機(jī)器人自動(dòng)化集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)(NX MCD) 課件 第6章 基于NX MCD 的機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)

第6章

基于NXMCD的機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)

016.1

NXMCD軟件概述6.1.1基本特點(diǎn)6.1.2主要功能6.1.3實(shí)現(xiàn)步驟6.2機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)構(gòu)成6.2.1系統(tǒng)需求分析6.2.2系統(tǒng)硬件組成6.2.3系統(tǒng)集成控制6.3機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)數(shù)字孿生6.3.1系統(tǒng)機(jī)電模型6.3.2系統(tǒng)虛擬調(diào)試6.3.2系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證機(jī)器人自動(dòng)化集成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及多門交叉學(xué)科、多個(gè)硬件平臺(tái)、多種軟件工具、多類編程語言的一體化協(xié)同并行應(yīng)用，需要掌握廣泛的理論知識(shí)和運(yùn)用繁雜的技術(shù)技能。下面介紹汽車轉(zhuǎn)向節(jié)機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)過程，主要包括NXMCD設(shè)計(jì)工具、系統(tǒng)構(gòu)成、數(shù)字孿生、虛擬調(diào)試、系統(tǒng)測(cè)試，幫助讀者掌握機(jī)器人自動(dòng)化集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法和具體步驟。6.1NXMCD軟件概述6.1.3實(shí)現(xiàn)步驟036.1.2主要功能026.1.1基本特點(diǎn)016.1NXMCD軟件概述NXMCD軟件涵蓋了機(jī)械、電氣、傳感器等諸多領(lǐng)域，是一種多學(xué)科并行協(xié)作設(shè)計(jì)的開發(fā)環(huán)境。NXMCD可以通過功能建模方法，先構(gòu)建系統(tǒng)的功能模型，然后將工程領(lǐng)域中的需求功能、機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)、自動(dòng)化設(shè)計(jì)和虛擬調(diào)試集成到一起。NXMCD還提供PLC接口，能夠?qū)⑻摂M設(shè)備和實(shí)際PLC聯(lián)合調(diào)試，為機(jī)電一體化仿真提供更加可靠的調(diào)試驗(yàn)證手段并增強(qiáng)了NXMCD的使用范圍。NXMCD還可以進(jìn)行產(chǎn)品生命周期管理，有效地對(duì)產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到維修提供一套完整的解決方案。6.1.1基本特點(diǎn)傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是太過單一，綜合性不強(qiáng)。從客戶需求角度講，沒有辦法適應(yīng)大部分的要求；從性能方面講，有的過于偏重控制部分，有的比較側(cè)重機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域，沒有考慮到幾個(gè)部分之間的融合設(shè)計(jì)問題。由于傳統(tǒng)的軟件缺乏各領(lǐng)域之間相互連接的“共同語言”，在機(jī)械設(shè)計(jì)完成前，電氣設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)很難開始，開發(fā)出一種綜合性的設(shè)計(jì)工具顯得尤為必要。現(xiàn)有的設(shè)計(jì)仿真軟件中，機(jī)械和電氣交叉的并不多。機(jī)電一體化，在業(yè)界并沒有太多的工具支持，機(jī)械和電氣的設(shè)計(jì)仿真存在著較大的鴻溝，NXMCD應(yīng)運(yùn)而生。NXMCD平臺(tái)是NX設(shè)計(jì)軟件中一個(gè)集機(jī)械、電氣、自動(dòng)化設(shè)計(jì)于一體的全新的機(jī)電產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)模塊，如圖6-1所示。圖6-1NXMCD機(jī)電軟設(shè)計(jì)6.1.1基本特點(diǎn)該模塊仿真平臺(tái)采用NVIDIA的PhysX物理運(yùn)算引擎，其特有的動(dòng)力學(xué)仿真設(shè)計(jì)使仿真效果更加接近物理環(huán)境。NXMCD能夠支持特定機(jī)械運(yùn)動(dòng)和行為的三維模型，還支持制造系統(tǒng)I/O層級(jí)的仿真機(jī)制，同時(shí)支持傳感器和執(zhí)行器在內(nèi)的運(yùn)動(dòng)和程序仿真。NXMCD附有豐富的自動(dòng)化接口，支持軟件在環(huán)（SiL）和硬件在環(huán)（HiL）的虛擬調(diào)試。NXMCD具有以下特點(diǎn)：①NXMCD允許對(duì)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行功能建模，然后進(jìn)一步進(jìn)行仿真調(diào)試，突出了機(jī)電一體化系統(tǒng)中的機(jī)械主體地位。②大大提高了物理現(xiàn)實(shí)與虛擬設(shè)計(jì)的融合速度，將總體開發(fā)時(shí)間提升25%左右，最高可以到30%，同時(shí)NXMCD可以實(shí)現(xiàn)功能設(shè)計(jì)方法，能夠集成上游和下游工程領(lǐng)域，包括需求管理、機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)及軟件自動(dòng)化工程。③NXMCD實(shí)現(xiàn)了包含多物理場(chǎng)及通常存在于機(jī)電一體化產(chǎn)品中自動(dòng)化相關(guān)行為的概念進(jìn)行三維建模和仿真，從而能得到更優(yōu)質(zhì)的概念產(chǎn)品?？梢岳孟到y(tǒng)工程原則跟蹤客戶需求，直至最后完成設(shè)計(jì)。6.1.1基本特點(diǎn)NXMCD是一種全新的適用于機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)仿真的解決方案，可以就設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)的合理性及控制軟件的可靠性進(jìn)行虛擬調(diào)試驗(yàn)證。NXMCD還提供了機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)過程中的硬件在環(huán)仿真調(diào)試，由于這種調(diào)試是采用虛擬設(shè)備與實(shí)際PLC聯(lián)調(diào)，為機(jī)電一體化設(shè)計(jì)帶來了更可靠的調(diào)試驗(yàn)證手段和直觀的仿真現(xiàn)象，調(diào)試方式的豐富性及建模設(shè)計(jì)過程的可擴(kuò)展性極大地?cái)U(kuò)展了NXMCD的使用范圍。NXMCD可實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)技術(shù)，幫助設(shè)計(jì)人員滿足日益提高的要求，不斷提高生產(chǎn)效率、縮短設(shè)計(jì)周期和降低開發(fā)成本。NXMCD在機(jī)電一體化設(shè)計(jì)中有巨大的應(yīng)用潛力和良好的市場(chǎng)前景。6.1.2主要功能（1）集成式多領(lǐng)域的工程涵蓋方法（2）概念建模和基于物理場(chǎng)的仿真（3）通過智能對(duì)象封裝機(jī)電系統(tǒng)（4）面向其他工具的開放式接口6.1.3實(shí)現(xiàn)步驟在開發(fā)周期開始時(shí)，設(shè)計(jì)人員首先定義和管理用戶需求，體現(xiàn)出客戶的意見，通過功能分解，各學(xué)科之間可以協(xié)調(diào)工作，并創(chuàng)建系統(tǒng)工程模型，從而確保在產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)過程中與需求的聯(lián)系；然后對(duì)功能模型中的每項(xiàng)功能構(gòu)建基本幾何模型或從重用庫中添加現(xiàn)有部件，從而創(chuàng)建產(chǎn)品的概念模型；接著對(duì)于每個(gè)部件指定運(yùn)動(dòng)副、剛體、運(yùn)動(dòng)行為、碰撞行為及運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的其他方面；最后通過直接引用需求和使用交互式仿真來驗(yàn)證正確操作，并檢驗(yàn)是否滿足用戶需求。NXMCD的實(shí)現(xiàn)步驟如圖6-2所示。圖6-2NXMCD實(shí)現(xiàn)步驟6.2機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)構(gòu)成6.2.1系統(tǒng)需求分析6.2.2系統(tǒng)硬件組成6.2.3系統(tǒng)集成控制在“工業(yè)4.0”和“中國(guó)制造2025”的浪潮下，中國(guó)的工業(yè)制造由“制造”逐步向“智造”轉(zhuǎn)變。隨著智能制造的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人開始大規(guī)模進(jìn)入工廠，在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在工廠加工中，已經(jīng)開始采用機(jī)器人代替人工進(jìn)行上下料，將工業(yè)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床、傳送帶等工業(yè)設(shè)備集成在一起，配合相應(yīng)的機(jī)械手爪能夠?qū)崿F(xiàn)多種品類產(chǎn)品的自動(dòng)抓取。通過分析機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)的生產(chǎn)需求，可對(duì)汽車轉(zhuǎn)向節(jié)自動(dòng)上下料系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，明確系統(tǒng)硬件組成及作用，并對(duì)自動(dòng)上下料系統(tǒng)進(jìn)行集成控制詳細(xì)分析和設(shè)計(jì)。6.2機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)構(gòu)成6.2.1系統(tǒng)需求分析隨著汽車的普及，汽車零部件需求量大增，工廠需要對(duì)汽車轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行自動(dòng)上下料來代替人工節(jié)約成本。機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)是根據(jù)當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的需求，將智能化、自動(dòng)化逐步運(yùn)用到工廠生產(chǎn)中。機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)將多種設(shè)備集成在一起，集成度高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)主要由PLC、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、傳送裝置等工控設(shè)備組成，由于工程師現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試存在成本高、效率低等問題，因此在投入使用之前，將實(shí)體模型通過三維軟件重現(xiàn)進(jìn)行虛擬調(diào)試，信號(hào)的交互主要通過PLC或工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行控制，將生產(chǎn)中的設(shè)備進(jìn)行虛擬調(diào)試。6.2.1系統(tǒng)需求分析機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)利用高精度的工業(yè)機(jī)器人代替人工對(duì)汽車轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行自動(dòng)上下料和定位裝箱，工作場(chǎng)景如圖6-3所示，借助視覺定位，將傳送帶上的轉(zhuǎn)向節(jié)位姿信息傳送給機(jī)器人，機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確抓取。機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)應(yīng)具有快速準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集功能，在數(shù)字孿生系統(tǒng)中數(shù)據(jù)是整個(gè)數(shù)字孿生體系的核心，數(shù)據(jù)采集通過PC端信息交互軟件進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，對(duì)機(jī)器人控制器和PLC控制器進(jìn)行開發(fā)驅(qū)動(dòng)，使PC端能夠和工控設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和傳輸；該系統(tǒng)應(yīng)高度集成化，通過集成網(wǎng)絡(luò)將工控設(shè)備連接在一起成為信息傳輸紐帶，系統(tǒng)采用以太網(wǎng)集成通訊；該系統(tǒng)還需要能夠進(jìn)行虛實(shí)交互仿真，將虛擬模型和實(shí)體設(shè)備進(jìn)行有效映射，通過采集物理模型中的信號(hào)對(duì)虛擬模型進(jìn)行控制，能夠在PC端對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行清晰準(zhǔn)確的監(jiān)控。圖6-3機(jī)器人自動(dòng)上下料工作場(chǎng)景6.2.1系統(tǒng)需求分析上料需求是傳送帶對(duì)工件和包裝紙箱進(jìn)行傳送，為系統(tǒng)提供等間距的物料來源，系統(tǒng)能夠保持上料節(jié)奏間隔一致；視覺需求將準(zhǔn)確快速對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行拍照計(jì)算，并將位姿數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)向節(jié)中心孔坐標(biāo)傳遞給機(jī)器人；下料需求需要采用工業(yè)機(jī)器人將傳送帶上的轉(zhuǎn)向節(jié)精準(zhǔn)抓取后放入包裝箱中，并將包裝箱進(jìn)行封箱處理。機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)的主要需求是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向節(jié)由傳送帶抓取到裝箱的整體全自動(dòng)化過程，機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)合視覺定位，將傳送帶上料的工件經(jīng)過自動(dòng)坐標(biāo)定位傳遞給機(jī)器人，機(jī)器人進(jìn)行抓取裝箱等一系列操作6.2.2系統(tǒng)硬件組成通過對(duì)機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)的功能需求分析，對(duì)機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)進(jìn)行硬件結(jié)構(gòu)組成設(shè)計(jì)，如圖6-4所示，分為五部分：機(jī)器人系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和視覺系統(tǒng)。圖6-4機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成6.2.2系統(tǒng)硬件組成（1）機(jī)器人系統(tǒng)機(jī)器人系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，將轉(zhuǎn)向節(jié)抓取手爪安裝在機(jī)器人法蘭盤處，使機(jī)器人按照規(guī)劃路徑進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人系統(tǒng)采用ABBIRB4600-40/2.55型號(hào)工業(yè)機(jī)器人，如圖6-5所示。圖6-5ABBIRB4600工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)圖6.2.2系統(tǒng)硬件組成（2）機(jī)械系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向節(jié)的傳送和機(jī)器人末端端拾器控制。機(jī)械系統(tǒng)主要由上料平臺(tái)、工件、紙箱、端拾器組成。轉(zhuǎn)向節(jié)如圖6-6所示。（a）轉(zhuǎn)向節(jié)1（b）轉(zhuǎn)向節(jié)2圖6-6轉(zhuǎn)向節(jié)6.2.2系統(tǒng)硬件組成（3）真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)中氣壓設(shè)定；真空系統(tǒng)由氣泵、真空吸盤和氣路軟管組成。（4）電氣系統(tǒng)電氣系統(tǒng)主要為整個(gè)系統(tǒng)提供電源及對(duì)上料工件進(jìn)行檢測(cè)；電氣系統(tǒng)主要由光電傳感器、電源組成。

（5）視覺系統(tǒng)視覺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工件的拍照定位，將工件位置和姿態(tài)信息計(jì)算處理出來。視覺系統(tǒng)主要有工業(yè)相機(jī)、鏡頭和相機(jī)支架組成。

各個(gè)部分互相協(xié)作，相互通信配合實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)的功能需求。6.2.3系統(tǒng)集成控制為使機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)設(shè)備的協(xié)同運(yùn)行，達(dá)到節(jié)省人工成本和提高效率的目的，需要對(duì)系統(tǒng)中的設(shè)備進(jìn)行集成控制。機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)中涉及視覺、機(jī)械、電氣等多種技術(shù)，集成系統(tǒng)中設(shè)備也比較多，需采用機(jī)器人控制器和PLC對(duì)系統(tǒng)中的各個(gè)設(shè)備進(jìn)行集成控制。該系統(tǒng)采用西門子SIMATICS7-1500PLC作為下位機(jī)控制機(jī)器人自動(dòng)上下料，從而簡(jiǎn)化人工操作，節(jié)省上料流程，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)操作，提高生產(chǎn)效率。6.2.3系統(tǒng)集成控制6.2.3.1總體框架設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人由機(jī)械部分、傳感部分和控制部分三部分組成。PLC經(jīng)常被應(yīng)用于自動(dòng)化控制中，它能夠通過編程將程序指令儲(chǔ)存在自身中以便隨時(shí)調(diào)用，PLC不僅能夠按照時(shí)序邏輯進(jìn)行控制，還有報(bào)警裝置，能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)實(shí)行連鎖保護(hù)，還能夠?qū)﹂_關(guān)量信號(hào)、脈沖量信號(hào)、計(jì)時(shí)器等離散量的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集監(jiān)控。6.2.3系統(tǒng)集成控制6.2.3.1總體框架設(shè)計(jì)機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)集成控制將多種設(shè)備集成在一起，集成控制的優(yōu)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)過程的全自動(dòng)化，減少人員和時(shí)間成本，同時(shí)提升生產(chǎn)效率。機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)中集成控制方案主要包括機(jī)器人控制器、PLC控制器及PLC和機(jī)器人控制器之間信號(hào)通訊方案三部分，如圖6-7所示，其中系統(tǒng)中還包括傳送帶和相機(jī)等設(shè)備。機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)主要由PLC控制器和機(jī)器人控制器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合控制，PLC控制器主要負(fù)責(zé)發(fā)送信號(hào)控制傳送帶的啟停及相機(jī)拍照的節(jié)拍，當(dāng)PLC接收到光電傳感器信號(hào)時(shí)則會(huì)發(fā)出信號(hào)使傳送帶開啟或暫停，并使相機(jī)開始拍照計(jì)算，PLC也起到控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的作用，PLC發(fā)送機(jī)器人運(yùn)動(dòng)信號(hào)給機(jī)器人控制器后機(jī)器人才會(huì)開始運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人控制器控制工業(yè)機(jī)器人和機(jī)械手爪，主要負(fù)責(zé)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃和控制，以及機(jī)器人I/O信號(hào)的邏輯控制。圖6-7機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)集成控制方案6.2.3系統(tǒng)集成控制6.2.3.2集成控制軟件集成控制軟件是在Windows操作系統(tǒng)上利用C#語言在VisualStudio編程平臺(tái)上開發(fā)，主要包括ABB應(yīng)用程序和PLC的OPC客戶端兩大部分。集成控制軟件框架如圖6-8所示，ABB應(yīng)用程序是利用ABB機(jī)器人的PCSDK進(jìn)行二次開發(fā)，ABB應(yīng)用程序基于COM的機(jī)器人內(nèi)部API可與機(jī)器人控制器或虛擬控制器（VRC）相連接；PLC的OPC客戶端則是利用OPC技術(shù)提供的函數(shù)針對(duì)通用OPC服務(wù)器開發(fā)，該客戶端可與多個(gè)OPC服務(wù)器相連接。ABB應(yīng)用程序與OPC客戶端之間也可進(jìn)行數(shù)據(jù)信息、資源等的交互與共享。圖6-8集成控制軟件框架6.2.3系統(tǒng)集成控制（1）軟件功能集成控制系統(tǒng)的軟件功能如圖6-9所示。機(jī)器人應(yīng)用程序可以在線搜索所有的機(jī)器人控制器并選擇目標(biāo)控制器進(jìn)行連接，對(duì)I/O信號(hào)進(jìn)行讀寫，對(duì)RAPID程序進(jìn)行讀取、調(diào)用等，實(shí)現(xiàn)機(jī)械單元信息的讀取等功能。監(jiān)控程序可以實(shí)現(xiàn)截屏、錄像等操作。OPC客戶端能夠?qū)崿F(xiàn)搜索、連接OPC服務(wù)器，設(shè)置OPC組屬性，對(duì)OPC數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行讀寫等操作。圖6-9集成控制系統(tǒng)軟件功能6.2.3.2集成控制軟件6.2.3系統(tǒng)集成控制集成控制系統(tǒng)的軟件模塊關(guān)系如圖6-10所示，主要包括：①通信功能②人機(jī)交互功能③模塊間協(xié)調(diào)功能④管理功能⑤監(jiān)控功能。集成控制軟件是整個(gè)系統(tǒng)的核心，是操作者控制和獲取自動(dòng)化生產(chǎn)狀態(tài)的重要平臺(tái)。圖6-10集成控制系統(tǒng)軟件模塊關(guān)系6.2.3.2集成控制軟件6.2.3系統(tǒng)集成控制（2）多線程控制集成控制系統(tǒng)是針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)的，對(duì)系統(tǒng)資源和CPU的利用率就顯得格外重要。多線程技術(shù)對(duì)于集成控制系統(tǒng)軟件這種復(fù)雜的軟件來說必不可少。多線程就是指操作系統(tǒng)在單個(gè)進(jìn)程中執(zhí)行多個(gè)線程的能力。如果在軟件編程中采用了多線程編程技術(shù)，每個(gè)線程完成不同的功能，這樣在程序執(zhí)行的時(shí)候操作系統(tǒng)就支持這幾大功能并發(fā)執(zhí)行。為了使集成控制軟件合理利用資源、提高執(zhí)行效率，軟件開發(fā)時(shí)運(yùn)用了多線程技術(shù)。該系統(tǒng)結(jié)合實(shí)際情況開辟了3個(gè)線程：ABB線程、PLC線程、監(jiān)控線程。①ABB線程的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與ABB之間的通信與控制。②PLC線程的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)PC機(jī)上OPC客戶端通過OPC服務(wù)器與PLC的連接與控制。③監(jiān)控線程的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控。6.2.3.2集成控制軟件6.2.3系統(tǒng)集成控制在運(yùn)用多線程技術(shù)的程序中，如果同時(shí)允許不同線程對(duì)共享對(duì)象進(jìn)行操作將導(dǎo)致程序異常，甚至出現(xiàn)整個(gè)程序崩潰的情況。這就要求程序設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)線程進(jìn)行合理分配以實(shí)現(xiàn)線程同步。線程同步技術(shù)的目的是防止共享對(duì)象被同時(shí)訪問，是使用互斥鎖排他的方式來實(shí)現(xiàn)的?；コ怄i的工作原理是當(dāng)某一線程要訪問對(duì)象時(shí)，要先向操作系統(tǒng)申請(qǐng)鎖對(duì)象，如果互斥鎖正好處于釋放狀態(tài)，那么該線程立即獲得鎖并且訪問該對(duì)象，訪問結(jié)束后釋放互斥鎖；如果互斥鎖不處于釋放狀態(tài)，則說明其他線程正在訪問該對(duì)象，那么該線程會(huì)因沒有訪問權(quán)限而被阻塞，直至獲取互斥鎖方可訪問該對(duì)象。線程分配算法流程如圖6-11所示。圖6-11線程分配算法流程6.2.3.2集成控制軟件6.2.3系統(tǒng)集成控制ABB線程與PLC線程對(duì)集成控制系統(tǒng)中共享數(shù)據(jù)讀取同步的邏輯關(guān)系如圖6-12所示，保證同一時(shí)間只有一個(gè)線程能獲得集成控制系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)的訪問權(quán)。圖6-12ABB線程和PLC線程對(duì)數(shù)據(jù)讀取同步的邏輯關(guān)系6.2.3.2集成控制軟件6.2.3系統(tǒng)集成控制（3）OPC客戶端開發(fā)OPC客戶端網(wǎng)絡(luò)連接功能是OPC客戶端的核心功能，能夠遍歷搜尋目標(biāo)PC機(jī)中的所有OPC服務(wù)器并可與目標(biāo)服務(wù)器建立通信，顯示與目標(biāo)OPC服務(wù)器綁定的所有PLC項(xiàng)對(duì)象。OPC客戶端網(wǎng)絡(luò)連接開發(fā)流程如圖6-13所示。圖6-13OPC客戶端網(wǎng)絡(luò)連接開發(fā)流程6.2.3.2集成控制軟件6.2.3系統(tǒng)集成控制6.2.3.3集成通訊方案集成控制是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)的基礎(chǔ)，必須要實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)備之間的通訊，集成通訊是整個(gè)系統(tǒng)中信息傳輸和相互聯(lián)系的紐帶，是確保整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)安全運(yùn)行的前提保障。機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)主要由機(jī)器人控制器和PLC集成控制，要保證機(jī)器人和PLC及系統(tǒng)其他單元信息互通高度匹配、實(shí)時(shí)通訊，需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工作條件確定各設(shè)備之間的通訊方式。常見的工業(yè)機(jī)器人通信系統(tǒng)分為兩級(jí)：第一級(jí)是采用網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)或串行通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的PC與機(jī)器人控制器的通信，第二級(jí)是采用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的機(jī)器人控制器和外圍設(shè)備之間的通信，如表6-1所示，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人同PC及周圍設(shè)備的通信。6.2.3系統(tǒng)集成控制6.2.3.3集成通訊方案機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)中機(jī)器人的通訊方式由現(xiàn)場(chǎng)所用到的機(jī)器人通訊接口為準(zhǔn)，該系統(tǒng)選用的機(jī)器人為ABB機(jī)器人，ABB機(jī)器人具備常見的各種通訊方式，機(jī)器人控制器和PLC的通訊方式采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊方式進(jìn)行連接。機(jī)器人自動(dòng)上料系統(tǒng)中PLC和HMI也采用以太網(wǎng)通訊連接。機(jī)器人控制器可以通過I/O輸入輸出來控制外圍設(shè)備，PLC也可以通過數(shù)字開關(guān)信號(hào)控制機(jī)器人內(nèi)部程序的運(yùn)行。機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)中機(jī)器人控制器與機(jī)械手爪采用I/O連接方式。機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)中PLC與傳送帶及工業(yè)相機(jī)相連，PLC集成通訊方案中PLC與傳送帶和工業(yè)相機(jī)采用I/O連接方式。PLC數(shù)字開關(guān)信號(hào)與傳送帶及工業(yè)相機(jī)開關(guān)量信號(hào)相連接。6.2.3系統(tǒng)集成控制6.2.3.4系統(tǒng)邏輯控制機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)的邏輯控制主要通過PLC實(shí)現(xiàn)，PLC根據(jù)數(shù)字輸出信號(hào)控制傳送帶的啟停、光電開關(guān)的接通和機(jī)器人手爪開閉等信號(hào)。紙箱由傳送帶進(jìn)行上料，當(dāng)傳送帶上的光電傳感器檢測(cè)到紙箱時(shí)，紙箱上料傳感器停止，等待裝箱。工件跟隨傳送帶上料，當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到傳送帶的工件時(shí)，光電傳感器信號(hào)被觸發(fā)，系統(tǒng)將信號(hào)傳遞給PLC，PLC控制傳送帶停止運(yùn)行；相機(jī)進(jìn)行拍照定位，相機(jī)將經(jīng)過圖像處理得到的工件中心點(diǎn)坐標(biāo)位置和姿態(tài)信息傳遞給機(jī)器人控制器；機(jī)器人控制器驅(qū)動(dòng)機(jī)器人末端運(yùn)動(dòng)到中心點(diǎn)坐標(biāo)，當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到位之后，給PLC發(fā)送信號(hào)，PLC啟動(dòng)手爪氣缸壓縮信號(hào)，手爪張開，對(duì)工件進(jìn)行抓取；手爪上安裝有傳感器，當(dāng)傳感器被觸發(fā)時(shí)，表示手爪已經(jīng)抓取工件，此傳感器標(biāo)志著機(jī)器人裝箱路徑開啟；機(jī)器人抓取手爪將其放入位置確定的紙箱中，然后機(jī)器人復(fù)位等待下一次抓取工作。機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)中要求機(jī)器人控制器與PLC密切配合，實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化和集成化，通過建立整個(gè)系統(tǒng)的邏輯流程，從而將整個(gè)系統(tǒng)控制融合成為一個(gè)整體。6.3機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)數(shù)字孿生6.3.1系統(tǒng)機(jī)電模型6.3.2系統(tǒng)虛擬調(diào)試6.3.2系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證6.3.1系統(tǒng)機(jī)電模型6.3.1.1系統(tǒng)模型參數(shù)化分析基于NXMCD的虛擬模型建模流程，對(duì)機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)構(gòu)建虛擬模型，虛擬模型在虛擬調(diào)試應(yīng)用中占有核心地位。虛擬模型是整個(gè)數(shù)字孿生的核心，模型建立的精確度將直接影響仿真結(jié)果。機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)虛擬模型主要分為四個(gè)模塊：傳送帶、紙箱、物料、抓取手爪。模塊構(gòu)成如圖6-14所示。圖6-14系統(tǒng)虛擬模型模塊構(gòu)成圖6.3.1系統(tǒng)機(jī)電模型6.3.1.1系統(tǒng)模型參數(shù)化分析（a）紙箱模型（b）紙箱蓋模型圖6-15紙箱模型和紙箱蓋模型6.3.1系統(tǒng)機(jī)電模型6.3.1.1系統(tǒng)模型參數(shù)化分析圖6-16傳送帶模型6.3.1系統(tǒng)機(jī)電模型6.3.1.1系統(tǒng)模型參數(shù)化分析圖6-17轉(zhuǎn)向節(jié)模型6.3.1系統(tǒng)機(jī)電模型6.3.1.1系統(tǒng)模型參數(shù)化分析圖6-18機(jī)器人手爪設(shè)計(jì)圖6.3.1系統(tǒng)機(jī)電模型6.3.1.2NXMCD虛擬模型建模流程由數(shù)字孿生的結(jié)構(gòu)組成可知，虛擬模型是整個(gè)數(shù)字孿生的關(guān)鍵，可以在NXMCD軟件中建立數(shù)字孿生虛擬模型。機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)包括機(jī)械和電氣方面，同時(shí)包含復(fù)雜的幾何、規(guī)律、行為和物理信息，對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生虛擬模型必須能夠反應(yīng)物理實(shí)體的外觀尺寸和運(yùn)動(dòng)變化，能夠根據(jù)外界傳感器數(shù)據(jù)做出相關(guān)響應(yīng)，而且必須具有相關(guān)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性。NXMCD不僅能夠?qū)崿F(xiàn)三維建模和仿真，還能在系統(tǒng)中添加機(jī)械和電氣屬性，并且支持傳感器信號(hào)的仿真，同時(shí)NXMCD還具有各種接口，能夠更高效的進(jìn)行數(shù)字孿生仿真?；贜XMCD建立機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)虛擬模型需要按照一定的順序進(jìn)行操作，整體流程如圖6-19所示。圖6-19NXMCD中創(chuàng)建虛擬模型流程圖6.3.1系統(tǒng)機(jī)電模型6.3.1.3系統(tǒng)功能模型建立對(duì)機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)進(jìn)行功能設(shè)計(jì)不僅能夠完整表達(dá)出系統(tǒng)的具體要求，還能夠?qū)崿F(xiàn)功能到行為、結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換。機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)包括上料、視覺、抓取三個(gè)功能，三個(gè)功能分別對(duì)應(yīng)裝置的各個(gè)組成部分，如圖6-20所示。圖6-20機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)功能總圖6.3.1系統(tǒng)機(jī)電模型在NXMCD中建立系統(tǒng)的功能模型，如圖6-21所示，可以在樹形圖中看到系統(tǒng)每個(gè)模塊所需要達(dá)到的要求，有助于對(duì)系統(tǒng)虛擬模型進(jìn)行更直觀的描述。6.3.1.3系統(tǒng)功能模型建立圖6-21基于NXMCD的系統(tǒng)工程功能模型建立6.3.1系統(tǒng)機(jī)電模型6.3.1.4系統(tǒng)邏輯模型建立確定了系統(tǒng)功能模型之后，則需要了解為了達(dá)到這些功能，系統(tǒng)需要進(jìn)行什么操作，這時(shí)就需要?jiǎng)?chuàng)建系統(tǒng)的邏輯模型。邏輯模型不僅能夠表明需要做什么來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，同時(shí)也對(duì)系統(tǒng)動(dòng)作行為的執(zhí)行時(shí)序有指導(dǎo)意義，基于邏輯模型創(chuàng)建的仿真序列則會(huì)使系統(tǒng)運(yùn)行更加流暢。根據(jù)系統(tǒng)功能模型的描述和分解，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)作行為進(jìn)行分析，建立系統(tǒng)的邏輯流程。邏輯模型主要是分析各部件之間的關(guān)系，在什么時(shí)候應(yīng)該進(jìn)行什么樣的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)什么樣的功能。系統(tǒng)邏輯流程分析如下：（1）傳送帶送料（2）拍照處理（3）抓取裝箱6.3.1系統(tǒng)機(jī)電模型通過對(duì)系統(tǒng)邏輯流程進(jìn)行分析，在NXMCD中建立邏輯分析樹，如圖6-22所示，邏輯模型和功能模型相似，均采用分析樹的形式呈現(xiàn)，更加簡(jiǎn)潔直觀。邏輯模型需要在每個(gè)模塊下創(chuàng)建部件，然后對(duì)部件進(jìn)行邏輯描述，表達(dá)系統(tǒng)的邏輯功能。6.3.1.4系統(tǒng)邏輯模型建立圖6-22基于NXMCD的系統(tǒng)工程邏輯模型建立6.3.1系統(tǒng)機(jī)電模型6.3.1.5定義幾何機(jī)械概念模型幾何機(jī)械概念模型的創(chuàng)建是將創(chuàng)建的三維組件通過系統(tǒng)邏輯模型中各元件的相依性面板添加進(jìn)去，然后將幾何組件根據(jù)實(shí)際設(shè)備的布局情況裝配在一起。機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)的幾何機(jī)械概念模型如圖6-23所示，主要包括傳送帶、機(jī)器人、抓取手爪、3D攝像頭、轉(zhuǎn)向節(jié)工件、紙箱等。圖6-23機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)幾何機(jī)械概念模型6.3.1系統(tǒng)機(jī)電模型6.3.1.6定義物理機(jī)械概念模型幾何概念模型僅僅表示系統(tǒng)各組件之間的裝配情況，并不具有物理特性，物理機(jī)械概念模型是在機(jī)械概念模型的基礎(chǔ)上為幾何部件添加物理特性和運(yùn)動(dòng)屬性。（1）系統(tǒng)物理屬性定義由于幾何體在三維模型中沒有被賦予機(jī)電對(duì)象屬性，因此并不具備物理系統(tǒng)控制下的所有運(yùn)動(dòng)屬性，只有賦予基本機(jī)電對(duì)象特征之后，才能夠進(jìn)行物理屬性的運(yùn)動(dòng)仿真。因此根據(jù)各子功能需要達(dá)到的目的，構(gòu)建對(duì)應(yīng)的機(jī)械/機(jī)構(gòu)的幾何模型，為模型定義質(zhì)量、慣性矩、初始速度、摩擦系數(shù)、剛體和碰撞體等物理屬性方面的概念。6.3.1系統(tǒng)機(jī)電模型①設(shè)置剛體圖6-24創(chuàng)建剛體6.3.1.6定義物理機(jī)械概念模型圖6-25為工件設(shè)置剛體6.3.1系統(tǒng)機(jī)電模型②設(shè)置碰撞體6.3.1.6定義物理機(jī)械概念模型圖6-26創(chuàng)建碰撞體圖6-27為紙箱添加碰撞體圖6-28為工件添加碰撞體6.3.1系統(tǒng)機(jī)電模型③設(shè)置傳輸面6.3.1.6定義物理機(jī)械概念模型圖6-29創(chuàng)建傳輸面圖6-30設(shè)置工件上料傳輸面圖6-31創(chuàng)建對(duì)象源6.3.1系統(tǒng)機(jī)電模型6.3.1.6定義物理機(jī)械概念模型④設(shè)置對(duì)象源圖6-32設(shè)置工件為對(duì)象源（2）系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)屬性定義為構(gòu)件添加運(yùn)動(dòng)屬性能夠使機(jī)構(gòu)在自由度和運(yùn)動(dòng)路徑上受到限制。為機(jī)器人自動(dòng)上料系統(tǒng)添加運(yùn)動(dòng)學(xué)行為，通過對(duì)剛體之間添加相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副來定義剛體的運(yùn)動(dòng)形式，確定各部件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)剛體之間的相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。本系統(tǒng)用到的運(yùn)動(dòng)方式主要有固定副、鉸鏈副、滑動(dòng)副及路徑約束運(yùn)動(dòng)副。6.3.1系統(tǒng)機(jī)電模型6.3.1.6定義物理機(jī)械概念模型圖6-33運(yùn)動(dòng)副命令圖6-34創(chuàng)建機(jī)器人底座固定副圖6.3.1系統(tǒng)機(jī)電模型6.3.1.6定義物理機(jī)械概念模型①設(shè)置固定副圖6-35創(chuàng)建機(jī)器人手爪固定副圖6-35創(chuàng)建機(jī)器人手爪固定副圖6-36設(shè)置鉸鏈副6.3.1系統(tǒng)機(jī)電模型6.3.1.6定義物理機(jī)械概念模型②設(shè)置鉸鏈副③設(shè)置滑動(dòng)副6.3.1系統(tǒng)機(jī)電模型6.3.1.6定義物理機(jī)械概念模型圖6-37設(shè)置滑動(dòng)副④設(shè)置路徑約束運(yùn)動(dòng)副6.3.1系統(tǒng)機(jī)電模型6.3.1.6定義物理機(jī)械概念模型圖6-38設(shè)置路徑約束運(yùn)動(dòng)副機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)中各個(gè)運(yùn)動(dòng)屬性的定義如圖6-39所示。圖6-39定義運(yùn)動(dòng)屬性6.3.1系統(tǒng)機(jī)電模型6.3.1.6定義物理機(jī)械概念模型6.3.1.7添加執(zhí)行器和傳感器（1）添加執(zhí)行器為機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)添加廣義執(zhí)行器，在NXMCD中廣義執(zhí)行器分為兩種：速度控制執(zhí)行器和位置控制執(zhí)行器。①添加位置控制6.3.1系統(tǒng)機(jī)電模型圖6-40添加位置控制②添加速度控制6.3.1系統(tǒng)機(jī)電模型6.3.1.7添加執(zhí)行器和傳感器圖6-41設(shè)置速度控制③添加反算機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)6.3.1系統(tǒng)機(jī)電模型6.3.1.7添加執(zhí)行器和傳感器圖6-42創(chuàng)建反算機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)圖6-43設(shè)置“脫機(jī)”反算機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)6.3.1系統(tǒng)機(jī)電模型6.3.1.7添加執(zhí)行器和傳感器圖6-44設(shè)置在線反算機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)（2）添加傳感器6.3.1系統(tǒng)機(jī)電模型6.3.1.7添加執(zhí)行器和傳感器圖6-45創(chuàng)建碰撞傳感器圖6-46添加碰撞傳感器圖6-47設(shè)置執(zhí)行器和傳感器機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)中執(zhí)行器和傳感器的設(shè)置如圖6-47所示。6.3.1系統(tǒng)機(jī)電模型6.3.1.7添加執(zhí)行器和傳感器6.3.1.8設(shè)定機(jī)電信號(hào)為了更好的模擬實(shí)際運(yùn)行情況，需要在NXMCD中為虛擬模型添加機(jī)電信號(hào)，生成的機(jī)電信號(hào)可以通過NXMCD傳輸?shù)酵饨缗cPLC信號(hào)進(jìn)行信號(hào)映射實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。NXMCD中的信號(hào)類型包括輸入和輸出信號(hào)兩種。機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)虛擬模型中，輸出信號(hào)包括工件檢測(cè)信號(hào)和紙箱檢測(cè)信號(hào)，輸入信號(hào)包括機(jī)器人運(yùn)動(dòng)信號(hào)、機(jī)器人搬運(yùn)信號(hào)、機(jī)器人歸位信號(hào)和手爪張開信號(hào)。如圖6-48所示為機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)定義的機(jī)電信號(hào)。6.3.1系統(tǒng)機(jī)電模型圖6-48添加系統(tǒng)機(jī)電信號(hào)6.3.2系統(tǒng)虛擬調(diào)試NXMCD平臺(tái)除了作為機(jī)電一體化設(shè)計(jì)建模與仿真平臺(tái)之外，還具有其他開放接口，能夠和現(xiàn)在工業(yè)中主流軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真分析。西門子TIA博途是面向自動(dòng)化工程概念及標(biāo)準(zhǔn)等定義的軟件平臺(tái)，可完成PLC的編程和仿真工作。將NXMCD中的虛擬模型同TIA博途中的PLC控制器進(jìn)行編譯仿真，能夠代替物理硬件，通過對(duì)數(shù)字模型的調(diào)試代替對(duì)實(shí)體物理對(duì)象的調(diào)試。PLCSIMAdvanced是一種能夠提供虛擬PLC的高級(jí)仿真器，可視為是TIA博途SIMATICS7-1500控制器的虛擬化對(duì)象，可以作為整個(gè)系統(tǒng)的虛擬控制器。整個(gè)系統(tǒng)由NXMCD、TIA博途和PLCSIM聯(lián)合組成。6.3.2系統(tǒng)虛擬調(diào)試通過NXMCD建立機(jī)器人自動(dòng)上料虛擬模型，在結(jié)構(gòu)方面，根據(jù)幾何對(duì)象定義了剛體、碰撞體等物理屬性，添加了運(yùn)動(dòng)副等運(yùn)動(dòng)屬性，并為系統(tǒng)添加了傳感器、執(zhí)行器和機(jī)電信號(hào)等，但是如果要實(shí)現(xiàn)虛擬仿真，則需要為整個(gè)系統(tǒng)添加PLC，通過PLC和NXMCD聯(lián)合對(duì)機(jī)器人自動(dòng)上料系統(tǒng)進(jìn)行虛擬調(diào)試。選用軟件在環(huán)的虛擬調(diào)試方式，如圖6-49所示，以RobotStudio（機(jī)器人工作室）中虛擬ABB控制器VRC替代實(shí)際的IRC5控制器，以PLCSIMAdvanced仿真控制器替代實(shí)際的PLC控制器，NXMCD創(chuàng)建系統(tǒng)物理設(shè)備數(shù)字孿生，OPC服務(wù)器作為數(shù)據(jù)連接通道。圖6-49軟件在環(huán)SiL結(jié)構(gòu)6.3.2.1仿真序列設(shè)計(jì)仿真序列是一種通過流程來展示系統(tǒng)邏輯的一種表達(dá)方式，仿真序列能夠比較直觀地展現(xiàn)出系統(tǒng)的邏輯。仿真序列可以用來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)副等，還可以用常見條件語句來約定何時(shí)觸發(fā)改變。機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)虛擬調(diào)試需要?jiǎng)?chuàng)建添加外部PLC信號(hào)仿真序列，仿真序列中包含了整個(gè)系統(tǒng)中所有的運(yùn)動(dòng)屬性和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。創(chuàng)建仿真序列可以單擊工具欄【自動(dòng)化】里【仿真序列】命令按鈕，如圖6-50所示。6.3.2系統(tǒng)虛擬調(diào)試圖6-50創(chuàng)建仿真序列6.3.2.1仿真序列設(shè)計(jì)本系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)抓取工件和裝箱，流程如圖6-51所示。6.3.2系統(tǒng)虛擬調(diào)試圖6-51系統(tǒng)整體流程圖6.3.2.1仿真序列設(shè)計(jì)仿真序列的條件有兩種：基于時(shí)間的仿真序列和基于事件的仿真序列。6.3.2系統(tǒng)虛擬調(diào)試圖6-52基于時(shí)間的仿真序列圖6-53基于事件的仿真序列設(shè)計(jì)圖6-54添加工件檢測(cè)仿真序列6.3.2.1仿真序列設(shè)計(jì)6.3.2系統(tǒng)虛擬調(diào)試圖6-55添加紙箱檢測(cè)仿真序列圖6-56添加路徑1啟動(dòng)仿真序列6.3.2.1仿真序列設(shè)計(jì)6.3.2系統(tǒng)虛擬調(diào)試圖6-57添加手爪張開仿真序列圖6-58添加手爪抓取仿真序列6.3.2.1仿真序列設(shè)計(jì)6.3.2系統(tǒng)虛擬調(diào)試圖6-59添加路徑1關(guān)閉仿真序列圖6-60添加路徑2開始仿真序列圖6-61添加手爪松開仿真序列圖6-63添加路徑2關(guān)閉仿真序列圖6-62添加手爪閉合仿真序列6.3.2.1仿真序列設(shè)計(jì)6.3.2系統(tǒng)虛擬調(diào)試圖6-64添加機(jī)器人歸位仿真序列6.3.2.2PLC程序設(shè)計(jì)PLC控制器控制機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)中的光電開關(guān)信號(hào)、傳送帶啟停信號(hào)及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)信號(hào)。機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)需要在TIA博途中建立一個(gè)項(xiàng)目，根據(jù)系統(tǒng)流程圖在項(xiàng)目中編寫PLC控制程序，如圖6-65所示為編寫的部分PLC程序。PLC程序主要表明系統(tǒng)的邏輯流程，PLC控制程序控制傳送帶和機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)情況。PLC控制程序中輸入信號(hào)包括工件檢測(cè)信號(hào)和紙箱檢測(cè)信號(hào)；輸出信號(hào)包括機(jī)器人運(yùn)動(dòng)信號(hào)、機(jī)器人搬運(yùn)信號(hào)、機(jī)器人歸位信號(hào)、機(jī)器人封箱信號(hào)、封箱歸位信號(hào)和手爪張開信號(hào)。在項(xiàng)目中創(chuàng)建的信號(hào)，一方面和NXMCD信號(hào)實(shí)現(xiàn)交互，另一方面將信號(hào)變量賦值給各個(gè)程序運(yùn)算實(shí)現(xiàn)PLC程序控制。6.3.2系統(tǒng)虛擬調(diào)試圖6-65部分PLC控制程序6.3.2.3系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞創(chuàng)建契合機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)特性的虛擬模型后，采用技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)來自不同制造商的工業(yè)設(shè)備中的數(shù)據(jù)與NXMCD中創(chuàng)建的數(shù)字孿生的機(jī)電信號(hào)相連接，獲取機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)的全部數(shù)據(jù)。機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)的底層設(shè)備由大量來自不同生產(chǎn)品牌和不同通信方式的設(shè)備和產(chǎn)品組成，系統(tǒng)中的設(shè)備接入、數(shù)據(jù)類型解析和格式均不具備統(tǒng)一性。面對(duì)底層設(shè)備的軟件和硬件由于制造商不同而引起的不能互通的難題，依靠特定硬件和平臺(tái)的一般信息采集方式并不能滿足實(shí)際需求。OPC技術(shù)的應(yīng)用與制造商無關(guān)，可以有效解決系統(tǒng)的數(shù)據(jù)連接難題。NXMCD集成有OPC客戶端，為機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型及虛擬調(diào)試應(yīng)用提供了極大便利。6.3.2系統(tǒng)虛擬調(diào)試（1）數(shù)據(jù)連接機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)中的工業(yè)設(shè)備與NXMCD中生成的數(shù)字孿生的連接采用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)。在機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)的集成控制方案中，將機(jī)器人控制器和PLC作為系統(tǒng)的控制部分。實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)的數(shù)據(jù)連接任務(wù)主要工作內(nèi)容是OPC服務(wù)器與NXMCD的OPC客戶端的連接、OPC服務(wù)器與機(jī)器人控制器和PLC的連接。NXMCD集成有豐富的自動(dòng)化接口，包括OPC、SHM（共享內(nèi)存）、PROFINET以及MATLAB等。機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)的數(shù)據(jù)連接工作中，OPC服務(wù)器與NXMCD中的OPC客戶端連接。工業(yè)機(jī)器人作為生產(chǎn)領(lǐng)域的高精尖產(chǎn)品，機(jī)器人制造商為了技術(shù)保密，一般會(huì)封裝機(jī)器人的內(nèi)部信息和數(shù)據(jù)，可以采用與機(jī)器人品牌配套的OPC服務(wù)器來讀取機(jī)器人控制器中的系統(tǒng)信息和程序信息。PLC是標(biāo)準(zhǔn)化的工業(yè)設(shè)備，一般都設(shè)置有連接OPC服務(wù)器的端口。

機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)采用OPC服務(wù)器實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制器、PLC與NXMCD中虛擬模型的數(shù)據(jù)連接。機(jī)器人控制器采用機(jī)器人品牌專用OPC服務(wù)器，而PLC采用以太網(wǎng)通信方式，連接PLC硬件設(shè)備和PC端的OPC服務(wù)器軟件。6.3.2.3系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞6.3.2系統(tǒng)虛擬調(diào)試（2）數(shù)據(jù)采集OPC服務(wù)器中的OPC項(xiàng)對(duì)象已經(jīng)能夠完成對(duì)物理對(duì)象的數(shù)據(jù)采集工作。機(jī)器人自動(dòng)上下料系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集主要是獲取PLC和機(jī)器人控制器的內(nèi)部信息。機(jī)器人控制器的信號(hào)處理任務(wù)主要是對(duì)機(jī)器人末端執(zhí)行器數(shù)據(jù)和機(jī)器人控制信號(hào)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)與控制。采用OPC服務(wù)器的數(shù)據(jù)連接方式也可以采集機(jī)器人的系統(tǒng)信息、末端執(zhí)行器數(shù)據(jù)和控制信號(hào)數(shù)據(jù)。機(jī)器人的關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)接口作為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的核心技術(shù)，在機(jī)器人出廠時(shí)就被機(jī)器人制造商封裝，OPC服務(wù)器不能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)的采集。6.3.2.3系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞6.3.2系統(tǒng)虛擬調(diào)試可采用對(duì)機(jī)器人控制器二次開發(fā)來采集機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)的解決方案。工業(yè)機(jī)器人的PCSDK是機(jī)器人生產(chǎn)商為方便用戶對(duì)機(jī)器人進(jìn)行二次開發(fā)而發(fā)行的軟件開發(fā)包，每個(gè)品牌的工業(yè)機(jī)器人都會(huì)有不同版本的PCSDK。PCSDK中封裝有機(jī)器人控制器中的各種功能域，通過建立各功能域中相關(guān)類的實(shí)例可控制和讀取機(jī)器人的信息。ABB機(jī)器人PCSDK功能域的主要類關(guān)系如圖6-66所示，包括控制器域、RAPID程序域、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)域、I/O系統(tǒng)域、事件日志域、文件系統(tǒng)域。ABB機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)就封裝在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的功能域中。6.3.2.3系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞6.3.2系統(tǒng)虛擬調(diào)試圖6-66ABB機(jī)器人PCSDK功能域主要類關(guān)系模型圖機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采集的程序設(shè)計(jì)流程如圖6-67所示。6.3.2.3系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞6.3.2系統(tǒng)虛擬調(diào)試圖6-67機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采集的程序設(shè)計(jì)流程（3）OPC通信程序機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采集完成后，需要與NXMCD中的機(jī)器人虛擬模型連接。機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)連接是先在OPC服務(wù)器中創(chuàng)建機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)的OPC項(xiàng)對(duì)象，然后編寫OPC客戶端程序，將機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)傳遞給OPC服務(wù)器中對(duì)應(yīng)的OPC項(xiàng)對(duì)象。機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)傳遞的程序設(shè)計(jì)流程如圖6-68所示。6.3.2.3系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞6.3.2系統(tǒng)虛擬調(diào)試圖6-68機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)傳遞的程序設(shè)計(jì)6.3.2.4聯(lián)合虛擬調(diào)試將在TIA博途中編譯無錯(cuò)的PLC程序通過PLCSIMAdvanced下載到虛擬S7-1500PLC中，再通過信號(hào)映射的方式，使TIA博途中的PLC信號(hào)和NXMCD中的信號(hào)建立映射連接。在NXMCD信號(hào)映射中選擇外部信號(hào)類型為PLCSIMAdvanced實(shí)例，根據(jù)信號(hào)映射關(guān)系將PLC信號(hào)和NXMCD中的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)映射，將NXMCD中的變量和PLC中的輸入輸出變量匹配起來。PLC中的輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)NXMCD中的輸出信號(hào)，PLC中的輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)NXMCD中的輸入信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)外部的PLC信號(hào)和NXMCD信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制。信號(hào)映射過程如圖6-69所示。6.3.2系統(tǒng)虛擬調(diào)試圖