數字化樣機技術 | 三 在NX/MCD中創建虛擬調試環境
緒論
上一章初步認識了NX/MCD，學習了怎樣使用NX/MCD建立基本機電對象、運動副和約束、感測器與執行器和模擬序列等，已經會基本使用NX/MCD基本操作，接下來繼續深入學習使用虛擬調試，設計一台非標自動化設備，並使用博途軟體進行虛擬模擬調試，本章主要講述使用NX/MCD建立虛擬調試的環境。
傳統非標自動化設備開發流程：
- 了解需求；
- 設計機構機械部分，選擇電氣部分的執行機構；
- 機械模型打樣，電氣系統調試，發現問題，反饋問題；
- 確定設備是否進行開發；
- 設備機械部分與電氣部分修改；
- 重新調試，直至可以進行設備交付。
在傳統的流程下進行設備研發，不僅整個周期長，耗費人力物力多，在原始需求到樣機打樣階段的試錯成本太高。同時，由於機械設計與電氣設計的脫節，使得整個樣機的復用性不強。
西門子推出的虛擬調試解決方案：使用機電設備的數字化原型（NX/MCD模型）來進行模擬，它的優點是減少部分實際樣機的試錯成本，將機械與電氣設計統一，固化設計方案，使得方案復用性增強。在設計初期，就將機點設計進行統籌考慮，不僅能驗證設備硬體結構及軟體的邏輯，而且節約了試錯資源，減少設備開發的周期，由於虛擬調試的程序復用率高，提高了整體設計的效率。
設計需求：
- 設備功能：在設計之初想要達到的目的是，使物體被循環轉移並擺放成一定的順序，其主要的運動就是抓取和轉移物體。
- 設計機構：要實現上述運動，機械工程師提出，使用轉盤擱置物體並調整物體的角度位置，使用夾爪抓取物體，改變物體的位置及方向，使用傳輸帶轉移物體，使用絲桿機構讓物體能精準擺放到某一位置。
- 執行器：根據電氣工程師的建議，使用伺服電機來控制轉盤達到精確的轉動角度，使用氣缸控制夾爪來抓取物體，改變物體的位置和方向。使用普通電機控制傳輸帶的運動。使用伺服電機連接絲桿控制物體的精準定位。
- 設計模型：使用NX12建立模型，主要工作部分由轉盤部分，傳輸帶部分，夾爪部分組成。（其餘部分模型並不用參與模擬，可以在MCD中將其隱藏）
圖1 機械樣機模型
- 運動流程：首先轉盤轉動一個角度，使物體處於夾爪1正下方，夾爪1下降抓取物體，夾爪1上升，平移至傳輸帶1上方，夾爪1旋轉180度，將物塊放置傳輸帶上，待物塊運動至夾爪2下方觸發碰撞感測器1，夾爪2下降抓取物塊，夾爪2上升，平移至傳輸帶2上方，絲桿機構將夾爪2移動到傳輸帶2的指定位置，放下物塊，依次循環，等待五個物塊在傳輸帶2上擺放好位置之後，傳輸帶2啟動，當物塊運動至夾爪3下方觸發碰撞感測器2，夾爪3將物塊抓取，轉盤轉動一定角度，使夾爪3把物塊放置對應位置，依次循環直至五個物塊擺放到位。
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以上就是完成了設備的設計，然後根據西門子提出的虛擬調試方案，對設備進行虛擬調試。
虛擬調試的流程:
- 在NX/MCD中建立虛擬調試的環境；
- 在博途環境中編輯程序；
- 建立NX/MCD與PLC信號的映射關係；
- 通過虛擬調試驗證模型的可用性。
虛擬調試的機理
在真實設備中，設備完成相應的功能需要PLC進行控制，執行機構進行執行 。控制的基本原理是PLC執行程序，輸出一個相應執行指令，執行器接收到指令就進行相應動作，並反饋一個信息給PLC告訴它完成了運動，PLC結合得到的回饋後完成相應的動作。
本章首先要了解設備真實控制機理，分析每個運動的真實物理場景中所對應的控制信號，在NX/MCD環境中匹配相應的信號，以達到模擬效果。本章主要說明在NX/MCD中如何模擬實際物體的運動模擬情況，以及如何在MCD中創建信號，並使用信號來控制物體運動，為後續使用PLC的虛擬調試做基礎。
第一節：了解設備真實控制機理
1.電機控制
- 非同步電機：在裝置中有兩條傳輸帶，要控制電機的運動，以控制傳輸帶運動。
- 伺服電機：轉載有兩個部分用到了伺服電機，一是轉盤轉動從而控制精確的角度，二是使絲桿帶動氣爪停留在精準的位置。
2.卡爪控制：通過控制氣缸來達到夾爪的夾緊鬆開，正轉反轉，上升下降以及左右移的運動。
3.分析控制信號：所有的執行器均由PLC的I/O模塊進行控制。
- 控制電機信號：包含一個啟動（輸入）信號，一個到位（輸出）信號
- 控制氣缸信號：包含兩個電磁閥的開關（輸入）信號，兩個氣缸到位（輸出）信號。
- 建立信號表：夾爪的運動一共由十個氣缸來控制，每個氣缸包含四個信號，一共四十個信號；轉盤的伺服電機有十個角度，每轉一個角度包含兩個信號，一共二十個信號；夾爪的伺服電機有六個位置，每個位置包含兩個信號，一共十二個信號，兩個傳輸帶的四個信號、兩個碰撞感測器的四個信號。
第二節：在MCD中建立運動狀態
在上一章中已經講述了MCD的基本使用方法，及工具的含義，在此就不詳細講解如何建立設備的運動狀態。
1.轉盤：旋轉、支撐物塊
創建轉盤屬性、添加鉸鏈副、並給予角度位置控制
2.夾爪：夾緊、轉移、升降
創建夾爪屬性、添加鉸鏈副，滑動副，並分別給予角度和線性位置控制
3.傳輸帶：轉移
添加傳輸面並設定方向及速度
4.感測器
在兩個傳送帶末端添加感測器，檢測
第三節：在MCD中創建信號
添加信號的目的：在MCD中添加的信號都是根據真實設備的機理分析而來，在真實情況下，一個執行器都是得到一個電信號才會實現對應的操作。為了保證最大程度的還原真實效果，就需要在MCD中也能用信號來控制執行器的運動。
- 添加信號：根據之前列好的信號表一共需要添加八十個信號
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- 建立模擬序列（輸入信號的模擬）
添加模擬序列目的：在真實情況下的邏輯是機構得電就會執行操作，為了在NX/MCD中實現這種邏輯，就要添加模擬序列，將添加的信號做為條件來控制各種運動，還原真實的邏輯。
- 創建運行時表達式（輸出信號的模擬）
執行機構在執行完成一個命令後，通常會有一個輸出信號，這個輸出信號會輸入到控制器，來反饋執行情況，但是在NX/MCD中這個輸出信號不能主動觸發，通過建立運行時表達式，來建立讓輸出信號實現反饋輸入的條件，當條件滿足時，輸出信號為才會觸發，從而執行下一步動作，為後面與PLC連接進行虛擬調做基礎。
- 在運行時察看器中控制運動情況：添加信號至運行時察看器，可以手動改變信號的狀態，之前建立的模擬序列就會執行，從而到達了使用信號來控制各種運動。還可以將機電對象，運動副，位置控制添加到運行時查看器中觀察到運動時的各種參數。
結語
本文介紹了設備的設計方案，分析了設備的運動機理，並分析其中的信號，然後在MCD中實現信號對運動的控制。希望大家對NX/MCD的虛擬模擬過程也有了一定的了解，在接下來的文章裡面將講解使用博途軟體進行虛擬調試。
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