基于mcd的三轴机械手搬运机构的虚拟调试(附件)【字数：8628】
摘 要随着科学技术的不断发展,时代在不断前进。为了满足机电产品在机械制造业中用于虚拟仿真和监控设计的需求,西门子技术有限公司根据当前的行业状况和广泛的市场研究,提出了机电概念设计(MCD)解决方案, MCD虚拟仿真平台是通过与美国计算机辅助设计软件UG NX连接而开发的。本文是基于MCD平台设计和仿真的三轴机械手自动搬运。本文设计的三轴机械手自动搬运设计与仿真是虚拟仿真,但控制系统是实物。本文设计的目的是基于三轴机械手的简单控制,以说明复杂机构的控制。本文首先分析数字孪生和机电一体化背景意义,然后研究了基于MCD的三轴机械手自动搬运的设计和仿真中的主要问题,即仿真模型设计。仿真模型的设计主要利用三轴机械手的运动原理进行模型的建立,根据MCD平台的运动场景在MCD平台上定义物理特性和定义运动特性。实际管道。为了实现模型与硬件数据的交互以及基于MCD的三轴机械手自动搬运的设计和仿真的目的,在模型构建过程中,本文没有采用传统的堆叠方法进行构建。模型,但建议使用草图绘制方法进行优化。通过合理选择碰撞体和刚体,可以改善管道模型的物理性能。通过使用基于用于重新定义运动属性的事件模拟序列。模型设计主要使用MCD平台提供的软件界面来完成三轴机械手搬运的虚拟仿真系统。与真实的PLC软件和硬件系统进行数据交换。当前，这不能通过MCD和PLC之间的通信过程来实现。在总结MCD虚拟仿真平台的特性的基础上，本文提出了MCD技术来实现虚拟仿真模型和PLC输入的方法，与输出（I/O）数据之间的连接。基于进一步使用PLC Advanced作为MCD与PLC之间的通信桥梁的实时交互并在MCD和PLC之间交换数据。在本文的结尾，将系统地测试用于设计的3轴机械手的搬运机构的虚拟调试和仿真。本文测试表明设计的系统是可行且可靠的。
目录
一、绪论 1
（一）数字孪生和机电一体化背景意义 1
（二）本文工作内容及章节安排 2
二、三轴机械手搬运机构功能分析与模型构建 3
（一）功能设计分析 3
（二）逻辑设计分析 3
（三）三轴机械手搬运机构模块设计 4
（四）机械手类型选择 4
（五）三轴机械手搬运机构模型构建与组装 4
三、三轴机械手搬运机构模型分析与属性 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
定义 5
（一）模型参数化分析 5
（二）部件属性分析 6
（三）物理属性定义 7
（四）运动副定义 8
（五）位置控制定义 10
（六）碰撞传感器定义 11
（七）信号设置与运行时参数 12
（八）仿真序列 14
四、三轴机械手搬运机构虚拟调试 18
（一）博图PLC程序编制 18
（二）博图PLC与MCD信号通道建立 21
（三）MCD信号配置 22
（四）运行效果 24
（五）实际效果 25
致谢 27
参考文献 28
一、绪论
（一）数字孪生和机电一体化背景意义
目前，全球工业文明正在逐步进入工业4.0时代，这必将引发生产模式、商业模式和供需关系的重大变革。智能化、个性化制造和基于数据的信息设计构成了未来商业模式的基础。最近几年，德国工业4.0主要实践者西门子公司的“数据驱动型商业模式”已经萌芽，其基于不同学科融合协作的数字孪生(Digital Twin)技术也在工业领域中逐渐受到重视。
数字孪生指利用数字技术对物理实体的特征、行为、形成过程和性能等进行描述与建模的过程及方法，是实现数字空间和物理空间双向映射、动态交互的重要手段之一[1]，是信息物理系统（CyberPhysical Systems，CPS）的关键核心技术和智能制造的关键使能技术之一。一部分学者基于虚拟模型与仿真的思想，通过将机械结构、切削过程和控制系统等进行多学科联合表达，建立了数控机床的DT模型，用于设计阶段的性能仿真与分析[23]。另一部分学者基于数据处理与分析的思想，针对机床运行过程中的大数据建立了数控机床的DT模型，结合OPCUA[4]、MTConnect[5]通讯协议，通过数据挖掘与分析，实现了对机床运行状态的评估与预测。
数字孪生的理念最早起源于1969年美国国家航空航天局在阿波罗项目中利用的在轨装配技术[6]，通过构建在轨产品的“孪生体（twins）”，反应正在执行任务的空间飞行器的状态。2003年美国密歇根大学迈克尔格里夫斯教授在其课程中首次提出“与物理产品等价的虚拟数字化表达”概念[7]，此后对数字孪生的研究开始大量涌现。在国内，研究学者对数字孪生体系的构建进行了大量研究。庄存波等人提出了数字孪生技术的概念，然后对产品数字孪生体的内涵进行了系统阐述，建立了产品数字孪生体的体系结构，并给出了产品数字孪生体在产品设计阶段、制造阶段和服务阶段的实施途径[1]。陶飞等基于前期提出的数字孪生的五维结构模型，构建了数字孪生驱动的6条应用准则，如图5所示，探究了数字孪生驱动的14类应用设想与实施过程中所需突破的关键技术[89]。
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图11 数字孪模型和应用结构图
西门子机电一体化概念设计 (NX MCD)是数字孪生技术中重要的数字化工具[10]，它可以把既有的机械、电气、液压、气动、驱动、自动化和编程等学科知识综合为具有闭环反馈的制造业知识回路，使人们能够在数字环境下进行产品的制作与验证，这有助于人们在产品研创过程中打破学科壁垒、构建明晰视图，并以此为导向推进产品的研发过程。因此，机电一体化概念设计可以看作是一个多学科技术融合、集虚拟调试与技术开发于一体的技术平台。它以一种并行的、可验证的方式存在，使人们在项目设计初期能够根据市场需求开展并行设计与调试工作，即在物理设备尚未到位的情况下，联合运用多学科知识，通过“虚虚”“虚实”结合的虚拟调试对产品的生产工艺进行反复的修改与验证，并把调试结果映射到真实的物理环境中去，如图12所示。机电一体化概念设计有力地支撑了制造业“智造”的实施，是工业4.0背景下的现代制造亟需掌握的一项关键技术。
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图12 基于MCD虚拟调试缩短产品开发周期
（二）本文工作内容及章节安排
本文通过利用MCD平台实现三轴机械手搬运机构的虚拟调试。模型设计主要使用MCD平台提供的软件界面来完成三轴机械手搬运机构的建模、逻辑排列，利用PLCSIM Advance与真实的PLC软件和硬件系统进行数据交换。
第一章 主要针对所选课题设计的背景及意义进行阐述，还有对总章程的简单描述。
第二章 对功能设计分析的解释，和对逻辑设计的分析，各模块的组成，以及各零件的UG建模过程，以及模型的总设计进行装配。
第三章 先是对模型分析，之后对模型参数的详细分析，还针对基于 MCD 的三轴机械手虚拟仿真模型构建技术问题进行研究，包括仿真序列的设计、如何定义的机电物理量，编辑的仿真信号与运行时表达式，还有仿真序列的编辑。
第四章 研究基于PLCSIM Advanced 的数据连接，完成MCD和PLC的信号建立与调试，按照逻辑设计完成PLC的编程，之后利用PLCSIM Advanced平台实现MCD 与PLC 之间的通信，实现系统的虚拟。
二、三轴机械手搬运机构功能分析与模型构建
（一）功能设计分析
对三轴机械手搬运机构进行分析，设计出以下功能块：
1、物料，即搬运对象。设计出大小合理的物料，采用NX构建物料模型，在MCD环境中设置其刚体、碰撞体等基本属性。
目录
一、绪论 1
（一）数字孪生和机电一体化背景意义 1
（二）本文工作内容及章节安排 2
二、三轴机械手搬运机构功能分析与模型构建 3
（一）功能设计分析 3
（二）逻辑设计分析 3
（三）三轴机械手搬运机构模块设计 4
（四）机械手类型选择 4
（五）三轴机械手搬运机构模型构建与组装 4
三、三轴机械手搬运机构模型分析与属性 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
定义 5
（一）模型参数化分析 5
（二）部件属性分析 6
（三）物理属性定义 7
（四）运动副定义 8
（五）位置控制定义 10
（六）碰撞传感器定义 11
（七）信号设置与运行时参数 12
（八）仿真序列 14
四、三轴机械手搬运机构虚拟调试 18
（一）博图PLC程序编制 18
（二）博图PLC与MCD信号通道建立 21
（三）MCD信号配置 22
（四）运行效果 24
（五）实际效果 25
致谢 27
参考文献 28
一、绪论
（一）数字孪生和机电一体化背景意义
目前，全球工业文明正在逐步进入工业4.0时代，这必将引发生产模式、商业模式和供需关系的重大变革。智能化、个性化制造和基于数据的信息设计构成了未来商业模式的基础。最近几年，德国工业4.0主要实践者西门子公司的“数据驱动型商业模式”已经萌芽，其基于不同学科融合协作的数字孪生(Digital Twin)技术也在工业领域中逐渐受到重视。
数字孪生指利用数字技术对物理实体的特征、行为、形成过程和性能等进行描述与建模的过程及方法，是实现数字空间和物理空间双向映射、动态交互的重要手段之一[1]，是信息物理系统（CyberPhysical Systems，CPS）的关键核心技术和智能制造的关键使能技术之一。一部分学者基于虚拟模型与仿真的思想，通过将机械结构、切削过程和控制系统等进行多学科联合表达，建立了数控机床的DT模型，用于设计阶段的性能仿真与分析[23]。另一部分学者基于数据处理与分析的思想，针对机床运行过程中的大数据建立了数控机床的DT模型，结合OPCUA[4]、MTConnect[5]通讯协议，通过数据挖掘与分析，实现了对机床运行状态的评估与预测。
数字孪生的理念最早起源于1969年美国国家航空航天局在阿波罗项目中利用的在轨装配技术[6]，通过构建在轨产品的“孪生体（twins）”，反应正在执行任务的空间飞行器的状态。2003年美国密歇根大学迈克尔格里夫斯教授在其课程中首次提出“与物理产品等价的虚拟数字化表达”概念[7]，此后对数字孪生的研究开始大量涌现。在国内，研究学者对数字孪生体系的构建进行了大量研究。庄存波等人提出了数字孪生技术的概念，然后对产品数字孪生体的内涵进行了系统阐述，建立了产品数字孪生体的体系结构，并给出了产品数字孪生体在产品设计阶段、制造阶段和服务阶段的实施途径[1]。陶飞等基于前期提出的数字孪生的五维结构模型，构建了数字孪生驱动的6条应用准则，如图5所示，探究了数字孪生驱动的14类应用设想与实施过程中所需突破的关键技术[89]。
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图11 数字孪模型和应用结构图
西门子机电一体化概念设计 (NX MCD)是数字孪生技术中重要的数字化工具[10]，它可以把既有的机械、电气、液压、气动、驱动、自动化和编程等学科知识综合为具有闭环反馈的制造业知识回路，使人们能够在数字环境下进行产品的制作与验证，这有助于人们在产品研创过程中打破学科壁垒、构建明晰视图，并以此为导向推进产品的研发过程。因此，机电一体化概念设计可以看作是一个多学科技术融合、集虚拟调试与技术开发于一体的技术平台。它以一种并行的、可验证的方式存在，使人们在项目设计初期能够根据市场需求开展并行设计与调试工作，即在物理设备尚未到位的情况下，联合运用多学科知识，通过“虚虚”“虚实”结合的虚拟调试对产品的生产工艺进行反复的修改与验证，并把调试结果映射到真实的物理环境中去，如图12所示。机电一体化概念设计有力地支撑了制造业“智造”的实施，是工业4.0背景下的现代制造亟需掌握的一项关键技术。
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图12 基于MCD虚拟调试缩短产品开发周期
（二）本文工作内容及章节安排
本文通过利用MCD平台实现三轴机械手搬运机构的虚拟调试。模型设计主要使用MCD平台提供的软件界面来完成三轴机械手搬运机构的建模、逻辑排列，利用PLCSIM Advance与真实的PLC软件和硬件系统进行数据交换。
第一章 主要针对所选课题设计的背景及意义进行阐述，还有对总章程的简单描述。
第二章 对功能设计分析的解释，和对逻辑设计的分析，各模块的组成，以及各零件的UG建模过程，以及模型的总设计进行装配。
第三章 先是对模型分析，之后对模型参数的详细分析，还针对基于 MCD 的三轴机械手虚拟仿真模型构建技术问题进行研究，包括仿真序列的设计、如何定义的机电物理量，编辑的仿真信号与运行时表达式，还有仿真序列的编辑。
第四章 研究基于PLCSIM Advanced 的数据连接，完成MCD和PLC的信号建立与调试，按照逻辑设计完成PLC的编程，之后利用PLCSIM Advanced平台实现MCD 与PLC 之间的通信，实现系统的虚拟。
二、三轴机械手搬运机构功能分析与模型构建
（一）功能设计分析
对三轴机械手搬运机构进行分析，设计出以下功能块：
1、物料，即搬运对象。设计出大小合理的物料，采用NX构建物料模型，在MCD环境中设置其刚体、碰撞体等基本属性。
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