基于NX MCD的機電概念設計與虛擬驗證協同的研究

王俊杰，戴春祥，秦榮康，熊雪平

（1.上海大學，上海 201803；2.上海大學延長校區，上海 200072；3.西門子工業軟件上海有限公司，上海 200042）

0 引言

機電一體化由多學科交叉組成，而概念設計表現為由簡單到精細的過程，在機電一體化中融入概念設計可使設計更靈活[1,2]。西門子MCD是一種前沿的機電一體化概念設計系統，支持機械、電氣和自動化多學科聯合設計與仿真，是“工業4.0”背景下的新興產品。

UG作為高端三維設計軟件，具有CAD/CAM/CAE等多種模塊。MCD作為其中機電一體化概念設計模塊，集成了運動仿真和力學分析的功能。MCD通過可控的運動副約束設計好的模型，使執行機構按照既定計劃運動。OPC是用于過程控制的工業標準，其包括一整套接口、屬性和方法的標準集，能用于過程控制和制造業自動化系統，允許基于Windows的應用程序和現場過程控制應用相互交換數據。本文提出一種基于MCD系統的設計理論，有效結合了虛擬調試與概念設計，同時分析如何使用OPC技術，實現外部虛擬PLC信號對MCD系統內部的概念模型進行驅動，實現該設計理論，并用某數控機床的概念模型作為實例進行驗證說明。

1 原理與方法

1.1 V型模型設計方法

在機電產品設計中，過程模型是很有效率且結構良好的設計模型。V型模型[3]是一種十分重要的過程設計模型，是系統工程的精髓。基本過程是先提出機電產品開發的需求，后進入設計工程部分時進行分解。分別在機械設計、軟件和電氣設計模塊中進行建模與分析，然后系統整合。如有缺陷，再到設計工程修改，最后生成解決方案。

1.2 FBS模型設計方法

Fuction-Behavior-Structure模型認為行為是功能的動態呈現，能夠給用戶最直接的視覺效果展示[4]。如圖1所示，機電一體化產品設計借助于計算機輔助系統，其設計過程、功能、行為及結構層自身具有層次化特型。每個層次的修改都對應不同層次的創新，符合設計要求，利于實現。可稱FBS模型為基于知識的層次化設計方法。

圖1 FBS模型構架圖

1.3 基于MCD系統的設計理論

本文提出一種基于MCD系統的設計原理，主要集成了V模型、FBS模型概念。如圖2所示，當用戶進入方案設計階段，可根據需求分模塊設計。由于MCD系統與相關的電氣、機械及自動化控制軟件已互有接口，各領域的工程師設計完對應的產品模型后集成到MCD系統進行調試驗證，并評估調試方案，直至修改通過。為后續詳細與優化設計夯實了基礎，且無需做出實物樣機，節約成本。

圖2 基于MCD的設計原理圖

1.4 基于OPC的數據交換的實現原理

基于OPC技術的MCD系統正逐漸支持與PLC數據通訊，此過程可由圖3描述。在MCD和PLC的連接處理上，MCD端用Signal Mapping（信號映射）關聯處理OPC服務器傳送的信號，然后按照接收到的信號指示MCD仿真運動，其克服了其他仿真系統需先解算后運行的非實時性，能實現PLC控制概念樣機實時運動。

圖3 MCD與PLC數據通訊原理圖

2 實例驗證

設計數控機床需考慮到機床實際工況。在并行設計時，結構、控制工程師能通過上述理論在設計早期就對概念產品進行虛擬調試。以下通過圖4所示某數控機床概念模型的設計實例來驗證理論。

2.1 定義仿真邏輯控制

MCD系統能定義運動仿真控制，可重用機電產品的結構模型。本文需在數控機床上添加相關物理定義、信號等，然后控制運動進行驗證。在機床工作中，取刀、卸刀、換刀及加工需分別如圖5所示定義“仿真邏輯控制序列”，相當于樣機在仿真運行中的一系列控制操作順序。

圖4 某數控機床概念模型

圖5 部分數控機床仿真邏輯控制序列

2.2 信號控制模型知識庫設計

在虛擬調試時，需通過OPC進行數據交換。動作定義完成后就需設置MCD Signal，響應虛擬調試時的外部控制信號。通過裝載外部信號變量，控制仿真模型運動。再定義MCD信號與外部信號的映射關系，用于外部信號和MCD信號的匹配和數據交換。圖6便是MCD Signal與外部OPC信號的關聯配置。

圖6 OPC信號映射配置

通過以上設置，外部的信號值變化后，MCD內部讀取相應信號值并響應，通過仿真邏輯序列完成機床工作。

表1 PLC信號與OPC信號對應關系

2.3 PLC信號與OPC信號

控制人員此時可根據機床樣機的運動控制情況進行PLC編程，設計梯形圖如圖7所示。

圖7 部分PLC梯形程序圖

各信號參數如表1所示，這樣通過PLC控制界面對信號值進行操作，對應的OPC信號也同步進行改變。MCD獲取OPC信號的值后實時響應，從而完成取刀、換刀、卸刀和加工工件的動作。

2.4 MCD系統虛擬調試

本文使用PLCSim與MCD進行虛擬調試驗證。圖8為PLCSim信號監視器正在控制MCD系統內的機床樣機進行加工工作，通過監視器各模塊的開關來發射各種基于OPC通訊協議的信號，控制機床樣機的換刀、加工等運動。信號發生后，經由OPC服務器傳遞到MCD，則機床樣機的實時行為可在MCD界面上得到虛擬驗證。

3 結束語

圖8 PLCSim控制MCD系統進行虛擬驗證

本文基于NX MCD系統提出了一種虛擬調試與概念設計并行的機電產品設計方法并用實例加以驗證，該方法能在早期及時發現方案缺陷。通過不斷修改驗證，直到概念設計方案基本確定，結構工程師便可繼續詳細建模。在今后的開發工作中，需優化更多能將概念設計與虛擬驗證緊密結合的功能，進一步縮短開發成本，提高并行設計效率。