基于數字孿生技術的機電一體化虛擬實訓設備設計與開發(fā)

摘" 要：該文以數字孿生技術為基礎，通過NX MCD軟件構建SX-815Q機電一體化綜合實訓設備的加蓋擰蓋單元模型，建立一套實訓仿真系統(tǒng)，并用于機電一體化專業(yè)學生實際操作中，能夠以近乎真實的場景，進行深入的專業(yè)綜合訓練，提升學生的專業(yè)技能和實踐能力，取得良好效果。

關鍵詞：機電一體化;數字孿生;NX MCD;加蓋擰蓋單元;實訓仿真系統(tǒng)

中圖分類號：TP391.9" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）09-0042-04

Abstract： This paper is based on digital twin technology， using NX MCD software to construct a model of the cover-adding and cover-tightening unit of the SX-815Q electromechanical integration comprehensive training equipment. A set of practical training simulation system has been established and used by students majoring in electromechanical integration to conduct in-depth professional comprehensive training in a nearly real-life scenario. This approach has effectively improved students' professional skills and practical abilities， achieving good results.

Keywords： mechatronics; digital twin; NX MCD; capping unit; training simulation system

機電一體化技術是一種綜合性的技術，包括機械技術、電子技術、自動控制技術、計算機技術、工業(yè)機器人技術等多個領域，專業(yè)人才培養(yǎng)離不開實訓設備，機電一體化綜合實訓設備SX-815Q是機電一體化、電氣自動化及工業(yè)機器人等專業(yè)進行技能訓練的關鍵設備之一，但在實踐教學過程中存在實驗設備數量少，學生數量多的矛盾問題，實訓設備短缺造成學生缺乏有效訓練時間，在專業(yè)方向學習過程中打不牢基礎，降低了競爭力。

數字孿生是一種虛擬技術，也稱為數字映射、數字雙胞胎，通過建立物理系統(tǒng)的數字模型，實現對物理系統(tǒng)的實時監(jiān)控、優(yōu)化和預測。數字孿生技術在現代制造業(yè)中具有廣闊的應用前景，可以幫助企業(yè)快速構建虛擬樣機，實現對產品設計的優(yōu)化和驗證;可以實時監(jiān)控生產線的運行狀態(tài)，發(fā)現潛在問題，提高生產效率;可以通過預測設備故障，提前采取必要的維護措施，以最大程度地減少設備故障可能造成的損失;可以實現生產過程的智能化管理，提高生產的自動化水平和質量控制能力。將數字孿生技術應用于實踐教學過程，國內積累了豐富的應用案例，例如：汪浩等[1]基于Siemens NX軟件MCD模塊，建立了桁架式機器人的三維數字模型，并通過SIMIT軟件實現該三維模型與控制程序的信號交換，并在此數字孿生模型的基礎上，完成了上下料系統(tǒng)的機電一體化仿真和虛擬調試;田申等[2]指出數字孿生等智能技術的發(fā)展將對教育技術的變革帶來深遠影響;陳勇強等[3]采用Solidworks軟件和VUP虛擬仿真工具，模擬實際物料分揀制造單元，開發(fā)相應的虛擬仿真系統(tǒng)。

本研究利用NX MCD軟件搭建SX-815Q機電一體化綜合實訓設備的加蓋擰蓋單元，以此引導學生使用數字孿生技術，深入探討機電一體化技術內在關系，掌握高技能，為向制造業(yè)智能化轉型打下基礎。基于此設備開發(fā)機電一體化仿真平臺，逐步建設虛實結合的實訓設備改善學生的實訓質量。

1" 虛擬實訓設備開發(fā)方案

機電一體化綜合實訓設備SX-815Q加蓋擰蓋單元（圖1）實現了將皮帶輸送到位的料瓶壓上瓶蓋并擰緊的功能，是從輕工業(yè)生產線中提煉出來，具有一定代表性的實訓設備，其具體工作原理如下：以單機單瓶調試為例（圖2），在單機狀態(tài)下，設備上電后處于初始狀態(tài)，主皮帶停止，推蓋氣缸、壓蓋氣缸、料瓶定位氣缸、擰蓋氣缸斷電，擰蓋電機停止。按“啟動”按鈕，主皮帶運行;當加蓋位檢測到料瓶時，延時至料瓶到達加蓋位置皮帶停止，加蓋定位氣缸伸出頂緊料瓶;推蓋氣缸推出瓶蓋，壓蓋氣缸下降，將瓶蓋加到料瓶上后兩氣缸縮回，加蓋完成，定位氣缸縮回且皮帶運轉;擰蓋位檢測到料瓶時，延時至料瓶到達擰蓋位位置，皮帶停止，擰蓋定位氣缸伸出頂緊料瓶，擰蓋電機運轉，擰蓋升降氣缸慢慢下降擰緊料瓶蓋，完成后擰蓋升降氣缸快速上升，擰蓋電機停止，定位氣缸縮回且皮帶運轉，料瓶被送入下一單元。單流程以料瓶位置為序，方便學生使用順序功能圖法編寫程序。

在設計虛擬實訓設備時，需要緊跟行業(yè)發(fā)展趨勢和企業(yè)的務實需求，不斷調整實訓內容，培養(yǎng)學生創(chuàng)新協作能力，提高學生理論結合實踐、解決實際問題的能力，在線下實訓設備訓練基礎上進行拓展，更加符合現代制造業(yè)的需求。在設計技術指標方面，我們需要關注以下幾點：虛擬實訓設備的模型應具有較高的精度，以保證實訓過程的真實性;實訓設備的操作界面應簡單明了，易于上手，以提高學生的學習興趣和積極性;在設計過程中，要充分考慮到實訓過程中可能出現的安全隱患，采取相應的安全措施，確保學生的人身安全。根據機電一體化專業(yè)的知識體系和技能需求，設計與實際生產環(huán)境相匹配的實訓項目，包括機械設計、電氣設計、液壓氣動設計、傳感器應用、PLC編程等內容。通過項目實訓，使學生能夠更好地掌握實際工作中所需要的技能。在設備設計過程中，充分考慮到教學需求，為虛擬設備配置教學資源庫，包括實訓指導手冊、案例分析、習題庫等，為教師和學生提供豐富的教學資源，以提高教學效果。

為滿足這些需求，我們將采取以下設計方案：數字化設計—物理模型搭建—虛擬仿真，并對任務進行優(yōu)化，以滿足不同學生的學習需求，提升設備的教學效果。在完成虛擬實訓設備的設計與測試后，將在教學中使用，并對設備的教學效果進行評估。通過對設備的實際應用，不斷完善設備設計方案，提高設備的教學效果。

2" 基于數字孿生技術的機電一體化虛擬實訓設備設計過程

2.1" 創(chuàng)建加蓋擰蓋單元三維模型

按功能分成3個子裝配體：加蓋裝置、擰蓋裝置、皮帶輸送及定位裝置，方便每個裝置單獨訓練。建模過程采用拆裝測繪的方式，力求精度準確，通過Solidworks或NX等軟件進行三維建模（圖2），然后過裝配過程中的配合定位，引導學生掌握尺寸精度及配合誤差的修正，三維模型在課堂上還可以分解為測繪、裝配及零件圖制作等學習任務。

2.2" 設置基本機電對象

在機電概念設計模塊中，賦予機電產品三維模型以機電屬性后才具有意義，把加蓋擰蓋單元需要執(zhí)行動作的零部件定義為剛體和碰撞體（圖3），由于瓶蓋需要穿過料筒，沿著送料氣缸安裝板及導向孔壓到瓶口上，因此料筒內部、安裝板表面、導向孔以及瓶蓋內表面，碰撞體類型需設置為網格面，瓶蓋才能穿過，壓在瓶口上，此處螺紋較短，應忽略。皮帶機定位擋塊與料瓶的接觸面為圓柱面，碰撞體類型也要設置為網格面。

2.3" 添加運動副以約束其運動

運動副設置（圖4）中，加蓋裝置定義推蓋和壓蓋2個氣缸動作，擰蓋裝置定義升降氣缸動作和旋轉電機動作，皮帶輸送裝置定義2個定位氣缸動作，每個動作需定義速度和位置范圍。由于仿真需要啟動、復位、停止、急停等按鈕，還需要設置按鈕所需的滑動副和彈簧阻尼器。

2.4" 定義傳感器與執(zhí)行器

加蓋擰蓋單元氣缸的行程開關大多采用磁電式接近開關，但在MCD模塊中，不容易直接檢測到氣缸活塞動作，而限位開關可以實現與磁電式接近開關相同的行程控制功能，通過運行表達式，建立氣缸活塞位置與限位的關聯。距離傳感器（圖5）可以實現非接觸檢測，料瓶和瓶蓋的檢測主要由距離傳感器完成，最后定義皮帶輸送動作。設定仿真序列，根據加蓋定位→推蓋→壓蓋→回位→擰蓋定位→加壓→擰蓋等動作定義，能檢驗模型設置有效性，并為后面編程控制理清思路。

2.5" 定義信號和信號適配器

在NX MCD模塊中，信號用于機電概念模型的運動控制和與外部信息互通，包括輸入信號、輸出信號兩種類型，本文對加蓋擰蓋單元氣缸動作及位置等利用信號適配器進行了相關的信號處理。輸入信號有控制按鈕，PLC輸出信號，包括定位氣缸、推蓋氣缸、壓蓋氣缸、擰蓋升降氣缸、擰蓋電機、皮帶機電機及控制指示燈等信號。輸出信號有各氣缸接近開關、料瓶瓶蓋檢測傳感器等信號（圖6）。

為建立信號和模型位置的聯系，需要通過運行時表達式來定義，如輸入信號加蓋定位氣缸為TRUE時，加蓋定位氣缸的位置應該處于夾緊位置，并賦予其對應值。

3" NX MCD與PLC聯合仿真

本文基于西門子S7-1500系列PLC進行硬件組態(tài)設計。

3.1" 配置虛擬PLC

加蓋擰蓋單元PLC控制在仿真時采用了軟件在環(huán)虛擬調試的方法，在S7-PLCSIM Advanced V2.0軟件中，聯機訪問選擇PLCSIM Virtual Eth.Adapter，創(chuàng)建虛擬PLC，PLC類型選擇CPU1500，并開始運行。

3.2" 配置信號映射與外部信號

打開外部信號配置窗口，選擇前面創(chuàng)建的虛擬PLC，獲取PLC中的輸入輸出信號，打開信號映射窗口，可將虛擬PLC中信號與MCD內部信號執(zhí)行自動映射（圖7），加蓋擰蓋單元模型以這些信號映射連接（圖8）為橋梁，實時進行數據交換，學生完成編程作業(yè)后，下載到虛擬PLC，通過反復調試，由于能觀察到每步程序的控制結果，能快速對程序進行改進。

3.3" 加蓋擰蓋單元虛擬仿真調試

本文添加了一個控制面板，用于PLC與MCD機電概念模型進行虛擬仿真調試，首先打開虛擬PLC，使用博途軟件上傳程序，開啟監(jiān)控，在NX MCD系統(tǒng)中點擊播放按鈕開啟仿真，使用控制面板按啟動按鈕，加蓋擰蓋單元模型的實時運動狀況在MCD系統(tǒng)中得到了虛擬驗證（圖9）。

4" 基于數字孿生技術的機電一體化虛擬實訓設備的應用與評價

在21級機電一體化技術專業(yè)機電一體化綜合訓練這門專業(yè)方向課課堂教學時，把加蓋擰蓋單元進行拆分，建立了多個實訓項目，反復拆裝實訓設備從線下走到線上，利用軟件訓練，提高了學生參與度，更容易激發(fā)學生積極性，學生從測繪、建模、機電概念設計到編程仿真，完成了整個任務過程，教學效果良好，在今后的教學、實訓、企業(yè)培訓等方面也會得到更多的應用。同時，對設備的性能、穩(wěn)定性、可擴展性等方面進行評價。

機電一體化仿真平臺的建立，能夠將實踐課堂搬移到理論課堂，真正做到理論結合實踐，學生能夠隨時隨地學習和訓練，能夠做到人人可參與、時時可訓練、處處能實踐的理想教學實訓狀態(tài)。該項目符合機電信息化實踐教學實施和混合式教學改革需求，通過調研其他同行院校中建設情況，目前在本院信息管理平臺已具備的狀況下，通過虛擬仿真進行項目化教學改革和虛實混合實訓是進一步提高人才培養(yǎng)質量的可行手段，必要性充分。

本文通過NX MCD模塊建立了實訓設備SX-815Q加蓋擰蓋單元的機電概念模型，使用S7-PLCSIM Advanced軟件創(chuàng)建虛擬PLC，與TIA博圖軟件相連接從而完成軟件在環(huán)虛擬仿真調試，據此模型開展了機械結構裝配和PLC編程訓練，本過程應用于機電一體化技術專業(yè)課中，學生在虛擬實訓中初步掌握了數字孿生技術，拓展了智能制造技能，效果良好，具有較好的示范意義。

參考文獻：

[1] 汪浩，劉樹青，賈茜，等.基于數字孿生的數控機床自動上下料系統(tǒng)設計[J].機械制造與自動化，2021，50（4）：101-103.

[2] 田申，甘芳吉.數字孿生技術在實驗室建設中的運用研究——以物聯網專業(yè)為例[J].實驗技術與管理，2021，38（7）：30-35.

[3] 陳勇強，趙軍濤.基于VUP的物料分揀虛擬仿真系統(tǒng)設計[J].教育教學論壇，2020（38）：385-386.

第一作者簡介：劉加利（1977-），男，碩士，副教授。研究方向為機電一體化技術、液壓氣動技術。