李华川，黄尚猛，李彬文
(广西机电职业技术学院 机械工程学院，广西 南宁 530007)
数字孪生技术是工业4.0发展的核心技术，它使产品在整个生命全周期都拥有完整的产品数字足迹。而虚拟调试则是数字孪生技术的核心技术，在如今制造业数字化、智能化转型过程中，虚拟调试可以缩短设备改造、工艺规划等的成本时间，减少实物样机数量，降低生产原型成本并减少可能的实验损坏。虚拟调试的“实验性”属性使多方案验证成为可能[1]。
工业机器人传统调试方法是在现场进行从空载到负载、从机械装配调试到电气安装调试、从子系统调试到整机调试的一系列过程[2]。这种传统的现场调试常常会导致研发阶段的某个错误，在上线调试甚至运维阶段才会被发现。为降低纠错成本、改进传统调试方法的不足，笔者采用了基于MCD和TIA Portal结合的工业机器人数字化样机软件在环虚拟调试方法，即在MCD建立机器人机械系统，在TIA Portal建立PLC控制系统，两者进行信号映射，实现闭环反馈回路的验证调试。该调试方案便捷性好、实时性强，可以方便快速地发现设计缺陷和程序异常，为相关机电一体化设备的设计及调试提供新的解决方案，具有较好的参考价值。
西门子公司为德国工业4.0打造的NX MCD(机电概念设计模块)支持并行设计和数字化样机调试， MCD的虚拟调试分为硬件在环(HIL)虚拟调试和软件在环(SIL)虚拟调试两类。软件在环虚拟调试是指控制部分和机械部分均采用虚拟部件，在虚拟PLC及其程序控制下组成“虚—虚”结合的闭环反馈回路中进行程序编辑和验证调试[3]，原理图如图1所示。文中对制造业常用的六轴工业机器人进行了软件在环虚拟联调，具体实施方案如图2所示。
图1 软件在环虚拟调试原理图
图2 机器人软件在环调试实施方案
2.1 基本机电对象
首先创建工业机器人三维模型，模型几何体需要赋予机电对象属性，如刚体、碰撞体属性，才能具有物理场控制下的运动属性。将几何体定义为刚体，使其具备质量特性，在重力和其他力的影响下运动状态发生改变[4]。
因文中研究只涉及机器人的手爪移动路径轨迹调试，暂不涉及手爪夹持功能调试，因此不设置机器人的碰撞体属性，只需将机器人的装配组件即6个轴臂定义为刚体，如图3所示。
图3 定义机电对象
2.2 运动副
运动副是两构件直接接触并能产生相对运动的活动联接[5]。对运动组件进行运动副设置，以此来定义组件的运动方式。机器人轴臂之间是依靠伺服电机驱动而进行相对转动，因此首先对6个运动轴臂设置6个铰链副以及基座的1个固定副 ，如图4所示。此处需要注意，“铰链副”对话框中的“连接件”选项一般选择运动副中的从动件，“基本件”选项一般选择运动副中的主动件，如果选错容易导致运动状态错误。
图4 定义运动副
而针对机器人手爪的多自由度运动状态，一般是用“路径约束运动副”定义使手爪沿指定的曲线运动。但在实际调试中发现，路径约束运动副所包含的参数对于在线实时调试手爪的运动坐标并不方便，且该运动副容易使机器人在停止运动瞬间发生轻微晃动。因此，此处放弃使用“路径约束运动副”定义，而是在后续对手爪进行 “反算机构运动驱动”定义，以此解决手爪运动副定义所带来的调试效率低、仿真效果不好的问题。
2.3 执行器
MCD中运动副要成为执行机构，需要对运动副进行位置和速度定义，才能使运动组件执行定义的目标位置和速度，并将信息反馈给PLC。因此需对机器人的6个铰链副，实质上就是6个伺服电机进行位置控制定义。
通过2.2可知，手爪需要进行“反算机构运动驱动”执行器定义，“反算机构运动驱动”分为“离线”和“在线”两个类型，在线反算机构运动驱动无需在MCD中定义手爪的坐标点，可直接通过PLC来控制。要注意，在反算机构运动驱动的“起始位置”选项要选择工作坐标系(WCS)原点，这样才能保证后续通过虚拟PLC界面(HMI)控制手爪运动时，手爪能基于WCS原点进行正常运动。执行器设置如图5所示。
图5 定义执行器
2.4 信号与信号适配器
对MCD三维模型进行运动控制，可通过外部信号的输入实现信息交互。在信号适配器中，可将MCD中的执行器相关参数作为变量参与到运算公式中，构建具有对应逻辑关系的控制信号，以实现对运动或行为的控制[6]。
根据机器人的运动需求，建立两组信号适配器，分别管理位置控制信号和手爪反算机构驱动控制信号。具体设置如下。
(1) 位置控制信号
位置控制信号用于控制机器人轴臂的电机速度，因此针对每个控制位置各创建1个双精度型的电机速度信号，共6个。同时添加“位置控制”中的速度参数作为变量，通过“公式”选项赋值到电机速度信号中，以此实现数据交互。如图6所示。
图6 机器人轴臂控制信号 图7 机器人手爪控制信号
(2) 手爪运动控制信号
选择反算机构驱动作为机电对象，添加该对象包含的6个参数，也就是控制手爪运动的X、Y、Z轴的直线位移和围绕X、Y、Z轴的旋转角度。再创建6个信号以匹配该6个参数，通过“公式”选项将参数赋值给信号。要注意，信号名称和参数名称不能相同，以防止信号逻辑混乱，如图7所示。
3.1 TIA Portal(博途)环境搭建
基于西门子 PLCS7-1500系列进行组态设计。在TIA Portal中添加设备PLC(CPU1512C-1PN)和 HMI (TP700)，建立HMI连接，完成组态，如图8所示。
图8 组态搭建
3.2 HMI搭建
根据机器人控制功能需求，添加I/O域，定义为“电机速度”和“手爪运动坐标”，并在常规属性设置中，将每个I/O域与PLC变量关联，以实现数据交互；
再添加控制按钮，以“开启”按钮为例，设置按钮 “事件”属性为：置位，关联PLC程序块变量“电源开关”，实质就是当按下“开启”按钮，输出置位，电源开关的线圈得电，执行启动。HMI界面如图9所示。
图9 HMI搭建
3.3 编写、编译、下载PLC程序
根据机器人控制功能需求，编写PLC程序，分为“电源启动”和“坐标控制”两部分,主要采用MOVE指令实现数据传输。部分PLC梯形图及变量表如图10所示。
图10 梯形图及变量表
使用软件S7-PLCSIM Advanced V2.0创建虚拟PLC，接着对TIA Portal中的组态和PLC程序编译，并下载到虚拟PLC中。此处特别要注意，必须在TIA Portal中的项目树中，右击项目名称，单击“属性”，在保护选项勾选“块编译时支持仿真”，否则无法与虚拟PLC构建连接。
4.1 外部信号配置与信号映射
在外部信号配置中选择PLCSIM Adv，添加之前创建的虚拟PLC实例，更新标记，可得到23个虚拟PLC的输入输出信号，即12个面向手爪和电机的控制信号，5个HMI面板的按钮信号，6个HMI面板的I/O域坐标输入信号。
在MCD中建立12个输入信号，与12个虚拟PLC的输出信号进行映射，如图11所示。
图11 信号映射
4.2 机电一体化虚拟调试
基于WINCC启动HMI面板仿真,给定相关运动数值，点击“移动坐标”按钮，机器人模型便会发生实时运动，仿真效果快速直观，便于判断运动路径合理性，虚拟调试效果如图12所示。
图12 虚拟调试效果
需要注意的是，应根据机器人说明书设置每个轴臂铰链副的上下限，以保证机器人的动作是在合理范围内。
通过MCD系统、TIA博途和PLC系统的数据交互与控制，实现信号传递，从而驱动MCD机械运动，实现对工业机器人的实时在线虚拟调试和验证，体现了软件在环虚拟调试的便捷性。
文中提出将反算机构驱动执行器取代常用的路径约束运动副，主要是考虑了前者包含的参数更有利于控制手爪运动，对于机器人调试具有更明显的优越性，并且利用HMI人机互动界面实时控制手爪运动，增加了以路径轨迹定位为目标的机电设备在线调试便捷性。因此，使用文中提出的方法、方案对常见的工业机器人进行在线虚拟调试非常适用，便捷性好，实时性强，能更方便快速地发现设计缺陷和程序异常，调试结果准确、真实。
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