《智能裝備數(shù)字化仿真與調(diào)試》課件-1.4 小結(jié)

生產(chǎn)線數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真NXMCD緒論

概述——數(shù)字孿生與機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)

1目錄CONTENTS1.1數(shù)字孿生技術(shù)概述1.2機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)（MCD）1.3MCD的技術(shù)優(yōu)勢(shì)1.4小結(jié)1.1.1數(shù)字孿生的概念1.1數(shù)字孿生技術(shù)概述數(shù)字孿生（DigitalTwin，DT）又常被稱作數(shù)字化雙胞胎（DigitalTwins），是基于工業(yè)生產(chǎn)數(shù)字化的新概念，它的準(zhǔn)確表述還在發(fā)展與演變中，但其含義已在行業(yè)內(nèi)達(dá)成了基本共識(shí)，即：在數(shù)字虛體空間中，以數(shù)字化方式為物理對(duì)象創(chuàng)建虛擬模型，模擬物理空間中實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為特征，從而達(dá)到“虛—實(shí)”之間的精確映射，最終能夠在生產(chǎn)實(shí)踐中，從測(cè)試、開發(fā)、工藝及運(yùn)行維護(hù)等角度，打破現(xiàn)實(shí)與虛擬之間的藩籬，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期內(nèi)的生產(chǎn)、管理、連接等高度數(shù)字化及模塊化的新技術(shù)。產(chǎn)品數(shù)字孿生：幫助用戶比以前更快地驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，以獲得更佳、成本更低且更可靠的產(chǎn)品，并能更早地在整個(gè)產(chǎn)品生命周期中根據(jù)所有關(guān)鍵屬性精確預(yù)測(cè)其性能；生產(chǎn)工藝數(shù)字孿生：能夠以虛擬方式設(shè)計(jì)和評(píng)估工藝方案，以迅速制定用于制造產(chǎn)品的最佳計(jì)劃。生產(chǎn)工藝流程中的“生產(chǎn)與物流數(shù)字化系統(tǒng)”可以對(duì)各種生產(chǎn)系統(tǒng)，包括工藝路徑，生產(chǎn)計(jì)劃和管理，通過仿真進(jìn)行優(yōu)化和分析，以達(dá)到優(yōu)化生產(chǎn)布局、資源利用率、產(chǎn)能和效率、物流和供需鏈

、不同大小訂單與混合產(chǎn)品生產(chǎn)的目標(biāo)

；它可以同步產(chǎn)品和制造需求，管理更加全面的流程驅(qū)動(dòng)型設(shè)計(jì)；性能數(shù)字孿生：為生產(chǎn)運(yùn)營和質(zhì)量管理提供了端到端的透明化，將車間的自動(dòng)化設(shè)備與產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)及生產(chǎn)和企業(yè)管理領(lǐng)域的決策者緊密連接在一起。借助生產(chǎn)過程的全程透明化，決策者可以很容易地發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與相關(guān)制造工藝中需要改進(jìn)的地方，并進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)營調(diào)整，從而使生產(chǎn)更順暢，效率更高。

1.1.2西門子數(shù)字孿生技術(shù)的三個(gè)部分1.1數(shù)字孿生技術(shù)概述

1.1.3數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)施工具

西門子提供的全

生命周期管理軟件（ProductLivecycleManagement，PLM）和全集成自動(dòng)化（TotallyIntegratedAutomationportal，TIA）軟件等能夠在統(tǒng)一的產(chǎn)品全生命周期管理數(shù)據(jù)平臺(tái)（Teamcenter，TC）的協(xié)作下完成不同技術(shù)的集成，以實(shí)現(xiàn)不同人員的協(xié)作。供應(yīng)商也可以根據(jù)需要被納入平臺(tái)中，以實(shí)現(xiàn)價(jià)值鏈數(shù)據(jù)的整合。

1.1數(shù)字孿生技術(shù)概述

產(chǎn)品生命周期管理PLM軟件：涉及產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，即：從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到生產(chǎn)規(guī)劃和工程，直至實(shí)際生產(chǎn)和服務(wù)等。Teamcenter（TC）：

在西門子與其他制造商提供的軟件解決方案之間進(jìn)行管理和交換數(shù)據(jù)，將分布在不同位置的開發(fā)團(tuán)隊(duì)以及公司和供應(yīng)商連接在起來，從而形成統(tǒng)一的產(chǎn)品、過程、生產(chǎn)等數(shù)據(jù)流通渠道。NX軟件：

是主要的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/制造/工程（CAD/CAM/CAE）等套件，可針對(duì)產(chǎn)品開發(fā)提供詳細(xì)的三維模型。機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)（MechatronicsConceptDesigner，MCD）是NX的一個(gè)套件，它為工程師虛擬創(chuàng)建、模擬和測(cè)試產(chǎn)品與生產(chǎn)所需的機(jī)器設(shè)備等提供仿真支持

。Tecnomatix軟件：

主要針對(duì)整個(gè)生產(chǎn)的虛擬設(shè)計(jì)和過程模擬。

常用的ProcessDesigner、ProcessSimulate與PlantSimulation等均是Tecnomatix包中的軟件，用于產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)、流水線與工廠的設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證。

1.1數(shù)字孿生技術(shù)概述1.1.3數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)施工具

制造運(yùn)行管理軟件（ManufacturingOperationsManagement，MOM）：

不僅與控制、自動(dòng)化和業(yè)務(wù)層緊密結(jié)合，而且還與西門子產(chǎn)品生命周期管理軟件PLM相結(jié)合，讓自動(dòng)化與制造管理、企業(yè)管理、供應(yīng)鏈管理建立了無縫連接，使供應(yīng)鏈的變化迅速地反應(yīng)在制造中心，從而為“數(shù)字工廠”理念提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)和產(chǎn)品管理基礎(chǔ)。。

西門子軟件SIMATICIT包含了一系列產(chǎn)品，專為生產(chǎn)運(yùn)營、管理，以及執(zhí)行人員提供更高的工廠信息可見性。這些產(chǎn)品的主要功能可描述為三個(gè)方面，即：提供數(shù)據(jù)集成與情景化、幫助利用信息做出盡可能的實(shí)時(shí)決策、分析信息等。其中，西門子SIMATICIT的制造執(zhí)行系統(tǒng)（ManufacturingExecutionSystem，MES）提供了一個(gè)較高層次的環(huán)境，為制造過程和操作流程提升各組件之間的協(xié)同工作能力提供了可行的軟件環(huán)境。

1.1數(shù)字孿生技術(shù)概述1.1.3數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)施工具

博途TIA軟件:TIA是全集成自動(dòng)化（TotallyIntegratedAutomation）軟件TIAportal的簡稱。它是采用統(tǒng)一的工程組態(tài)

和軟件項(xiàng)目環(huán)境的自動(dòng)化軟件，可在同一環(huán)境中組態(tài)西門子的所有可編程控制器、人機(jī)界面和驅(qū)動(dòng)裝置。在控制器、驅(qū)動(dòng)裝置和人機(jī)界面之間建立通信時(shí)共享任務(wù)，可大大降低連接和組態(tài)成本，幾乎適用于所有自動(dòng)化任務(wù)。借助全新的工程技術(shù)軟件平臺(tái)，用戶能夠快速、直觀地開發(fā)和調(diào)試自動(dòng)化系統(tǒng)。1.1數(shù)字孿生技術(shù)概述1.1.3數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)施工具

在虛擬環(huán)境中對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行模擬調(diào)試，解決生產(chǎn)線的規(guī)劃、干涉、PLC邏輯控制等問題，當(dāng)完成上述模擬調(diào)試之后，再綜合加工設(shè)備、物流設(shè)備、智能工裝、控制系統(tǒng)等各種因素，才能全面評(píng)估建設(shè)生產(chǎn)線的可行性。在設(shè)計(jì)過程中，生產(chǎn)周期長、更改成本高的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分可采用虛擬設(shè)備，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行展示和模擬；易于構(gòu)建和修改的控制部分則用由PLC搭建的物理控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，由實(shí)物PLC控制系統(tǒng)生成控制信號(hào)，來控制虛擬環(huán)境中的機(jī)械對(duì)象以模擬整個(gè)生產(chǎn)線的動(dòng)作過程。

借助于該技術(shù)，能夠及早發(fā)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的問題，在物理樣機(jī)建造前就予以解決，這在整個(gè)產(chǎn)品的研發(fā)過程中節(jié)約了時(shí)間成本與經(jīng)濟(jì)成本。1.1數(shù)字孿生技術(shù)概述1.1.4虛擬調(diào)試（Visualcommissioning，VC）機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)（MechatronicsConceptDesigner，MCD）是進(jìn)行機(jī)電聯(lián)合設(shè)計(jì)的一種數(shù)字化解決方案。它提供了多學(xué)科、多部門的信息互聯(lián)綜合技術(shù)，可以被用來模擬機(jī)電一體化系統(tǒng)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。采用了一種從功能出發(fā)的設(shè)計(jì)方法，開發(fā)團(tuán)隊(duì)可采用層次化結(jié)構(gòu)來分解功能部件，將它們與需求直接聯(lián)系起來，以確保在整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)過程中滿足客戶的期望。這種功能模型可節(jié)約成本、縮短研發(fā)時(shí)間，促進(jìn)跨學(xué)科協(xié)同，在設(shè)計(jì)中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。1.2.1機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)簡介

1.2.

機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)從功能出發(fā)進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)的理念是：在需求階段建立需求模型；在概念設(shè)計(jì)階段建立機(jī)電一體化的功能模型；在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，根據(jù)功能模型最終形成產(chǎn)品的裝配、軟件和布局模型。其最顯著的特征是能夠并行展開工程實(shí)施進(jìn)程，大大地節(jié)省了時(shí)間、材料和管理上的消耗。1.2.1機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)簡介

1.2.

機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)功能模塊設(shè)計(jì)：以功能為驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)強(qiáng)化了交叉學(xué)科之間的協(xié)作，也連接了實(shí)際需求和各種數(shù)據(jù)的管理，從而能夠使設(shè)計(jì)人員能夠跟蹤客戶需求，并把這種需求數(shù)據(jù)納入到設(shè)計(jì)的過程中。邏輯塊設(shè)計(jì)與模塊的重復(fù)使用：可以把功能模型分解為不同的、可在多個(gè)設(shè)計(jì)中重復(fù)使用的邏輯塊，并設(shè)置具體的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程的優(yōu)化。早期系統(tǒng)驗(yàn)證：在開發(fā)過程的初期，機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)（MCD）提供了基于仿真引擎的驗(yàn)證技術(shù)，能夠幫助設(shè)計(jì)人員獲取電機(jī)、伺服等驅(qū)動(dòng)動(dòng)力的仿真，初步驗(yàn)證概念設(shè)計(jì)的有效性。多學(xué)科支持：是一種多學(xué)科并行協(xié)作的開發(fā)環(huán)境。包含的學(xué)科涵蓋了機(jī)械、電氣、伺服驅(qū)動(dòng)、液壓氣動(dòng)、傳感器、自動(dòng)化設(shè)計(jì)、程序編程、信息通訊等諸多領(lǐng)域，是機(jī)電一體化設(shè)計(jì)中所涵蓋的多個(gè)學(xué)科的融合。1.2.2機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

1.2.

機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)依托TC平臺(tái)和CAD產(chǎn)品工程解決方案，任何機(jī)械三維模型的裝配、建模、研發(fā)、數(shù)據(jù)整理、集成等功能均得到了有力的保障。在此基礎(chǔ)上，借助于NXMCD創(chuàng)建機(jī)電一體化模型，對(duì)包含多體物理場以及通常存在于機(jī)電一體化產(chǎn)品中的自動(dòng)化相關(guān)行為概念進(jìn)行3D建模和仿真，從而實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，達(dá)成了機(jī)械、電氣、傳感器和制動(dòng)器，以及運(yùn)動(dòng)等多學(xué)科之間的協(xié)同融合。1.2.3數(shù)字孿生與機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)

1.2.

機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)通過TC與上下游“系統(tǒng)/工具”協(xié)同以軟件為總綱，實(shí)現(xiàn)了跨學(xué)科的融合設(shè)計(jì)與知識(shí)的重復(fù)利用，在設(shè)計(jì)流程中采用了并行與聯(lián)合仿真技術(shù)，提供了一種可驗(yàn)證的仿真平臺(tái)

。1.3.1建立了機(jī)電聯(lián)合仿真評(píng)估的環(huán)境

1.3MCD的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

把多專業(yè)研發(fā)技術(shù)部門、人員整合在統(tǒng)一的設(shè)計(jì)環(huán)境上?？傮w設(shè)計(jì)部門在此環(huán)境中能夠?qū)Ξa(chǎn)品的總體需求、功能等進(jìn)行定義和拆分。機(jī)械結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)工程師在此環(huán)境中能夠進(jìn)行三維建模及機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。電氣工程師在此環(huán)境中能夠進(jìn)行電機(jī)選配安裝、傳感器安裝、乃至線束、線纜布置等方面的設(shè)計(jì)。自動(dòng)化與控制編程工程師能夠在此環(huán)境中對(duì)控制邏輯和設(shè)備動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行時(shí)序、事件等的控制編程與設(shè)計(jì)。1.3.2支持多專業(yè)聯(lián)合設(shè)計(jì)與調(diào)試

1.3MCD的技術(shù)優(yōu)勢(shì)定義設(shè)計(jì)需求①搜集、構(gòu)建如響應(yīng)時(shí)間和消耗等項(xiàng)目設(shè)計(jì)的必要條件；②添加源于主條件的次要需求條件；③把各個(gè)需求條件連接一起；④添加各個(gè)需求的詳細(xì)信息。創(chuàng)建功能模型①定義系統(tǒng)的基本功能；②基于功能分解，進(jìn)行分層處理；③為功能設(shè)計(jì)建立可選項(xiàng)；④可重用的功能單元；⑤參數(shù)化表達(dá)功能單元的輸出和需求的必要條件。創(chuàng)建邏輯模型①定義系統(tǒng)的邏輯模塊；②基于功能分解，進(jìn)行分層處理；③為功能設(shè)計(jì)建立可選項(xiàng)；④可重用的功能單元；⑤參數(shù)化模塊使其與模塊功能相結(jié)合。1.3.3典型的工作流程

1.3MCD的技術(shù)優(yōu)勢(shì)創(chuàng)建連接以表明功能單元與邏輯塊之間的從屬關(guān)系。定義機(jī)電概念①草擬機(jī)器的基本外觀；

②為功能單元和邏輯塊分配機(jī)械對(duì)象；

③添加運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件。添加基本的物理學(xué)約束和信號(hào)①添加基本的物理學(xué)速度約束和位置執(zhí)行器；

②添加信號(hào)適配器；③為功能單元和邏輯塊分配信號(hào)適配器對(duì)象；定義時(shí)間順序執(zhí)行序列①定義執(zhí)行器操作控制源；②設(shè)計(jì)基于時(shí)間的執(zhí)行序列；

③為相應(yīng)的功能樹分配執(zhí)行操作；④為對(duì)應(yīng)的邏輯樹分配執(zhí)行操作；

1.3.3典型的工作流程1.3MCD的技術(shù)優(yōu)勢(shì)添加傳感器，用于觸發(fā)系統(tǒng)中各個(gè)帶有傳感對(duì)象組件的碰撞事件，或者被設(shè)定為信號(hào)適配的傳感器定義基于操作的事件①定義能夠被事件觸發(fā)的操作，觸發(fā)條件可以是傳感器或機(jī)電系統(tǒng)中的其它對(duì)象，如執(zhí)行器是否到達(dá)了某個(gè)位置等；②為功能樹中相關(guān)的功能分配操作；用詳細(xì)的模型替換概念模型，并且轉(zhuǎn)換物理對(duì)象從粗糙幾何體到詳細(xì)幾何體。用ECAD分配傳感器和執(zhí)行器。依照PLCOpenXML格式導(dǎo)出順序操作，在STEP7等PLC工程軟件中實(shí)現(xiàn)順序操作的編程；通過OPC連接來測(cè)試PLC程序的功能。

1.3.3典型的工作流程1.3MCD的技術(shù)優(yōu)勢(shì)1.3.4案例賞析1.3