S7-1200 1500 PLC应用-基于SCL和数字孪生 课件 项目5 进阶应用：控制NX MCD中的数字孪生对象

任务描述在NX机电概念设计（MCD）软件中，打开简单搬运系统3D模型。为该搬运系统的模型定义基本机电对象、运动副与约束、传感器和执行器、仿真序列等，实现循环搬运。搬运流程：Z轴下降->吸盘吸附小方块->Z轴上升->X轴向右->吸盘松开小方块，小方块落入回收桶中->X轴向左->产生新的小方块->新一轮循环。任务目标知识目标：①了解NXMCD平台的功能和作用；②理解MCD的基本机电对象的物理属性；③理解MCD的运动副和约束的各个参数的意义；④理解MCD的传感器、执行器的参数的意义；⑤理解并掌握MCD的仿真序列中的逻辑控制、运动控制的意义和使用方法。能力目标：①会定义刚体、对象源、对象收集器、碰撞体、碰撞面等基本机电对象；②会定义固定副、滑动副等运动副；③能运用约束、耦合副定制机构运动；④能使用NXMCD平台对机电一体化产品中的自动化相关行为进行仿真。素质目标：①培养分析与决策能力。1.NXMCD平台（1）NX软件简介NX软件是一个由西门子PLM部门开发的数字化产品开发系统。它支持产品开发的整个过程：从概念到设计、分析、制造的完整流程。NX将产品的生命周期阶段整合到一个终端到终端的过程中，运用并行工程工作流、上下关联设计和产品数据管理，使其能运用在所有领域。它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段，并且可针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求，提供经过实践验证的解决方案。1.NXMCD平台（2）MCD简介机电一体化概念设计（MechatronicsConceptDesigner），简称MCD，是西门子NX软件的一个重要的可独立运行的数字化工具应用模块，也是数字化双胞胎的基石。MCD可用于交互式设计和模拟机电系统的复杂运动。MCD融合了多个学科，包括机械、电气、流体和自动化等，是一种将机器创建过程转变为高效机电一体化设计过程的解决方案。2.基本机电对象（1）刚体给几何对象赋予刚体属性以后，可使几何对象在物理作用下运动。刚体可受重力、扭力等外力作用，使其能产生如同在真实世界中一样的运动。任何几何对象，只有添加了刚体属性以后，才能受到重力或者其他作用力的影响。例如，定义了刚体的几何体，将受重力影响，如果没有支撑，将会进行自由落体运动。“刚体”定义的入口2.基本机电对象（2）碰撞体碰撞体是几何对象的一种物理属性，它与刚体一起添加到几何对象上才能触发刚体的碰撞。两个刚体相互撞在一起时，只有当两个对象都定义了碰撞体属性后，软件才会计算碰撞。在模拟运动中，没有设置碰撞体的刚体会彼此相互穿过。2.基本机电对象（3）对象源利用对象源可以创建外表、属性相同的对象。对象源特别适用于物料流案例中，用作物料发生器。2.基本机电对象（4）对象收集器对象收集器可以收集（删除）与其发生碰撞的对象，该对象应由对象源生成。3.运动副和约束（1）固定副固定副可以用在以下2个场合：①将刚体固定到一个固定的位置，比如引擎中的大地（基本件为空）。②将两个刚体固定在一起，此时两个刚体将一起运动。3.运动副和约束（2）滑动副滑动副是指组成运动副的两个构件之间只能按照某一个方向作相对移动的运动副。滑动副具有一个平移自由度。4.传感器和执行器（1）碰撞传感器使用碰撞传感器可以检测碰撞事件。碰撞事件可以用来停止或者触发“操作”或“执行机构”。4.传感器和执行器（2）速度控制速度控制可以控制运动副的运动速度。4.传感器和执行器（3）位置控制位置控制可以驱动运动副以一个预设的恒定速度运动到一个预设的位置，并且能限制运动副的自由度。完成运动所需的时间＝位移／速度。5.仿真序列仿真序列是MCD平台处理机构动作的逻辑关系与仿真演示的快速处理方式，它可以将各个执行器与传感器进行关联，从而实现逻辑控制。1.定义刚体2.定义碰撞体3.定义对象源4.定义运动副和约束5.定义传感器和执行器6.定义仿真序列7.仿真测试搬运系统将按如下动作流程运行：①Z轴下降至小方块的位置；②吸盘吸附小方块；③Z轴上升到原位；④X轴向右运动到回收桶的位置；⑤吸盘松开小方块，小方块落入回收桶中；⑥X轴向左运动到原位；⑦产生新的小方块；⑧重新从第①步开始循环。任务描述用PLC控制五子棋系统的X轴和Y轴的步进电机实现对步进电机的点动控制、绝对运动控制等。在触摸屏上为步进电机设置“回原点”、“点动正转”、“点动反转”、“启动绝对运动”等4个按钮，并设置“点动速度”、“绝对运动位置”、“绝对运动速度”等3个数值输入框。任务目标知识目标：①了解步进电机的工作原理；②理解步进电机驱动系统的接线方法；③掌握S7-1200PLC主要的电机控制指令的使用方法。能力目标：①能完成S7-1200PLC与步进电机驱动系统的接线；②能编程实现对步进电机的点动控制、绝对运动控制。素质目标：①培养科学的认识论和方法论。1.步进电机及其驱动（1）步进电机概述步进电机是将电脉冲信号，转变为角位移或线位移的开环控制电机，又称为脉冲电机。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。当步进驱动器接收到一个脉冲信号时，它就可以驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”。电机固有步距角工作状态电机运行时的真正步距角0.9°/1.8°半步状态0.9°0.9°/1.8°5细分状态0.36°0.9°/1.8°10细分状态0.18°0.9°/1.8°20细分状态0.09°0.9°/1.8°40细分状态0.045°电机固有步距角与真正步距角的关系1.步进电机及其驱动（2）步进电机的优缺点主要的优点：①结构简单，使用维修方便，制造成本低；②控制简单，可以通过脉冲信号对电机进行控制；

③可以进行开环控制，不需要反馈电路以返回旋转轴的位置和速度信息。④步进电机带动负载惯量的能力大，适用于中小型机床主要的缺点：①若负载过大或者控制不当，可能会出现失步；②发热较大，因电机停止时仍然存在电流而产生热量；③噪声较大，效率较低。1.步进电机及其驱动（3）步进电机驱动系统

步进电机驱动系统框图步进电机驱动器实物图1.步进电机及其驱动（3）步进电机驱动系统步进电机驱动系统的共阳极接法步进电机驱动系统的共阴极接法2.S7-1200/1500PLC的运动控制指令（1）MC_Power启动轴指令该指令主要的管脚定义如下：EN：MC_Power指令的使能端。Axis：轴的名称。Enable：轴的使能控制端。StartMode：轴的启动模式选择。Enable=0，则启用位置不受控的定位轴，即速度控制模式；Enable=1，则启用位置受控的定位轴，即位置控制（默认）。StopMode：轴的停止模式选择。StopMode=0，则为紧急停止；StopMode=1，则为立即停止；StopMode=2，则为带有加速度变化率控制的紧急停止。2.S7-1200/1500PLC的运动控制指令（2）MC_Halt停止轴指令当Execute管脚检测到上升沿时，停止所有运动并以组态的减速度停止轴。2.S7-1200/1500PLC的运动控制指令（3）MC_Home回原点（原点校准）指令该指令主要的管脚定义如下：Position：位置值。Mode=1时，则该值为对当前轴位置的修正值；Mode=0、2、3时，则该值为轴的绝对位置值。Mode：回原点模式值。Mode=0，则为绝对式直接回零点，轴的位置值为参数“Position”的值；Mode=1，则为相对式直接回零点，轴的位置值等于当前轴位置+参数“Position”的值；Mode=2，则为被动回零点，轴的位置值为参数“Position”的值；Mode=3，则为主动回零点，轴的位置值为参数“Position”的值。2.S7-1200/1500PLC的运动控制指令（4）MC_MoveAbsolute绝对运动指令当Execute管脚检测到上升沿时，根据参数“Velocity”设定的运行速度，运行到参数“Position”设定的绝对位置。2.S7-1200/1500PLC的运动控制指令（5）MC_MoveRelative相对运动指令当Execute管脚检测到上升沿时，根据参数“Velocity”设定的运行速度，运行参数“Distance”设定的相对距离。2.S7-1200/1500PLC的运动控制指令（6）MC_MoveJog点动指令JogForward：正向点动控制。JogForward为1时，轴正向运行；JogForward为0时，轴停止。这类似于按钮的功能，按下按钮轴就运行，松开按钮后轴就停止运行。注意，JogForward不是用上升沿触发，而是用高电平触发。JogBackward：反向点动。JogBackward的使用方法与JogForward一致，但是轴的运动方向相反。注意，JogForward和JogBackward同时为1或0时，轴停止。Velocity：点动速度设定。2.S7-1200/1500PLC的运动控制指令（7）MC_Reset复位（确认错误）指令用来确认“伴随轴停止出现的运行错误”和“组态错误”。1.硬件接线参考硬件接线请参考PLC控制步进电机的实物接线图完成硬件安装和接线。2.PLC的组态与程序PLC的变量表2.PLC的组态与程序启用PLC的脉冲发生器2.PLC的组态与程序新增工艺对象双击项目树中的PLC_1->工艺对象->新增对象，弹出新增工艺对象窗口2.PLC的组态与程序新增工艺对象“X轴”的参数组态2.PLC的组态与程序编写子程序2.PLC的组态与程序编写主程序在主程序Main[OB1]中调用[FC1]3.设计HMI界面控制步进电机HMI人机界面4.系统调试按照如下的步骤进行测试（以X轴为例）：1）在线监控PLC程序，观察[FC1]的程序段1的MC_Power指令的输出状态Status是否为“TRUE”，若是，则表示电机使能成功；2）点击HMI人机界面的回原点（位置校正）按钮，将主动回到轴的原点（装有原点检测开关的位置），轴的绝对位置值变成0。轴的原点位置由原点检测开关（I0.3）的安装位置决定；3）先在HMI人机界面上设定好“绝对运动位置”和“绝对运动速度”，然后点击启动绝对运动按钮，观察是否按设定的速度运动到所设定的位置；注意，只有先完成回原点操作，然后才能启动绝对运动。4）点击HMI人机界面的“点动正转”按钮，观察电机是否正向转动，松开按钮之后是否停止；5）点击HMI人机界面的“点动反转”按钮，观察电机是否反向转动，松开按钮之后是否停止。任务描述为五子棋数字孪生系统的3D模型定义基本机电对象、运动副与约束、传感器和执行器、仿真序列、信号适配器等。定义完成之后，先测试X轴、Y轴、Z轴和吸盘的各项动作是否正常，然后手动更改信号适配器中的信号，将黑、白棋子分别从棋子盒搬运到棋盘上的1行1列、5行4列。本次任务是使用信号来进行控制。完成本次任务以后，只需再将MCD的信号与PLC的信号进行关联，五子棋数字孪生系统就能受PLC程序的控制了。任务目标知识目标：①了解五子棋数字孪生系统的执行器和传感器；②进一步理解MCD的基本机电对象、运动副、传感器、执行器的物理属性；③理解MCD的信号适配器的各个参数的意义；④掌握MCD的信号适配器的定义和使用方法。能力目标：①会定义MCD的信号适配器；②会用“运行时查看器”来查看五子棋数字孪生系统的传感器；③能用信号适配器调试五子棋数字孪生系统的执行器。素质目标：①培养耐心与信心。1.定义刚体2.定义碰撞体3.定义对象源请参考任务5.1中的方法完成“白棋子”、“黑棋子”等2个对象源的定义。对象选择白棋子，复制事件选择“每次激活时一次”，名称为“白棋子”。4.定义滑动副定义滑动副时的参数选择滑动副的名称基本件连接件滑动方向X方向移动刚体“Y轴”刚体“X轴”X方向Y方向移动留空（即：大地）刚体“Y轴”Y方向Z方向移动刚体“X轴”刚体“气缸和吸盘”Z方向5.定义固定副请参考任务5.1中的方法完成固定副“吸盘”的定义。基本件选择刚体“气缸和吸盘”；连接件留空，在后面的仿真序列定义时，由碰撞传感器检测来确定；名称修改为“吸盘”。6.定义执行器-位置控制定义执行器-位置控制时的参数选择位置控制的名称选择对象目标（位移）速度X轴位置滑动副“X方向移动”暂时设为0，由信号适配器来设定。150mm/sY轴位置滑动副“Y方向移动”暂时设为0，由信号适配器来设定。150mm/sZ轴位置滑动副“Z方向移动”暂时设为0，由信号适配器来设定。100mm/s7.定义碰撞传感器定义碰撞传感器“吸盘”8.定义信号适配器信号适配器的设置9.定义仿真序列所有的仿真序列添加完成后的序列编辑器10.仿真测试任务描述在任务5.3中，已经通过手动更改信号适配器中的信号的方法，实现了将黑、白棋子分别从棋子盒搬运到棋盘上