基于數字孿生的機電系統虛擬調試應用

亢宗楠，康獻民，李宏宇，羅源昌，張迅

(五邑大學，廣東 江門 529000)

0 引言

數字化轉型是我國經濟社會未來發展的必由之路。未來，絕大多數企業都將成為數字化的公司，這不只是要求企業開發出具備數字化特征的產品，更要通過數字化手段改變整個產品的設計、開發、制造和服務過程，并用數字化的手段連接企業的內部和外部環境[1]。

與發達國家相比，中國雖然對數字孿生的關注和研究相對較晚，但在2019 年已形成迎頭追趕的趨勢。趙黎暢等[2]結合綠色設計的思想,歸納、提煉出了一套完整的機電一體化產品設計方法,并以冷藏箱為例對新產品設計進行評估,表明所提出的機電一體化設計方法具有廣泛的普適性。ZHENG C等[3]提出通過建立不同產品數據模型及具體標準來支持機電一體化系統開發過程,實現機電一體化協同設計以及設計過程的優化。虛擬原型技術也被應用到了機電一體化設計方法中,例如通過利用NI SoftMotion構建SolidWorks與LabVIEW綜合設計環境和建立機電一體化虛擬原型,可實現機械、電氣和控制等多領域的協同仿真設計,縮短產品開發周期,為機電一體化設計提供了新的技術方法[4-5]。

從設計平臺方面，德國FESTO開發的FluidSIM Pneumatics軟件平臺可實現氣壓傳動機電一體化系統的集成設計與仿真。在該軟件平臺上,可進行氣動元件及回路、電氣控制系統和PLC布線等的設計和模擬,通過不斷修改氣動回路及其參數,使氣動回路及電控系統等達到最優設計要求,為實際的安裝調試提供指導[6]。

本文重點介紹在產品設計階段，依托數字孿生開展產品可靠性仿真和分析，進而開展設計改進和可靠性提高等工作。

1 數字孿生

1.1 數字孿生概念產生與發展

數字孿生，英文名叫digital twin，也被稱為數字映射、數字鏡像。它是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程[7]。簡單來說，數字孿生就是在一個設備或系統的基礎上，創造一個數字版的“克隆體”。

數字孿生是源自工業界的概念。在工業制造領域，人們非常關注產品生命周期管理(PLM)。全生命周期，是指數字孿生可以貫穿產品包括設計、開發、制造、服務、維護乃至報廢回收的整個周期。它并不僅限于幫助企業把產品更好地造出來，還包括幫助用戶更好地使用產品。而實時/準實時，是指本體和孿生體之間，可以建立全面的實時或準實時聯系。兩者并不是完全獨立的，映射關系也具備一定的實時性。雙向，是指本體和孿生體之間的數據流動可以是雙向的，并不是只能本體向孿生體輸出數據，孿生體也可以向本體反饋信息。企業可以根據孿生體反饋的信息，對本體采取進一步的行動和干預。圖1為典型數字孿生模型。

圖1 生產流程數字孿生模型

1.2 數字孿生的應用

“數字孿生”本出自航空航天領域，為的就是解決航空航天飛行器的維護與安全保障。中國的航空航天事業這幾年獲得了突飛猛進的成果，這離不開中國航天人攻堅克難、勇于創新的精神，也離不開數字孿生這個先進的科學技術。

我國自主研制的探問一號于2020年7月23日發射升空，經歷了1次深空機動和4次中途修正，成功進入火星軌道。隨后，天文一號成功穿越火星大氣層，在火星表面著陸，開啟探月之旅。實現這么復雜的科學任務就是運用了數字孿生技術。由于天文一號無法通過實物實驗測試它的產品性能，進行設計方案修改，不斷迭代優化。在其研制過程中，科學家首先建立數字孿生模型，進行全數字化仿真。在樣機制作出來后用軟件模擬運行環境進行半實物仿真。在它飛向太空和著陸火星的過程中，則通過回傳實時信號對數字孿生模型進行仿真分析，判斷飛行軌跡和運行狀態是否正常。

由此可見，數字孿生技術對于產品設計階段排查問題尤為重要。下面以西門子公司軟件NX12.0的機電概念設計模塊(MCD)為例，重點講解在機械手開發中應用虛擬調試過程(圖2)。

圖2 MCD產品設計平臺

首先要創建一個機械手的數字孿生即虛擬設備，虛擬設備構成主要有三部分，即物理和運動系統模型、電氣控制和執行機構、自動化模型。其中，物理和運動系統模型主要是機械組件，比如設備主體、輸送帶、工裝夾具等；電氣和執行機構主要是一些觸發條件和執行機構設置，例如驅動器、傳感器等；自動化模型是PLC程序和相應的OPC軟件。

2 建立虛擬設備模型

由于數字孿生是物理資產的準確表征，而復雜的運動都是由各種基本運動組合而成，了解各種基本運動的原理，才能仿真其他復雜的運動。在NX12.0的環境下，可以先建立好三維模型，再對三維模型的組件通過定義剛體、碰撞體、對象源、傳輸面等來表征物理特性，再定義好構件之間的相互關系。

盧成功仍舊笑瞇瞇地說：“啊，這事也只是我們的一種猜測，請毛夫人來也只是確認一下，或許事情并不那么糟？”

2.1 機電基礎構件

數字模型只有添加了剛體屬性才能受到重力或者其他作用力的影響。如果定義某個剛體，那么它就會受重力影響下落。如果模型沒有定義剛體，它就會靜止，而且不會參與到其他運動中。

碰撞體是物理組件的一類，它要與剛體一起添加到幾何對象上才能觸發碰撞。如果兩個剛體相互撞在一起，除非兩個對象都定義有碰撞體時物理引擎才會計算碰撞。在物理模擬中，沒有碰撞體的剛體會彼此相互穿過[8]。

根據實際情況可以選擇自動質量屬性和慣性矩進行自定義。這里以機械手第三軸為例講解，設置第三軸剛件如圖3所示。因為第三軸要夾持一個水龍頭進行銑削，那么第三軸需要整體旋轉，所以要把整個第三軸圍繞軸心的物件都設置為剛體。同理，設置其他運動的物件如圖4所示。

圖3 設置第三軸剛體

圖4 剛體設置

在了解機械手實際運動原理的基礎上，對模型進行基礎構件的定義，為后期虛擬調試做準備。

2.2 運動副

在確定好機電基本構件后，需定義構件之間的相互關系，NX12.0提供了柱面副、球副、鉸鏈副、滑動副、固定副等運動副。其中，鉸鏈副具有一個旋轉自由度，它只能繞某一軸線作相對轉動。柱面副具有兩個自由度：一個旋轉自由度，一個平移自由度。球副具有三個旋轉自由度。滑動副具有一個平移自由度。固定副所有自由度均被約束，自由度個數為0。

下面以第三軸鉸鏈副設置為例分析。連接件是旋轉的部分，固定件是相對于“連接件”不動的部分。“指定軸矢量”是用于設置旋轉的方向，如果動畫旋轉的方向是反方向，可以在此調整。 “錨點”是指沿著哪個中心旋轉。具體見圖5。

圖5 第三軸鉸鏈副的設置

3 電氣控制和執行機構

3.1 傳感器

NX12.0版本中，共提供了9種不同種類的傳感器，最常用的是碰撞傳感器、距離傳感器、位置傳感器。這些傳感器一般是作為動作觸發的條件，與外部通信時作為輸出信號。譬如“距離傳感器”是利用距離來收集觸發事件。

3.2 執行機構

執行機構，顧名思義就是在觸發某個傳感器后執行的動作。NX12.0提供了8個執行機構，其中，“速度控制”和“位置控制”最為常用。

速度控制使指定運動副的軸以設置的速度運動。如果希望控件以恒定速度運行，可給速度賦值。如果控件在每個階段或者每個動作速度都不同，則先賦值為0，在后面設置信號時再給速度賦值。

位置控制使運動副的軸以設置的速度運動到設置好的位置，并且限制了運動副的自由度。到達位置的方式有4種：沿最短路徑、順時針、逆時針和跟蹤多圈。

4 自動化模型

4.1 建立仿真序列進行MCD仿真

設置仿真序列的目的：在沒有外部虛擬或真實控制系統參與的情況下，在NX12.0內進行MCD虛擬仿真。這里以機械手為例(圖6)，編輯機械手運動的MCD仿真時，需要點擊“選擇對象”把設置好的位置和速度控制選中。在運行時參數中勾選“速度”或者“定位”，并賦予數值來實現定量控制。如果這個動作有觸發條件，需要在“選擇條件對象”中勾選對應的傳感器，并在條件選項中設置觸發的條件。

圖6 仿真序列設置

4.2 建立虛擬控制系統

PLC是一種控制系統, 它的作用與微型計算機相似, 所負責的工作是采集數據和處理數據。PLC本身有獨立CPU、控制面板以及I/O口等, 能夠基于實際條件來獨立完成數據采集、數據處理以及數據編程等。在具體應用中, 將PLC技術應用于梯形圖中, 將有利于對復雜邏輯的簡化處理, 大大提高程序的數據處理效率[9]。本文選擇三菱PLC(可編程邏輯控制器)進行編程，與其通信的軟件選擇MX OPC。MX OPC 是三菱OPC服務軟件，能適用于三菱全系列PLC和組態軟件的連接。

在三菱PLC軟件中編寫 PLC 控制程序，從控制的便捷和高效性著手，選擇時間控制順序或事件觸發控制順序來設計。

與此同時，根據虛擬的I/O端口分配表，需要設置MX OPC UA軟件里對應的虛擬信號，并在監控視圖(Moaitor view)下可觀察OPC與PLC通信情況(圖7)。

圖7 OPC信號監測

4.3 建立模型與虛擬控制系統的映射關系

將三菱PLC中的輸入、輸出變量與 NX12.0中的 MCD 輸入、輸出信號建立信號聯系， 從而達到 三菱PLC 中的輸出信號作為 NX12.0中的 MCD 輸入信號，反之三菱PLC 中輸入信號作為 NX12.0的 MCD 輸出信號。

在NX12的菜單—首選項—外部信號配置，在設置沒有問題的情況下會自動連接。首先要把所有信號勾選上，然后點擊“信號映射”，選中自動映射(前提是PLC里的信號名稱與NX12.0的信號名稱對應)。

4.4 通過虛擬調試試驗驗證設計的可用性

啟動虛擬三菱PLC程序，就可以在線監控三菱PLC 控制程序的運行情況；同時打開NX12.0的 MCD 中運行虛擬設備模型，并將需要查看的動作添加到觀察器中，這時可以觀察到程序控制的運動情況。圖8是PLC通過OPC控制MCD圖，通過觀察虛擬設備模型的運動和控制邏輯仿真，可以優化改進模型的尺寸，并發現構件之間的干涉情況。

圖8 PLC通過OPC控制MCD

5 總結

新生產系統的設計和實施通常是耗時且高成本的過程，完成設計、采購、安裝后，在移交生產運行之前還需進行調試。如果在開發過程中任何地方出現錯誤而沒有被發現，那么每個開發階段的錯誤成本將大大增加，未檢測到的錯誤可能會在調試期間造成設備重大的損壞。

通過對設備虛擬調試驗證可行性后(圖9)，再進行實物加工(圖10)。實驗證明，基于數字孿生的MCD仿真技術，通過聯合虛擬調試實現了對設備的設計仿真驗證，縮短了產品從設計到實際產品的時間；通過MCD與PLC通信仿真技術可以提前測試機械手運動部件，并發現機械手是否干涉，提前驗證PLC 編程正確性，使現場的調試速度更快，風險更低。

圖9 虛擬模型仿真

圖10 實際加工現場

6 展望

“數字孿生”作為智能制造發展的關鍵技術之一，將模型數字仿真與物理世界在產品中相結合，通過數字仿真結果來進行故障診斷，再依托工業互聯網，將眾多仿真產品都有序地互聯互通，最終實現整個產品產業鏈的嚴格把控。

NX12.0的MCD軟件在現階段已經能對一些通用工業自動化機械設備提供解決方案, 從需求設計到最終完成詳細設計, 在機電一體化產品概念設計領域, 它是目前較為完善的一個系統, 涉及多學科，集成范圍也最廣, 其中從虛擬調試發展成為半實物調試, 具有創新性的開發功能[10]，而且這種仿真調試的方法多種多樣，可以采用MCD自帶的仿真序列進行仿真，也可以采用虛擬設備與實際或者虛擬PLC聯調。因此它為機電系統設計帶來了更可靠的調試驗證手段和直觀的仿真畫面以及多種多樣調試方法。通過仿真數據還可以通過西門子的另外一款軟件進行伺服電機的選配，并將選配好的電機和整個機械手模型放在生產線上進行驗證，在系統中不斷迭代優化，最終得到理想的數字模型。