摘要：针对机电一体化概念设计（Mechatronics Concept Designer，MCD）与工业机器人离线编程软件（RobotStudio）联合仿真存在通信延时较长且信号不稳定问题，以SQ-815Q药品罐装产线机器人工作站为例，开展了基于虚拟被控对象仿真平台（SIMIT Simu⁃lation Framework，SIMIT）的跨平台虚拟调试方法研究。首先，导入产线三维模型，进行产线MCD机械、电子及自动化设计，以及机器人和PLC控制程序编写；然后，通过SIMIT和PLCSIM Adv将RobotStudio、TIA Portal和MCD进行信号连接；最后，进行机器人工作站跨平台软在环虚拟调试。仿真结果表明，该方法打通了RobotStudio和NX MCD之间的数据交互，实现了工作站实时稳定的软在环虚拟调试，为工程技术人员开展相关研究和院校教学提供了有益参考。

　　关键词：机电一体化概念设计；虚拟被控对象仿真平台；工业机器人离线编程软件；虚拟调试

　　0引言

　　机电设备传统研发流程为串行设计，即概念设计→机械设计→液压气动设计→电气设计→软件设计→设备调试验证，涉及专业人员多、研发周期长、成本高。而西门子公司的机电一体化概念设计（Mechatronics Con⁃cept Designer，MCD）平台则是将机械、电子、控制和信息技术有机融合起来，实现并行设计，大幅缩短产品开发周期、提高产品质量、降低成本。

　　目前，工业上对设备或产线进行机电概念设计与虚拟调试主要采用西门子NX MCD、PDPS和Uni⁃ty3D等平台，而利用这些平台进行产品开发与调试，关键是实现跨平台数据交互。现有研究主要基于高级仿真器（PLCSIM Advance）内置的接口技术，如蔡文站、王俊杰、孙立鹏、郑俊强、赵永信、郑魁敬等利用OPC技术实现了MCD与博图软件的连接。赵永信等利用TCP技术实现了MCD与博图软件的连接，完成了气动手爪虚拟调试功能。赵俊英等利用Tec⁃nomatix平台搭建了数字孪生模型，构建了基于Modbus TCP、OPC UA等通信方式的通信网络，成功实现了虚实同步。文国军等在Unity3D中实现虚拟机器人的仿真运动，基于TCP/IP协议的Socket网络通信模式，利用双向传输的机器人位姿状态等数据驱动虚实模型同步运动。程倩等[20]通过Unity3D搭建凹印机虚拟场景，基于Mod⁃bus TCP/IP协议实现物理实体与虚拟模型间的同步映射。

　　但是利用OPC、TCP进行连接也存在一些不足，如传输速度较慢、稳定性不高、数据丢失、处理延迟，操作时信号配置较为繁琐且容易出错。而虚拟被控对象仿真平台（SIMIT Simulation Framework，SIMIT）具有响应速度快、数据接口多、兼容性强、成本低、易于维护与信号配置等优点。但鲜有看到利用SIMIT作为通信桥梁进行MCD与虚拟调试的方法。

　　本文基于西门子NX平台，以SQ-815Q药品罐装自动生产线机器人工作站为研究对象，首先将工作站三维模型导入MCD，然后在MCD中进行机械设计、电气设计，最后基于SIMIT进行自动化设计与设备调试。

　　1机器人工作站机械设计

　　SQ-815Q药品罐装自动化产线由颗粒上料工作站、加盖拧盖工作站、检测分拣工作站、机器人工作站、成品入仓工作站组成，实物组成如图1所示。其中六轴机器人工作站主要完成药品的装盒、贴标、加盖与搬运功能，本文主要以该站为例进行研究。

　　利用西门子NX MCD进行机器人工作站机械设计时，需要进行基本机电对象、运动副和约束等属性设置。首先定义机器人与气缸等模型的机电对象，这里将机器人6个关节、气动手指握爪、气动吸盘、升降平台A、B与升降平台A推杆均设置为刚体与碰撞体，设置部件相应的质量、惯性矩与摩擦因数，赋予其与物理装备高保真的物理属性；然后将机器人模型的6个关节动作分解为单自由度旋转的铰链副，铰链副的锚点选用上一关节与本关节相接处中心点，轴矢量正方向指向上一关节；将升降平台的上升、下降与气动推杆A的伸出与缩回动作分解为沿着指定方向运动的滑动副，升降平台滑动正方向指向上方，推杆滑动正方向指向推出方向。机器人工作站机械设计如图2所示。

　　2机器人工作站电气设计

　　2.1执行器参数设置

　　通过位置控制设置好机器人关节上6个铰链副、升降平台A和B滑动副以及升降平台A推杆滑动副的速度与目标位置，具体参数如表1所示。

　　2.2信号配置

　　通过信号适配器进行传感器输出信号配置，机器人、升降平台与升降平台推杆输入信号配置，如表2~4所示。

　　具体步骤：将MCD机器人关节铰链副位置控制的速度与目标位置建立输入接口，用来接收RobotStudio平台中机器人运行时的关节运行速度与角度，同时为升降平台A、B与升降平台A推杆位置控制的目标位置建立输入接口，当外部输入信号为“1”时，对应滑动副位置控制的目标位置为指定值，否则目标位置始终为“0 mm”，具体参数如表5所示。

　　同时，将升降平台A与升降平台A推杆当前的状态建立2个布尔信号的输出接口。当升降平台A与升降平台A推杆大于指定距离时，输出“1”信号，否则为“0”，如表6所示。

　　3机器人工作站自动化设计

　　为了验证信号适配器中参数的合理性，添加仿真序列控制信号的状态，实现动态控制仿真效果，进行仿真序列设计，步骤如下：在序列编辑器中添加机器人工作站信号适配器作为机电对象，首先将升降台A和升降台B信号打勾，并设置为true，作为第一个仿真序列；再添加第二个仿真序列把A推杆气缸打勾并设置为true，将升降台A上限参数设置true作为仿真序列的条件；添加第三个仿真序列，把升降台A、升降台B和A推杆气缸打勾，将信号全部设置为false，条件为升降台A推杆前限为true时则执行，将这几个仿真序列选中后创建链接器，然后点击播放即可，如图3所示。

　　4基于SIMIT的MCD虚拟调试

　　利用仿真序列已经实现了升降台A及B的上升和下降、A推杆气缸的伸出和缩回的控制，接下来将基于SIMIT、RobotStudio和MCD平台进行机器人工作站软在环虚拟调试。虚拟PLC采用西门子S7-1500PLC的高级仿真器S7-PLCSIM Advanced V4.0，控制信号交互关系如图4所示。

　　4.1 PLC组态及编程

　　首先在博图V16软件中，添加一款CPU为1513-1的S7-1500PLC，设置其“profinet接口”的“以太网的地址”为192.168.0.5，需要注意的是此IP地址需要与虚拟PLC地址一致。在“设备保护”里需要勾选块编译支持仿真，然后在“防护与安全”中将“连接机制”中勾选“允许来自远程对象的PUT/GET通信访问”。最后，编写PLC控制程序，并在主程序中调用，PLC程序流程如图5所示。

　　4.2 MCD信号配置

　　首先在MCD自动化设计中进行“外部信号配置”，选择“PLCSIM Adv”，添加一个新的PLC实例，然后点击“更新标记”，以获取PLC定义的变量，从该列表中选择需要使用的变量，并对其进行勾选以进行配置。然后，选择所需的PLC实例，并点击“执行自动映射”按钮即可将MCD信号与PLC信号进行连接。MCD信号配置如图6所示。

　　4.3 SIMIT信号配置

　　在SIMIT软件中添加一个“共享内存项目”，手动添加需要的变量，信号的命名可以参考PLC M寄存器，然后在MCD的SIMIT模块下启动，并启动SIMIT获取MCD中的变量，创建关系表，根据数据类型拖拽关系式，并拖线连接变量即可。SIMIT信号配置具体步骤如图7。SIMIT信号配置完成如图8所示。

　　4.4机器人信号配置

　　在RobotStudio软件中，编写一个获取机器人各轴的轴数据和轴速度的子程序，将子程序设置为循环子程序，在RobotStudio软件里面分别添加6个轴数据变量和6个轴速度的数据变量，在工作站逻辑下，添加“SIMITCco⁃nnection组件”，点击“连接”将SIMIT中创建好的12变量导入，然后分别与RobotStudio创建好的变量分别连线即可。机器人信号配置如图9所示。

　　4.5机器人工作站软在环测试

　　在完成上述控制程序编写、信号配置及交互映射后，进入机器人工作站软在环测试。步骤如下：首先将PLC控制程序下载至虚拟PLC中，其次在RobotStudio软件中启动机器人控制程序，最后启动SIMIT，MCD随之启动，机器人工作站软在环测试效果图10所示。从软在环测试结果看，RobotStudio软件中机器人工作站和NX MCD测试模型中机器人工作站的运动保持实时同步，经过在不同配置硬件平台上进行多次测试，结果表明，系统运行的同步性好、稳定兼容性高。

　　5结束语

　　本文首先在NX MCD平台上对SQ-815Q药品罐装自动生产线机器人工作站进行了机械设计、电气设计和自动化设计，然后利用S7-PLCSIM Advanced V4.0实现了虚拟PLC和MCD、RobotStudio之间信号交互，最后针对以往采用OPC、TCP等技术进行连接的虚拟调试中存在的问题，本文基于SIMIT仿真平台，梳理了信号配置具体步骤和方法，通过对RobotStudio和NX MCD信号配置，实现了两者间的高效信号交互，完成了自动生产线机器人工作站跨平台实时稳定的软在环虚拟调试。和其他方法相比，本文基于SIMIT的方法很好地解决了RobotStu⁃dio和NX MCD之间信号交互的实时性和稳定性问题，并且在系统的兼容性和操作的便捷性上更胜一筹。本文方法可为工程技术人员、教师和学生开展机电一体概念设计相关研究和教学提供有益参考。

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