智能制造裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì) 課件第6、7章 數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)、數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化生產(chǎn)

第六章數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)《智能制造裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)》23智能檢測(cè)單元機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)數(shù)字孿生在各階段的應(yīng)用第四節(jié)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)與虛擬調(diào)試案例第五節(jié)主要內(nèi)容第一節(jié)機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)3

1.1機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)的定義Pahl和Beitz于1984年提出了設(shè)計(jì)過程分為：明確任務(wù)（ClarificationofTask）、概念設(shè)計(jì)（ConceptualDesign）、具體設(shè)計(jì)（EmbodimentDesign）、詳細(xì)設(shè)計(jì)（DetailedDesign）四個(gè)階段。他將概念設(shè)計(jì)定義為：“在確定任務(wù)之后，通過抽象化，擬定功能結(jié)構(gòu)，尋求適當(dāng)?shù)淖饔迷砑捌浣M合等，確定出基本求解途徑，得出求解方案”的這一部分設(shè)計(jì)工作。設(shè)計(jì)的過程是產(chǎn)品的功能描述向結(jié)構(gòu)描述的轉(zhuǎn)換過程，而概念設(shè)計(jì)是這個(gè)過程的早期階段。第一節(jié)機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)4

1.1機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)的定義（1）機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)與創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)創(chuàng)新可以分為以下幾個(gè)層次：3任務(wù)創(chuàng)新分析、發(fā)現(xiàn)市場(chǎng)的新需求原理創(chuàng)新確控制創(chuàng)新

信息處理的新方法，新的控制算法的使用和創(chuàng)新功能創(chuàng)新行為創(chuàng)新工藝動(dòng)作過程創(chuàng)新2451結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

包括機(jī)構(gòu)、布局、控制系統(tǒng)及使用的機(jī)、電、檢測(cè)元器件的組成等6第一節(jié)機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)5

1.1機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)的定義（2）機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程機(jī)電一體化產(chǎn)品的多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)主要包括3個(gè)階段：（１）需求分析?；谙到y(tǒng)工程的方法，根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研和用戶大數(shù)據(jù)分析，從需求、功能、邏輯和物理４個(gè)層次進(jìn)行產(chǎn)品需求分析，分別建立產(chǎn)品需求、產(chǎn)品功能、工作機(jī)理、加工工藝、質(zhì)檢規(guī)范等文檔信息，并管理整個(gè)研發(fā)過程。（２）方案設(shè)計(jì)?；谝陨希磦€(gè)層次的需求分析，逐步建立產(chǎn)品概念模型、功能模型、行為規(guī)則模型、加工工藝模型和檢測(cè)過程模型，最終建立概念級(jí)的產(chǎn)品模型。（３）詳細(xì)設(shè)計(jì)。包括基于機(jī)械學(xué)的協(xié)同設(shè)計(jì)、基于電氣學(xué)的協(xié)同設(shè)計(jì)、基于自動(dòng)化的運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)和多學(xué)科集成設(shè)計(jì)。在多學(xué)科設(shè)計(jì)平臺(tái)上，集成多個(gè)子系統(tǒng)的功能模型，完善數(shù)據(jù)交互接口，對(duì)系統(tǒng)的整體性能進(jìn)行仿真驗(yàn)證和優(yōu)化。圖6-1機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)流程第一節(jié)機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)6

1.2基于模型的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程是“基于文本的系統(tǒng)工程”（Text-BasedSystemsEngineering，TSE）。在這種模式下，要把分散在論證報(bào)告、設(shè)計(jì)方案、分析報(bào)告、試驗(yàn)報(bào)告中的的數(shù)據(jù)信息集成關(guān)聯(lián)在一起，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且容易出錯(cuò)。因此，需要通過構(gòu)建結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)模型，打通各子系統(tǒng)、各階段的邊界，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互、協(xié)同以及跨學(xué)科的集成。從而達(dá)到面向訂單的高效設(shè)計(jì)研發(fā)與制造，這是機(jī)電一體化系統(tǒng)工程的構(gòu)建目標(biāo)及行業(yè)需求所在。圖6-2表示了基于模型的設(shè)計(jì)所具有的優(yōu)勢(shì)。圖6-2基于模型的設(shè)計(jì)第一節(jié)機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)7

1.2基于模型的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)MBSE（Model-BasedSystemsEngineering，MBSE）的定義：MBSE是建模方法的形式化應(yīng)用，以使建模方法支持系統(tǒng)要求、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證和確認(rèn)等活動(dòng)，從概念設(shè)計(jì)階段開始，持續(xù)貫穿到全生命周期的各個(gè)階段。其核心是建立基于數(shù)字孿生模型的系統(tǒng)工程，打通系統(tǒng)不同組件、不同學(xué)科之間的聯(lián)系。MBSE下的系統(tǒng)模型成為各子領(lǐng)域模型的集線器，各子領(lǐng)域的模型已經(jīng)被大量應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)的各個(gè)方面，但模型缺乏統(tǒng)一的編碼，也無法共享，形成了多個(gè)“模型孤島”，在MBSE模式下，圍繞系統(tǒng)模型開展需求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真等工作，便于工程團(tuán)隊(duì)的協(xié)同。這就使整個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以更好地利用各專業(yè)學(xué)科在模型、軟件工具上的先進(jìn)成果，提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，構(gòu)建能重用的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的集成。第一節(jié)機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)8

1.3數(shù)字孿生與協(xié)同設(shè)計(jì)數(shù)字孿生技術(shù)與機(jī)電一體化系統(tǒng)工程相結(jié)合，促進(jìn)了多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)與建模，消除電氣、機(jī)械和自動(dòng)化工程師之間的障礙，實(shí)現(xiàn)并行設(shè)計(jì)和并行工程，并保證數(shù)字模型與物理世界中的真實(shí)產(chǎn)品的生產(chǎn)和運(yùn)行信息一致。數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的概念設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在其所具備的五種能力，如表6-1所示。圖6-3基于模型的多學(xué)科團(tuán)隊(duì)協(xié)同設(shè)計(jì)序號(hào)主要優(yōu)勢(shì)解釋

1數(shù)據(jù)能力基于云的數(shù)據(jù)收集、傳輸、存儲(chǔ)2模擬能力在虛擬環(huán)境中模擬真實(shí)世界的過程和環(huán)境3學(xué)習(xí)能力從已有的設(shè)計(jì)案例中吸取教訓(xùn)并診斷未來問題的能力4分析能力分析數(shù)據(jù)以發(fā)現(xiàn)隱藏信息的能力5連接能力連接到其他智能設(shè)備、CPS系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)的能力表6-1數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的概念設(shè)計(jì)的主要優(yōu)勢(shì)第一節(jié)機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)9

1.3數(shù)字孿生與協(xié)同設(shè)計(jì)（1）基于機(jī)械學(xué)的協(xié)同設(shè)計(jì)在機(jī)械CAD系統(tǒng)中進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)與裝配，在多學(xué)科協(xié)同平臺(tái)上，可以反復(fù)對(duì)產(chǎn)品模型進(jìn)行協(xié)同仿真和方案優(yōu)化；在此階段得到機(jī)械結(jié)構(gòu)及零部件的幾何模型、物理模型和概念級(jí)產(chǎn)品物料清單（BillofMaterial，BOM），如傳感器、執(zhí)行器等。（2）基于電氣學(xué)的協(xié)同設(shè)計(jì)在電氣CAD系統(tǒng)中完成電氣元件的集成，然后將電氣系統(tǒng)的3D模型和機(jī)械結(jié)構(gòu)的3D模型導(dǎo)入多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)。在此階段得到電氣原理圖、接線圖、電氣布局圖和電器元件BOM清單。（3）基于自動(dòng)化的協(xié)同設(shè)計(jì)在自動(dòng)化控制程序設(shè)計(jì)階段，在多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)環(huán)境中，根據(jù)設(shè)備的功能模型和行為規(guī)則模型設(shè)計(jì)初始的設(shè)備操作順序圖，生成控制程序。在運(yùn)動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)階段，在伺服調(diào)試軟件中導(dǎo)入?yún)f(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)生成的原始輪廓曲線，并下載到伺服驅(qū)動(dòng)器硬件進(jìn)行調(diào)試和優(yōu)化.。第一節(jié)機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)10

1.3數(shù)字孿生與協(xié)同設(shè)計(jì)（4）多學(xué)科協(xié)同的虛擬調(diào)試在多學(xué)科協(xié)同虛擬調(diào)試階段，仿真和虛擬調(diào)試基于PLC高級(jí)仿真平臺(tái)、虛擬被控對(duì)象仿真平臺(tái)和多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，仿真過程就是各平臺(tái)之間程序耦合和信號(hào)傳輸?shù)倪^程。其信號(hào)傳輸機(jī)制如下：１）自動(dòng)化調(diào)試平臺(tái)將生成的程序代碼下發(fā)給PLC仿真平臺(tái)，PLC虛擬控制器執(zhí)行程序，并將輸出過程映像區(qū)的信號(hào)發(fā)給虛擬被控對(duì)象仿真平臺(tái)。２）虛擬被控對(duì)象仿真平臺(tái)接收PLC虛擬控制器的輸出信號(hào)，在特定驅(qū)動(dòng)功能塊中計(jì)算機(jī)器行為，將速度、位置等模擬量，啟動(dòng)、停止等開關(guān)量信號(hào)發(fā)送給多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)。３）多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)基于預(yù)定義的自由度和設(shè)定值，進(jìn)行機(jī)械部件仿真，并將計(jì)算的實(shí)際值（速度、位置等模擬量，啟動(dòng)、停止開關(guān)量信號(hào)）發(fā)送給虛擬被控對(duì)象仿真平臺(tái)。４）虛擬被控對(duì)象仿真平臺(tái)再次計(jì)算機(jī)器的行為，并將信號(hào)發(fā)給虛擬PLC控制器的輸入過程映像區(qū)。第一節(jié)機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)11

1.4多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、調(diào)試、服務(wù)各個(gè)階段的信息共享、高效融合，離不開多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)。本小節(jié)以西門子公司的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)為例，其組成及在各階段的具體應(yīng)用如下：多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)基于NXMCD（Mechatronicsconceptdesigner），通過PLM數(shù)據(jù)庫平臺(tái)Teamcenter的數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)平臺(tái)（NXCAD等）、電氣設(shè)計(jì)平臺(tái)（Eplan／EplanPro等）、自動(dòng)化設(shè)計(jì)平臺(tái)（TIAPortal，Sizer，SelectionTools等）之間的信息集成和數(shù)據(jù)交互，通過對(duì)集成電氣和自動(dòng)化元件的設(shè)備模型進(jìn)行仿真，快速驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果并及時(shí)反饋，持續(xù)改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)階段的設(shè)備數(shù)字孿生模型。在伺服電機(jī)選型時(shí)，根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)模型在MCD中的仿真數(shù)據(jù)，如機(jī)械特性曲線，就可以在電機(jī)驅(qū)動(dòng)選型軟件（如Sizer）的現(xiàn)有庫中初步選出伺服電機(jī)／驅(qū)動(dòng)器的型號(hào)和參數(shù)，如功率、輸出扭矩、尺寸和3D模型等，將伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的幾何模型和物理模型導(dǎo)入MCD中與機(jī)械機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行集成裝配，進(jìn)行多次仿真和選型驗(yàn)證，最終選出合適的伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器。第一節(jié)機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)12

1.4多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)在電氣設(shè)計(jì)階段，可以將電氣CAD（如Eplan／EplanPro）中的電氣原件清單和集成接線的3D電氣布局模型導(dǎo)入MCD中，與機(jī)械模型進(jìn)行裝配集成，為自動(dòng)化設(shè)計(jì)和虛擬調(diào)試做準(zhǔn)備。在自動(dòng)化設(shè)計(jì)階段，可以將MCD仿真的機(jī)械操作順序圖（如甘特圖），轉(zhuǎn)化為PLCOpenXML格式的文件，導(dǎo)入自動(dòng)化開發(fā)環(huán)境（如TIAPortal）生成自動(dòng)化程序框架，加速PLC程序開發(fā)，同時(shí)基于MCD中的設(shè)備模型開發(fā)HMI界面和程序。協(xié)同虛擬調(diào)試系統(tǒng)由PLC高級(jí)仿真器（PLCSIMAdvanced）、虛擬被控對(duì)象仿真平臺(tái)（SIMIT）、人機(jī)界面軟件（WICCRuntime）、自動(dòng)化編程軟件（TIAPortal）組成，其協(xié)同集成可以實(shí)現(xiàn)虛擬調(diào)試、虛擬運(yùn)行和虛擬測(cè)試。運(yùn)行服務(wù)階段，在物理設(shè)備裝配完成后，切換到實(shí)際環(huán)境進(jìn)行調(diào)試，把物理的人機(jī)界面、PLC等通過現(xiàn)場(chǎng)總線連接傳感器、伺服驅(qū)動(dòng)器等現(xiàn)場(chǎng)模塊行成完整的電控系統(tǒng)，基于測(cè)試好的程序進(jìn)行物理樣機(jī)的聯(lián)機(jī)調(diào)試和運(yùn)行驗(yàn)證，同時(shí)將最新的程序在虛擬仿真系統(tǒng)同步更新，進(jìn)化數(shù)字孿生模型。第二節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)13

2.1數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的機(jī)械設(shè)計(jì)所建立的CAD模型不僅包含幾何信息，還被賦予了各種屬性和功能定義，包括材料、感知系統(tǒng)、機(jī)器運(yùn)動(dòng)機(jī)理等，便于對(duì)物理的機(jī)電一體化系統(tǒng)，如數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化產(chǎn)線等進(jìn)行仿真。除此之外，如本章第一節(jié)所述，機(jī)電一體化設(shè)計(jì)的流程首先是需求分析，將產(chǎn)品需求轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)參數(shù)，在虛擬環(huán)境中，便于添加、更新、替換、合并、刪除原有的設(shè)計(jì)參數(shù)，并生成新的設(shè)計(jì)方案。基于數(shù)字孿生的模型，可以從物理世界中實(shí)時(shí)收集產(chǎn)品需求、設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行階段的相關(guān)數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)更新，設(shè)計(jì)人員將這些信息及時(shí)考慮到設(shè)計(jì)方案中，用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)迭代，從而提高產(chǎn)品的適應(yīng)性。其次，通過自學(xué)習(xí)能力，數(shù)字孿生系統(tǒng)可以對(duì)產(chǎn)品在特定環(huán)境中正面和負(fù)面的行為進(jìn)行分析。通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，在模擬環(huán)境中修改設(shè)計(jì)方案，使其更真實(shí)、更全面。在理想的情況下，數(shù)字孿生可以實(shí)時(shí)控制智能產(chǎn)品，使其做出響應(yīng)。第二節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)14

2.2數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的要求現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床不是簡(jiǎn)單地將傳統(tǒng)機(jī)床配備上數(shù)控系統(tǒng)，也不是在傳統(tǒng)機(jī)床的基礎(chǔ)上，僅對(duì)局部加以改進(jìn)。為了實(shí)現(xiàn)加工精度、表面質(zhì)量、生產(chǎn)效率、可靠性、使用壽命等要求，數(shù)控機(jī)床的部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及整體布局、外部造型等都亟需創(chuàng)新的設(shè)計(jì)理論、方法和平臺(tái)工具，以克服傳統(tǒng)機(jī)床的弱點(diǎn)，如剛性不足、抗振性差、熱變形大、滑動(dòng)面的摩擦阻力大及傳動(dòng)元件之間存在間隙等。數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要滿足高精度、高運(yùn)轉(zhuǎn)速度、高可靠性的要求?？煽啃允窃u(píng)價(jià)數(shù)控機(jī)床機(jī)械的重要指標(biāo)。國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的可靠性急需提升。第二節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)15

2.2數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的要求提高數(shù)控機(jī)床的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。在數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用創(chuàng)新技術(shù)，可提高機(jī)床運(yùn)行的穩(wěn)定性和定位的準(zhǔn)確性，例如，采用剛性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，盡量減少各進(jìn)給軸移動(dòng)部件的質(zhì)量，或者加大靜態(tài)部件的質(zhì)量、使用防震材料等，減少數(shù)控機(jī)床機(jī)械在操作中的慣性，確保機(jī)械運(yùn)行平穩(wěn)。提高數(shù)控機(jī)床主軸運(yùn)行精度和速度。主軸的特性如果達(dá)不到要求的指標(biāo)，則無法保證加工的精密性，比如造成鉆孔精度較差、鉆孔質(zhì)量不高等后果。與智能化技術(shù)結(jié)合也是數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的重要方向之一。如數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)故障的自診斷和自修復(fù)技術(shù)、機(jī)械運(yùn)行精度和速度的實(shí)時(shí)智能化監(jiān)控與補(bǔ)償技術(shù)。數(shù)控機(jī)床機(jī)械實(shí)時(shí)智能化還具有提高生產(chǎn)效率、強(qiáng)化自我修復(fù)、及時(shí)判斷故障原因、位置等特點(diǎn)。第二節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)16

2.3機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段的虛擬模型在數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，需要完成設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)，并建立可視化模型和相關(guān)數(shù)據(jù)。該虛擬模型不僅僅是使用CAD軟件創(chuàng)建的3D幾何模型，還包括關(guān)于材料特性、零件特性和環(huán)境因素的數(shù)據(jù)庫。進(jìn)一步結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以生成生動(dòng)的虛擬產(chǎn)品，包含豐富的產(chǎn)品制造信息，如尺寸、規(guī)格、結(jié)構(gòu)和材料等，并可以通過數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)共享。設(shè)計(jì)人員可以與虛擬產(chǎn)品交互，確定其是否能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)要求，并檢查機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)、干涉、功能。例如，可以使用基于數(shù)字孿生的虛擬模型檢查機(jī)床各運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)，并提供反饋信息。還可以根據(jù)工廠當(dāng)前生產(chǎn)能力，推薦關(guān)鍵部件的制造信息參數(shù)，如表面粗糙度、配合公差等。第二節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)17

2.3機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段的虛擬模型（1）對(duì)虛擬模型的要求虛擬模型VE是物理實(shí)體PE的鏡像，旨在反映物理實(shí)體，反映其物理參數(shù)、屬性、行為、機(jī)制，甚至實(shí)體的全生命周期。虛擬模型還允許用戶預(yù)測(cè)不同條件下物理實(shí)體的性能。便于在對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行任何更改之前提供早期反饋?；谔摂M模型的模擬將用于優(yōu)化物理實(shí)體的工作狀態(tài)。因此，對(duì)虛擬模型的三個(gè)基本的要求是：1）建立物理實(shí)體的虛擬模型。2）用輸入因素模擬產(chǎn)品的反應(yīng)、機(jī)理和生命周期。3）返回模擬結(jié)果并對(duì)物理實(shí)體的工作提出相應(yīng)建議第二節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)18

2.3機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段的虛擬模型（2）虛擬模型和其他組成部分的關(guān)系建立虛擬模型需要物理實(shí)體、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫、數(shù)字孿生管理器、同類物理實(shí)體的參與，如圖6-4所示。虛擬模型作為物理實(shí)體的映射，對(duì)物理實(shí)體的功能和設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行模擬。其建模需要收集數(shù)據(jù)，反過來，基于虛擬模型的仿真模擬將幫助物理實(shí)體上的控制器調(diào)整狀態(tài)。數(shù)字孿生管理器可以輸入仿真目標(biāo)和條件，虛擬模型接收管理器的更新和設(shè)置，虛擬模型將模擬結(jié)果返回給管理器，管理器還負(fù)責(zé)監(jiān)控虛擬體的準(zhǔn)確性并實(shí)時(shí)解決錯(cuò)誤。數(shù)據(jù)中心提取相關(guān)的歷史仿真模擬數(shù)據(jù)、記錄模擬過程，并對(duì)虛擬模型的建立提供引導(dǎo)。圖6-4虛擬模型和其他組成部分之間的交互關(guān)系第二節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)19

2.3機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段的虛擬模型（3）對(duì)虛擬模型的功能需求虛擬模型需要具備的功能包括四個(gè)方面：建模、仿真、決策和通信。建立數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)模型，包含了物理實(shí)體映射為數(shù)字形式的所有功能，包括虛擬環(huán)境、虛擬產(chǎn)品、反應(yīng)、行為、屬性和交互。建模需要幾何建模技術(shù)、行為建模、機(jī)制建模技術(shù)的協(xié)作。模擬仿真則包括功能的虛擬測(cè)試、參數(shù)和反應(yīng)的更改以及數(shù)據(jù)的收集。相關(guān)技術(shù)包括隨機(jī)模擬技術(shù)、有限狀態(tài)機(jī)、應(yīng)用演化機(jī)制等。決策意味著識(shí)別功能需求狀態(tài)并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整的能力。雖然高級(jí)分析和學(xué)習(xí)由數(shù)字孿生數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)，但虛擬體具有基于內(nèi)部腳本的判斷，以提高同步質(zhì)量。通信則包括與其他相關(guān)系統(tǒng)的互動(dòng)。數(shù)據(jù)可能以數(shù)字信號(hào)、已開發(fā)的算法、圖像和感官感知的形式存在，通信有時(shí)需要預(yù)編譯版本來整合相關(guān)數(shù)據(jù)。第二節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)20

2.3機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段的虛擬模型（4）虛擬模型的簡(jiǎn)化在虛擬模型開發(fā)階段，需要考慮的最關(guān)鍵的因素之一是簡(jiǎn)化程度。理論上，一個(gè)理想的虛擬體應(yīng)該與物理體有100%的相似性。然而，受傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)分析方法、計(jì)算能力和成本預(yù)算的限制，建模失真是必然存在的。虛擬體的簡(jiǎn)化應(yīng)該滿足設(shè)計(jì)要求中必要的約束條件。因此，選擇最相關(guān)的屬性并評(píng)估虛擬模型的準(zhǔn)確性，是虛擬模型開發(fā)的關(guān)鍵。模型的簡(jiǎn)化程度可以分為四個(gè)級(jí)別，如圖6-5所示。最基本的層次是“外觀相似”，第二層次為“屬性相似”，第三層次為“反應(yīng)相似”，第四層次為“體驗(yàn)相似”。圖6-5虛擬模型的簡(jiǎn)化第二節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)212.4數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床虛擬樣機(jī)如圖6-6所示，數(shù)控機(jī)床包括機(jī)械子系統(tǒng)和電氣子系統(tǒng)，可以認(rèn)為機(jī)械子系統(tǒng)是執(zhí)行單元，電氣子系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)單元。機(jī)械子系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度在部件甚至零件級(jí)別描述機(jī)床的組成，包括螺釘、工作臺(tái)和主軸。機(jī)械子系統(tǒng)作為執(zhí)行單元，基于不同零部件及傳動(dòng)和支撐件，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的動(dòng)作。電氣子系統(tǒng)根據(jù)外部輸入和內(nèi)部算法向機(jī)械子系統(tǒng)輸出控制信號(hào)。然后，根據(jù)接收到的控制命令，驅(qū)動(dòng)機(jī)械子系統(tǒng)進(jìn)行安全、準(zhǔn)確的操作。組成數(shù)控機(jī)床的機(jī)械子系統(tǒng)和電氣子系統(tǒng)之間在工作原理、結(jié)構(gòu)、性能上均存在耦合。圖6-6數(shù)控機(jī)床的機(jī)械和電氣子系統(tǒng)第二節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)222.4數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床虛擬樣機(jī)機(jī)械子系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行終端，其靈敏度、精度和穩(wěn)定性對(duì)工件質(zhì)量影響很大。因此，數(shù)控機(jī)床對(duì)機(jī)械子系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度和軸向剛度有很高的要求，需要基于機(jī)械子系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真分析。首先，使用三維幾何建模軟件（如NX、SolidWorks）建立數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)不同的模擬目標(biāo)，可適度簡(jiǎn)化次要部分。三軸立式數(shù)控機(jī)床如圖6-7所示，其主要部件包括底座、導(dǎo)軌、工作臺(tái)、滾珠絲杠、軸承、主軸和附件。然后可以使用多領(lǐng)域建模語言，對(duì)數(shù)控機(jī)床機(jī)械子系統(tǒng)的關(guān)鍵部件進(jìn)行建模，便于對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行多領(lǐng)域的聯(lián)合仿真分析。圖6-7三軸立式數(shù)控銑床（1）機(jī)械子系統(tǒng)的建模第二節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)232.4數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床虛擬樣機(jī)基于數(shù)字孿生的數(shù)控機(jī)床的虛擬樣機(jī)必須具有以下特點(diǎn)：（1）機(jī)械子系統(tǒng)、電氣子系統(tǒng)及其耦合關(guān)系集成在同一平臺(tái)上；（2）虛擬樣機(jī)可以根據(jù)數(shù)控機(jī)床的性能變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新。這就需要基于數(shù)字世界和物理世界之間的實(shí)時(shí)信息交互，實(shí)現(xiàn)及時(shí)準(zhǔn)確的更新。基于數(shù)字孿生的虛擬樣機(jī)具有如下優(yōu)勢(shì)：1）基于數(shù)字孿生的虛擬樣機(jī)是一個(gè)集成了不同子系統(tǒng)的多域高保真模型。該模型可以支持?jǐn)?shù)控機(jī)床整個(gè)生命周期的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)行、維護(hù)和回收過程。2）基于數(shù)字孿生的虛擬樣機(jī)可以通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)映射與物理機(jī)床保持一致，用于模型的動(dòng)態(tài)更新和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。3）基于數(shù)字孿生的虛擬樣機(jī)可以基于存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)為機(jī)床的后續(xù)智能維護(hù)和優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。（2）數(shù)控機(jī)床的虛擬樣機(jī)第二節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)242.4數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床虛擬樣機(jī)在數(shù)字空間中，基于數(shù)字孿生的數(shù)控機(jī)床虛擬樣機(jī)主要由描述模型和更新策略兩部分組成。1）描述性模型描述模型是基于數(shù)字孿生的虛擬樣機(jī)最重要的部分。可以將其視為數(shù)字空間中數(shù)控機(jī)床的副本，在運(yùn)行過程中，該模型需要?jiǎng)討B(tài)更新，以達(dá)到更真實(shí)、準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。2）更新策略更新策略包括映射策略、運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫和一致性維護(hù)策略。映射策略負(fù)責(zé)物理空間和數(shù)字空間之間的實(shí)時(shí)映射，映射數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中。一致性維護(hù)策略通過比較仿真結(jié)果和實(shí)際性能是否一致，決定是否對(duì)模型進(jìn)行更新。（2）數(shù)控機(jī)床的虛擬樣機(jī)圖6-8數(shù)控機(jī)床虛擬樣機(jī)模型及更新第三節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)253.1控制系統(tǒng)建模永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）因其結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)越而廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的軸控制中。為了簡(jiǎn)化建模過程，可以選擇“將d軸電流設(shè)置為零”的控制模式，從而解耦永磁同步電機(jī)。在這種情況下，永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制可以等效于直流電動(dòng)機(jī)的控制。這種等效轉(zhuǎn)換本質(zhì)上是電機(jī)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的過程。將永磁同步電機(jī)抽象為數(shù)學(xué)模型，通過方程描述其物理特性。由于電機(jī)的復(fù)雜性，建模時(shí)必須進(jìn)行一些理想假設(shè)：1）不考慮定子和轉(zhuǎn)子的鐵芯磁阻、磁滯和渦流損耗。2）忽略轉(zhuǎn)子的阻尼繞組。3）永磁體中的磁導(dǎo)率與空氣中的磁導(dǎo)率相同4）通過定子的電流波形是規(guī)則的正弦曲線（1）永磁同步電機(jī)建模第三節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)263.1控制系統(tǒng)建模三相電壓型逆變器是永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)中功率轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵功能部件，其輸入是直流母線電壓和控制信號(hào)，這是控制系統(tǒng)中空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）裝置輸出的六路布爾信號(hào)。因此，三相電壓型逆變器（以下簡(jiǎn)稱逆變器）可以簡(jiǎn)化為由六個(gè)功率開關(guān)組成的三橋臂電路結(jié)構(gòu)。這些名為S1-S6的電源開關(guān)可以構(gòu)成八種獨(dú)立狀態(tài)：（0,0,0），（0,0,1），（0,1,0），（0,1,1），（1,0,0），（1,0,1），（1,1,0）和（1,1,1）。其中，狀態(tài)（1,1,1）和（0,0,0）不能產(chǎn)生有效電壓和電流。整個(gè)逆變器電路可以使用功率開關(guān)、二極管和相關(guān)接口建模。（2）伺服驅(qū)動(dòng)器的建模第三節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)273.1控制系統(tǒng)建模傳感裝置作為數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)裝置，在反饋電路中起著重要作用。電機(jī)伺服系統(tǒng)的傳感器用于各種類型的數(shù)據(jù)采集，如轉(zhuǎn)子位置、電機(jī)轉(zhuǎn)速和三相繞組電流，為控制系統(tǒng)提供反饋信息。進(jìn)給系統(tǒng)的限位開關(guān)用于檢測(cè)工作臺(tái)的移動(dòng)范圍，以避免過度移動(dòng)導(dǎo)致故障甚至安全問題。（4）控制系統(tǒng)建模坐標(biāo)變換是永磁同步電機(jī)矢量控制的基礎(chǔ)，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換功能可以通過設(shè)計(jì)相應(yīng)的模型并將其封裝為模塊以供后續(xù)使用。逆變器的輸入包括SVPWM輸出的控制信號(hào)。SVPWM的關(guān)鍵是在已知電壓矢量值的基礎(chǔ)上計(jì)算出與給定電壓矢量值相等的平均電壓值。根據(jù)數(shù)控機(jī)床的功能邏輯和實(shí)際工作原理，通過連接上述封裝模塊，可以構(gòu)建控制系統(tǒng)的模型。（3）傳感器和限位開關(guān)建模第三節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)28

3.2數(shù)控機(jī)床的機(jī)電耦合模型以數(shù)控機(jī)床的X軸進(jìn)給系統(tǒng)為例，說明機(jī)械子系統(tǒng)和電氣子系統(tǒng)的建模方法，并闡述這兩個(gè)子系統(tǒng)之間的關(guān)系。X軸進(jìn)給系統(tǒng)模型的內(nèi)部邏輯如圖6-9所示。控制器的輸入是目標(biāo)速度值，而輸出是由逆變器驅(qū)動(dòng)的SVPWM模型生成的六路布爾信號(hào)。傳感裝置檢測(cè)電機(jī)角速度和位移反饋至控制回路。在整個(gè)系統(tǒng)模型中，電機(jī)的電源由逆變器驅(qū)動(dòng)器通過電流傳感裝置提供。電機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能由轉(zhuǎn)子通過機(jī)械接口輸出，以扭矩的形式傳輸?shù)綑C(jī)械子系統(tǒng)。同時(shí)，機(jī)械子系統(tǒng)做為負(fù)載，對(duì)電機(jī)施加反作用力。Y方向和Z方向進(jìn)給系統(tǒng)和主軸子系統(tǒng)的模型設(shè)計(jì)與X方向模型的設(shè)計(jì)類似。圖6-9機(jī)床X軸進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)電一體化模型第三節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)29

3.3數(shù)字孿生模型的實(shí)時(shí)更新基于數(shù)字孿生的數(shù)控機(jī)床虛擬樣機(jī)的更新策略主要包括兩部分。一種是映射策略，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從物理空間實(shí)時(shí)映射到數(shù)字空間。另一種是一致性維護(hù)策略，其目的是根據(jù)映射數(shù)據(jù)更新描述模型，使其與數(shù)控機(jī)床保持一致。為了保證基于數(shù)字孿生的數(shù)控機(jī)床虛擬樣機(jī)和物理實(shí)體的一致性，需要實(shí)現(xiàn)物理空間和數(shù)字空間的數(shù)據(jù)映射。因此，需要有效的實(shí)時(shí)映射策略，為模型的持續(xù)更新提供數(shù)據(jù)支持。由于傳感器類型的多樣性，從數(shù)控機(jī)床收集的數(shù)據(jù)是多源和時(shí)變的，通常采用OPCUA作為傳輸協(xié)議。第三節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)30

3.3數(shù)字孿生模型的實(shí)時(shí)更新基于OPCUA協(xié)議的服務(wù)器/客戶端結(jié)構(gòu)是映射策略的核心。OPC-UA服務(wù)器和OPC-UA客戶端在信息模型層進(jìn)行通信，通過數(shù)據(jù)映射庫將數(shù)據(jù)直接從物理空間映射到數(shù)字空間。然而，考慮到存在不采用OPCUA的設(shè)備，OPCUA服務(wù)器設(shè)計(jì)為四層，以便在底層集成來自不同通信接口的數(shù)據(jù)。OPCUA服務(wù)器的四層功能如下：1）物理接口層旨在從各種類型的傳感器或設(shè)備收集數(shù)據(jù)。它應(yīng)該與RS485、RS232、Wi-Fi、藍(lán)牙和CAN等不同接口兼容。2）協(xié)議驅(qū)動(dòng)層為使用不同接口的數(shù)據(jù)包提供通用的讀寫方法。3）數(shù)據(jù)解析層根據(jù)不同的通信協(xié)議從數(shù)據(jù)包中提取數(shù)據(jù)。4）信息模型層基于數(shù)據(jù)映射庫將各種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有意義的信息。第四節(jié)數(shù)字孿生在各階段的應(yīng)用31

4.1在數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用基于數(shù)字孿生的數(shù)控機(jī)床虛擬樣機(jī)可以實(shí)現(xiàn)精益設(shè)計(jì)和虛擬調(diào)試。首先，建立基于數(shù)字孿生的虛擬樣機(jī)。其次，可以通過挖掘數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)分析目標(biāo)性能指標(biāo)。然后，基于目標(biāo)性能指標(biāo)計(jì)算數(shù)控機(jī)床的新設(shè)計(jì)參數(shù)，并利用這些參數(shù)重建虛擬模型。據(jù)庫中的數(shù)據(jù)不僅包含傳感器收集的機(jī)床狀態(tài)，還包括與生產(chǎn)相關(guān)的數(shù)據(jù)，如工件和環(huán)境信息。這些數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的機(jī)床精益設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。從數(shù)據(jù)庫中提取工作負(fù)載數(shù)據(jù)，例如主軸轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)溫度和進(jìn)給速度，作為模擬的邊界條件，根據(jù)模擬結(jié)果，修改和優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，直到仿真結(jié)果滿足目標(biāo)性能指標(biāo)的要求，如精度、剛度和熱變形等。第四節(jié)數(shù)字孿生在各階段的應(yīng)用32

4.1在數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用如圖6-10所示，機(jī)床設(shè)計(jì)的目標(biāo)性能指標(biāo)不同，可以從數(shù)據(jù)庫中選取不同的工作數(shù)據(jù)，進(jìn)行不同類型的模擬，例如流體力學(xué)模擬、結(jié)構(gòu)力學(xué)模擬和熱力學(xué)模擬，再根據(jù)模擬的結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估，如果滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，則輸出這些最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)。否則，產(chǎn)品需要重新設(shè)計(jì)，以確保達(dá)成目標(biāo)性能指標(biāo)。圖6-10機(jī)床設(shè)計(jì)的目標(biāo)性能指標(biāo)第四節(jié)數(shù)字孿生在各階段的應(yīng)用33

4.2在數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行階段基于數(shù)字孿生的數(shù)控機(jī)床虛擬樣機(jī)可以應(yīng)用于故障診斷和故障預(yù)測(cè)。（1）故障診斷由于基于數(shù)字孿生的虛擬樣機(jī)的映射策略和分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)足以構(gòu)建機(jī)器學(xué)習(xí)算法應(yīng)用的訓(xùn)練集。數(shù)控機(jī)床運(yùn)行期間的故障信息也包含在這些數(shù)據(jù)中。通過將某些故障（如過度振動(dòng)）引起的數(shù)據(jù)輸入模型，然后輸出故障類型，可以將故障診斷識(shí)別為一個(gè)分類過程。訓(xùn)練分類器時(shí)，以物理空間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為輸入，及時(shí)輸出相應(yīng)的故障類型，實(shí)現(xiàn)故障診斷。（2）故障預(yù)測(cè)基于數(shù)字孿生的數(shù)控機(jī)床虛擬樣機(jī)的故障預(yù)測(cè)過程與故障診斷過程類似。然而，雖然故障診斷更側(cè)重于意外故障，但故障預(yù)測(cè)通常側(cè)重于長(zhǎng)期過程和可避免的故障，如軸承故障。因此，訓(xùn)練集的構(gòu)造和輸入輸出數(shù)據(jù)的選擇不同于故障診斷。通過這種方式，可以通過觀察數(shù)控機(jī)床的當(dāng)前狀態(tài)來預(yù)測(cè)潛在故障，以避免嚴(yán)重的停機(jī)和故障損失。第四節(jié)數(shù)字孿生在各階段的應(yīng)用34

4.4在數(shù)控機(jī)床的維護(hù)階段維護(hù)基于存儲(chǔ)在基于數(shù)字孿生的數(shù)控機(jī)床虛擬樣機(jī)數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)。它涉及機(jī)器學(xué)習(xí)中的分類問題，維修訓(xùn)練集由故障類型及其相應(yīng)的處理方法組成。盡管一些處理方法無法自動(dòng)收集，但基于數(shù)字孿生的虛擬樣機(jī)為此類信息記錄提供了一個(gè)存儲(chǔ)平臺(tái)，該平臺(tái)集成了所有數(shù)據(jù)，以構(gòu)建訓(xùn)練集。然后，在故障預(yù)測(cè)或故障診斷模型輸出故障類型后，基于數(shù)字孿生的數(shù)控機(jī)床虛擬樣機(jī)可以通過訓(xùn)練好的維護(hù)模型為用戶提供可能的維護(hù)解決方案。第五節(jié)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)與虛擬調(diào)試案例35

5.1機(jī)電一體化設(shè)計(jì)與調(diào)試的硬軟件平臺(tái)本案例實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床機(jī)電一體化設(shè)計(jì)與虛擬調(diào)試的軟硬件平臺(tái)組成如下：（1）使用的硬件以840Dsl數(shù)控系統(tǒng)作為主控制器，如圖6-13所示，使用的硬件包括：840Dsl數(shù)控系統(tǒng)、SIMITUNIT信號(hào)轉(zhuǎn)換單元、調(diào)試用計(jì)算機(jī)。(a)840Dsl數(shù)控系統(tǒng)(b)SIMITUNIT(c）設(shè)計(jì)及調(diào)試用計(jì)算機(jī)圖6-13使用的硬件第五節(jié)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)與虛擬調(diào)試案例36

5.1機(jī)電一體化設(shè)計(jì)與調(diào)試的硬軟件平臺(tái)1）840Dsl數(shù)控系統(tǒng)840Dsl數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，是西門子公司面向新一代智能制造的高端型數(shù)控系統(tǒng)。將CNC、HMI、PLC、閉環(huán)控制和通訊功能組合在一個(gè)數(shù)控單元（NCU）上，并可通過配合使用PCU來提高操作性能，支持以太網(wǎng)、Drive-CLiq、ProfiBus網(wǎng)絡(luò)通訊。2）SIMITUNIT信號(hào)轉(zhuǎn)換單元SIMITUNIT是外部現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和虛擬模型之間的信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，支持ProfibusDP/Profinet協(xié)議現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備，可以仿真基本I/O輸入輸出功能，也支持復(fù)雜的邏輯控制。硬件在環(huán)的虛擬調(diào)試中，SIMITUNIT與實(shí)際的控制器建立連接，電腦端可以通過以太網(wǎng)連接到SIMITUNIT的PROFINET接口，可以使用真實(shí)控制系統(tǒng)和真實(shí)PLC對(duì)整個(gè)工程項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)試。第五節(jié)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)與虛擬調(diào)試案例37

5.1機(jī)電一體化設(shè)計(jì)與調(diào)試的硬軟件平臺(tái)（2）使用的軟件數(shù)控機(jī)床在設(shè)計(jì)和調(diào)試過程中，需要使用多種專用軟件，本案例使用的軟件包括NX12.0、STEP7、840DslToolbox、SimulationUnit、SIMIT10。1）NX12.0NX是在UG軟件基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，集CAD/CAM/CAE/PDM/PLM于一體。CAD使工程設(shè)計(jì)及制圖完全自動(dòng)化；CAM內(nèi)含大量數(shù)控編程庫(機(jī)床庫、刀具庫等)，數(shù)控加工仿真、編程和后處理比較方便；CAE可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品、裝配和部件的性能模擬；PDM/PLM幫助管理產(chǎn)品數(shù)據(jù)和整個(gè)生命周期中的設(shè)計(jì)重用；MCD是NX的一個(gè)模塊，可以實(shí)現(xiàn)三維虛擬機(jī)電模型及虛擬調(diào)試。2）STEP7用于S7-300/400PLC的編程，可使用LAD（Ladder梯形圖），STL（StepLadderInstruction步進(jìn)梯形圖）和FBD(FunctionalBlockDiagram功能框圖）三種編程語言。第五節(jié)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)與虛擬調(diào)試案例38

5.1機(jī)電一體化設(shè)計(jì)與調(diào)試的硬軟件平臺(tái)3）840DslToolbox為設(shè)計(jì)人員提供基本程序及其他組件，用于數(shù)控機(jī)床PLC用戶程序的創(chuàng)建，可以有效縮短數(shù)控機(jī)床PLC程序的開發(fā)周期。4）SimulationUnit與SIMITUNIT硬件配套，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的轉(zhuǎn)換。5）SIMIT10仿真軟件SIMITUNIT硬件進(jìn)行組態(tài)，實(shí)現(xiàn)I/O信號(hào)的配置，支持虛擬調(diào)試。第五節(jié)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)與虛擬調(diào)試案例39

5.2基于NXMCD的機(jī)械建模NXMCD模塊的主要菜單和功能如圖6-15所示圖6-15NXMCD模塊的主要菜單和功能圖6-16MCD配置流程第五節(jié)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)與虛擬調(diào)試案例40

5.2基于NXMCD的機(jī)械建模在NX的CAD模塊完成機(jī)械本體的三維建模，并在MCD模塊中導(dǎo)入建立的機(jī)械模型，幾何建模完成后，需要設(shè)置剛體、碰撞體、添加運(yùn)動(dòng)副。配置流程圖如圖6-16所示。(1）數(shù)控設(shè)備部件設(shè)計(jì)基于CAD平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)例如主軸、刀庫等機(jī)械部件的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行虛擬裝配。(2）導(dǎo)入機(jī)床模型將機(jī)床的三維模型導(dǎo)入MCD，如圖6-17所示。圖6-17導(dǎo)入機(jī)床模型第五節(jié)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)與虛擬調(diào)試案例41

5.2基于NXMCD的機(jī)械建模（3）設(shè)置剛體和碰撞體每一個(gè)運(yùn)動(dòng)的部件都是帶有質(zhì)量的剛體，因此所有的運(yùn)動(dòng)部件都需要設(shè)置成剛體，才能接收外力和扭矩。當(dāng)一個(gè)幾何體未被定義為剛體對(duì)象時(shí)，這個(gè)幾何體將完全靜止，不會(huì)受到任何力的影響。碰撞體是物理組件的一類，兩個(gè)碰撞體之間要發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)才能觸發(fā)碰撞。如果兩個(gè)剛體發(fā)生碰撞，但兩者都沒有任何面被定義為碰撞體，那么在物理模擬中，他們會(huì)彼此互相穿過。圖6-18設(shè)置主軸剛體

圖6-19設(shè)置主軸碰撞體第五節(jié)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)與虛擬調(diào)試案例42

5.2基于NXMCD的機(jī)械建模（4）建立運(yùn)動(dòng)副及位置控制每個(gè)剛體都有它們自有的束縛，動(dòng)副是兩個(gè)機(jī)械構(gòu)件之間通過直接接觸而組成的可動(dòng)連接。兩個(gè)構(gòu)件上參與接觸而構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副的點(diǎn)、線、面等元素被稱為運(yùn)動(dòng)副元素。依次對(duì)X、Y和Z軸進(jìn)行滑動(dòng)副設(shè)置；對(duì)A、B、C和主軸進(jìn)行鉸鏈副設(shè)置；對(duì)刀具進(jìn)行固定副的設(shè)置。同時(shí)也需要對(duì)X、Y、Z、A、B、C和主軸分別設(shè)置位置控制，這里以設(shè)置A軸為為例，如圖6-20和6-21所示。圖6-20設(shè)置A軸為鉸鏈副

圖6-21設(shè)置A軸位置控制第五節(jié)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)與虛擬調(diào)試案例43

5.2基于NXMCD的機(jī)械建模（5）建立傳感器在對(duì)機(jī)床控制過程中，需要監(jiān)控某些運(yùn)動(dòng)部件的狀態(tài)，因此需要設(shè)置傳感器。這里以設(shè)置刀具T1的傳感器為例，如圖6-22和圖6-23所示。圖6-22刀具T1的刀盤傳感器

圖6-23刀具T1的主軸傳感器第五節(jié)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)與虛擬調(diào)試案例44

5.2基于NXMCD的機(jī)械建模（6）建立信號(hào)適配器信號(hào)適配器用于接收外圍電路或者CNC的信號(hào)，用來控制機(jī)床。在虛擬調(diào)試中，這些信號(hào)來自于SIMIT的共享內(nèi)存，因此信號(hào)源的最大數(shù)量和SIMIT共享內(nèi)存的容量一致，其名稱可相同，以便于信號(hào)連接，如圖6-24所示。圖6-24信號(hào)適配器的建立第五節(jié)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)與虛擬調(diào)試案例45

5.2基于NXMCD的機(jī)械建模（7）仿真序列的創(chuàng)建仿真序列（SequenceEditor）可以認(rèn)為是多個(gè)仿真動(dòng)作的集合。仿真序列中可以包含多個(gè)仿真子集（OperationChain），每個(gè)仿真子集中又包含了多個(gè)仿真動(dòng)作（Operation）。在機(jī)床設(shè)計(jì)中，通?；诜抡嫘蛄校瑢?duì)機(jī)床進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，檢查運(yùn)動(dòng)是否存在干涉、是否符合設(shè)計(jì)需要。以刀具的控制為例，有如下兩種情況：一是當(dāng)?shù)毒叩侗P傳感器被觸發(fā)，并且主軸松刀信號(hào)為1的時(shí)候，刀具跟隨刀盤旋轉(zhuǎn)；二是當(dāng)?shù)毒咧鬏S傳感器被觸發(fā)，并且主軸松刀信號(hào)為0的時(shí)候，刀具跟隨主軸旋轉(zhuǎn)。此處以第一把刀具的第一種情況為例，如圖6-25所示，選擇第一把刀具固定副為對(duì)象，選擇“運(yùn)行時(shí)參數(shù)”中的基體，并選擇刀盤為基體，在“條件”中選擇條件，分別是刀具刀盤傳感器被觸發(fā)、主軸松刀信號(hào)為1。圖6-25仿真序列的創(chuàng)建第五節(jié)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)與虛擬調(diào)試案例46

5.3數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)及PLC程序設(shè)計(jì)（1）數(shù)控系統(tǒng)上電準(zhǔn)備完成數(shù)控系統(tǒng)的硬件連接，檢查電源電壓無誤后啟動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)。開機(jī)后做NCK和PLC總清。NCK總清用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)初始化并裝載標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床數(shù)據(jù)。PLC總清用于刪除用戶數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)塊和功能塊)、刪除系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊、清除診斷緩沖區(qū)參數(shù)?？偳逋瓿珊?，輸入口令進(jìn)入制造商訪問等級(jí)，以進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置?？偳逋瓿珊箫@示屏上顯示報(bào)警“2001：PLC未啟動(dòng)”，遇到此報(bào)警是正常的，等下載完硬件配置和PLC程序，再重啟數(shù)控系統(tǒng)即可消除。第五節(jié)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)與虛擬調(diào)試案例47

5.3數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)及PLC程序設(shè)計(jì)（2）PLC程序設(shè)計(jì)在計(jì)算機(jī)上安裝840DslToolbox和GSD文件，基于工具包中所提供的數(shù)控機(jī)床基本PLC程序，根據(jù)機(jī)床的具體配置和控制要求，完成硬件組態(tài)，設(shè)計(jì)用戶PLC程序并進(jìn)行調(diào)試。具體操作如下：1）插入NCU控制器。新建project，插入300站點(diǎn)，進(jìn)入硬件配置界面，選擇NCU類型。2）創(chuàng)建PROFINET網(wǎng)絡(luò)（X150），IP地址設(shè)為192.168.0.1子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0。3）PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)（X126）,如果不使用PROFIBUS通信，就不需要?jiǎng)?chuàng)建。4）設(shè)置CP840Dsl網(wǎng)絡(luò)。新建以太網(wǎng)接口，將接口IP地址設(shè)為192.168.214.1，子網(wǎng)掩碼設(shè)為255.255.255.224。5）插入虛擬PLCI/O。在ET200S下選擇兩個(gè)IM151-3PN，圖6-26中的IM151-3PN-1是其中的一個(gè)，并放置在PROFINET總線上，其中一個(gè)為正常使用的PLC硬件配置，一個(gè)為SIMIT調(diào)試用的硬件配置。正常使用的PLC硬件配置如圖6-26所示，完成后硬件配置如圖6-27所示。6）基于工具包中所提供的基本程序，完成用戶PLC控制程序設(shè)計(jì)。第五節(jié)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)與虛擬調(diào)試案例48

5.3數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)及PLC程序設(shè)計(jì)（2）PLC程序設(shè)計(jì)圖6-26正常使用的PLC硬件配置圖6-27完成后的硬件配置第五節(jié)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)與虛擬調(diào)試案例49

5.3數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)及PLC程序設(shè)計(jì)（3）NC參數(shù)設(shè)置NC參數(shù)設(shè)置是數(shù)控系統(tǒng)與具體機(jī)床配接過程中二次開發(fā)的主要內(nèi)容，用于實(shí)現(xiàn)機(jī)床的控制要求以及數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床的最佳匹配，優(yōu)化機(jī)床的性能，主要包括進(jìn)給軸、主軸、刀庫等的相關(guān)配置。NC參數(shù)設(shè)置在一定程度上體現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的開放性，高性能數(shù)控系統(tǒng)往往有上千個(gè)參數(shù)，完成這些參數(shù)的設(shè)置需要技術(shù)人員具備一定的理論知識(shí)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，具體可參照數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)手冊(cè)。本案例的部分主要參數(shù)設(shè)置列舉如下：1）機(jī)床各坐標(biāo)軸的顯示名稱，激活后在加工界面中就會(huì)顯示以下參數(shù)中設(shè)置的名稱。MD10000[0]=X1MD10000[4]=B1MD10000[1]=Y1MD10000[5]=C1MD10000[2]=Z1MD10000[6]=SP1MD10000[3]=A1第五節(jié)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)與虛擬調(diào)試案例50

5.3數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)及PLC程序設(shè)計(jì)（3）NC參數(shù)設(shè)置2）幾何軸的分配和名稱設(shè)定MD20050[0]=1MD20060[0]=XMD20050[0]=2MD20060[1]=YMD20050[0]=3MD20060[2]=Z3）通道中對(duì)應(yīng)的軸數(shù)（加工界面中顯示幾個(gè)軸）MD20070[0]=1MD20070[3]=4MD20070[1]=2MD20070[4]=5MD20070[2]=3MD20070[5]=6第五節(jié)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)與虛擬調(diào)試案例51

5.3數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)及PLC程序設(shè)計(jì)（3）NC參數(shù)設(shè)置4）通道中的通用軸名稱（編程時(shí)各軸的名稱）MD20080[0]=XMD20080[1]=YMD20080[2]=ZMD20080[3]=AMD20080[4]=BMD20080[5]=CMD20080[6]=SP5）旋轉(zhuǎn)軸（A、B、C軸和主軸）MD30300=1（該軸設(shè)為旋轉(zhuǎn)軸）MD30310=1（旋轉(zhuǎn)軸的模數(shù)轉(zhuǎn)換）MD30320=1（旋轉(zhuǎn)軸和主軸系數(shù)的360度顯示）第五節(jié)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)與虛擬調(diào)試案例52

5.3數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)及PLC程序設(shè)計(jì)（3）NC參數(shù)設(shè)置6）刀庫軸（A軸）MD30500=3（該軸設(shè)為索引軸）MD30501=360（分度軸等分位置分子。360度）MD30502=5（分度軸等分位置分母。刀位數(shù)為5）7）主軸設(shè)定MD35000=1（該軸設(shè)為主軸）8）工藝（機(jī)床類型的選擇）MD52200=2（1表示車床，2表示加工中心，3表示磨床）車削中心：MD52200=1，MD52201=2銑削中心：MD52200=2，MD52201=1第五節(jié)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)與虛擬調(diào)試案例53

5.3數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)及PLC程序設(shè)計(jì)（3）NC參數(shù)設(shè)置9）復(fù)位后/零件程序結(jié)束后控制系統(tǒng)的初始設(shè)置MD20110=4041（bit0、bit6、bit14=1）10）沒回參考點(diǎn)后NC啟動(dòng)狀況MD20700=1（1表示沒回參考點(diǎn)，NC禁止啟動(dòng)；2表示沒回參考點(diǎn)，NC可以啟動(dòng)）11）刀具管理MD10715=6（程序中運(yùn)行完M6指令就會(huì)調(diào)用MD10716中命名的子程序）MD10716=L6（由MD10715中設(shè)定的M功能調(diào)用的子程序名稱）MD22560=6MD18080=2HMD20310=2HMD17530=1FH第五節(jié)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)與虛擬調(diào)試案例54

5.3數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)及PLC程序設(shè)計(jì)（3）NC參數(shù)設(shè)置12）激活編譯循環(huán)前提條件：將adas_0203if008001文件拷入數(shù)控系統(tǒng)。只有前提條件都生效了才會(huì)出現(xiàn)以下參數(shù)。MD60974[0]=1H，MD61700=1500，MD61701=150013）編寫換刀循環(huán)程序L6和用戶變量。例如編寫用戶變量：在“NC數(shù)據(jù)”目錄下的“定義”中新建類型為“MGUD”的變量，并輸入如下參數(shù):“DEFNCKREALX_POSDEFNCKREALY_POSDEFNCKREALZ_POSDEFNCKREALZ_FIXDEFNCKREALX_FIXM17”這些變量定義了換刀過程中各個(gè)軸的位置坐標(biāo)。其中X_POS、Y_POS、Z_POS分別為換刀的X、Y、Z軸的位置，而Z_FIX、X_FIX則是換刀完成后的坐標(biāo)位置。這些參數(shù)在輸入完成后需要進(jìn)行激活，在激活完成后可以在機(jī)床的“全局用戶變量”中進(jìn)行查看并設(shè)置具體數(shù)據(jù)。第五節(jié)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)與虛擬調(diào)試案例55

5.4SIMIT的配置與虛擬調(diào)試數(shù)控機(jī)床的機(jī)械設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)置及PLC程序設(shè)計(jì)完成后，按照如圖6-28所示流程，對(duì)SIMIT進(jìn)行配置：（1）計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置及連接將設(shè)計(jì)及調(diào)試用的計(jì)算機(jī)IP設(shè)置為固定地址192.168.214.6（SIMIT的IP地址為192.168.214.7）。將計(jì)算機(jī)的網(wǎng)口與信號(hào)轉(zhuǎn)換單元SIMITUNIT的“CTRL”接口進(jìn)行連接，SIMITUNIT的“P1”與數(shù)控系統(tǒng)的NCU“X150”端口連接，如圖6-29所示。圖6-29SIMITUNIT及連接示意圖第五節(jié)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)與虛擬調(diào)試案例56

5.4SIMIT的配置與虛擬調(diào)試（2）SIMITUNIT的IP地址SIMITUNIT模塊首次上電時(shí)，需要為其分配IP地址，可以用以下兩種方式為SIMITUNIT模塊分配地址。方式一，打開SimulationUnit軟件，選擇System-Scannetwork，支持對(duì)掃描結(jié)果直接修改，修改后點(diǎn)擊Savechanges。方式二，使用STEP7或PCS7軟件。打開SIMATICManager，選擇PLC-EditEthernetNode-Browse按鈕，掃描并修改SIMITUNIT模塊的IP地址。打開SIMATICManager軟件，選擇PLC-EditEthernetNode-Browse按鈕，掃描并修改仿真模塊IP地址。第五節(jié)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)與虛擬調(diào)試案例57

5.4SIMIT的配置與虛擬調(diào)試（3）創(chuàng)建新項(xiàng)目打開SIMITSP（SIMIT-SimulationPlatform），確認(rèn)是否與SIMITUNIT模塊建立連接。選擇菜單欄Options-SUadministration系統(tǒng)自動(dòng)掃描到所連接的SIMITUNITPN模塊，如圖6-30所示。圖6-30SIMITIP地址掃描第五節(jié)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)與虛擬調(diào)試案例58

5.4SIMIT的配置與虛擬調(diào)試（4）新建SIMITUnit映射雙擊NewCoupling，選擇SIMITUnit。在SIMITUnit項(xiàng)目下建立新的Station（將項(xiàng)目的文件名稱改為PN），導(dǎo)入硬件配置文件，將IW1500-IW1530兩兩組合為雙字，QW1500-QW1538做同樣的整合，如圖6-31和圖6-32所示。雙擊Station，選擇SDT-Import（S7-300/400），導(dǎo)入項(xiàng)目硬件組態(tài)信息，為了導(dǎo)入STEP7/PCS7硬件組態(tài)信息，首先需要打開SIMATICManager–HWConfig，點(diǎn)擊保存編譯。通過保存編譯，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生SIMIT仿真所需要的Profinet組態(tài)信息sdb文件。圖6-31PNInput設(shè)置圖6-32PNOutput設(shè)置第五節(jié)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)與虛擬調(diào)試案例59

5.4SIMIT的配置與虛擬調(diào)試（5）建立臨時(shí)共享內(nèi)存SHMMCD通過建立共享內(nèi)存，實(shí)現(xiàn)外部信號(hào)與MCD信號(hào)的連接。通過以下方式建立共享內(nèi)存：Couplings-Newcouplings-Sharedmemory，共享內(nèi)存的名稱應(yīng)一致，如圖6-33所示。圖6-33SHM共享內(nèi)存設(shè)置第五節(jié)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)與虛擬調(diào)試案例60

5.4SIMIT的配置與虛擬調(diào)試共享內(nèi)存中的信號(hào)名稱也應(yīng)盡量一致，以方便后續(xù)信號(hào)映射。如果MCD中信號(hào)的名稱與SIMIT共享內(nèi)存中的信號(hào)名稱一致，可以使用自動(dòng)映射快速的連接，信號(hào)映射完成如圖6-35所示。圖6-35信號(hào)映射完成第五節(jié)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)與虛擬調(diào)試案例61

5.4SIMIT的配置與虛擬調(diào)試為了實(shí)現(xiàn)虛擬模型和實(shí)際控制器的信號(hào)連接，需要對(duì)相關(guān)信號(hào)進(jìn)行設(shè)置，如圖6-36和圖6-37所示為軸設(shè)置的舉例，根據(jù)機(jī)床的實(shí)際配置，將A、B、C軸修改為旋轉(zhuǎn)軸，并且設(shè)置軸的數(shù)量。（6）配置ADAS圖6-36ADAS設(shè)置第五節(jié)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)與虛擬調(diào)試案例62

5.4SIMIT的配置與虛擬調(diào)試（7）配置I/O信號(hào)以換刀過程需要的I/O信號(hào)為例，通過ADAS建立連接，如圖6-38所示。配置完成后所有的項(xiàng)目列表，如圖6-39所示。圖6-38換刀信號(hào)設(shè)置

圖6-39配置完成后項(xiàng)目列表至此，所有的設(shè)置都已完成，可以在數(shù)控系統(tǒng)端通過按鍵進(jìn)行各軸的移動(dòng)，通過換刀指令進(jìn)行換刀、還可以編寫加工程序進(jìn)行加工模擬，完成這些操作時(shí)MCD中的模型也會(huì)同步運(yùn)動(dòng)，可以在沒有物理樣機(jī)的情況下進(jìn)行虛擬調(diào)試和驗(yàn)證，檢測(cè)機(jī)床的功能是否滿足設(shè)計(jì)要求，并進(jìn)行修改完善。第五節(jié)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)與虛擬調(diào)試案例63

5.5數(shù)字孿生體與實(shí)體的聯(lián)調(diào)通過上述SIMIT設(shè)置與功能調(diào)試，已經(jīng)把數(shù)控系統(tǒng)中的位置信號(hào)、PLC的I/O變量通過SIMITUNIT進(jìn)行連接。在調(diào)試環(huán)節(jié)，用SIMITUNIT與PC中NXMCD里的數(shù)字模型進(jìn)行通訊。圖6-40表示了虛擬調(diào)試過程中，虛擬模型、控制器之間的信號(hào)傳輸在SIMIT軟件中啟動(dòng)仿真，打開NXMCD，在自動(dòng)化欄中點(diǎn)擊信號(hào)映射，此時(shí)會(huì)彈出小窗口。類型選擇SHM，SHM名稱在設(shè)置中新建，需要注意的是對(duì)SHM進(jìn)行命名的時(shí)候，該名稱要與SIMIT軟件中臨時(shí)共享內(nèi)存SHM中的命名相同。然后，在外部信號(hào)欄會(huì)出現(xiàn)，SIMITUNIT中仿真的I/O信號(hào)，如果MCD信號(hào)與外部信號(hào)的命名相同，則這些信號(hào)會(huì)自動(dòng)匹配映射，如果命名不同則需要人為的去對(duì)其進(jìn)行匹配。此時(shí)，如果我們修改SIMIT中SHM的數(shù)據(jù)，那么NX中的數(shù)字模型也會(huì)跟著運(yùn)動(dòng)。第五節(jié)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)與虛擬調(diào)試案例64

5.6基于數(shù)字孿生的協(xié)同設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)基于數(shù)字孿生的協(xié)同設(shè)計(jì)，可以在設(shè)備制造出來之前，將設(shè)計(jì)結(jié)果在虛擬環(huán)境中進(jìn)行多次模擬測(cè)試，在設(shè)計(jì)階段解決絕大部分故障和錯(cuò)誤，所以基于數(shù)字孿生的協(xié)同設(shè)計(jì)理念可以提高產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)度和成功率。在產(chǎn)品運(yùn)行階段，可以通過物聯(lián)網(wǎng)傳感器和邊緣計(jì)算采集產(chǎn)品性能、運(yùn)行狀態(tài)、能耗等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同步反饋給虛擬空間的產(chǎn)品數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)信息物理融合，進(jìn)化產(chǎn)品數(shù)字孿生模型。將數(shù)據(jù)上傳到云端數(shù)據(jù)服務(wù)中心進(jìn)行分析，通過分析結(jié)果指導(dǎo)設(shè)備維保服務(wù)，同時(shí)在虛擬系統(tǒng)里建立設(shè)備維保檔案并同步更新，直到設(shè)備報(bào)廢。隨著產(chǎn)品生命周期終結(jié)和數(shù)據(jù)積累，大數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以改進(jìn)設(shè)計(jì)方案和制造流程、使用規(guī)程、維保指南，并將相關(guān)模型和文件標(biāo)準(zhǔn)化后存入模型庫和知識(shí)庫做統(tǒng)一管理和資源共享，形成良性的創(chuàng)新流程和創(chuàng)新機(jī)制。武漢華工智云科技有限公司第七章數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化生產(chǎn)《智能制造裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)》

主要內(nèi)容663智能檢測(cè)單元生產(chǎn)規(guī)劃的數(shù)字化12生產(chǎn)工程數(shù)字化3智能檢測(cè)單元生產(chǎn)執(zhí)行數(shù)字化34數(shù)控機(jī)床服務(wù)數(shù)字化一、生產(chǎn)規(guī)劃的數(shù)字化67

機(jī)械加工工藝相關(guān)的基本概念機(jī)械加工工藝過程：是機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)過程的一部分，是直接生產(chǎn)過程，其原意指采用金屬切削刀具或磨具來加工工件，使之達(dá)到所要求的形狀、尺寸、表面粗糙度和力學(xué)/物理性能，成為合格零件的生產(chǎn)過程。機(jī)械加工工藝過程工序安裝工位工步走刀一、生產(chǎn)規(guī)劃的數(shù)字化68

機(jī)械加工工藝相關(guān)的基本概念工序：一個(gè)（或一組）工人在一個(gè)工作地點(diǎn)對(duì)一個(gè)（或同時(shí)對(duì)幾個(gè)）工件

連續(xù)完成的那一部分工藝過程。安裝：如果在一個(gè)工序中需要對(duì)工件進(jìn)行幾次裝夾，則每次裝夾下完成的那部分工序內(nèi)容稱為一個(gè)安裝。工位：在工件的一次安裝中，通過分度（或移位）裝置，使工件相對(duì)于機(jī)床床身變換加工位置，則把每一個(gè)加工位置上的安裝內(nèi)容稱為工位。工步：加工表面、切削刀具、切削速度和進(jìn)給量都不變的情況下所完成的工位內(nèi)容。走刀：車削刀具在加工表面上切削一次所完成的工步內(nèi)容。一、生產(chǎn)規(guī)劃的數(shù)字化693閱讀裝配圖和零件圖熟悉或確定毛坯確定各主要工序的技術(shù)要求和檢驗(yàn)方法工藝審查擬訂機(jī)械加工工藝路線2451機(jī)械加工工藝規(guī)劃的步驟和內(nèi)容6確定滿足各工序要求的工藝裝備（包括機(jī)床、夾具、刀具和量具等）對(duì)需要改裝或重新設(shè)計(jì)的專用工藝裝備應(yīng)提出具體設(shè)計(jì)任務(wù)書97810確定各工序的加工余量、計(jì)算工序尺寸和公差確定切削用量確定時(shí)間定額填寫工藝文件一、生產(chǎn)規(guī)劃的數(shù)字化70工藝規(guī)劃的數(shù)字化TecnomatixProcessDesigner（PD）：在三維環(huán)境中進(jìn)行制造過程規(guī)劃ProcessSimulate（PS）：制造過程的虛擬驗(yàn)證、優(yōu)化和調(diào)試PlantSimulation（PS）：工廠和生產(chǎn)線物流過程仿真一、生產(chǎn)規(guī)劃的數(shù)字化71PD的四個(gè)基本要素及其關(guān)系一、生產(chǎn)規(guī)劃的數(shù)字化723創(chuàng)建新項(xiàng)目或?qū)腠?xiàng)目模板：新項(xiàng)目目錄下創(chuàng)建子目錄，子目錄創(chuàng)建分別對(duì)應(yīng)資源數(shù)據(jù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)等工序初步規(guī)劃：在工藝規(guī)劃操作樹庫目錄下同時(shí)建立工藝操作樹和資源樹產(chǎn)品資源分配：將產(chǎn)品拖拽到相應(yīng)的操作中；將資源樹上每個(gè)工序的設(shè)備根據(jù)生產(chǎn)線二維布局方案擺放到位；將每個(gè)工序所需的工裝按照工藝要求擺放到位，完成資源擺放導(dǎo)入產(chǎn)品及數(shù)據(jù)：PD只支持輕量化的三維模型格式.cojt定義工藝順序：利用PertViewer工具定義各工序的操作順序（前后順序或并行）2451PD提供標(biāo)準(zhǔn)工藝流程的步驟6甘特圖檢查：打開GanttViewer工具，檢查各工序工步順序確定后的時(shí)間甘特圖，判斷工藝順序與各工序工步時(shí)間安排的合理性一、生產(chǎn)規(guī)劃的數(shù)字化73

切削策略工藝操作樹中的工序及其工步如何定義或選取即切削策略。在Tecnomatrix中，可以提前建立工藝操作庫，存放切削策略。加工路線：數(shù)控加工中刀具相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡（切入切出、順銑逆銑、深度優(yōu)先層優(yōu)先）。常用切削用量：切削用量三要素包括切削速度、背吃刀量和進(jìn)給量。其他切削參數(shù)：切削余量、換刀點(diǎn)、刀具選擇、冷卻控制等。一、生產(chǎn)規(guī)劃的數(shù)字化74

測(cè)量策略測(cè)量工具類型：根據(jù)被測(cè)零件的數(shù)量、材質(zhì)、公差值的大小及外形、部位、尺寸大小等特點(diǎn)，選擇測(cè)量工具（游標(biāo)卡尺、千分尺、塞規(guī)、R規(guī)、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等）。量具的技術(shù)性能指標(biāo)：量具的標(biāo)稱值、分度值、測(cè)量范圍、測(cè)量力、示值誤差等，要滿足零件測(cè)量要求。一、生產(chǎn)規(guī)劃的數(shù)字化75

測(cè)量策略測(cè)量方式離線測(cè)量在線測(cè)量接觸式測(cè)量非接觸式測(cè)量在線測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)：可反復(fù)大量穩(wěn)定進(jìn)行；可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；一次裝夾即可，省時(shí)省力；可盡早發(fā)現(xiàn)廢品，降低廢品率；速度快、精度高，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。一、生產(chǎn)規(guī)劃的數(shù)字化76生產(chǎn)資源規(guī)劃建立資源庫添加資源屬性工藝規(guī)劃時(shí)建立資源樹（資源與工藝連接）資源甘特分析注：資源樹中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是資源庫中資源原型的實(shí)例對(duì)象。資源樹的創(chuàng)建，可以將實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境完全復(fù)現(xiàn)到虛擬生產(chǎn)環(huán)境。一、生產(chǎn)規(guī)劃的數(shù)字化77

質(zhì)量檢測(cè)控制預(yù)一、生產(chǎn)規(guī)劃的數(shù)字化78基于數(shù)字孿生的工藝設(shè)計(jì)評(píng)估ProcessDesigner可以用甘特圖對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)線每個(gè)工位的工作量進(jìn)行規(guī)劃和平衡ProcessSimulate（PS）數(shù)字化仿真驗(yàn)證干涉檢查可達(dá)性檢查可視性檢查二、生產(chǎn)工程數(shù)字化79生產(chǎn)作業(yè)指導(dǎo)書根據(jù)機(jī)械加工工藝規(guī)程進(jìn)行生產(chǎn)準(zhǔn)備機(jī)械加工工藝規(guī)程是生產(chǎn)計(jì)劃、調(diào)度，工人的操作、質(zhì)量檢查等的依據(jù)

機(jī)械加工工藝規(guī)程是新建或擴(kuò)建車間或工段的原始依據(jù)。規(guī)定產(chǎn)品或零部件制造工藝過程和操作方法等的工藝文件稱為工藝規(guī)程。也叫做生產(chǎn)作業(yè)指導(dǎo)書，俗稱工藝卡。生產(chǎn)作業(yè)指導(dǎo)書的作用如下：二、生產(chǎn)工程數(shù)字化80機(jī)械加工工藝規(guī)程格式普通的工序卡應(yīng)包含以下幾方面的內(nèi)容：工序、工步內(nèi)容、切削用量、工藝裝備、工時(shí)等。工藝文件的格式機(jī)械加工工藝過程卡機(jī)械加工工藝卡片機(jī)械加工工序卡片二、生產(chǎn)工程數(shù)字化81機(jī)械加工工藝過程卡二、生產(chǎn)工程數(shù)字化82機(jī)械加工工藝卡片二、生產(chǎn)工程數(shù)字化83機(jī)械加工工序卡片二、生產(chǎn)工程數(shù)字化84生產(chǎn)過程的虛擬仿真在虛擬機(jī)床上模擬運(yùn)行編寫的加工程序。虛擬環(huán)境包含機(jī)床、刀具、夾具、工件等的3D模型。西門子仿真軟件：SinuTrain二、生產(chǎn)工程數(shù)字化85仿真加工流程圖編寫加工程序修改加工程序模擬運(yùn)行程序報(bào)錯(cuò)或加工不符合要求模擬完成檢查錯(cuò)誤二、生產(chǎn)工程數(shù)字化86選擇要使用的機(jī)床（或新建機(jī)床），啟動(dòng)機(jī)床設(shè)置毛坯輪廓對(duì)所編程序進(jìn)行仿真加工建立刀庫編寫加工輪廓SinuTrain編程仿真的步驟調(diào)用輪廓進(jìn)行加工設(shè)置和編程仿真加工的零件與設(shè)計(jì)的零件比較或局部剖切，查看加工效果是否合格。二、生產(chǎn)工程數(shù)字化87生產(chǎn)過程的質(zhì)量評(píng)價(jià)在金屬加工過程中，影響加工質(zhì)量的因素很多，如機(jī)床的機(jī)械特性、刀具的質(zhì)量及穩(wěn)定性、數(shù)控系統(tǒng)的處理能力、夾具的狀態(tài)以及加工程序等。AnalyzeMyWorkpiece/Toolpath（以下簡(jiǎn)稱AMWT）軟件可用來分析工件的加工模型，加工程序，理論位置和實(shí)際位置。CAD輸出加工模型分析CAM輸出加工程序分析CNC插補(bǔ)理論位置分析伺服傳動(dòng)后實(shí)際位置跟蹤分析AMWT覆蓋數(shù)控機(jī)床加工過程的四個(gè)主要環(huán)節(jié)三、生產(chǎn)執(zhí)行數(shù)字化車間制造過程三、生產(chǎn)執(zhí)行數(shù)字化89資源和生產(chǎn)的關(guān)系三、生產(chǎn)執(zhí)行數(shù)字化90車間資源的構(gòu)成三、生產(chǎn)執(zhí)行數(shù)字化91完成硬件組態(tài)和網(wǎng)絡(luò)連接車間資源管理及其數(shù)字化技術(shù)和管理是制造系統(tǒng)的兩個(gè)輪子，在當(dāng)前智能化的制造系統(tǒng)中，管理是其中的重要組成部分。車間資源的管理包括任務(wù)的管理、設(shè)備的管理、工具的管理、工藝信息的管理等。資源管理的數(shù)字化必須對(duì)車間資源的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集并進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。西門子為車間資源管理信息化提供了一個(gè)平臺(tái)：SINUMERIKIntegrate（SI）數(shù)字化平臺(tái)。三、生產(chǎn)執(zhí)行數(shù)字化92SI平臺(tái)的連接及模塊NC程序管理（MMP，ManageMyPrograms）機(jī)床刀具管理（MMT，ManageMyTools）機(jī)床遠(yuǎn)程訪問（AMM，AccessMyMachine）機(jī)床生產(chǎn)性能評(píng)估（AMP