5-39任务实施

确认完成搬运机械手模块的信号配置后，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对应的对象源，以在一站传输带上方生成1个料盒瓶体，待其落至传输带上表面。在运行时察看器中，为伺服机构、升降气缸与取料盒夹具对应的执行器（位置控制）与运行时行为（手指握爪）的各参数赋值，观察并验证模块是否能顺利完成取料一送料一放料流程。随后，按照同样工序不直接为各机电对象参数赋值，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。任务实施

在以上验证过程中，观察并确认用于显示伺服正/反转状态、伺服是否到达左/右限位状态、伺服机构实时位置、伺服机构实时速度、气缸原位/到位状态、夹具是否处于“已抓握对象”状态的各个信号取值是否正确。任务评价与拓展4任务评价与拓展序号评价内容评价标准配分得分1搬运机械手模块的建模能在一站传输带上方生成料盒瓶体，且料盒瓶体能与传输带上表面碰撞体正确交互60能在运行时察看器中，控制模块各机构完成取料流程能在运行时察看器中，控制模块各机构完成送料流程能在运行时察看器中，控制模块各机构完成放料流程能在运行时察看器中，控制模块各机构复位任务评价与拓展序号评价内容评价标准配分得分2搬运机械手模块的信号配置传感器能正确检测出伺服机构是否到达左、右限位处40伺服机构能在到达左、右限位处后自动停止在对应水平方向上的运动能在运行时察看器中，通过对应信号正确地实时显示伺服正/反转状态、伺服是否到达左/右限位状态、伺服机构位置、伺服机构速度、气缸原位/到位状态、夹具是否处于“已抓握对象”状态任务评价与拓展1.搬运流程状态实时显示的仿真实现

思考在搬运流程中，如何分别用信号适配器公式（或运行时表达式）和仿真序列实现实时显示搬运机械手模块是否处于取料、送料、放料工序中的功能。验证思路是否可行，并分析采用信号适配器公式（或运行时表达式）和仿真序列实现上述功能的优劣。课后练习任务评价与拓展2.探究使用非握爪功能实现对物料的抓取和释放

在实现对物料的搬运时，通常应用握爪指令实现对物料的抓取和释放。但是，握爪指令可以实现对所有对象的抓取，在仿真过程中，可能会由于设定的抓取范围过大，造成误抓取的情况。课后练习任务评价与拓展

思考除此之外，还可以通过哪些指令组合实现同样的功能。验证思路是否可行。

提示：可尝试应用固定副、碰撞传感器、仿真序列的指令组合。课后练习任务评价与拓展1.使用速度控制实现对搬运机械手伺服机构的运动控制

在实际设备控制中，可以通过控制伺服机构的速度或者位置来控制其运动。在NXMCD仿真环境中，搬运机械手的运动过程多采用位置控制来实现。如果改为采用速度控制指令对搬运机械手伺服机构进行控制，是否能够实现同样的功能?应当如何实现?任务拓展任务评