【基于机电一体化虚拟仿真的智能物流搬运系统设计12000字（论文）】

-PAGE5-摘要随着现代信息技术的发展,物流行业逐步从传统物流向现代物流进行转型升级,智能物流也已经逐渐出现。现代经济社会不断进步和发展,我们在对电气控制的应用方面也都取得了很大的突破,自动化控制更是将其作为工业控制理论其中的重要组成一环,而对电气的自动化控制则是通过对可编程控制器PLC的应用来实现的,可编程序控制器PLC作为以微处理器控制系统为主要核心的一种通用型电气工业控制模式,目前已被大面积地广泛应用于现代工业生产的各个行业领域。本课题主要面向PLC控制和智能物流领域，围绕如何解决无人智能物流系统的仿真设计，通过应用SOLIDWORKS、VirtualUniversePro等软件，完成对智能物流搬运系统的三维建模与PLC控制。在完成建模的过程中，同步完成了对于模型相关的物理材料设置和物理规则赋予。在实现物理规则赋予后，实现可视化的动态机械的系统仿真，以便观察具体PLC程序所实现的相关功能。为了实现课题目标，需要掌握PLC编程、三维建模等相关知识。课题主要难点在物流系统的建模组件的配合程度和物理规则赋予。关键词：PLC；虚拟仿真；三维建模；SOLIDWORKS；VirtualUniversePro目录TOC\o"1-3"\h\u13668第一章绪论 754071.1研究背景 7218161.2研究现状 7193271.3论文主要内容及章节安排 819601.4本章小结 928197第二章应用软件工具介绍与分析 10168842.1SOLIDWORKS软件介绍与本文应用分析 10266592.2TIAPortal软件介绍与本文应用分析 11108692.3VirtualUniversePro软件介绍与本文应用分析 13142872.4本章小结 1431232第三章模型构建过程 15325433.1电机建模过程 15116173.2机架建模过程 17183513.3机械夹建模过程 19122163.4螺母滑道建模过程 2182403.5其他组件建模过程 2482403.6本章小结 2711458第四章控制程序 2997434.1PLC控制器选择 29292604.2PLCHMI选择 29260074.3程序段编写 30169984.3.1控制程序 3030324.3.2HMI程序 35174274.4本章小结 3528292第五章仿真测试过程及结果分析 3630643结束语 3932590参考文献 41

第一章绪论1.1研究背景随着现代信息技术的发展,物流行业逐步从传统物流向现代物流进行转型升级,智能物流也已经逐渐出现[]。现代经济社会不断进步和发展,我们在对电气控制的应用方面也都取得了很大的突破,自动化控制更是将其作为工业控制理论其中的重要组成一环,而对电气的自动化控制则是通过对可编程控制器PLC的应用来实现的,可编程序控制器PLC作为以微处理器控制系统为主要核心的一种通用型电气工业控制模式,目前已被大面积地广泛应用于现代工业生产的各个行业领域[]。PLC技术与其他不同品牌和种类的控制器相比,其具备了操作更简便、抗干扰能力强、稳定性及可靠度高等许多优势。基于以上这些优点,使得该系列的可编程序控制器广泛应用于化工、电子、交通、机械等行业的控制系统领域,并且在机电结合系统设计中[]。近年来，微处理器的升级推广使用，特别是随着单片机大量投入使用，大大强化了PLC的能力，并且使得PLC与微型机控制系统之间的差别越来越小，特别是处在高端PLC更是如此[]。随着计算机计算能力的不断提高，计算机辅助设计仿真也在研究设计各种系统的过程中起到越来越重要的作用。从大系统的三维建模，到电路板布线，处处都可见计算机辅助设计仿真的身影。原本的机械设计中都是通过手绘来完成图纸的绘制，通过计算机来进行图纸的绘制节省了大量的时间，从而大大提高了其工作效率。通过充分的利用计算机软件,也可以使得设计师更方便地对产品进行一些其他的操作,使得产品设计师的工艺和设计更加合理,也可以方便于设计师对其所要设计的产品做进一步的修改,从而能够使得所要设计的产品能够具有更高和良好的性能。另外,在计算机上的设计师还能够对已经进行了设计和制造完成的产品进行仿真,从而确保了产品的合理性[]。1.2研究现状PLC和计算机辅助设计相互配合，在诸如智能物流搬运系统等较复杂的系统的设计过程中，大大节省了前期开发硬件成本，仅仅需要通过电脑，就可完成前期系统从系统设计，部件建模到整体合理性验证和仿真的一系列工作。PLC和计算机辅助仿真设计国外相较国内来说发展的更早，技术也更成熟。韩国成均馆大学（SungkyunkwanUniversity）的水原等四人提出了一种用于PLC集成机器人的SW体系结构，该体系结构在工业智能过程中起着主导作用[]。维也纳UAS技术学院的乔治·诺沃特尼（GeorgNovotny）等人完成了移动交付机器人基于ROS和Unity3D的基于混合现实的仿真[图1.1仿真系统完成流程示意图]。摩德纳和雷焦艾米利亚大学（UniversityofModenaandReggioEmilia）的MarcelloPellicciari等三人完成了高速胶囊填充机的在环机电一体化虚拟样机[]。布拉迪斯拉发斯洛伐克工业大学(SlovakUniversityofTechnologyinBratislava)的埃里克·库切拉（ErikKucera）等三人使用最新的ICT技术，虚拟现实以及建模方法，实现了仿真和控制方面的交互式学习，提高技术研究计划（应用机电和汽车机电）以及相关自动化领域的毕业生和专家的教学质量[]。布雷曼大学（UniversityofBrethemen）的D.Müller、A.Chilliischi和S.Langer更是建立了集成沉浸式3D世界和真实的实验室设备，用于机电一体化教学[]。图1.1仿真系统完成流程示意图1.3论文主要内容及章节安排本论文将主要叙述本次课题所应用的相关软件、建模方法、建模结果、相关程序图、仿真测试过程及结果分析等。根据各部分将要进行叙述的内容，本文将主要分为五个大章节，具体章节安排如下：绪论应用软件工具介绍与分析模型构建过程控制程序仿真测试过程及结果分析本论文所应用的总体仿真系统流程如图1.1所示。1.4本章小结本章作为统领全篇的绪论部分，主要进行了课题有关的基础介绍，包括论文得以进行的相关研究背景，国内外的相关技术进展，行业发展现状等。本章也对本文将要论述的主要内容以及章节安排进行了介绍，并且给出了仿真系统将要应用的相关流程图。第二章应用软件工具介绍与分析2.1SOLIDWORKS软件介绍与本文应用分析目前市面上存在着多种多样的3D建模软件，在日常的生活中或多或少都多多少少接触到过一些3D建模软件的名字。目前国内大学开设专门的建模专业完善的课程还比较少，想熟悉并熟练应用这些建模软件需要投入许多时间和精力去搜集并学习相关的知识。市面上主流3D建模软件包括如下几款：3DsMAX、Maya、Alias、Rhino、SolidWorks、UG、PROE、CATIA、Sketchup。这些建模软件各有特点，也各有所长领域。一提到3D建模软件，多数人的第一反应是3DsMAX、Maya，这两个软件目前在很多主要功能上是可以互相通用的，它们主要适配于动画、游戏、室内设计等领域，被大面积的投入应用在了影视动画、游戏制作这两大产业中。不过，这两款软件在建模的过程中都是各有所侧重，这一点主要表现在操作方式上。到现在为止，我国国内在游戏制作、室内装饰建筑等不同方面，大部分设计师是选择3DsMAX进行设计的，但是在国外，进行动画影视、游戏制作的大部分设计师，主要应用的是Maya。不过随着我国相关产业的发展，我国的设计师也开始转型应用Maya开始进行模型设计，因为Maya在各方面的兼容性要高于3DsMAX。不过本次设计是进行机械设计,并不是侧重于动画制作，故不选择这两款软件。Alias作为一款工业设计软件，它在曲面建模的领域里别有建树，可以实现很强大的功能，它的比较突出的长处是可以实现很高的设计精度，可以实现建立比较复杂曲折的曲面模型，鉴于此特点，诸如航空航天、汽车制造等一类对于曲面外形有着极高精度要求的工业领域对于Alias情有独钟，不过由于这款软件的奇高的学习难度，制约了其大量应用，本设计并不侧重于曲面的精细模拟，故不选择Alias作为本次仿真建模软件。Rhino，又被工程师们戏称为犀牛，作为一款应用于机械、建筑设计软件，Rhino同Alias一样，可以完成曲面建模，它的长处便是功能完善、价格低廉、对于用户方便操作，因此Rhino被很多中小型工作室拿去完成工程设计工作。不过Rhino也有一些弊端，Rhino主要还是应用一种比较局限的建模逻辑，工程师如果对于整体建模结构把握不合理不严谨，很容易导致结构出错，在对需要制造的领域，这一点就很是致命。对于本次设计，Rhino不是很符合要求，故也不予选择。SolidWorks出身于达索系统公司，是达索系统公司所管辖的一个全资子公司,他们主要经营从事的相关工作是不断设计开发、经营制造销售各种各样的电子机械设计以及与行业相关的软件。达索集团一直纠集自身的力量于生产一套可以涵盖整个工业企业的产品制造生产全部生命过程生命周期的全新的数字化的信息化系统,在这一整套的数字化信息化的系统当中囊括了在生产设计、工程制造及发售产品大数据等多个领域当中独占鳌头的极其优秀的软件系统,其中极富名声的CATIA就是由达索集团设计发售的,CAD相关技术产品，作为达索集团主营的一大主体技术业务产品，截止到现在在CAD技术产品的庞大技术市场中占有率已经排名非常靠前。SolidWorks拥有很多强悍并及其实用的功能，软件所能适配并且支持应用的相关插件与组件种类也很多种多样。SolidWorks作为一款CAD软件，其拥有着功能实用、入门简单和技术创新三大特点，这些突出的特点使得SolidWorks成为行业领域内领先的、为大多数企业工程技术人员所接受的主流的三维CAD解决方案。SolidWorks能够为不同的设计环境、不同的工作场景提供不尽相同的设计方案、极大的避免了设计过程中出现一些设计错误并以此提高出产的产品质量。SolidWorks不仅提供如上所述的很实用的功能，并且SolidWorks对于每个工程师和设计者来说，简单易上手是吸引工程技术人员选择它的原因。对于十分熟悉微软Windows操作系统的人员,基本上初次接触SolidWorks都是可以自己动手尝试应用一下来进行一些自己想要实现的相关设计。SolidWorks拥有着其独一无二的放拉拖曳功能,这个方便的功能可以让SolidWorks的用户们在极其短的时间里轻轻松松地完成各种大型机械结构和装配体的装配和技术设计。SolidWorks资源管理器是和Windows操作系统下其资源管理器一样的CAD文件管理器,应用其进行CAD文件的管理，可以轻松方便的管理多个CAD文件。经常使用资源管理器共鞥你的的SolidWorks的工程师们，已经可以在较短的时间内简单并且迅速地完成了许多工程设计工作,并且能够更好地将自己的高性能质量的设计产品快速地推向市场进行销售。在当前市面上所能找到的三维CAD设计软件当中,SolidWorks作为整体设计过程比较简单而方便的设计软件而脱颖而出。强大的设计功能、简单方便的操作(包括Windows风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴),使得SolidWorks在工程设计领域取得了较大的成功。使用SolidWorks,工程师在整个工程生产过程中的零部件设计都是完全可百分之百进行随意编辑更改变换的,各种零件的设计、装配体的安装设计以及各种各样的不同的工程示意图之间都是有着完完全全的关联性的。SolidWorks平滑的学习曲线、简单上手的软件特性，功能完善的软件界面，使得其作为本项目的主要建模软件。2.2TIAPortal软件介绍与本文应用分析TIA博途是全集成自动化软件TIAportal的简称,这软件是德国西门子工业自动化集团公司2005年发布的全新型完整的可集成的工业自动化流程管理软件。它无疑是整个行业中目前首个完全可以采用统一的专业工程组态和管理软件构成项目管理环境的工业自动化工程管理软件,几乎随时可以完全适用于各种需要自动化的工程任务。借助这种全新的新型建筑工程专业科学技术信息系统管理软件开发平台,用户不仅可以快速、直观地开发和调试自动化系统。TIA博途与传统方法相比,无需花费大量时间集成各个软件包,而且也显著地大大减少了生产成本。博途的系统产品设计既既很好兼顾了系统的高效又简单,也很好合适于新手和老客户。作为一切未来的集成软件系统工程组态工具包的技术基石,它已经能够对所有西门子在全面的集成系统自动化中所可能需要的和涉及的所有需要软件工程自动化和需要驱动的软件产品都实时进行组态、编程和自动调试。例如,用于新型SIMATIC的微控制器的新型通用SIMATICStep7V11自动化控制软件以及一种用于新型SIMATIC的人机接口和工作流程设计可视化技术应用的新型SIMATICWinCCV11。作为目前西门子所有的系统软件开发项目和系统工程组态信息数据库开发包的一个具有整体性的集成部分,TIA博途途两个平台在所有的组态信息接口之间都已经能够同时提供统一的组态信息资源共享,向所有用户人员提供了统一的信息引导并且这样能够有效确保整个操作系统正常运行的一致。例如,自动化操作系统环境中的所有智能设备和移动互联网都已经可以在一个基于分布式的网络共享文件编辑器内部自动实现组态。在此资源共享的软件平台中,将企业项目管理导航、仓库管理概念、数据资源管理、项目流程信息数据存储、故障检测诊断及服务在线等多项功能以行业标准配置化的方式及时提供服务给了广大用户。统一的企业软件开发工作环境主要包括了各种可编程的微控制器、人机交互用户界面等以及其他的驱动软件设备等部分,这些都无疑是十分有利于我们改善和不断提高整个中国企业软件自动化开发工程的工作效率。此外,TIA博途在应用控制参数、程序块、变量、信号以及消息等各种控制数据处理模式方面,所有的控制数据都只不过需要被任意输入一次,大大缩短了应用自动化工业建筑工程设计项目的各种软件组态系统运行处理时间,降低了软件造价和维护费用。TIA博途的系统设计理念是基于面向对象和数据集中式的整体数据综合管理,避免了数据输出和输入数据的复杂错误,实现了无缝的综合数据管理统计性和一致性。使用这套覆盖整个开发项目工作区域的软件交叉信息索引查询系统,用户不仅能够在整个全新的软件自动化开发项目内轻松地快速查找项目资料和应用程序设计模块,极大地有效减少了传统软件在对项目进行故障分析诊断和系统调试的花费时间。TIA博途系列产品均采用此新型、统一的软件框架,能够在相同的开发环境中对西门子所有的可编程控制器、人机交互界面和各种驱动设备进行组态。在控制器、驱动设备和人机交互界面之间进行建立通讯时的共用任务,可以大幅度降低网络连接及组态的成本。因此,用户就能够方便地把变量从一个可编程的控制器拖出到另一个人机界面装置的画面。然后在整个人机交互界面内即时进行分配各种变量,并且在系统后台自动建立了控制器和人机交互界面的相互连接,而不必手动进行组态。西门子系列产品作为工业行业的龙头企业，其PLC硬件的覆盖面大，软件功能完善，并且其拥有顺序控制编程的功能，本次设计主要PLC控制程序选择顺序控制方式编写，故选择TIAPortalV16作为本课题的控制程序编写软件。2.3VirtualUniversePro软件介绍与本文应用分析VirtualUniversePro(三维行业建模服务器软件工具包)-这是一款基于技术创新的三维立体建模与图像仿真软件应用程序。借助于一个可相互复用和同时具有高度相互融合性的O-CAD融合模型,它可以使我们非常能够迅速地设计创建一个基于企业自动化管理系统的三维互操作性虚拟仿真(或《虚拟机器》)。拥有VirtualUniversePro各种仿真器,工业电子设备和工程自动化控制系统的设计开发人员就已经可以不仅能够在逼真和交互式的三维虚拟环境下快速进行设计测试自己的工业产品,并且还能够通过进行远程实时监测模拟各种工业设备的使用行为。通过将三维虚拟仿真仪器的连接应用到外部的环境控制器,例如Uaplc或其他各种嵌入式的外部虚拟环境控制器,VirtualUniversePro我们能够在完全基于虚拟的现实环境下,再现一个虚拟设备或者一个机器在真实的虚拟世界环境中的正常运行工作。半实物仿真平台IRAI是一种利用三维CAD的模型来构建一个直接交互式3D的仿真环境或者一个自动化的系统(虚拟样机),可以在IRAI的平台中通过PLC控制器/单片机直接对虚拟样机的各种设备信号进行实时控制,形成一个真实的、交互性的3D实验环境。与此同时IRAI平台还提供了一个人机交互接口、电工计算机和电子、气压以及液压图表等信息的生成。机电一体化仿真平台基于最新的虚拟调试仿真技术，为用户提供了一个完全开放的虚拟设备研发平台，三维模型基于各主流3D建模软件开发，同时使用最新的3D渲染技术以及物理引擎呈现最真实的仿真效果。控制端调试可支持各品牌PLC、单片机、运动控制器、Matlab、Proteus、Labview、工业机器人、C语言、Python、Mitscratch图形编程语言等。虚拟调试利用当下先进的计算机三维显示技术，在虚拟环境中制作具有与实物设备同样功能、属性的虚拟设备，可以用来作为教育教学培训资源，新产品研发调试，工厂布局规划，方案论证，产品售前预演等。虚拟现实仿真技术在我国高中高等职业教育教学方面已经具备很大的教学特点和技术优势,开展了机电人工融合教学一体化的各种教学实验室和班级课程教学(其中包括有机电工与微电子,数字电路,气动液压,产品设计与生产过程管理中的安全自动化质量管理,程序设计优化,故障处理排除等);实验程序的设计是否正确需要进行性能检测;大型高校学生技能比赛;plc班级教学;高校创新创业精神教育比赛;大学毕业设计;大学课程设计;企业项目的研发等。可替代实际教学设备,节约教学资源;可丰富实验种类,提高实验开设率;可零风险操作,提高实验安全性;基于其目前广泛的应用前景和便于从互联网搜集到相关的学习资料，故本此设计主要应用VirtualUniversePro来完成三维模型和PLC的端口连接。2.4本章小结本章主要介绍了本次项目主要应用的建模软件、PLC控制程序编写软件、建模与控制程序联合仿真软件的选择方法以及选择依据，并且针对不同种类的软件进行了详细的利弊分析，印证软件选择依据。第三章模型构建过程本课题通过SolidWorks软件完成了对目标系统的三维模型构建过程，SolidWorks作为一款优秀的建模软件，可以方便快捷的完成各种零部件的工程图绘制，下面将分别叙述模型各部件的构建过程，并叙述建模过程中物理材质、物理规则的赋予以及在建模的过程中所出现的问题，如图3.1所示为本次建模全部模型零件总览。图3.1零件概览3.1电机建模过程本课题主要是对机械构件的运动控制仿真构建，并不是针对智能物流系统的全系统全细节的仿真重现，故在建模的过程中，对于电机部分的建模省略了电机内部定子、转子、电刷、线圈等部件的完整重建，只是保证了电机的外形保留。首先，在主视图中绘制电机外形的平面视图的草图，如图3.2所示。图3.2电机外形草图完成草图的绘制后，通过凸台-拉伸操作，拉伸草图，得到电机总体外形的长方体模型，如图3.3（蓝色部分）所示。图3.3电机外形轮廓完成总体轮廓模型的构建后，通过倒角，圆角操作，将长方体的各个边角进行圆角处理，通过设定圆角的半径使得边角更加美观，得到更加美观的外形。接下来选定主轴要在的平面，绘制主轴需要的半径的草图，通过拉伸-切除操作，设定好切除深度，在主体上预留出电机传动主轴所需的空间，完成后如图3.4所示。图3.4电机主轴空间构建在电机主体两侧，绘制螺丝固定所需翼面的草图，同样通过拉伸-凸台操作，完成对翼面模型的构建，完成固定翼面后，电机的总体外形建模完成，如图3.5所示。图3.5电机总体模型完成外形的建模后，开始进行材料选择，在材料选择界面，为电机选择材料，并配置相关的各项物理量，包括弹性模量、泊松比、抗剪模量、质量密度、张力强度、压缩强度、屈服强度、热膨胀系数、热导率、比热等相关数据，如图3.6所示。图3.6电机模型材料配置3.2机架建模过程首先绘制长方形草图，通过凸台-拉伸操作，得到机架背板和连接在背板上负责起支撑作用的两块细长支撑板。通过软件内配合操作，将三部分组装到一起，得到机架中心部分，如图3.7所示（蓝色部分）。图3.7机架中心部分完成机架中心部分后，再次绘制两侧支撑板草图，如图3.8，草图绘制完毕，应用凸台-拉伸，拉取出所需板材厚度，完成两侧板材的构建，如图3.9所示。图3.8支撑板草图图3.9支撑板（右）完成外形的建模后，开始进行材料选择，在材料选择界面，为支撑板选择材料，并配置相关的各项物理量，包括弹性模量、泊松比、抗剪模量、质量密度、张力强度、压缩强度、屈服强度、热膨胀系数、热导率、比热等相关数据，如图3.10所示。图3.10支撑板材料配置3.3机械夹建模过程首先绘制机械夹的支撑臂的草图，通过凸台-拉伸操作，得到机械夹支撑臂的主体结构，如图3.11所示。图3.11机械夹支撑臂完成机械夹支撑臂的主体拉伸之后，通过拉伸-切除操作，在机械夹主体上绘制固定销所需的空洞。在完成支撑臂的建模之后，开始进行机械夹上方支持主体的建模。首先通过凸台-拉伸操作，得到支持主体的大致外形，通过多次拉伸-切除操作，切除主体多余部分，留出所需空间，得到所需外形，如图3.12至图3.16所示。图3.12支持主体1图3.13支持主体2图3.14支持主体3图3.15支持主体4图3.16固定销在主体各部件完成建模后，通过新建装配体，将各个部件进行组装，最终得到机械夹的完整机械结构，如图3.17所示（蓝色部分）。图3.17机械夹完成外形的建模后，开始进行材料选择，在材料选择界面，为机械夹选择材料，并配置相关的各项物理量，包括弹性模量、泊松比、抗剪模量、质量密度、张力强度、压缩强度、屈服强度、热膨胀系数、热导率、比热等相关数据，如图3.18所示。图3.18机械夹材料配置3.4螺母滑道建模过程在完成机械夹的建模之后，开始进行机械夹上方带动机械夹运动的螺母滑道主体的建模。首先通过凸台-拉伸操作，得到支持主体的大致外形，通过多次拉伸-切除操作，切除主体多余部分，留出所需空间，得到所需外形，如图3.19至图3.23所示。图3.19螺母外壳1图3.20螺母外壳2图3.21螺栓图3.22气缸图3.23螺母滑道滑动杆在主体各部件完成建模后，通过新建装配体，将各个部件进行组装，最终得到螺母滑道完整机械结构，如图3.24所示（蓝色部分）。图3.24螺母滑道完成外形的建模后，开始进行材料选择，在材料选择界面，为支撑板选择材料，并配置相关的各项物理量，包括弹性模量、泊松比、抗剪模量、质量密度、张力强度、压缩强度、屈服强度、热膨胀系数、热导率、比热等相关数据，如图3.25所示。图3.25螺母滑道材料配置3.5其他组件建模过程其他组件的建模过程和上述提到的各部分总体建模过程类似，都是主体通过绘制草图，通过凸台-拉伸、拉伸-切除、阵列等操作，完成对部件的建模操作，总体上大同小异。螺母、轴承等标准件可通过调用SOLIDWORKS内置的国标库直接进行调用，不过因为本次建模是非标准建模，孔径并未完全符合国家标准库，无法直接套用标准零件，故依旧应用自主建模。图3.26为梯形丝杠螺母模型图，图3.27为轴承模型图，图3.28为球滚道模型图。图3.26梯形丝杠螺母图3.27轴承图3.28球滚道完成外形的建模后，开始进行材料选择，在材料选择界面，为各个模型选择材料，并配置相关的各项物理量，包括弹性模量、泊松比、抗剪模量、质量密度、张力强度、压缩强度、屈服强度、热膨胀系数、热导率、比热等相关数据，如图3.29所示为梯形丝杠螺母材料配置，图3.30所示为轴承材料配置，图3.31所示为球滚道材料配置。图3.29梯形丝杠螺母材料配置图3.30轴承材料配置图3.31球滚道材料配置3.5建模过程存在的问题在建模的过程中出现了如下几个频繁出现的问题，在进行组件阵列操作时，无法阵列；在进行拉伸-切除时，无法完成切除操作。出现如上问题的主要原因为SolidWorks在进行建模的过程中，其系统默认零件必须为实体特征，才能完成建模。如果在绘制图纸过程中不慎未闭合所有的边线，导致工程图为开放图形，这将导致系统认为图形有无穷解，无法构成实体图形，导致无法进行相关操作。要解决这一问题只需在草图中找到未闭合边线的区域，将其改正为闭合区域，就可正常进行各项操作。在模型仿真的过程中还出现了模型穿模的问题。发生该问题的主要原因为在建立模型的过程中，仅定义了相关面、线的配合关系，定义了部件基本的材料物理状态，并未定义部件为实体，只有将部件定义为实体，诸如引力、摩擦力等力学性质才会被加入仿真，部件的运动范围也将受到外形的限制，穿模问题自然解决，如图3.32、图3.33、图3.34所示。图3.32力学性质配置页面图3.32引力配置页面图3.34VUP物理规则及PLC端口配置页面3.6本章小结本章主要介绍了通过SolidWorks软件完成了对目标系统的三维模型构建过程，分别叙述了模型各部件的构建过程，并叙述建模过程中物理材质、物理规则的赋予以及在建模的过程中所出现的问题。第四章控制程序4.1PLC控制器选择本次控制程序主要以顺序控制为主，SIMATICS7-200系列CPU较为简单，无法进行仿真，SIMATICS7-1200系列CPU无顺序控制器，无法完成顺序控制，故选择西门子PLC300系列控制器，具体选择为SIMATICS7-300313C-2DP。该款控制器包括如下功能：128KB工作存储器：0.07ms/1000条指令；集成DI16/DO16；3路脉冲输出(2.5kHz)；使用24V(30kHz)增量式编码器进行3通道计数和测量；MPI+DP接口（DP主站或DP从站）；最多可扩展连接31个模块；具有直接数据交换的发送和接收功能；恒定总线循环时间；路由；S7通信（可加载FB/FC）；如图4.1所示。图4.1CPU版本4.2PLCHMI选择因为本次选择了SIMATICS7-300313C-2DP，故HMI须选用与该版本CPU兼容的操纵面板，本次选择SIMATIC精简系列面板中9inc版本，可以很好的符合后面所需要的按键设置和相关的状态灯布置。该款面板拥有如下特性：9''TFT显示屏，800x480像素，64K色；按键和触摸操作，8个功能键；1xPROFINET，1xUSB。面板选择如图4.2所示，面板接线如图4.3所示。图4.2HMI版本图4.3HMI设备组态图4.3程序段编写4.3.1控制程序首先更改CPU端口号等相关设置，方便后续程序编写，在MAIN函数中添加函数块，通过函数块方便快捷的进行程序编写。如图4.4所示。图4.4Main函数函数块构建完成后，开始控制程序编写。主程序流程如下，如图4.5所示。图4.5主程序流程图按照主程序流程图，开始分步编写各部分相关程序。首先是自主夹取程序流程。首先将I0.5置1，使得机械臂向右动作即Q0.2=1。两秒后，将Q0.2置0，机械臂停止右移，将Q0.3置1，机械臂下移。两秒后，将Q0.3置0，机械臂停止下移，将Q0.5置1，机械夹加紧，小球夹起。两秒后，将Q0.4置1，机械臂上移。两秒后将Q0.4置0，将Q0.1置1，机械臂左移，运动两秒后，Q0.1置0，Q0.5置0，松开小球。如图4.6为自主夹取程序图。图4.6自主夹取接下来是机械臂左移的程序流程。首先将I0.1置1，Q0.1=1，机械臂向左移动，五秒后，将Q0.1置0，机械臂停止左移，左移完成。如图4.7为机械臂左移程序图。图4.7机械臂左移接下来是机械臂右移的程序流程。首先将I0.2置1，Q0.2=1，机械臂向右移动，五秒后，将Q0.2置0，机械臂停止右移，右移完成。如图4.8为机械臂右移程序图。图4.8机械臂右移接下来是机械臂上移的程序流程。首先将I0.4置1，Q0.4=1，机械臂向上移动，五秒后，将Q0.4置0，机械臂停止上移，上移完成。如图4.9为机械臂上移程序图。图4.9机械臂上移接下来是机械臂下移的程序流程。首先将I0.3置1，Q0.3=1，机械臂向下移动，五秒后，将Q0.3置0，机械臂停止下移，下移完成。如图4.10为机械臂上移程序图。图4.10机械臂下移接下来是机械夹动作的程序流程。首先将I0.6置1，Q0.5=1，机械夹夹紧，五秒后，将Q0.5置0，机械夹松开，动作完成。如图4.11为机械夹动作程序图。图4.11机械夹动作如图12所示为程序总览，可以总览整个控制程序结构。图4.12程序总览4.3.2HMI程序完成主程序编写后，开始在HMI根页面开始进行按键布局和相关的端口配置。在HMI面板上布置上所需的七个按钮（系统启动、自动夹取、机械臂左移、机械臂右移、机械臂上移、机械臂下移）和两个状态灯（机械臂动作状态显示灯、机械夹动作状态显示灯）。当按钮和状态灯布置完成后，开始配置各个按钮和灯光的端口号和动作指令。将I0.0赋予系统启动按钮，按钮动作为单击为端口置位位。将I0.1赋予机械臂左移按钮，按钮动作为单击为端口置位位。将I0.2赋予机械臂右移按钮，按钮动作为单击为端口置位位。将I0.3赋予机械臂下移按钮，按钮动作为单击为端口置位位。将I0.4赋予机械臂上移按钮，按钮动作为单击为端口置位位。将I0.5赋予机械夹动作按钮，按钮动作为单击为端口置位位。将I0.6赋予自动夹取按钮，按钮动作为单击为端口置位位。将机械臂状态灯和Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4进行绑定，当其中有值为1时灯光显示绿色，表示机械臂状态正常，当所有值全为0时，灯光显示红色，表示机械臂状态异常。将机械夹状态灯和Q0.5进行绑定，当其值为1时灯光显示绿色，表示机械夹状态正常，当值为0时，灯光显示红色，表示机械夹状态异常。如图所示，图13为HMI面板按键页面，图14为HMI变量链接页面。图4.13HMI面板页面图4.14HMI变量链接页面4.4本章小结本章首先介绍了本项目所用的PLC版本以及HMI版本。在进行简短的功能介绍后接下来详细描述了相关PLC程序的编写流程，端口设置情况，HMI面板的按键布局，端口引用，以及相应的动作动画。第五章仿真测试过程及结果分析系统建模部分和PLC控制部分都已完成，可以开始进行仿真测试。测试按照功能顺序依次进行。首先将系统网络通信协议打开，接下来选到主函数，点击开始仿真，显示下载到设备页面，选择MPI接口，点击搜索设备，搜索到设备后点击下载如图5.1所示，下载完成后，即可开始正常开启PLC，如图5.2所示。图5.1TIAPortal下载到设备页面图5.2TIAPortal仿真结果页面（CPU页面）点击RUN,即可正常开启运行PLCCPU。选择到HMI根画面，同样点击开始仿真，显示下载到设备页面，选择MPI接口，点击搜索设备，搜索到设备后点击下载，下载完成后，即可开始正常操作HMI页面按钮，如图5.3所示。图5.3TIAPortal仿真结果页面（按键页面）此处需要注意的是，想要正常操作HMI页面的按钮，需要同时启动主函数的仿真，并且启动主函数的仿真后，CPU必须在RUN状态下，PLC控制程序才能正常运行，在按动HMI页面的按钮时才能出发正确的状态。此时CPU状态为正常的RUN模式，按下自动夹取按键，机械臂开始运动，此时机械臂状态灯显示为绿色，机械夹状态灯为红色，四秒后，机械夹运动到小球位置，开始夹取动作，机械夹状态灯由红转绿，此时机械臂开始上升，两秒后，机械臂开始左移，再过两秒后，机械臂到达预定位置，机械夹松开，小球落入球滚道，整个夹取动作完成。如图5.4、图5.5、图5.6所示。图5.4自动夹取仿真结果1图5.5自动夹取仿真结果2图5.6自动夹取仿真结果3根据仿真结果，机械臂按照初始程序预设，完成从初始位置到抓取小球，再到放下小球的一系列动作，证明程序运行正常，端口和物理设定等符合设计预期，结果较为成功。

结束语本课题主要针对目前发展较为迅速的PLC控制和机电一体化虚拟仿真，参考D.Müller等人撰写的Integratingimmersive3Dworldsandreallabequipmentforteachingmechatronics和其他相关文献和科研成果，以本校实验室的实际智能物流系统为建模原型，通过SOLIDWORKS、VirtualUniversePro、TIAPortalV16等软件，完成了对模型的构建，虚拟环境的搭建，PLC控制程序的撰写。因为PLC程序的开放性，本设计将会对机电一体化相关教学起到一定的贡献作用。经过本次毕业设计的学习和实践，我对于三维模型的构建、PLC电气控制等有了更深刻的理解，让我对于工业机电一体化相关方面有了全新的认识和了解，也丰富了我的相关操作经验，让我的程序编写能力有了有效的磨砺。本设计中存在着诸多零部件的三位构建，通过不同部件的模型构建，使我对于对于模块化建模有了全新的了解，使我受益匪浅。在设计的同时，通过不断解决出现的问题，优化模型以及底层机械结构设计，找出优秀的解决方案，最终得出较为优秀的结果。在本次毕业设计的过程中，我学习到了很多课堂和书本上无法学习到的知识，通过对他人成功结果的借鉴和参考，对他人成功经验的总结，让我受益良多，我的动手能力和思考问题的能力都得到了锻炼。最终对本次设计的不断完善和总结也是我对于本科四年学习的知识的应用总结和丰富发展，也是四年来宝贵的经验积累。我更加明白了要将理论和实际相结合，去独立思考和不断学习进步，遇到困难险阻千万不能放弃退缩，而是尽自己所能去想办法解决，尽管本次的设计较为简单，但我依旧感受到了独自完成一个系统的设计和完成实现的困难和不易，同样在以后的生活中我肯定也会受到这样的挑战，我相信我会更加努力，像完成本次毕业设计一样去克服所遇见的困难，不断前进。参考文献[1]赵园园.智能物流系统设计及应用分析[J].商业经济,2014(01):64-65.[2]电气控制技术与PLC的论述[J].农家参谋,2019,No.618(09):243-243.[3]徐锡伟,王世军,刘璐.PLC技术在机电一体化设计中的运用[J].中国机械,2015(2):72-73.[4]潘新民，王燕芳编著．微型计算机控制技术：电子工业出版社，2011.01[5]刘劲威.计算机辅助设计在机械设计中的应用分析[J].科技与企业,2013,000(002):98-98.[6]H.S.Jeong,S.H.Ji,H.S.JungandJ.C.Koo,"DesignofSWarchitectureforPLCintegratedrobot,"201714thInternationalConferenceonUbiquitousRobotsandAmbientIntelligence(URAI),Jeju,Korea(South),2017,pp.874-876,doi:10.1109/URAI.2017.7992851.[7]Y.Liu,G.Novotny,N.Smirnov,W.Morales-AlvarezandC.Olaverri-Monreal,"MobileDeliveryRobots:MixedReality-BasedSimulationRelyingonROSandUnity3D,"2020IEEEIntelligentVehiclesSympos