基于MCD的加工中心换刀及上、下料设计
2026-1-28 来源： 沈阳理工大学机械工程学院 作者：王 海 侯 健
摘要：基于MCD设计数控铣床自动换刀与机器人上、下料平台，经NX MCD平台操作、生成PLC程序与HMI界面，用PLCSIM Adv实现MCD与TIA博图虚拟调试，为自动化上、下料及加工中心虚拟换刀提供参考，推动智能制造发展。
关键词：智能制造；虚拟调试；MCD
如今，智能制造业的发展使机器人自动上、下料系统得到广泛应用，但设备研发中往往存在难以预测的问题，而通过虚拟调试可减少停机时间、降低风险，提高研发及生产效率[1~5]。MCD 技术能实现产品并行开发与虚拟验证，已有学者利用进行数控车床等的调试与设计[6~11]。研究结果证明以 MCD 技术结合虚拟调试可缩短机电产品的开发周期[12]。本文基于 MCD 平台对工业机器人—数控加工中心换刀及上、下料系统进行设计与调试。
1、 虚拟设备模型布局及流程设计
1.1 模型总体布局
笔者依据控制流程与工厂需求，设计立式加工中心上、下料模型，具体分为机器人、夹具、加工中心和传送带四部分，设围栏保障安全 （见图1）。将加工中心虚拟模型导入MCD，设置属性，将用TIA博图编写的梯形图下载到PLC，通过MCD的外部信号配置与 PLC 连接，通过传输信号实现数据交互与虚拟调试。机器人采用安川 GP180 型机械手与可伸缩夹具；加工中心含斗笠式刀库和立式铣床；传送带设光电传感器检测工件位置[1,2]。
图1 立式加工中心上下料模型简化图
1.2 加工中心上下料工作流程设计
在 MCD 平台上调试时，首先要规划虚拟系统的工作流程与动作逻辑 （见图 2）。该系统的进料传送带由上料信号启动，由线尾检测传感器停止；出料传送带由下料信号启动，由线尾光电传感器触发停止；通过仿真序列实现机器人运动，依据传感器信号应答，加工中心以换刀和轴运动为对象建立控制逻辑[1,2]。
图2 加工中心上下料工作流程
2 、MCD机电属性设置
2.1 基本机电对象设置
采用组件装配设置机电对象，赋予模型重力、摩擦等物理属性。对机床等设置刚体、碰撞体和运动副以实现运动 （见图3） [13]。
图3 运动副定义
2.2 执行器
对运动副设置位置和速度，对机床的轴、刀库、机械手等设置位置控制，将运动数据反馈给PLC。
2.3 信号和信号适配器
MCD 中的传输信息分输入、输出两种信号，通过信号适配器管理信号的构成逻辑形成控制运动的新信号。对换刀盘和机器人进行信号处理：机器人抓握等由PLC控制，创建抓握等信号类型为输入以接收外部PLC信号，以及创建取放工件完成信号反馈到PLC；上、下料动作由基于时间、事件的仿真序列控制；刀库旋转盘设置刀号等控制和反馈信号，笔者用刀库旋转盘的旋转控制信号具体说明：添加旋转盘的位置控制参数，单位是角度。信号适配器自动为其命名为“Parameter_2”，编写公式为：If ( 刀库旋转盘=1 ) Then ( 0 ) Else If (刀库旋转盘=2) Then ( 45 ) Else If ( 刀库旋转盘=3 )Then ( 90 ) Else If ( 刀库旋转盘=4 ) Then ( 135 ) ElseIf ( 刀库旋转盘=5 ) Then ( 180 ) Else If ( 刀库旋转盘=6 ) Then ( 225 ) Else If ( 刀库旋转盘=7 ) Then (270 ) Else If ( 刀库旋转盘=8 ) Then ( 315 ) Else ( 0 )。当 PLC 输出刀库旋转盘为 1 时，刀盘保持不动，当 PLC 输出刀库旋转盘为 2 时，刀盘旋转 45度，以此类推。当刀库旋转到需要刀号时，PLC会置位输出“刀库伸出位置信号”，控制MCD刀库伸出385 mm到达指定的换刀点，等待卸刀和装刀。
3、 PLC编程和环境搭建
3.1 TIA编写PLC程序
按MCD中工作流程编写PLC梯形图控制换刀，如输入预设程序 1，先换 2 号刀再换 4 号刀，输入预设程序2，换3号刀，最后用7号刀加工。3.2 S7—PLCSIM Advanced配置用 S7—PLCSIM Advanced V4.0 建立虚拟 PLC，设置参数完成创建，下载 TIA 博图程序到虚拟PLC，连接成功后打开监视功能，在 MCD 中进行外部信号配置，选中所需信号。
4 、MCD—TIA联合调试
信号映射 在信号映射选项匹配 MCD 内部信号与PLC选中信号，完成信号映射。虚拟调试功能验证 信号映射成功后，在博图创建 HMI 界面启动仿真和 MCD 播放，用 HMI 控制和监控 MCD 模型。点击上料、输入换刀程序、点击下料，完成上下料和换刀加工 （见图4）。
图4 HMI画面
5 、结 语
本文依托NX MCD平台，以虚拟调试技术设计加工中心换刀及上、下料系统，用PLCSIM Adv实现数据交互与虚拟调试。实验结果证明该系统能够满足自动上、下料需求，为机电一体化设计提供参考。
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