码垛机器人的数字孪生系统的实现

论文总字数：24005字

摘 要

数字孪生（Digital Twin，DT）是基于工业生产数字化的新概念，即在数字虚拟空间中，以数字化方式为物理对象创建虚拟模型，模拟物理空间中实体在现实环境中的行为特征，从而达到“虚—实”之间精确映射，最终能够在生产实践中打破现实与虚拟的藩篱，实现产品全生命周期的生产、管理、连接等高度数字化及模块化的新技术。现基于数字孪生的概念，提出了一种利用NX MCD实现码垛机器人虚拟调试的方法，从而达到减少产品开发时间，降低产品成本的目的。主要研究如下：

本文首先根据码垛物料的功能需求，对码垛机器人进行结构设计，确定了码垛机器人的移动平台，并将龙门直角型作为其结构类形；按照码垛机器人的运动控制要求，对其运动控制系统进行硬件和软件设计，对其PLC控制器和伺服驱动系统进行选型，根据码垛机工作流程设计出PLC控制程序，并在众多机器人通讯方案中选择了PROFINET总线集成的方式和轴控制方案。

然后对码垛机器人设计数字孪生方案，根据数字孪生五维模型的虚拟模型创建要求，以实现码垛机器人的虚拟调试为目的，设计出基于NX MCD的码垛机器人虚拟样机的创建方案；提出了利用PLC进行数据采集，将OPC服务器作为数据连接桥梁的方法，实现了虚拟模型和现场设备的实时通讯,确定了码垛机器人虚拟调试应用框架。

最后，在NX MCD平台上进行了码垛机器人的虚拟调试实验，验证了利用NX MCD的码垛机器人虚拟调试方法的可行性，达到了减少产品开发时间，提高产品安全性的目的。

关键词：数字孪生；码垛机器人；MCD；PLC；虚拟调试

Digital twin system of palletizing robot based on NX MCD

Abstract

Digital twin (DT) is a new concept based on the digitalization of industrial production, that is, in the digital virtual space, the virtual model is created for the physical object in the digital way, which simulates the behavior characteristics of the entity in the physical space in the real environment, so as to achieve the accurate mapping between "virtual reality", and finally break the barriers between reality and virtual in the production practice, Realize the new technology of high digitalization and modularization of production, management and connection in the whole life cycle of products. Based on the concept of digital twin, this paper proposes a virtual debugging method of palletizing robot using NX MCD, so as to reduce product development time and product cost. The main research results are as follows

Firstly, according to the functional requirements of palletizing materials, this paper designs the structure of palletizing robot, determines the mobile platform of palletizing robot, and takes the gantry right angle type as its structure type; According to the motion control requirements of palletizing robot, the hardware and software of its motion control system are designed, the PLC controller and servo drive system are selected, the PLC control program is designed according to the working process of palletizing machine, and the PROFINET bus integration mode and axis control scheme are selected among many robot communication schemes.

Then, the digital twin scheme is designed for the palletizing robot. According to the virtual model creation requirements of the digital twin five dimensional model, the virtual prototype creation scheme of the palletizing robot based on NX MCD is designed for the virtual debugging of the palletizing robot; The method of data acquisition by PLC and OPC server as data connection bridge is proposed. The real-time communication between virtual model and field equipment is realized, and the virtual debugging application framework of palletizing robot is determined.

Finally, the virtual debugging experiment of palletizing robot is carried out on NX MCD platform, which verifies the feasibility of the virtual debugging method of palletizing robot based on NX MCD, and achieves the purpose of reducing product development time and improving product safety.

Keywords: Digital twin，Palletizing Robot，MCD;PLC，Digital Debugging

目录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1课题研究背景及意义 1

1.2数字孪生的国内外研究现状 1

1.3码垛机器人的国内外研究现状 2

1.4研究内容 3

1.5本章小结 4

第二章 码垛机器人系统设计 5

2.1码垛机器人的功能需求 5

2.2码垛机器人系统组成 5

2.3 码垛机器人的结构设计 6

2.3.1码垛机器人结构类型的确定 6

2.3.2 直角坐标机器人的移动平台选择 8

2.4码垛机器人的控制系统设计 9

2.4.1运动控制系统构架 9

2.4.2控制系统的硬件设计 10

2.4.3 控制系统的软件设计 12

2.5本章小结 16

第三章 基于NX_MCD的数字孪生系统 17

3.1码垛机器人的数字孪生方案 17

3.2基于NX_MCD的虚拟模型设计 17

3.3基于数字孪生的数据连接 21

3.3.1 OPC技术 22

3.3.2码垛机器人的数据连接 22

3.4基于数字孪生的数据采集 23

3.5虚拟调试框架设定 24

3.6本章小结 24

第四章 基于NX_MCD的虚拟调试 25

4.1前言 25

4.2码垛机器人的虚拟调试 25

4.3 服务系统 30

4.4本章小结 31

第五章 结论 32

致谢 33

参考文献 34

第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

本课题来源于江苏省大学生机器人大赛的码垛机器人项目，此项目主要考察机器人在指定物料区取出货物，在码垛区域完成指定形式的码垛，本论文完成该项目的的数字孪生系统的设计工作。

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