基于云平臺(tái)的工廠流水線機(jī)械手臂虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要 41緒論 51.1課題背景及意義 51.2虛擬仿真技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì) 51.3工業(yè)云平臺(tái)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì) 61.4研究?jī)?nèi)容 72基于MCD的機(jī)械手臂虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 72.1MCD仿真技術(shù)介紹 72.2需求分析 82.3系統(tǒng)解決方案 82.4基于MCD的六自由度機(jī)械手虛擬仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 93工廠流水線機(jī)械手臂虛擬仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與測(cè)試 103.1建立模型 103.2機(jī)械手臂仿真設(shè)計(jì) 113.2.1物理屬性定義 113.2.2運(yùn)動(dòng)屬性定義 133.2.3添加傳感器和執(zhí)行器 143.2.4反算機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)定義 153.3PLC硬件組態(tài)及編程 163.3.1硬件組態(tài) 163.3.2PLC程序編寫 173.4MCD與PLC的通訊配置 203.5WINCC組態(tài) 214云平臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 224.1云平臺(tái)技術(shù)介紹 224.1.1騰訊云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)介紹 224.1.2物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 234.1.3Node-RED開(kāi)發(fā)工具 234.2系統(tǒng)的需求分析 234.3系統(tǒng)總體架構(gòu) 234.4騰訊云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)配置 244.5云平臺(tái)通訊 264.5.1云平臺(tái)上行數(shù)據(jù)鏈路配置 274.5.2云平臺(tái)下行數(shù)據(jù)鏈路配置 304.6小程序?qū)崿F(xiàn) 344.7警報(bào)提示實(shí)現(xiàn) 365系統(tǒng)測(cè)試 375.1虛擬仿真系統(tǒng)測(cè)試 375.1.1通訊測(cè)試 375.1.2仿真測(cè)試 395.2云平臺(tái)系統(tǒng)測(cè)試 395.2.1上行數(shù)據(jù)鏈路通訊測(cè)試 405.2.2下行數(shù)據(jù)鏈路通訊測(cè)試 425.2.3騰訊連連小程序控制測(cè)試 445.2.4報(bào)警提示功能測(cè)試 456結(jié)論 45參考文獻(xiàn) 46PAGEPAGE13基于云平臺(tái)的工廠生產(chǎn)線仿真設(shè)計(jì)基于云平臺(tái)的工廠生產(chǎn)線仿真設(shè)計(jì)PAGEPAGE12[摘要][關(guān)鍵詞]騰訊云；物聯(lián)網(wǎng)；工業(yè)云；Node-RED；NXMCD1緒論1.1課題背景及意義中國(guó)工業(yè)目前處于工業(yè)4.0完善階段，穩(wěn)步向工業(yè)5.0邁進(jìn)的關(guān)鍵時(shí)期?，F(xiàn)在“中國(guó)制造2025”國(guó)策的實(shí)施、2022年政府工作報(bào)告中提出加快數(shù)字化經(jīng)濟(jì)發(fā)展。在國(guó)家和政府兩個(gè)層面加持下，中國(guó)的智能制造正在高速發(fā)展中，但是仍有許多大山擋在在中國(guó)智能制造面前，比如西方國(guó)家對(duì)我國(guó)進(jìn)行專利技術(shù)封鎖、經(jīng)濟(jì)打擊、政策傾向等等以及現(xiàn)在新冠病毒在全球蔓延。新冠疫情對(duì)工業(yè)生產(chǎn)有著巨大打擊，疫情管控工作人員無(wú)法到現(xiàn)場(chǎng)去檢查設(shè)備，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致工廠不得不停產(chǎn)從而產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)損失。工廠生產(chǎn)線設(shè)備日益復(fù)雜，但對(duì)其安全性、穩(wěn)定性有了更高的要求，工業(yè)生產(chǎn)關(guān)注點(diǎn)從生產(chǎn)線設(shè)備的正常流轉(zhuǎn)、生產(chǎn)成本轉(zhuǎn)移到了生產(chǎn)線設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行、現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集和生產(chǎn)設(shè)備參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控上面。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算、工業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，它們之間的融合出了新的產(chǎn)物——工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)為生產(chǎn)企業(yè)提供可持續(xù)、可擴(kuò)充的信息系統(tǒng)，不僅為生產(chǎn)企業(yè)提供供應(yīng)鏈上下游實(shí)時(shí)信息交互提出了可行性的解決方案，同時(shí)也為智能制造設(shè)備在售后和運(yùn)維領(lǐng)域提供了有效的手段和方法，從而達(dá)到數(shù)據(jù)采集、提前預(yù)警和遠(yuǎn)程控制的目的，工廠事件的快速響應(yīng)，將這些都在云平臺(tái)上可視化展示。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)給傳統(tǒng)工業(yè)模式提供了新的思路。1.2虛擬仿真技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì) 虛擬仿真技術(shù)又稱數(shù)字孿生，數(shù)字孿生是物理對(duì)象或系統(tǒng)的數(shù)字表示，概念首先出現(xiàn)在NASA的早期太空艙的全尺寸模型，用于在地面上反映和診斷軌道問(wèn)題，讓其實(shí)現(xiàn)全數(shù)字模擬。Gartner公司將數(shù)字雙胞胎列為2017年未來(lái)10年的智能制造業(yè)戰(zhàn)略技術(shù)趨勢(shì)之一。稱在不超過(guò)四年內(nèi)，數(shù)十億事物將由數(shù)字雙胞胎、物理事物的動(dòng)態(tài)軟件進(jìn)行仿真。虛擬仿真技術(shù)是根據(jù)真實(shí)設(shè)備上的物聯(lián)網(wǎng)傳感器的輸入構(gòu)建的，復(fù)制了一個(gè)真實(shí)世界的系統(tǒng)，并隨著時(shí)間的推移隨該系統(tǒng)而變化。隨著物聯(lián)網(wǎng)傳感器在工廠生產(chǎn)線的應(yīng)用，虛擬仿真技術(shù)將可以根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)未來(lái)的結(jié)果。將這些數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可以優(yōu)化生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)提高生產(chǎn)效率，并幫助工廠在實(shí)際部署之前確定生產(chǎn)方向，減少產(chǎn)品缺陷并縮短上市時(shí)間，提高經(jīng)濟(jì)效益。1.3工業(yè)云平臺(tái)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)是云服務(wù)器與工業(yè)大數(shù)據(jù)融合的新型技術(shù)，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)是工廠管理的統(tǒng)一門戶入口，有以下功能：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)匯總處理；商業(yè)方案協(xié)作處理；為產(chǎn)品生產(chǎn)的整個(gè)生命周期的業(yè)務(wù)系統(tǒng)處理提供快速反應(yīng)，預(yù)防生產(chǎn)線突發(fā)事件；為管理人員預(yù)測(cè)多種生產(chǎn)管理方案提高決策率、減少時(shí)間成本。這些功能使工廠的事件可以迅速響應(yīng)，對(duì)生產(chǎn)情況進(jìn)行全面監(jiān)控，現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)中，通過(guò)云服務(wù)器進(jìn)行解析，將分析得到的數(shù)據(jù)上傳到客戶端，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸與可視化展示隨著，云計(jì)算、工業(yè)大數(shù)據(jù)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)監(jiān)控平臺(tái)日趨成熟，將生產(chǎn)決策者、生產(chǎn)設(shè)備、消費(fèi)者三個(gè)環(huán)節(jié)形成良性閉環(huán)。2013年GE(美國(guó)通用電氣公司)Predix平臺(tái)發(fā)布最早的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。2017年ABB發(fā)布Ability平臺(tái)，利用自己開(kāi)發(fā)的PLC物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以直接把數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)，不需要工廠再次購(gòu)買。我國(guó)有著“中國(guó)制造2025”的戰(zhàn)略根基，在政府配套政策的加持下，國(guó)內(nèi)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)也是井噴似的發(fā)展。華為云的OceanConnectIoT平臺(tái)已經(jīng)部署在自家的無(wú)人駕駛汽車、智能家居等等并完成商用。騰訊開(kāi)發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)IoTExplorer是針對(duì)智慧生活和行業(yè)的連接應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。云臺(tái)提供云托管模式，可以連接大量設(shè)備，并可以連接到騰訊現(xiàn)有產(chǎn)品，聚合了騰訊生態(tài)內(nèi)容能力。1.4研究?jī)?nèi)容本設(shè)計(jì)研究對(duì)象是工廠生產(chǎn)線的六自由度機(jī)械手臂，主要研究?jī)?nèi)容是基于騰訊云的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。研究如何實(shí)現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)對(duì)NXMCD仿真模型的控制及實(shí)時(shí)監(jiān)控，六自由度機(jī)械手臂的虛擬仿真主要是在UGNX軟件上的MCD平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的。虛擬仿真系統(tǒng)的控制核心是S7-1500PLC，西門子博圖TIAv16進(jìn)行組態(tài)及控制程序的編寫。通過(guò)PLCsimADV本地通訊實(shí)現(xiàn)NXMCD與PLC數(shù)據(jù)互傳，以此搭建了機(jī)械手臂的虛擬仿真系統(tǒng)。虛擬仿真系統(tǒng)與騰訊云工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的通訊是基于Node-RED軟件進(jìn)行的，利用Profinet協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC數(shù)據(jù)、機(jī)械手臂運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)、控制的雙向交互；利用MQTT物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)層級(jí)與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的數(shù)據(jù)上報(bào)和下發(fā),騰訊云物聯(lián)網(wǎng)是PaaS平臺(tái)，用戶可以通過(guò)自主的APPSDK或小程序或H5自定義面板，實(shí)時(shí)對(duì)機(jī)械手臂遠(yuǎn)程監(jiān)控。2基于MCD的機(jī)械手臂虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.1MCD仿真技術(shù)介紹NX機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)器(MCD)是用于多學(xué)科協(xié)作的綜合軟件。該解決方案通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)可以大幅度縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)上市時(shí)間。除其他外，它依賴于現(xiàn)有知識(shí)的重用和通過(guò)概念評(píng)估做出更好的決策。在NXMCD的幫助下，在設(shè)計(jì)過(guò)程中以跨學(xué)科的方式考慮和處理機(jī)械、電氣和自動(dòng)化。盡管有大量的要求和參數(shù)，該軟件解決方案仍支持開(kāi)發(fā)人員保持概覽。這種方法往往可以徹底避免在開(kāi)發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)失誤。不需要對(duì)物理產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化或者再設(shè)計(jì)。通過(guò)容易使用的建模和仿真的開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以在開(kāi)發(fā)過(guò)程中進(jìn)行快速的檢驗(yàn)。雖然純粹以模型為中心的工具只顯示幾何形狀，但是可以對(duì)零件進(jìn)行建模，但NXMCD解決方案走得更遠(yuǎn)。它還可以在物理效應(yīng)（例如摩擦系數(shù)、力、慣性、加速度）起作用的環(huán)境中對(duì)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)評(píng)估。配件模型包含附加信息，例如幾何形狀、參數(shù)或運(yùn)動(dòng)學(xué)。通過(guò)這種方式，逐步創(chuàng)建基于物理的交互式模擬來(lái)驗(yàn)證未來(lái)的機(jī)器操作。MCD的優(yōu)勢(shì)：通過(guò)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型更好地協(xié)調(diào)機(jī)械、電氣和自動(dòng)化團(tuán)隊(duì)之間的項(xiàng)目；通過(guò)無(wú)風(fēng)險(xiǎn)模擬避免損壞機(jī)器；通過(guò)早期模擬在規(guī)劃階段規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)、顯著節(jié)省時(shí)間，同時(shí)，提高調(diào)試過(guò)程中的安全性，調(diào)試需要的時(shí)間也大幅下降。機(jī)電一體化概念中可以在設(shè)計(jì)過(guò)程的早期識(shí)別設(shè)備狀態(tài)、全面的可見(jiàn)性和對(duì)變化的更快響應(yīng)、需求、功能、邏輯和物理設(shè)計(jì)之間的可追溯性、通過(guò)邏輯和物理安裝之間的交叉探測(cè)，輕松進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證和故障排除。圖1MCD虛擬仿真系統(tǒng)調(diào)試流程2.2需求分析系統(tǒng)工作需求:機(jī)械手臂有六個(gè)自由度可以自由活動(dòng)，末端執(zhí)行器的角度和機(jī)械手臂位置姿態(tài)分開(kāi)控制、可以對(duì)六個(gè)電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)整、以三維立體模型的形式進(jìn)行展示，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)本地電腦和HMI觸摸屏可以對(duì)機(jī)械手臂進(jìn)行監(jiān)控。2.3系統(tǒng)解決方案根據(jù)2.2小節(jié)的系統(tǒng)工作需求，本小節(jié)對(duì)仿真系統(tǒng)進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)。本文所設(shè)計(jì)的六自由度機(jī)械手臂虛擬仿真系統(tǒng)分為以下三個(gè)部分：機(jī)械手臂配置、PLC控制程序、WINCC監(jiān)控畫(huà)面。六自由度機(jī)械手臂可以分為七個(gè)整體：基座、基座軸1、軸2、軸3、軸4、軸5；仿真軟件環(huán)境為NXUG，仿真平臺(tái)是NXMCD；硬件部分為PLCS7-1500,使用PLCSIMAdv進(jìn)行仿真。本小節(jié)基于MCD進(jìn)行功能設(shè)計(jì)。機(jī)械手臂屬性定義：根據(jù)機(jī)械手臂的功能需求，在MCD平臺(tái)進(jìn)行三維立體模型導(dǎo)入到MCD平臺(tái)中裝配，并對(duì)基座、基座軸1、軸2、軸3、軸4、軸5、軸6的三維模型定義物理屬性，屬性為剛體，賦予它們物理屬性，不再是圖片。1.機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)屬性定義：根據(jù)需求將基座定義為固定副。其他六個(gè)軸定義為鉸鏈副。2.機(jī)械手臂位置控制：分別對(duì)六個(gè)軸添加位置控制命令，位置控制是將軸模型和真實(shí)電機(jī)信號(hào)聯(lián)動(dòng)的基礎(chǔ)設(shè)置。3.機(jī)械手臂反算機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)：傳統(tǒng)的虛擬聯(lián)合調(diào)試使用路徑約束，但是調(diào)試時(shí)機(jī)械手臂會(huì)出現(xiàn)晃動(dòng)，將軸6設(shè)置為控制對(duì)象，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)置起始點(diǎn)和指定方位。4.機(jī)械手臂信號(hào)映射：在信號(hào)適配器中將六個(gè)軸的位置控制分別與PLC的控制變量進(jìn)行適配。2.4基于MCD的六自由度機(jī)械手虛擬仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在基于MCD的六自由度機(jī)械手虛擬仿真系統(tǒng)中，分為三個(gè)部分PLC、機(jī)械手臂仿真模型、WINCC。MCD通過(guò)本地通訊與PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合虛擬仿真系統(tǒng)的調(diào)試。主要包含了以下模塊。1.物理模型構(gòu)建模塊：采用UGNX環(huán)境為六自由度機(jī)械手臂虛擬三維立體建模。2.模型屬性賦予模塊：在MCD平臺(tái)中對(duì)六自由度機(jī)械手臂的模型賦予物理性運(yùn)動(dòng)屬性、反算機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)位置等屬性，確定六自由度機(jī)械手臂各個(gè)機(jī)構(gòu)的活動(dòng)空間和活動(dòng)關(guān)系。3.本地監(jiān)控模塊：利用WINCC軟件將六自由度機(jī)械手臂調(diào)試和監(jiān)控畫(huà)面進(jìn)行組態(tài)，并完成與PLC和變量的關(guān)聯(lián)。4.PLC模塊：首先PLCSIMAdv創(chuàng)建PLC仿真實(shí)例，然后使用TIAv16對(duì)PLC進(jìn)行硬件組態(tài)，編寫功能塊和梯形圖程序?qū)α杂啥葯C(jī)械手臂的位置移動(dòng)進(jìn)行控制，5.通信模塊：利用PLCSIM本地通訊作為數(shù)據(jù)交互的渠道。實(shí)現(xiàn)WINCC對(duì)MCD仿真模型的控制與監(jiān)控?；贜XMCD虛擬仿真平臺(tái)對(duì)六自由度機(jī)械手臂進(jìn)行三維模型的搭建，同時(shí)賦予模型特性，再配置模型反算機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，完成模型創(chuàng)建，在虛擬環(huán)境實(shí)時(shí)觀看六自由度機(jī)械手臂的三維動(dòng)畫(huà)，利用PLCSIMAdvanced3.0創(chuàng)建一個(gè)S7-1500的PLC仿真實(shí)例，利用PLCSIMAdv本地連接方式實(shí)現(xiàn)NXMCD模型與仿真PLC的通訊、實(shí)現(xiàn)TIA博圖程序?qū)ιa(chǎn)線中六自由度機(jī)械手臂的控制，最后，建立出六自由度機(jī)械手臂虛擬仿真系統(tǒng)。圖2為基于MCD的六自由度機(jī)械手臂的虛擬仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖2虛擬仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3工廠流水線機(jī)械手臂虛擬仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與測(cè)試3.1建立模型圖3機(jī)械手臂三維模型3.2機(jī)械手臂仿真設(shè)計(jì)3.2.1物理屬性定義賦予三維立體模型物理屬性是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生虛擬調(diào)試的關(guān)鍵，這是對(duì)模型進(jìn)行實(shí)物化的關(guān)鍵步驟，本步驟涉及到多種影響因素，例如電機(jī)學(xué)、物理學(xué)、人工仿生學(xué)、材料學(xué)等等，最終都是為了能完美還原現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。MCD提供了一個(gè)基于游戲物理場(chǎng)引擎的模擬真實(shí)場(chǎng)景的環(huán)境，在此環(huán)境中為拋秧機(jī)虛擬樣機(jī)仿真的各個(gè)環(huán)節(jié)定義物理屬性，包括：剛體、對(duì)象源、碰撞體、質(zhì)量、密度、幾何屬性、材料屬性等。本次工廠生產(chǎn)線上六自由度機(jī)械手臂三維模型仿真運(yùn)用到了剛體、碰撞體等物理屬性，下圖4是六自由度機(jī)械手臂設(shè)計(jì)中會(huì)應(yīng)用到的工作屬性。圖4MCD的工作屬性對(duì)六自由度機(jī)械手臂三維仿真模型中的基座、基座軸1、軸2、軸3、軸4、軸5、軸6賦予剛體物理屬性定義，剛體是對(duì)模型進(jìn)行實(shí)物化、具體化的重要步驟，三位莫屬性在被賦予剛體屬性后，可以讓三維模型真的在真實(shí)世界中一樣受到四面八方對(duì)它施加的各種力，可以在受到力的作用后運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生變化。圖5軸設(shè)置剛體碰撞體，在MCD中模型將每個(gè)部件設(shè)置為剛體后，機(jī)械手臂在運(yùn)動(dòng)時(shí)模型和模型相互接觸后會(huì)穿模，所以為相鄰的兩個(gè)剛體設(shè)置防止碰撞。圖6機(jī)械手臂設(shè)置防止碰撞屬性3.2.2運(yùn)動(dòng)屬性定義在對(duì)六自由度機(jī)械手臂三維模型完成物理屬性定義后，需要根據(jù)機(jī)械手臂各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)特性，來(lái)為其賦予運(yùn)動(dòng)屬性，以確保能精準(zhǔn)的還原六自由度機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)軌跡。MCD運(yùn)動(dòng)屬性定義包括：鉸鏈副、柱面副、平面副、球副、固定副等等。鉸鏈副擁有一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，使兩個(gè)機(jī)械臂之間能完成旋轉(zhuǎn)。在六自由度機(jī)械手臂三維模型中，根據(jù)機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)特性，使用到了鉸鏈副定義，機(jī)械手臂有6個(gè)軸，分別對(duì)其進(jìn)行鉸鏈副定義?；S1能繞Z軸旋轉(zhuǎn)完成機(jī)械手臂整體的360度旋轉(zhuǎn)；軸2能繞-Y軸旋轉(zhuǎn)完成臂1前后伸展軸3能繞-Y軸旋轉(zhuǎn)完成臂2上下伸展軸4能繞X軸旋轉(zhuǎn)完成臂2360度旋轉(zhuǎn)軸5能繞-Y軸旋轉(zhuǎn)完成執(zhí)行機(jī)構(gòu)上下伸展軸6能繞Z軸旋轉(zhuǎn)完成執(zhí)行機(jī)構(gòu)360度旋轉(zhuǎn)六自由度機(jī)械手臂具有極高自由度，六個(gè)軸可以分別在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下完成旋轉(zhuǎn)。圖7機(jī)械手臂設(shè)置鉸鏈副屬性3.2.3添加傳感器和執(zhí)行器為六自由度機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)軌跡添加廣義執(zhí)行器。由于六自由度機(jī)械手臂各關(guān)節(jié)都有一個(gè)軸電機(jī)，他們的旋轉(zhuǎn)是通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的位置控制來(lái)驅(qū)動(dòng)的，因此為6個(gè)鉸鏈副賦予位置控制執(zhí)行器。在PLC控制程序?qū)CD中電機(jī)進(jìn)行調(diào)試時(shí)，在虛擬聯(lián)合調(diào)試中位置控制是重要的控制命令，是MCD信號(hào)和PLC變量交互的橋梁，圖8為六個(gè)軸配置的執(zhí)行器列表。圖8機(jī)械手臂設(shè)置位置控制屬性3.2.4反算機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)定義在多自由度的機(jī)械手臂中不可避免地有運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)耦合和運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)特性。在機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，如果使用傳統(tǒng)的仿真序列，在PLC程序控制時(shí)會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)的問(wèn)題，仿真測(cè)試的結(jié)果將是失敗的，為了提高六自由度機(jī)械手臂仿真系統(tǒng)的穩(wěn)定性，必須讓各關(guān)節(jié)的相互作用的影響降到最低，并確保六自由度機(jī)械手臂在虛擬仿真空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性和和動(dòng)力學(xué)特性各向同性。圖9為反算機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的設(shè)置。圖9機(jī)械手臂設(shè)置反算機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)3.3PLC硬件組態(tài)及編程3.1、3.2小節(jié)完成了對(duì)六自由度機(jī)械手臂的三維立體模型的設(shè)計(jì)、模型屬性賦予等設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。本節(jié)將對(duì)虛擬仿真系統(tǒng)的PLC模塊進(jìn)行硬件組態(tài)。本設(shè)計(jì)使用西門子S7-1500PLC作為控制核心，本設(shè)計(jì)PLC不僅與機(jī)械手臂進(jìn)行數(shù)據(jù)交互還要與云平臺(tái)進(jìn)行交互。S7-1500型號(hào)的PLC具有聯(lián)網(wǎng)傳輸快、處理快等優(yōu)勢(shì)。下面對(duì)硬件組態(tài)和編程進(jìn)行設(shè)計(jì)。3.3.1硬件組態(tài)首先使用S7-PLCSIMAdvancedV3.0創(chuàng)建一個(gè)仿真實(shí)例,IP地址為192.168.0.10與PLC設(shè)置的一樣。圖10PLCSIMAdv中開(kāi)啟仿真PLC然后在博圖TIA中對(duì)S7-1500和HMI進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)。圖11PLC網(wǎng)絡(luò)組態(tài)3.3.2PLC程序編寫首先根據(jù)機(jī)械手臂功能需求定義數(shù)據(jù)類型和變量地址。表1PLC變量表名稱數(shù)據(jù)類型地址電源開(kāi)關(guān)BoolM0.0中止按鈕BoolM0.1移動(dòng)坐標(biāo)按鈕RealM0.2回歸原點(diǎn)按鈕BoolM0.4電源指示BoolM1.0X坐標(biāo)RealMD100Y坐標(biāo)RealMD104Z坐標(biāo)RealMD108α角RealMD112β角RealMD116γ角RealMD120電機(jī)1速度RealMD124電機(jī)2速度RealMD128電機(jī)3速度RealMD132電機(jī)4速度RealMD136電機(jī)5速度RealMD140電機(jī)6速度RealMD144全部電機(jī)速度RealMD148X坐標(biāo)輸入RealMD200Y坐標(biāo)輸入RealMD204Z坐標(biāo)輸入RealMD208α角輸入RealMD212β角輸入RealMD216γ角輸入RealMD220再進(jìn)行PLC控制程序的編寫，編寫機(jī)械手臂運(yùn)行控制程序，當(dāng)按下電源開(kāi)關(guān)后機(jī)械手臂啟動(dòng)運(yùn)行，電源指示燈亮，等待輸入電機(jī)速度、機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)。按下中止按鈕后機(jī)械手臂在當(dāng)前形態(tài)下停止運(yùn)動(dòng)，電源指示燈滅。圖12機(jī)械手臂電源啟動(dòng)程序當(dāng)按下回歸原點(diǎn)按鈕后，機(jī)械手臂基準(zhǔn)位置的數(shù)據(jù)通過(guò)MOVE指令傳遞給機(jī)械手臂，機(jī)械手臂回歸原點(diǎn)。圖13機(jī)械手臂回原點(diǎn)程序當(dāng)機(jī)械手臂電源啟動(dòng)后，可以在WINCC觸摸屏上設(shè)置機(jī)械手臂角度，讓末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)到指定角度。圖14機(jī)械手臂移動(dòng)坐標(biāo)程序當(dāng)機(jī)械手臂電源啟動(dòng)后，可以在WINCC上分別設(shè)置軸電機(jī)速度，讓機(jī)械手臂以指定速度運(yùn)動(dòng)到指定位置圖15電機(jī)速度控制程序3.4MCD與PLC的通訊配置以上小節(jié)完成了對(duì)六自由度機(jī)械手臂三維仿真模型的屬性及參數(shù)定義和PLC控制程序的編寫。本小節(jié)完成MCD模型信號(hào)與PLC變量的適配。本設(shè)計(jì)對(duì)6個(gè)軸電機(jī)和進(jìn)行了信號(hào)適配器設(shè)置，先將機(jī)器人反算機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)配置六個(gè)參數(shù)分為別X、Y、Z軸，α、γ、β角度，再將六個(gè)參數(shù)匹配六個(gè)信號(hào)，設(shè)置如下圖圖16機(jī)械手臂坐標(biāo)、角度配置信號(hào)對(duì)機(jī)器手臂反算機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)完成配置后，接下來(lái)對(duì)六個(gè)軸電機(jī)的位置控制命令設(shè)置參數(shù)。圖17機(jī)械手臂六個(gè)軸配置信號(hào)3.5WINCC組態(tài)在3.3.1小節(jié)中已經(jīng)完成了HMI與PLC的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，現(xiàn)在完成對(duì)HMI畫(huà)面的繪制和變量的鏈接。本設(shè)計(jì)選擇的組態(tài)軟件是WinCCAdvancedv16，選擇HMI觸摸屏型號(hào)為TP700。打開(kāi)WINCC組態(tài)環(huán)境觸摸屏設(shè)計(jì)軟件，創(chuàng)建新畫(huà)面，完成對(duì)畫(huà)面的繪制，如下圖。圖18WINCC畫(huà)面繪制畫(huà)面完成后，分別對(duì)IO域、按鈕、燈連接變量，如下圖。圖19WINCC畫(huà)面圖形關(guān)聯(lián)變量本章完成了六自由度機(jī)械手臂虛擬仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為接下來(lái)的云平臺(tái)系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)打下了夯實(shí)的基礎(chǔ)。4云平臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.1云平臺(tái)技術(shù)介紹4.1.1騰訊云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)介紹現(xiàn)在市面上有許多物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，其中騰訊云是騰訊公司旗下的面向智慧生活與產(chǎn)業(yè)互聯(lián)應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)PaaS平臺(tái)，具有物聯(lián)網(wǎng)SaaS托管、高效消息處理、便捷數(shù)據(jù)服務(wù)、IoT應(yīng)用快速開(kāi)發(fā)等優(yōu)勢(shì)。本設(shè)計(jì)中的云平臺(tái)是在騰訊云的基礎(chǔ)上進(jìn)行搭建。4.1.2物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議MQTT協(xié)議是一種非常輕量級(jí)的發(fā)布/訂閱消息傳遞傳輸，它可以用最少的代碼和極少的帶寬為連接遠(yuǎn)程設(shè)備提供實(shí)時(shí)可靠的消息服務(wù)。小型化設(shè)備、機(jī)器與機(jī)器（M2M）通信和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）已廣泛使用4.1.3Node-RED開(kāi)發(fā)工具Node-RED是一個(gè)可視化編程工具，利用構(gòu)建“流”的方式，實(shí)現(xiàn)信息的采集和傳輸。它提供了一個(gè)基于瀏覽器的編輯器，可以使用節(jié)點(diǎn)列表中的廣泛節(jié)點(diǎn)，簡(jiǎn)單快捷的將節(jié)點(diǎn)連接在一起形成一個(gè)工作信息流，點(diǎn)一下部署即可運(yùn)行。4.2系統(tǒng)的需求分析第二、三章已經(jīng)通過(guò)UGNXMCD機(jī)電一體化開(kāi)發(fā)平臺(tái)、TIAV16和WINCC完成了對(duì)六自由度機(jī)械手臂的仿真模擬和控制，構(gòu)建了虛擬仿真系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)的工廠生產(chǎn)線機(jī)械手臂云平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：（1）通訊功能Node-RED發(fā)揮通訊橋梁的作用，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂PLC與騰訊連連小程序的實(shí)時(shí)通訊。確保云平臺(tái)可以實(shí)時(shí)上報(bào)和下發(fā)信息。（2）報(bào)警功能。當(dāng)機(jī)械手臂出現(xiàn)故障，系統(tǒng)停止、開(kāi)始運(yùn)行都會(huì)收到騰訊連連微信公眾號(hào)提示。（3）運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控功能。小程序可以實(shí)時(shí)監(jiān)控，將所需的數(shù)據(jù)顯示在小程序上，以便于工作人員能準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)機(jī)械手臂的運(yùn)行情況。（4）小程序控制、調(diào)試功能。騰訊連連小程序通過(guò)可視化界面實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手臂進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制拋秧機(jī)運(yùn)行。如果工作人員微信收到機(jī)械手臂異常警報(bào)，工作人員可以第一時(shí)間通過(guò)小程序—Node-RED—PLC的路徑，對(duì)機(jī)械手臂進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)試。4.3系統(tǒng)總體架構(gòu)本云平臺(tái)系統(tǒng)采用Node-RED中的S7節(jié)點(diǎn)利用Profinet協(xié)議和騰訊云開(kāi)發(fā)的MQTT協(xié)議節(jié)點(diǎn)對(duì)PLC數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，通過(guò)Node.js語(yǔ)言對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，上傳到騰訊云平臺(tái)上，騰訊云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)作為媒介，實(shí)現(xiàn)PLC與微信小程序的雙向通訊，完成了基于騰訊云平臺(tái)搭建的云平臺(tái)系統(tǒng)對(duì)工廠生產(chǎn)線中六自由度機(jī)械手臂的遠(yuǎn)程監(jiān)控。圖20云平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)4.4騰訊云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)配置首先創(chuàng)建一個(gè)公共實(shí)例。進(jìn)入公共實(shí)例，新建機(jī)械手臂項(xiàng)目圖21騰訊云中創(chuàng)建項(xiàng)目進(jìn)入項(xiàng)目后，創(chuàng)建物模型，根據(jù)PLC變量進(jìn)行功能配置圖22云平臺(tái)中定義變量圖23云平臺(tái)物模型定義表建立接入騰訊云的MQTT資源：物模型Topic（用于消息發(fā)送和訂閱的消息）和GroupID（用于項(xiàng)目識(shí)別）圖24騰訊云項(xiàng)目設(shè)備信息表2設(shè)備通訊Topic列表Topic權(quán)限操作權(quán)限備注$thing/up/property/9IUBM90982/${PLClot}發(fā)布屬性上報(bào)$thing/down/property/9IUBM90982/${PLClot}訂閱屬性下發(fā)與屬性上報(bào)響應(yīng)$thing/up/event/9IUBM90982/${PLClot}發(fā)布事件上報(bào)$thing/down/event/9IUBM90982/${PLClot}訂閱事件上報(bào)響應(yīng)$thing/up/action/9IUBM90982/${PLClot}發(fā)布設(shè)備響應(yīng)行為執(zhí)行結(jié)果$thing/down/action/9IUBM90982/${PLClot}訂閱應(yīng)用調(diào)用設(shè)備行為4.5云平臺(tái)通訊本章4.4小節(jié)完成了對(duì)騰訊云物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的配置，本節(jié)將使用Node-RED編程工具進(jìn)行信息流的組態(tài)，構(gòu)建上下行鏈路信息流，打通上下行的通訊。啟動(dòng)Node-RED。圖25啟動(dòng)Node-RED4.5.1云平臺(tái)上行數(shù)據(jù)鏈路配置本節(jié)將對(duì)PLC中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集上報(bào)到云平臺(tái)中。S7節(jié)點(diǎn)可以與PLC通過(guò)Profinet協(xié)議進(jìn)行通訊，讀取PLC中的存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)，可以讀取Bit、Word、Dword、Real等形式。TencentIoTPublish節(jié)點(diǎn)可以連接騰訊云IOTExplorer，向平臺(tái)publish內(nèi)容。函數(shù)節(jié)點(diǎn)，可以讀取數(shù)據(jù)并存放在json上報(bào)數(shù)據(jù)中。首先拖入S7int、函數(shù)、TencentIoTPublish節(jié)點(diǎn)構(gòu)建信息流。依次配置三個(gè)節(jié)點(diǎn)。圖26上行通訊工作信息流(1)S7節(jié)點(diǎn)，圖27為填寫PLC地址、選機(jī)架/插槽方式通訊等信息。圖27為配置PLC的變量地址和名稱。表3為PLC與Node-RED變量交互表。完成PLC通訊配置。圖27S7通訊節(jié)點(diǎn)配置表3Node-RED與PLC變量對(duì)照表Node-RED配置地址PLC地址數(shù)據(jù)類型M0.0M0.0BoolM0.1M0.1BoolM0.2M0.2RealM0.3M0.3BoolM1.0M1.0BoolMR200MD200RealMR204MD204RealMR208MD208RealMR212MD212RealMR216MD216RealMR220MD220RealMR148MD148Real(2)函數(shù)節(jié)點(diǎn)雙擊進(jìn)入函數(shù)節(jié)點(diǎn)編寫讀取程序，函數(shù)讀取了機(jī)械手臂的X、Y、Z軸坐標(biāo)長(zhǎng)度、α、β、γ角度、啟動(dòng)、停止、回歸原點(diǎn)、移動(dòng)坐標(biāo)按鈕并存放在json上報(bào)數(shù)據(jù)中。A、B、C分別代表α、β、γ角varpower=msg.payload.power;varX=msg.payload.X;varY=msg.payload.Y;varZ=msg.payload.Z;varA=msg.payload.A;varB=msg.payload.B;varC=msg.payload.C;varmove=msg.payload.move;varStart=msg.payload.start;varstop=msg.payload.stop;varback=msg.payload.back;varmotorspeed=msg.payload.motorspeed;varmoveStatus;if(move==false)moveStatus=0;elsemoveStatus=1;varstartStatus;if(Start==false)startStatus=0;elsestartStatus=1;varstopStatus;if(stop==false)stopStatus=0;elsestopStatus=1;varbackStatus;if(back==false)backStatus=0;elsebackStatus=1;varpowerNum;if(power==false)powerNum=0;elsepowerNum=1;varjson={"method":"report","clientToken":"123","timestamp":1212121221,"params":{"power":powerNum,"move":moveStatus,"back":backStatus,"Start":startStatus,"stop":stopStatus,"X":X,"Y":Y,"Z":Z,"A":A,"B":B,"C":C,"motorspeed":motorspeed,}};msg.payload=json;returnmsg;(3)TencentIoTPublish節(jié)點(diǎn)，圖28為填寫Topic上報(bào)信息。圖28MQTT上行通訊節(jié)點(diǎn)配置4.5.2云平臺(tái)下行數(shù)據(jù)鏈路配置4.5.1節(jié)完成上行鏈路的通訊，本小節(jié)將打通下行鏈路的通訊，實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)下發(fā)數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)械手臂進(jìn)行控制。拖入S7節(jié)點(diǎn)、函數(shù)節(jié)點(diǎn)、TencentIoTSubscribe節(jié)點(diǎn)構(gòu)建信息流。由于一個(gè)S7out節(jié)點(diǎn)只能關(guān)聯(lián)一個(gè)變量，所以對(duì)云平臺(tái)下發(fā)的數(shù)據(jù)分別解析，再下發(fā)到PLC。圖29下行工作信息流（1）TencentIoTSubscribe節(jié)點(diǎn)，圖30為填寫Topic下發(fā)信息圖30MQTT下行通訊節(jié)點(diǎn)配置（2）函數(shù)節(jié)點(diǎn)電源開(kāi)源開(kāi)關(guān)解析函數(shù)varstart=msg.payload.params.Start;varstartStatus;if(start==1)startStatus=true;elsestartStatus=false;msg.payload=startStatus;中止按鈕解析函數(shù)varstop=msg.payload.params.stop;varstopStatus;if(stop==1)stopStatus=true;elsestopStatus=false;msg.payload=stopStatus;returnmsg;回歸原點(diǎn)解析函數(shù)varback=msg.payload.params.back;varbackStatus;if(back==1)backStatus=true;elsebackStatus=false;msg.payload=backStatus;returnmsg;移動(dòng)坐標(biāo)解析函數(shù)varmove=msg.payload.params.move;varstartStatus;if(move==1)moveStatus=true;elsemoveStatus=false;msg.payload=moveStatus;returnmsg;X坐標(biāo)解析函數(shù)varXnum=msg.payload.params.X;msg.payload=Xnum;returnmsg;Y坐標(biāo)解析函數(shù)varYnum=msg.payload.params.Y;msg.payload=Ynum;returnmsg;Z坐標(biāo)解析函數(shù)varZnum=msg.payload.params.Z;msg.payload=Znum;returnmsg;α角標(biāo)解析函數(shù),在Node-RED和云平臺(tái)用ABC來(lái)進(jìn)行代替。varAnum=msg.payload.params.A;msg.payload=Anum;returnmsg;β角解析函數(shù)varBnum=msg.payload.params.B;msg.payload=Bnum;returnmsg;γ角解析函數(shù)varCnum=msg.payload.params.C;msg.payload=Cnum;returnmsg;全部電機(jī)速度解析函數(shù)varmotorspeednum=msg.payload.params.motorspeed;msg.payload=motorspeednum;returnmsg;（3）S7節(jié)點(diǎn)，依次完成S7out節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)PLC變量，如下圖。圖31S7out節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)變量4.6小程序?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)擊交互開(kāi)發(fā)，分別進(jìn)行產(chǎn)品展示配置、快捷入口配置、面板配置、掃一掃產(chǎn)品介紹。圖32云平臺(tái)小程序配置界面對(duì)產(chǎn)品展示進(jìn)行配置，如下圖圖33-1小程序預(yù)覽圖圖33-2小程序預(yù)覽圖對(duì)小程序面板進(jìn)行UI進(jìn)行配置，如下圖圖34小程序UI設(shè)計(jì)4.7警報(bào)提示實(shí)現(xiàn)進(jìn)入數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)構(gòu)建不同數(shù)據(jù)流，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂不同狀態(tài)的報(bào)警提示。首先拖入設(shè)備數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，添加設(shè)備變量。然后利用數(shù)據(jù)過(guò)濾節(jié)點(diǎn)進(jìn)行觸發(fā)條件設(shè)置。圖35選擇需要的設(shè)備屬性圖36推送過(guò)濾條件配置最后選擇推送方式并設(shè)置推送內(nèi)容。圖37公眾號(hào)推送信息配置分別對(duì)電源、電機(jī)速度、回原點(diǎn)構(gòu)建數(shù)據(jù)流。圖38構(gòu)建警告提示推送數(shù)據(jù)流5系統(tǒng)測(cè)試5.1虛擬仿真系統(tǒng)測(cè)試5.1.1通訊測(cè)試第三章完成了對(duì)六自由度機(jī)械手臂三維立體模型的建立、模型各種屬性的配置和定義，在3.4小節(jié)中，對(duì)機(jī)械手臂的X、Y、Z坐標(biāo)和軸電機(jī)速度都匹配了對(duì)應(yīng)的信號(hào)，現(xiàn)在使用信號(hào)映射，使用PLCSIMAdv本地通訊，完成MCD模型信號(hào)與PLC變量的信號(hào)映射，最終實(shí)現(xiàn)信號(hào)的交互，完成PLC對(duì)六自由度機(jī)械手臂的控制。圖39MCD信號(hào)與PLC變量映射圖完成信號(hào)映射后，接下來(lái)測(cè)試通訊是否成功。如圖40，MCD與PLC進(jìn)行通訊成功。圖40MCD與PLC通訊成功5.1.2仿真測(cè)試在3.5小節(jié)中完成了上位機(jī)WINCC的組態(tài)，5.1.1小節(jié)完成了MCD與PLC的通訊，虛擬仿真系統(tǒng)環(huán)境已經(jīng)搭建完畢，現(xiàn)在通過(guò)使用WINCC對(duì)機(jī)械手臂進(jìn)行控制，進(jìn)行基于MCD的六自由度機(jī)械手臂虛擬仿真系統(tǒng)的測(cè)試，如圖41所示，WINCC可以控制機(jī)械手臂的位置、角度和電機(jī)速度。圖41WINCC控制機(jī)械手臂5.2云平臺(tái)系統(tǒng)測(cè)試前面的章節(jié)完成了，虛擬仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與測(cè)試和騰訊云平臺(tái)的搭建，基于云平臺(tái)的工廠生產(chǎn)線機(jī)械手臂設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，并已經(jīng)完成PLC與MCD的通訊測(cè)試，在生產(chǎn)線中設(shè)備繁雜、生產(chǎn)任務(wù)重，云平臺(tái)系統(tǒng)距離遠(yuǎn)，要求云平臺(tái)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、時(shí)效性、可靠性有著很高的標(biāo)準(zhǔn)。本節(jié)將通過(guò)測(cè)試上下行鏈路通訊、客戶端小程序監(jiān)控、報(bào)警提示功能對(duì)云平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行最終測(cè)試，驗(yàn)證基于