陈宗涛，熊 巍，吴 昊

(湖北工程学院 机械工程系，湖北 孝感 432000)

虚拟样机技术及其在带传送设备中的应用

陈宗涛，熊 巍，吴 昊

(湖北工程学院 机械工程系，湖北 孝感 432000)

通过对带传送设备虚拟样机的建模与仿真，提供一种机电一体化整体仿真方法，该方法可显著缩短新设备的研发周期，优化设计参数，提高产品质量和性能，降低开发成本。

虚拟样机；SimulationX；PLCSIM

随着计算机技术和现代科学技术的高速发展，工业产品设计领域竞争日益激烈，产品推陈出新速度越来越快。为了提高产品的市场竞争力，各企业必须不断缩短新设备的研发周期，提高产品质量和性能，降低开发成本。为此，以虚拟样机技术为基础的现代化设计手段应运而生。在新产品的开发设计中，合理运用虚拟样机技术，可使设计人员在各种可能的虚拟环境中，模拟出被设计产品可能出现的运动状态及受力情况，并快速分析、评估设计方案的合理性，优化设计参数，为设计方案提供合理的参考依据；同时可部分替代真实样机进行各种试验性研究，甚至是一些难以进行或无法进行的试验都可以在虚拟环境下进行。虚拟样机技术可用来模拟真实样机进行验证性设计，不仅缩短的研发周期，而且可提高产品设计质量和设计效率。在产品投产之前，就能对其性能进行优化设计、分析和评估，确定最佳设备参数，从而降低该产品的开发风险，提高产品使用性能[1]。本文将通过设计实例系统介绍虚拟样机技术在机械产品设计的应用技术。

1 基于ITI SimulationX的虚拟样机技术

1.1 ITI SimulationX简介

SimulationX 是一款分析评价技术系统内各部件相互作用的权威软件，是多学科领域建模、仿真和分析的通用CAE(Computer Aided Engineering)工具，并具有强大标准元件库，这些元件库包括：1D力学 、3D多体系统、动力传动系统、液力学、气动力学、热力学、电子学、电驱动、磁学和控制[2]。其模型库包含大量与工业界合作伙伴和研究机构密切合作开发的标准元件。面向用户的模块和众多软件接口，使SimulationX可满足用户不同应用领域的各种需求。SimulationX 能够应用在很多新的领域，并在机械电子系统、机器人及控制系统优化、汽车发动机冷却系统及空调设计、电磁驱动设计、海洋装备等领域为企业的零部件和系统开发，提供最核心的竞争优势。

1.2机械系统和控制程序的同步工程

由于控制程序只能在一台设备全部装配完成后才能进行调试、启动和运行，这样不仅浪费大量开发时间，而且自动化机械制造商也经常由此面对无法让客户所需的设备及时运行，而带来信誉上的损失和高额成本支出。所以使用ITI SimulationX的虚拟样机技术，用PLCSIM控制虚拟机器来完成各种实验，不仅大大缩短了研发进程，确保设计质量和设计效率，而且降低成本支出。

SimulationX虚拟样机技术是一个考虑到物理属性的快速而贴近实际的模型仿真。它可以模拟实际机器特性，从而节省了高昂的原型机花费。

SimulationX虚拟样机技术支持3D现实视觉效果和CAD(Computer Aided Design)数据导入，可实现PLC(Programmable Logic Controller)直接控制下的机器模型的3D动画演示。SimulationX虚拟样机技术是一种实时解决方案，它可实现控制程序和临界状态的实时交互测试，而无需承受任何实际危险。SimulationX虚拟样机技术将大大降低产品推向市场所需投入的人工量和时间。

1.3 SimulationX虚拟样机技术的实现

(1)手动创建机器的 SimulationX 模型或自动导入CAD实体模型。

(2)从SimulationX库中选择控制设备，将SimulationX连接到PLC、伺服控制器、控制仿真器，或其他控制硬件。整个SimulationX的功能元件均可接受 PLC、控制仿真器或其他设备的控制。

(3)对虚拟样机仿真后可显示设备参数的图形曲线，分析仿真结果。

2 PLC控制带传动设备仿真实例

带传送设备是工业生产线中应用最广泛的机械设备之一，本文以PLC控制的带传送设备仿真为例，介绍SimulationX虚拟样机在机械设备设计中的应用，其方法也可推广到其他机械设备的前期设计中。总体设计过程如图1所示。

图1 基于PLC控制的带传动设备设计过程

2.1对带传送设备进行实体建模

图2 带传送设备实体模型

带传送设备的实体模型由机架、电机、轴，轴承、带轮、传送带、传感器、调速按钮等部件组成，如图2所示。按照相应的约束条件，将各部件在SimulationX的三维窗口中完成装配，并对相关的参数进行设置。

在SimulationX中，模型的建立可通过该软件提供的模型库的模块建立实体模型，也可以通过STL接口，导入由CAD软件所建好的实体模型，再设置相关的参数，就可将CAD软件所建好的实体模型在SimulationX软件里进行虚拟样机仿真中的使用。

2.2控制传动部分建模

在仿真过程中，通过STEP7的S7-PLCSIM来控制带传送设备的实体模型，让实体模型按照PLC程序来动作。当零件被放在传送带上时，传感器B1感知零件后给S7-PLCSIM发出信号，经S7-PLCSIM处理后，再输出启动信号，PLCSIM可控制传送带开始运动，传送零件。当零件运动到传感器B2处时，传感器B2感知零件后给S7-PLCSIM发出信号，S7-PLCSIM控制传送带停止运动[3]。如果按动红色按钮，则可以调节传送带的运动速度。

图3 PLCSimController

在SimulationX中，控制和传动部分的建模只需调用模块并对其进行设置即可。在libraries中打开虚拟样机库Virtual Machine,并选中PLCSimController，将其拖动到SimulationX的二维窗口中，如图3所示。然后依次按要求调用其他部件，如图4所示。

在SimulationX的二维窗口中，连接所建模型信号线路，传动线路。然后设置PLCSimController相关参数，如图5所示。

图4 控制和传动部分建模

图5 PLCSimController参数设置

2.3虚拟样机仿真

打开西门子PLC编程软件STEP7，定义PLCSIM的输入输出点，编写带传送设备的PLC程序，再将带传送设备的PLC程序编译下载，然后在STEP7的Options中点击Simulate Modules，开启PLC的仿真器，如图6所示。通过点击相应的输入触点，就可以实现对SimulationX中三维实体带传送设备的控制[4]。

3 结语

本文利用SimulationX建立带传送设备的虚拟样机仿真模型，并联合S7-PLCSIM对所建立的机电一体化模型进行了机械系统和控制程序同步工程的仿真。该模型还可对带传送设备虚拟样机的控制部分，传动部分，机械结构部分等进行调试分析，对参数进行优化。将此方法可以推广到其他机械设备的前期设计中，能有效缩短开发周期，降低产品开发风险，提高产品质量和性能。

图6 S7-PLCSIM对实体模型的运动控制

[1] 郭俊英.基于虚拟样机技术的机械仿真分析与结构设计[J].新技术新工艺,2009(11)：43-45.

[2] 王海玲，孙海燕，许佳音.虚拟样机技术在柱塞泵动力学分析中的应用[J].工程机械，2013,44(6):13-15.

[3] 郑相周，唐国元.机械系统虚拟样机技术[M].北京：高等教育出版社,2010:208-210.

[4] 王国强，张进平，马若丁.虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践[M].西安：西北工业大学出版社，2002：182-185.

(责任编辑：张凯兵)

VirtualPrototypingTechnologyanditsApplicationinBeltDriveEquipment

Chen Zongtao,Xiong Wei,Wu Hao

(DepartmentofMechanicalEngineering,HubeiEngineeringUniversity,Xiaogan,Hubei432000,China)

Based on the modeling and simulation of virtual prototype of belt drive equipment, this paper provides a method for an overall simulation of mechanical and electrical integration. It can significantly shorten the development cycle of new equipment, optimize design parameters, improve the quality and performance of products, and reduce development cost.

virtual prototype; simulationX; PLCSIM

TP391.9

A

2095-4824(2013)06-0095-04

2013-10-02

陈宗涛(1984- ),男，湖北广水人，湖北工程学院计算机与信息科学学院教师，硕士。

熊 巍(1984- ),男,湖北孝感人，湖北工程学院计算机与信息科学学院教师，硕士。