工业数字孪生项目7任务3 伺服搬运机械手模块与九宫格仓储模块的建模与信号配置

项目7智能仓储单元

工业数字孪生实战任务3伺服搬运机械手模块与九宫格仓储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实训平台智能仓储单元（三站）中的伺服搬运机械手模块与九宫格仓储模块为例，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，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实训平台智能仓储单元（三站）中的伺服搬运机械手模块与九宫格仓储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，从而为后续完成智能仓储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

1.伺服搬运机械手模块的组成、用途与主要工作模式如图7-54所示，位于DLDS-532实训平台智能仓储单元（三站）中的伺服搬运机械手模块主要由龙门架、X轴伺服、Y轴伺服、升降气缸、伸缩气缸和夹爪气缸等组成。图7-54知识准备1）X轴伺服用于驱动搬运机构在X轴方向上移动。一般以远离电动机的方向为参考正方向。2）Y轴伺服用于驱动搬运机构在Y轴方向上移动。一般以远离电动机的方向为参考正方向。3）升降气缸用于在垂直方向上配合其他机构工作，以便夹取、释放物料。4）伸缩气缸用于在Y轴方向上配合其他机构工作，以便夹取、释放物料。5）夹爪气缸用于驱动夹爪（通称握爪或机械手）夹取、释放物料。6）龙门架用于安装、支撑伺服搬运机械手模块中的上述各机构。知识准备一般而言，伺服搬运机械手模块的主要工作模式有如下步骤：1）在智能仓储单元或其他选用HMI的界面上选择入库库位。可按照实际情况选用九宫格仓储模块中的A~I号仓位，一般也需要支持选择九宫格仓储模块中的废料仓（通称“废料仓2”）。2）如果选择的库位上已有物料，应按照实际工序要求，先驱动搬运机构将库位上的原有物料搬离。搬离原有物料后，搬运机构一般会先进行复位以完成搬离流程，再搬运待入库物料。具体搬离流程参照取料、送料、放料流程中的以下各步骤：X轴伺服、Y轴伺服、伸缩气缸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，机械手抓握，完成取料流程。升降气缸上升至原位，X轴伺服、Y轴伺服、伸缩气缸驱动搬运机构在水平方向上将物料搬运至目标库位上方，完成送料流程。升降气缸下降到位，机械手释放物料，物料落至目标库位（九宫格仓储模块中的废料仓也可被视为一个库位）中，完成放料流程。知识准备

2.九宫格仓储模块的组成与用途

如图7-55所示，位于DLDS-532实训平台智能仓储单元（三站）中的九宫格仓储模块主要由支架、平面库位、库位传感器、废料仓、RFID读写器和扫码器组成。图7-55知识准备1）平面库位用于承载放置于其上的物料。2）库位传感器用于检测对应库位中是否放有物料。3）废料仓（通称为“废料仓2”或“分拣滑槽2”）用于容纳被判断为不合格的物料。4）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。5）扫码器用于读取并识别条形码信息。6）支架用于支撑九宫格仓储模块中的上述各机构。一般而言，九宫格仓储模块主要配合伺服搬运机械手模块工作，以完成物料的分拣、入库、仓储等工序。任务实施3任务实施一、伺服搬运机械手模块与九宫格仓储模块的建模在这一子任务中，目标是为伺服搬运机械手模块与九宫格仓储模块，及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、X轴伺服、Y轴伺服、升降气缸、伸缩气缸）建立刚体、对象源（以便在需要时模拟放入物料的工序）、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、平面库位、废料仓2、其他各相关承载面）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（1）伺服搬运机械手模块与九宫格仓储模块的静态建模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Y轴伺服的参考正方向相反。2）为智能仓储单元中的料盒瓶体以及伺服搬运机械手模块中的X轴伺服、Y轴伺服、升降气缸、伸缩气缸（含机械手）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）为九宫格仓储模块中的平面库位、废料仓2，以及其他各相关承载面（称重模块中的称重位置承载面、RFID读写器承载面）创建碰撞体，如图7-56~图7-59所示。此处可全部使用多个凸多面体类型的碰撞体。图7-56图7-57图7-58图7-59任务实施图7-60

在这其中，对于易受到摩擦而影响运动仿真效果的碰撞体，特别是涉及物料向斜下方滑动的废料仓2各相关表面，可为其另行创建摩擦系数低的新材料，如图7-60所示。任务实施4）为智能仓储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类型的碰撞体、包含外侧和内侧表面的多个凸多面体类型的碰撞体、包含内侧拐角曲面和料盒瓶体上边缘的网格类型的碰撞体。

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

（2）伺服搬运机械手模块与九宫格仓储模块的动态建模1）为伺服搬运机械手模块中的X轴伺服、Y轴伺服、升降气缸、伸缩气缸（含机械手）建立滑动副，如图7-61~图7-64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。其中，由于伸缩气缸跟随升降气缸运动、升降气缸跟随X轴伺服机构运动、X轴伺服机构跟随Y轴伺服机构运动，需要在建立滑动副时注意选择相应的机构作为基本体。图7-61图7-62图7-63图7-64

任务实施2）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7-65所示。图7-65

任务实施3）按照设备实际布局，在九宫格仓储模块中各库位传感器的对应位置处创建碰撞传感器，如图7-66所示，以检测对应库位中是否存有物料。图7-66

任务实施4）为伺服搬运机械手模块中的机械手创建手指握爪，如图7-67所示。5）学生可根据自身需要，自行为料盒选择初始位置（称重模块称重位置或九宫格仓储块的RFID读写器），并做相应移动。图7-67任务实施二、伺服搬运机械手模块与九宫格仓储模块的信号配置创建信号适配器，根据实际运动控制与状态显示需要，在其中添加对应伺服搬运机械手模块与九宫格仓储模块的各个机电对象参数，创建控制X轴与Y轴伺服机构沿正/负方向移动、升降气缸上升/下降、伸缩气缸伸出/缩回、机械手抓握/释放、各机构复位的控制信号，以及用于实时显示物料入库库位选择、X轴与Y轴伺服机构正/反转状态、X轴与Y轴伺服机构实时位置、X轴与Y轴伺服机构实时速度、各气缸原位/到位状态、机械手握爪是否处于“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7-68所示。图7-68

任务实施

确认完成伺服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，以在料盒初始位置（称重模块称重位置或九宫格仓储模块的RFID读写器）上方生成1个料盒瓶体，待其落至承载面。观察并验证料盒瓶体是否能与承载面正确交互。

在运行时察看器中，为伺服搬运机械手模块中X轴伺服机构、Y轴伺服机构、升降气缸、伸缩气缸、夹爪气缸对应的执行器（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如前所述的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。

在以上验证过程中，观察并确认用于显示物料入库库位选择、X轴与Y轴伺服机构正/反转状态、X轴与Y轴伺服机构实时位置、X轴与Y轴伺服机构实时速度、各气缸原位/到位状态、机械手握爪是否处于“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伺服搬运机械手模块与九宫格仓储模块的建模能在任一初始位置（称重模块称重位置或九宫格仓储模块的RFID读写器）上方生成料盒瓶体，且料盒瓶体能与相应承载面碰撞体正确交互50能在运行时察看器中，控制伺服搬运机械手模块各机构如前所述完成物料取料流程在运行时察看器中，控制伺服搬运机械手模块各机构如前所述完成物料送料流程能在运行时察看器中，控制伺服搬运机械手模块各机构如前所述完成物料放料流程能在运行时察看器中，控制伺服搬运机械手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伺服搬运机械手模块与九宫格仓储模块的信号配置能在运行时察看器中，通过对应信号正确地实时显示各气缸原位/到位状态50能在运行时察看器中，通过对应信号正确地实时显示各气缸原位/到位状态能在运行时察看器中，通过对应信号正确地实时显示X轴与Y轴伺服机构正/反转状态能在运行时察看器中，通过对应信号正确地实时显示X轴与Y轴伺服机构实时位置能在运行时察看器中，通过对应信号正确地实时显示X轴与Y轴伺服机构实时速度能在运行时察看器中，通过对应信号正确地实时显示机械手握爪是否处于“已抓握对象”状态任务评价与拓展1.库位传感器检测物料并实时显示物料有无状态的仿真实现

思考如何实现使用库位传感器检测各库位是否存有物料，并在HMI界面实时显示物料存储状态的功能，并验证思路是否可行。课后练习任务评价与拓展2.物料搬运入库前搬离目标库位原有物料的仿真实现

思考如果在物料入库时，所选入库库位已存有物料，如何在取料一送料一放料流程前实现搬离目标库位原有物料的功能，并验证思路是否可行。课后练习任务评价与拓展

思考如何在虚实联调中根据实际传感器的反馈值，判断立体库中的物料情况，并根据反馈情况在NXMCD仿真环境下，在对应的库位中生成物料。不难想象，具体的实现方式可大致分为先生成、后收集，或根据判断情况直接生成。

请按照上述两种方式分别实现在联调开始后NXMCD仿真环境中库位物料的同步，并根据仿真效果、延迟情况、设置过程复杂程度等分析两种实现方式的优劣。拓展资料任务评价与拓展

如果通过先生成所有物料，再根据传感器的反馈值，收集多余物料的方式实现，可参考如下操作流程：1）在NXMCD仿真环境中，在各个库位处完成对成品物料的生成（或放置），确保每个库位都有物料存在。2）在NXMCD仿真环境中，为各个库位中的物料分别创建刚体和碰撞体。3）调用对象源指令，为所有物料分别创建对象源或者设置为一个对象源。其中，触发类型设定为“每次激活时一次”。拓展资料任务评价与拓展4）调用对象收集器指令，为每个库位对应的物料检测用碰撞传感器建立对应的对象收集器，并取消勾选关联的对象收集器指令前的复选框。5）根据对象收集器的数量，在信号适配器中创建同等数量的输入型布尔型信号。在信号映射指令中，将其与外部的传感器信号进行映射关联。在信号适配器中设置一个中间信号，设置其初始值为“true”。6）调用仿真序列指令，设置空白序列作为延迟启动序列，序列时间可以设定为0.5s；设置控制序列，选择信号适配器作为控制对象，并勾选中间信号前的复选框，修改其值为“false”。在两个序列之间创建链接器。拓展资料任务评价与拓展7）再次调用仿真序列指令，选择信号适配器作为条件对象，并将信号适配器中的参数修改为与外部库位传感器关联的信号，设置其条件值为“false”。另外，将设置的中间信号也作为条件对象添加到仿真序列中，设置其条件值为“true”。所添加的两个条件之间保持为“and”关系即可。将对应位置的