數(shù)字孿生技術(shù)在機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)平臺的應(yīng)用研究

徐 蔓

（廣東省機(jī)械技師學(xué)院，廣東 廣州 510450）

1 研究背景

黨的“十四五”規(guī)劃指出，要加強(qiáng)關(guān)鍵數(shù)字技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用、加快推動數(shù)字產(chǎn)業(yè)化、推進(jìn)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。在互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、數(shù)字孿生、人工智能等新一代信息技術(shù)蓬勃發(fā)展的今天，新形態(tài)、新技術(shù)的產(chǎn)生對技術(shù)技能人才提出了更高要求[1]。越來越多的中國企業(yè)正在數(shù)字化浪潮中嶄露頭角。截至2023年5月底，中國累計(jì)培育出1 700多家引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展的數(shù)字化車間和智能工廠，具有一定區(qū)域和行業(yè)影響力的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺超過240個(gè)，重點(diǎn)平臺連接設(shè)備超過8 900萬臺（套），因此，研究數(shù)字孿生技術(shù)，完成機(jī)電一體化設(shè)備教學(xué)實(shí)訓(xùn)的仿真調(diào)試，不僅能夠解決教學(xué)設(shè)備數(shù)量不足、學(xué)習(xí)門檻高、設(shè)備調(diào)試難度大、依賴實(shí)體設(shè)備程度高等問題，還能夠讓學(xué)生掌握數(shù)字孿生技術(shù)，提升自身綜合能力及專業(yè)水平，適應(yīng)新的發(fā)展趨勢。

2 機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)設(shè)備介紹

機(jī)電一體化綜合實(shí)訓(xùn)設(shè)備采用鋁合金型材結(jié)構(gòu)，配有井式供料單元、皮帶傳送單元、貨物檢測單元、材料分揀單元、行走機(jī)械手單元、斜滑道模塊單元、載貨臺單元、電機(jī)模塊、平面?zhèn)}儲單元、鉆銑加工單元、多工位裝配單元、觸摸屏單元、控制器單元、電源單元、變頻器驅(qū)動單元等15個(gè)工作單元。

機(jī)電一體化綜合實(shí)訓(xùn)設(shè)備涵蓋氣動技術(shù)、傳感器檢測技術(shù)、直流電機(jī)驅(qū)動技術(shù)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動技術(shù)、伺服電機(jī)驅(qū)動技術(shù)、觸摸屏應(yīng)用技術(shù)、上位機(jī)監(jiān)控技術(shù)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)、PLC控制技術(shù)、系統(tǒng)故障檢測技術(shù)、機(jī)械結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)安裝調(diào)試技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、運(yùn)動控制技術(shù)等，同時(shí)還能進(jìn)行團(tuán)隊(duì)精神、合作精神、組織能力的培養(yǎng)等訓(xùn)練。

設(shè)備選取典型工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，采用多種控制器對其進(jìn)行控制，提高了設(shè)備的利用效率。在學(xué)習(xí)時(shí)可以對每個(gè)典型生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行單獨(dú)訓(xùn)練，在單獨(dú)訓(xùn)練完成后進(jìn)行綜合訓(xùn)練。工作任務(wù)也采取由淺入深的模式，最終實(shí)現(xiàn)每個(gè)技能都得到系統(tǒng)的學(xué)習(xí)。

設(shè)備均是模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)典型工作環(huán)節(jié)均可進(jìn)行拆裝調(diào)試，各環(huán)節(jié)可以進(jìn)行多種豐富的組合，使實(shí)訓(xùn)更加靈活。

3 機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)設(shè)備的數(shù)字孿生應(yīng)用研究過程和實(shí)現(xiàn)方法

3.1 技術(shù)路線

首先對機(jī)電一體化設(shè)備進(jìn)行幾何建模，如圖1所示，然后對功能需求進(jìn)行分析，根據(jù)整個(gè)功能需求將系統(tǒng)進(jìn)行分解，分解成機(jī)械模塊、控制模塊等，對各個(gè)子模塊分別進(jìn)行建模，然后集成并進(jìn)行仿真調(diào)試驗(yàn)證，最后對整個(gè)過程進(jìn)行規(guī)范化。

圖1 機(jī)電一體化設(shè)備模型

3.2 數(shù)字孿生軟件選用

機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)解決方案（Mechatronics Concept Designer，MCD）是支持硬件在線調(diào)試的產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺。作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的一個(gè)落地實(shí)現(xiàn)平臺，MCD可以縮短產(chǎn)品調(diào)試的試驗(yàn)時(shí)間，減少設(shè)計(jì)成本，降低創(chuàng)新設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)，管理產(chǎn)品設(shè)計(jì)全過程的信息。NX MCD主要用于模擬機(jī)械零件和組件的運(yùn)動行為，通過數(shù)字化方式1:1拷貝工廠物理對象，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的虛擬仿真與評估[2]。同時(shí)，可以通過CAD模型看到這臺機(jī)器，在開發(fā)過程中提前預(yù)判出錯(cuò)的可能，從而可以避免這些風(fēng)險(xiǎn)帶來代價(jià)高昂的生產(chǎn)與客戶問題。

NX MCD為產(chǎn)品的機(jī)電一體化并行設(shè)計(jì)提供了平臺，使虛擬設(shè)計(jì)與物理制造之間有效融合，同時(shí)提高了產(chǎn)品生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)損耗。該軟件的機(jī)電一體化解決方案開啟了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的新思路，它可以使設(shè)計(jì)人員充分施展各種創(chuàng)意，在所有領(lǐng)域，由始至終進(jìn)行全過程的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。該解決方案使工程設(shè)計(jì)人員只需幾步即可獲得機(jī)電一體化產(chǎn)品中常見的物理對象和自動化相關(guān)行為的概念仿真。同時(shí)，NX MCD機(jī)電一體化的解決方案能夠縮短產(chǎn)品上市的時(shí)間，幫助企業(yè)在市場競爭中搶占先機(jī)；通過在產(chǎn)品開發(fā)初期支持不同部門協(xié)同工作以及可重復(fù)使用現(xiàn)有設(shè)計(jì)，幫助傳統(tǒng)機(jī)械制造企業(yè)從單部門串行設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)型為多部門并行研發(fā)，以加快產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)速度，從而提升競爭力[3]。

3.3 實(shí)施過程

3.3.1 傳輸單元模型屬性配置

步驟1：選擇機(jī)電一體化設(shè)備中的傳輸帶，定義剛體屬性（圖2），定義完成后會給傳輸帶質(zhì)量屬性。

圖2 定義剛體

步驟2：定義碰撞體（圖3）。對于有接觸和力的傳遞部件，需要在其剛體屬性的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行碰撞體定義。

圖3 定義碰撞體

步驟3：定義運(yùn)動副（圖4）。對于傳輸帶運(yùn)動需要定義其運(yùn)動副才能運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖4 選擇運(yùn)動副

步驟4：添加位置控制（圖5）。MCD只提供了兩種類型的執(zhí)行機(jī)構(gòu)：速度控制和位置控制。執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要添加到具體的運(yùn)動副上面，對運(yùn)動副起到驅(qū)動的作用。兩種類型雖然方式不同，但是可以達(dá)到同一個(gè)運(yùn)動效果。

圖5 添加位置控制

步驟5：添加仿真序列（圖6）。每個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)都對應(yīng)有一個(gè)基于時(shí)間的操作，且各個(gè)操作之間的順序是基于時(shí)間概念排列的。也就是說，每一個(gè)速度控制和位置控制都對應(yīng)有一個(gè)時(shí)間序列，有且都必須有。根據(jù)時(shí)間序列來定義動作的開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間。

圖6 添加仿真序列

步驟6：添加信號（圖7）。MCD可以創(chuàng)建多種信號，這種信號均在符號表內(nèi)保存。信號的創(chuàng)建主要是源于之前所創(chuàng)建的傳感器、速度控制量、位置控制等[4]。與此同時(shí)，該信號可以通過信號適配器與外部OPC的信號進(jìn)行匹配。當(dāng)所有的信號都建立以后，與外部PLC程序進(jìn)行連接，同時(shí)運(yùn)行PLC程序和MCD程序進(jìn)行仿真。這時(shí)操作外部觸摸屏對設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行控制，以查看設(shè)備在PLC控制程序下的運(yùn)動是否符合設(shè)計(jì)要求。

圖7 添加信號

步驟7：編寫PLC程序并開啟高級仿真。PLCSIM Advanced能夠仿真S7-1500系列PLC（圖8），可在虛擬調(diào)試的過程中作為機(jī)械的控制器，驅(qū)動控制MCD模型的運(yùn)動。綜上所述，NX MCD平臺和PLCSIM Advanced平臺分別提供準(zhǔn)確的物理模型和虛擬PLC，為虛擬仿真提供了真實(shí)的物理場仿真環(huán)境，保證了虛擬仿真結(jié)果的可靠性，確保了虛擬仿真系統(tǒng)的可行性[5]。

圖8 PLC高級仿真

步驟8：完成外部信號適配器連接并做好信號映射（圖9）。

圖9 信號映射

3.3.2 觸摸屏畫面組態(tài)與設(shè)計(jì)

為保證仿真功能及效果，本次研究采用西門子TP700精智系列觸摸屏，該觸摸屏具有7.0寸TFT顯示屏，800×480像素，16M色；1個(gè)MPI/PROFIBUS DP，1個(gè)支持MRP和RT/IRT的PROFINET/工業(yè)以太網(wǎng)接口。開發(fā)界面如圖10所示。

圖10 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

3.3.3 綜合仿真調(diào)試

完成相關(guān)配置后，使用觸摸屏、PLC、MCD進(jìn)行相應(yīng)的虛擬仿真，點(diǎn)擊虛擬觸摸屏啟動按鍵，系統(tǒng)開始工作。傳輸帶向前移動，通過虛擬仿真，驗(yàn)證了機(jī)電一體化平臺基于NX MCD的虛擬仿真的可行性。仿真效果如圖11所示。

圖11 仿真效果

4 總結(jié)與感悟

本文通過NX MCD完成了機(jī)電一體化教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺的仿真應(yīng)用，以機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)平臺傳輸單元為基礎(chǔ)，進(jìn)一步完善各單元仿真功能，可以真正實(shí)現(xiàn)整套設(shè)備的數(shù)字孿生仿真應(yīng)用，幫助更多學(xué)生快速完成該平臺的學(xué)習(xí)、編程、調(diào)試。通過本文對數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的研究，筆者有以下幾點(diǎn)感悟：

（1）虛擬仿真教學(xué)。數(shù)字孿生技術(shù)可將現(xiàn)實(shí)世界中的對象和過程數(shù)字化，在虛擬空間中進(jìn)行仿真。在教育領(lǐng)域，這意味著學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、操作和演練，這對于教學(xué)過程中的安全性和效率都有很大的提升。

（2）個(gè)性化教育。數(shù)字孿生技術(shù)可以通過收集學(xué)生的個(gè)性化數(shù)據(jù)，如學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)習(xí)慣等，來制定個(gè)性化教育計(jì)劃，以滿足不同學(xué)生的需求。例如，學(xué)生在虛擬環(huán)境中學(xué)習(xí)時(shí)，系統(tǒng)可以根據(jù)學(xué)生的表現(xiàn)和反饋，自動調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和難度，使教學(xué)更加符合學(xué)生的需要。

（3）虛擬學(xué)習(xí)空間。數(shù)字孿生技術(shù)可以構(gòu)建虛擬學(xué)習(xí)空間，使學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行學(xué)習(xí)和交流。這種虛擬學(xué)習(xí)空間可以為學(xué)生提供更加豐富的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，例如，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行三維模型的觀察和操作，以更好地理解復(fù)雜的概念和知識。