數字孿生技術在機電一體化實訓平臺的應用研究

徐 蔓

（廣東省機械技師學院，廣東 廣州 510450）

1 研究背景

黨的“十四五”規劃指出，要加強關鍵數字技術創新應用、加快推動數字產業化、推進產業數字化轉型。在互聯網+、大數據、云計算、數字孿生、人工智能等新一代信息技術蓬勃發展的今天，新形態、新技術的產生對技術技能人才提出了更高要求[1]。越來越多的中國企業正在數字化浪潮中嶄露頭角。截至2023年5月底，中國累計培育出1 700多家引領行業發展的數字化車間和智能工廠，具有一定區域和行業影響力的工業互聯網平臺超過240個，重點平臺連接設備超過8 900萬臺（套），因此，研究數字孿生技術，完成機電一體化設備教學實訓的仿真調試，不僅能夠解決教學設備數量不足、學習門檻高、設備調試難度大、依賴實體設備程度高等問題，還能夠讓學生掌握數字孿生技術，提升自身綜合能力及專業水平，適應新的發展趨勢。

2 機電一體化實訓設備介紹

機電一體化綜合實訓設備采用鋁合金型材結構，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、行走機械手單元、斜滑道模塊單元、載貨臺單元、電機模塊、平面倉儲單元、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、變頻器驅動單元等15個工作單元。

機電一體化綜合實訓設備涵蓋氣動技術、傳感器檢測技術、直流電機驅動技術、步進電機驅動技術、伺服電機驅動技術、觸摸屏應用技術、上位機監控技術、工業網絡通信技術、變頻調速技術、PLC控制技術、系統故障檢測技術、機械結構與系統安裝調試技術、人機接口技術、運動控制技術等，同時還能進行團隊精神、合作精神、組織能力的培養等訓練。

設備選取典型工業生產環節，采用多種控制器對其進行控制，提高了設備的利用效率。在學習時可以對每個典型生產環節進行單獨訓練，在單獨訓練完成后進行綜合訓練。工作任務也采取由淺入深的模式，最終實現每個技能都得到系統的學習。

設備均是模塊化設計，每個典型工作環節均可進行拆裝調試，各環節可以進行多種豐富的組合，使實訓更加靈活。

3 機電一體化實訓設備的數字孿生應用研究過程和實現方法

3.1 技術路線

首先對機電一體化設備進行幾何建模，如圖1所示，然后對功能需求進行分析，根據整個功能需求將系統進行分解，分解成機械模塊、控制模塊等，對各個子模塊分別進行建模，然后集成并進行仿真調試驗證，最后對整個過程進行規范化。

圖1 機電一體化設備模型

3.2 數字孿生軟件選用

機電一體化概念設計解決方案（Mechatronics Concept Designer，MCD）是支持硬件在線調試的產品設計平臺。作為產品設計階段的一個落地實現平臺，MCD可以縮短產品調試的試驗時間，減少設計成本，降低創新設計的風險，管理產品設計全過程的信息。NX MCD主要用于模擬機械零件和組件的運動行為，通過數字化方式1:1拷貝工廠物理對象，可以實現機構的虛擬仿真與評估[2]。同時，可以通過CAD模型看到這臺機器，在開發過程中提前預判出錯的可能，從而可以避免這些風險帶來代價高昂的生產與客戶問題。

NX MCD為產品的機電一體化并行設計提供了平臺，使虛擬設計與物理制造之間有效融合，同時提高了產品生產效率，降低了生產損耗。該軟件的機電一體化解決方案開啟了產品設計的新思路，它可以使設計人員充分施展各種創意，在所有領域，由始至終進行全過程的產品設計。該解決方案使工程設計人員只需幾步即可獲得機電一體化產品中常見的物理對象和自動化相關行為的概念仿真。同時，NX MCD機電一體化的解決方案能夠縮短產品上市的時間，幫助企業在市場競爭中搶占先機；通過在產品開發初期支持不同部門協同工作以及可重復使用現有設計，幫助傳統機械制造企業從單部門串行設計轉型為多部門并行研發，以加快產品設計研發速度，從而提升競爭力[3]。

3.3 實施過程

3.3.1 傳輸單元模型屬性配置

步驟1：選擇機電一體化設備中的傳輸帶，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上對其進行碰撞體定義。

圖3 定義碰撞體

步驟3：定義運動副（圖4）。對于傳輸帶運動需要定義其運動副才能運轉。

圖4 選擇運動副

步驟4：添加位置控制（圖5）。MCD只提供了兩種類型的執行機構：速度控制和位置控制。執行機構需要添加到具體的運動副上面，對運動副起到驅動的作用。兩種類型雖然方式不同，但是可以達到同一個運動效果。

圖5 添加位置控制

步驟5：添加仿真序列（圖6）。每個執行機構都對應有一個基于時間的操作，且各個操作之間的順序是基于時間概念排列的。也就是說，每一個速度控制和位置控制都對應有一個時間序列，有且都必須有。根據時間序列來定義動作的開始時間和結束時間。

圖6 添加仿真序列

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

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），可在虛擬調試的過程中作為機械的控制器，驅動控制MCD模型的運動。綜上所述，NX MCD平臺和PLCSIM Advanced平臺分別提供準確的物理模型和虛擬PLC，為虛擬仿真提供了真實的物理場仿真環境，保證了虛擬仿真結果的可靠性，確保了虛擬仿真系統的可行性[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 觸摸屏畫面組態與設計

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MPI/PROFIBUS DP，1個支持MRP和RT/IRT的PROFINET/工業以太網接口。開發界面如圖10所示。

圖10 觸摸屏界面設計

3.3.3 綜合仿真調試

完成相關配置后，使用觸摸屏、PLC、MCD進行相應的虛擬仿真，點擊虛擬觸摸屏啟動按鍵，系統開始工作。傳輸帶向前移動，通過虛擬仿真，驗證了機電一體化平臺基于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 總結與感悟

本文通過NX MCD完成了機電一體化教學實訓平臺的仿真應用，以機電一體化實訓平臺傳輸單元為基礎，進一步完善各單元仿真功能，可以真正實現整套設備的數字孿生仿真應用，幫助更多學生快速完成該平臺的學習、編程、調試。通過本文對數字孿生技術應用的研究，筆者有以下幾點感悟：

（1）虛擬仿真教學。數字孿生技術可將現實世界中的對象和過程數字化，在虛擬空間中進行仿真。在教育領域，這意味著學生可以在虛擬環境中進行實驗、操作和演練，這對于教學過程中的安全性和效率都有很大的提升。

（2）個性化教育。數字孿生技術可以通過收集學生的個性化數據，如學習興趣、學習習慣等，來制定個性化教育計劃，以滿足不同學生的需求。例如，學生在虛擬環境中學習時，系統可以根據學生的表現和反饋，自動調整教學內容和難度，使教學更加符合學生的需要。

（3）虛擬學習空間。數字孿生技術可以構建虛擬學習空間，使學生可以在虛擬環境中進行學習和交流。這種虛擬學習空間可以為學生提供更加豐富的學習體驗，例如，學生可以在虛擬環境中進行三維模型的觀察和操作，以更好地理解復雜的概念和知識。