基于SIMIT和MCD的并联机器人数字孪生实验系统设计.pdf
《基于SIMIT和MCD的并联机器人数字孪生实验系统设计.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于SIMIT和MCD的并联机器人数字孪生实验系统设计.pdf(8页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、 实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 6 期 2023 年 6 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.6 Jun.2023 收稿日期:2022-12-12 基金项目:河南省高等教育教学改革研究与实践项目(2021SJGLX1011);河南省高校科技创新团队项目(20IRTSTHN019);本科高校研究性教学改革研究与实践项目(2022SYJXLX032)作者简介:孟庆森(1999),男,河南周口,硕士研究生,主要研究方向为虚拟仿真,。通信作者:张宏伟(1980),男,安徽宿州,博士,教授,主要研究方向为工业自动化,。引文
2、格式:孟庆森,张宏伟,王新环.基于 SIMIT 和 MCD 的并联机器人数字孪生实验系统设计J.实验技术与管理,2023,40(6):135-141.Cite this article:MENG Q S,ZHANG H W,WANG X H.Design of digital twin experiment system for parallel robot based on SIMIT and MCDJ.Experimental Technology and Management,2023,40(6):135-141.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/
3、T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.06.021 基于 SIMIT 和 MCD 的并联机器人 数字孪生实验系统设计 孟庆森1,2,张宏伟1,2,王新环1(1.河南理工大学 电气工程与自动化学院,河南 焦作 454003;2.河南省煤矿装备智能检测与控制重点实验室,河南 焦作 454003)摘 要:为有效提高机器人自动化产线设计、调试的效率,解决实际设备调试风险高、试错成本高等问题,以三自由度机械手包装生产线为例,设计一种基于 SIMIT、PLCSIM Advanced 和 MCD(mechatronics concept designer)的并联机器人数字孪生虚拟调试系统,采
4、用 MCD 设计并建立机器人包装数字化工作站,利用 TIA Portal 进行硬件配置、工艺对象组态和 PLC 控制程序设计,通过 SIMIT 仿真电气部件行为模型和数据通信,实现了包装工作站的工序流程仿真、优化。结果表明:该系统能够有效验证并联机器人运动控制,完成生产线的协同调试。关键词:并联机器人;数字孪生;机电概念设计模块;PLCSIM Advanced;SIMIT 中图分类号:TP242;G642.423 文献标识码:A 文章编号:1002-4956(2023)06-0135-07 Design of digital twin experiment system for paralle
5、l robot based on SIMIT and MCD MENG Qingsen1,2,ZHANG Hongwei1,2,WANG Xinhuan1(1.School of Electrical Engineering&Automation,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,China;2.Henan Key Laboratory of Intelligent Detection and Control of Coal Mine Equipment,Jiaozuo 454003,China)Abstract:In order to e
6、ffectively improve the efficiency of robot automation production line design and commissioning,solve the problems of high commissioning risk and high cost of trial and error of actual equipment.Taking packaging production line of three-degree of freedom manipulator as an example,a virtual commission
7、ing system of parallel robot digital twinning based on SIMIT,PLCSIM Advanced and mechatronics concept designer(MCD)is designed and a digital workstation of robot packaging is built by using MCD.TIA Portal is used for hardware configuration,process object configuration and PLC control program design.
8、Finally,SIMIT is used to simulate the behavior model of electrical components and data communication to realize the process simulation and optimization of packaging workstation.The results show that this system can effectively verify the motion control of parallel robot and complete the collaborativ
9、e commissioning of the production line.Key words:parallel robot;digital twins;mechatronics conceptual designer module;PLCSIM Advanced;SIMIT 随着智能制造的不断发展,机器人的应用越来越广泛。并联机器人具有精度高、速度快、轻负载、灵活性强等优点,广泛应用在物料搬运、分拣和包装等环节1-3。由于机器人应用场景具有工艺复杂、控制策略各异的特点,依赖真实机器人进行实验成本高、灵活性差。136 实 验 技 术 与 管 理 数字孪生是一种基于信息采集与分析技术,将真实世
10、界的物理设备映射到虚拟世界形成数字化的虚拟模型,构建“状态感知仿真计算智能控制决策执行”的闭环系统。通过仿真技术再现物理设备在真实世界中的行为,为控制系统的设计、分析、运行和决策提供支撑。利用虚拟调试技术模拟运行整个或部分生产流程,在生产线投产前对重要功能和性能进行测试,验证产品设计的合理性,检测和消除设计缺陷4-6。MCD(mechatronics concept designer)是西门子基于“数字化双胞胎”推出的机电一体化概念设计工具,将系统工程、物理运动模型、知识重用和设计协同融合于一体,其动力学环境采用 NVIDIA PhysX 物理引擎,动态仿真效果逼真,是创建机电产品数字孪生体并
11、进行虚拟调试的重要技术手段7。目前基于MCD 的机器人虚拟调试较多,如 Trabesinger 等8通过硬件在环的方式验证了一种针对机器人安全反应时间 计 算 方 式 的 设 计。赵 永 信 等9利 用 TCP/IP(transmission control protocol/Internet protocol)作为桥梁,实现了工业机器人气动手爪的 MCD模型与 PLC的虚拟调试。郑魁敬等10将 RobotStudio 中机器人仿真控制器内的关节数据和 PLCSIM 中的信号映射到MCD 中,实现机器人磨削系统的集成控制和过程监控。蔡文站等11利用 MCD 仿真序列和 TIA Portal 构
12、建了机器人打磨联合虚拟调试系统。张月等12为飞灰包装产线提供了全自动智能控制方案,由 MCD 内置的路径规划和运动学功能自动求解取袋姿态;现有研究大多将外部工业机器人控制器参数传至 MCD 中,对机器人本体运动控制系统开发和调试的研究较少。本文以机器人产品包装系统为研究对象,基于SIMIT、PLCSIM Advanced 和 MCD 进行机械系统设计和控制系统设计,建立物料包装自动生产线虚拟调试系统,实现虚拟调试。1 TIA Portal-NX MCD 虚拟调试技术 传统的自动化生产线设计往往需要首先通过CAD 软件设计图纸,设计制作机器人控制系统、机械装备、生产线等被控对象,然后利用编程软件
13、设计 PLC控制程序、HMI(human machine interface)程序,最后对真实设备进行调试,验证控制系统的性能。这种开发周期长、效率低、成本高。“数字化双胞胎”理念是指在虚拟世界中以数字化的方式拷贝一台设备,并在虚拟世界里对模拟设备各部件之间的相互运动和电气行为进行仿真13。为了能真实再现实际设备,需要借助软件在环或硬件在环的闭环仿真系统。西门子一体化工程数字化平台可以实现软件在环,基于 SIMIT+PLCSIM Advanced+MCD的虚拟调试系统如图 1 所示。图 1 虚拟调试系统结构图 MCD 用于建立机械结构部件的物理和运动模型14,PLCSIM Advanced 用
14、于仿真实际设备中的硬件PLC 和 HMI,SIMIT 软件用于对开关、传感器、电机、电磁阀等电气元件进行电气行为仿真,同时实现与MCD 和 PLCSIM Advanced 的信号耦合。通过 PLCSIM Advanced 与 PLC 进行数据交换,发送速度设定、位置设定等信息至 MCD,MCD 根据收到的信息仿真机械部分运动,发送经过计算的真实信息至 SIMIT15。利用数字化双胞胎孪生进行全过程跟进验证,可以缩短开发周期,降低设计迭代产生的误差,加快机械、电气和软件设计等学科产品的开发速度,缩短新产品从最初的概念构思到后续成品调试的周期。2 并联机器人运动学建模 2.1 机器人结构分析 采用
15、经典的 3-RSS 型 Delta 并联机器人为研究对 孟庆森,等:基于 SIMIT 和 MCD 的并联机器人数字孪生实验系统设计 137 象,开展数字孪生虚拟实体的设计,并联机器人结构如图 2 所示。该机器人由静平台、动平台、中间导向轴、3 条主动臂、3 条从动臂、伺服电机、行星减速机等组成。主动臂受安装于静平台中的电机驱动而上扬下摆,从动臂通过鱼眼球铰链与主动臂、动平台相连,从动支链的 4 个球副构成平行四边形机构,实现末端执行器的三维平动。图 2 并联机器人结构 2.2 数学模型 并联机器人的主要机构为顶部的定平台、底部的移动平台和 3 条对称支链,中间导向轴对运动学模型的建立和分析没有
16、影响,其简化机构如图 3 所示。图 3 机构简图 记铰链副在定平台安装节点为(1,2,3)iA i,主、从动杆球铰连接处的控制点为(1,2,3)iB i;从动杆与移动平台球铰连接处的控制点为(1,2,3)iC i。遵循右手定则,以机构简图中上、下三角形中心为原点,建立动平台坐标系 C和定平台坐标系 A,如图 4 所示。关节变量记为(1,2,3)ii,末端位置TC,x y zAC,主动臂、从动臂长度分别记为 L、l。图 4 定、动平台坐标系 iA在 A坐标系的坐标(1,2,3)ii AA恒定,可表示为:321321233322011,22000AAAAANNNNN AAAAAA(1)式中,iAN
17、为 A坐标系原点O到iA的距离。iC在 C坐标系的参数配置(1,2,3)ii CC与之类似,不再赘述。根据图 3 所示某条支链的闭环结构特征,建立矢量环方程,A坐标系下向量iiB C的坐标(1,2,3)i Ail表示如下:CAACAAiiiilCCAL(2)式中:向量CiC和AiA为常量,A坐标系下向量iiA B的坐标(1,2,3)ii AL取决于i。211221233333cos201cos,cos,2sinsin3cos21cos2sinLLLLLLLL AAALLL(3)将式(1)和(3)代入式(2),整理得到 11cossi,nxyLdzL1Al 138 实 验 技 术 与 管 理 2
18、2223(cos)21(cos)2s,inxLdyLdzLAl(4)33333(cos)21(cos)2sinxLdyLdzLAl 式中,d表示iAN与iCN的差值,iCN为 C坐标系原点 O 到 Ci的距离。从动臂长度限制为 l,即|,1,2,3Ail il(5)将式(4)代入式(5),等式两边取平方,展开后得到并联机器人的约束方程组:2211222222222222233222222()cos2sin20(23)cos2sin(3)0(23)cos2sin(3)0L ydzLxyzdLydlLdyxzLxyzdLd yxlLdyxzlxyzdLd yxl(6)3 并联机器人 MCD 数字孪
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 SIMIT MCD 并联 机器人 数字 孪生 实验 系统 设计
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。