生產線數字化設計與仿真NXMCD緒論

概述——數字孿生與機電一體化概念設計

1目錄CONTENTS1.1數字孿生技術概述1.2機電一體化概念設計（MCD）1.3MCD的技術優勢1.4小結1.1.1數字孿生的概念1.1數字孿生技術概述數字孿生（DigitalTwin，DT）又常被稱作數字化雙胞胎（DigitalTwins），是基于工業生產數字化的新概念，它的準確表述還在發展與演變中，但其含義已在行業內達成了基本共識，即：在數字虛體空間中，以數字化方式為物理對象創建虛擬模型，模擬物理空間中實體在現實環境中的行為特征，從而達到“虛—實”之間的精確映射，最終能夠在生產實踐中，從測試、開發、工藝及運行維護等角度，打破現實與虛擬之間的藩籬，實現產品全生命周期內的生產、管理、連接等高度數字化及模塊化的新技術。產品數字孿生：幫助用戶比以前更快地驅動產品設計，以獲得更佳、成本更低且更可靠的產品，并能更早地在整個產品生命周期中根據所有關鍵屬性精確預測其性能；生產工藝數字孿生：能夠以虛擬方式設計和評估工藝方案，以迅速制定用于制造產品的最佳計劃。生產工藝流程中的“生產與物流數字化系統”可以對各種生產系統，包括工藝路徑，生產計劃和管理，通過仿真進行優化和分析，以達到優化生產布局、資源利用率、產能和效率、物流和供需鏈

、不同大小訂單與混合產品生產的目標

；它可以同步產品和制造需求，管理更加全面的流程驅動型設計；性能數字孿生：為生產運營和質量管理提供了端到端的透明化，將車間的自動化設備與產品開發、生產工藝設計及生產和企業管理領域的決策者緊密連接在一起。借助生產過程的全程透明化，決策者可以很容易地發現產品設計與相關制造工藝中需要改進的地方，并進行相應的運營調整，從而使生產更順暢，效率更高。

1.1.2西門子數字孿生技術的三個部分1.1數字孿生技術概述

1.1.3數字孿生技術的實施工具

西門子提供的全

生命周期管理軟件（ProductLivecycleManagement，PLM）和全集成自動化（TotallyIntegratedAutomationportal，TIA）軟件等能夠在統一的產品全生命周期管理數據平臺（Teamcenter，TC）的協作下完成不同技術的集成，以實現不同人員的協作。供應商也可以根據需要被納入平臺中，以實現價值鏈數據的整合。

1.1數字孿生技術概述

產品生命周期管理PLM軟件：涉及產品開發和生產的各個環節，即：從產品設計到生產規劃和工程，直至實際生產和服務等。Teamcenter（TC）：

在西門子與其他制造商提供的軟件解決方案之間進行管理和交換數據，將分布在不同位置的開發團隊以及公司和供應商連接在起來，從而形成統一的產品、過程、生產等數據流通渠道。NX軟件：

是主要的計算機輔助設計/制造/工程（CAD/CAM/CAE）等套件，可針對產品開發提供詳細的三維模型。機電一體化概念設計（MechatronicsConceptDesigner，MCD）是NX的一個套件，它為工程師虛擬創建、模擬和測試產品與生產所需的機器設備等提供仿真支持

。Tecnomatix軟件：

主要針對整個生產的虛擬設計和過程模擬。

常用的ProcessDesigner、ProcessSimulate與PlantSimulation等均是Tecnomatix包中的軟件，用于產品工藝設計、流水線與工廠的設計與仿真驗證。

1.1數字孿生技術概述1.1.3數字孿生技術的實施工具

制造運行管理軟件（ManufacturingOperationsManagement，MOM）：

不僅與控制、自動化和業務層緊密結合，而且還與西門子產品生命周期管理軟件PLM相結合，讓自動化與制造管理、企業管理、供應鏈管理建立了無縫連接，使供應鏈的變化迅速地反應在制造中心，從而為“數字工廠”理念提供了堅實的技術和產品管理基礎。。

西門子軟件SIMATICIT包含了一系列產品，專為生產運營、管理，以及執行人員提供更高的工廠信息可見性。這些產品的主要功能可描述為三個方面，即：提供數據集成與情景化、幫助利用信息做出盡可能的實時決策、分析信息等。其中，西門子SIMATICIT的制造執行系統（ManufacturingExecutionSystem，MES）提供了一個較高層次的環境，為制造過程和操作流程提升各組件之間的協同工作能力提供了可行的軟件環境。

1.1數字孿生技術概述1.1.3數字孿生技術的實施工具

博途TIA軟件:TIA是全集成自動化（TotallyIntegratedAutomation）軟件TIAportal的簡稱。它是采用統一的工程組態

和軟件項目環境的自動化軟件，可在同一環境中組態西門子的所有可編程控制器、人機界面和驅動裝置。在控制器、驅動裝置和人機界面之間建立通信時共享任務，可大大降低連接和組態成本，幾乎適用于所有自動化任務。借助全新的工程技術軟件平臺，用戶能夠快速、直觀地開發和調試自動化系統。1.1數字孿生技術概述1.1.3數字孿生技術的實施工具

在虛擬環境中對生產線進行模擬調試，解決生產線的規劃、干涉、PLC邏輯控制等問題，當完成上述模擬調試之后，再綜合加工設備、物流設備、智能工裝、控制系統等各種因素，才能全面評估建設生產線的可行性。在設計過程中，生產周期長、更改成本高的機械結構部分可采用虛擬設備，在虛擬環境中進行展示和模擬；易于構建和修改的控制部分則用由PLC搭建的物理控制系統來實現，由實物PLC控制系統生成控制信號，來控制虛擬環境中的機械對象以模擬整個生產線的動作過程。

借助于該技術，能夠及早發現機械結構和控制系統的問題，在物理樣機建造前就予以解決，這在整個產品的研發過程中節約了時間成本與經濟成本。1.1數字孿生技術概述1.1.4虛擬調試（Visualcommissioning，VC）機電一體化概念設計（MechatronicsConceptDesigner，MCD）是進行機電聯合設計的一種數字化解決方案。它提供了多學科、多部門的信息互聯綜合技術，可以被用來模擬機電一體化系統的復雜運動。采用了一種從功能出發的設計方法，開發團隊可采用層次化結構來分解功能部件，將它們與需求直接聯系起來，以確保在整個產品開發過程中滿足客戶的期望。這種功能模型可節約成本、縮短研發時間，促進跨學科協同，在設計中具有明顯的優勢。1.2.1機電一體化概念設計簡介

1.2.

機電一體化概念設計從功能出發進行研發設計的理念是：在需求階段建立需求模型；在概念設計階段建立機電一體化的功能模型；在詳細設計階段，根據功能模型最終形成產品的裝配、軟件和布局模型。其最顯著的特征是能夠并行展開工程實施進程，大大地節省了時間、材料和管理上的消耗。1.2.1機電一體化概念設計簡介

1.2.

機電一體化概念設計功能模塊設計：以功能為驅動的設計強化了交叉學科之間的協作，也連接了實際需求和各種數據的管理，從而能夠使設計人員能夠跟蹤客戶需求，并把這種需求數據納入到設計的過程中。邏輯塊設計與模塊的重復使用：可以把功能模型分解為不同的、可在多個設計中重復使用的邏輯塊，并設置具體的參數來實現設計過程的優化。早期系統驗證：在開發過程的初期，機電一體化概念設計（MCD）提供了基于仿真引擎的驗證技術，能夠幫助設計人員獲取電機、伺服等驅動動力的仿真，初步驗證概念設計的有效性。多學科支持：是一種多學科并行協作的開發環境。包含的學科涵蓋了機械、電氣、伺服驅動、液壓氣動、傳感器、自動化設計、程序編程、信息通訊等諸多領域，是機電一體化設計中所涵蓋的多個學科的融合。1.2.2機電一體化概念設計的特點

1.2.

機電一體化概念設計依托TC平臺和CAD產品工程解決方案，任何機械三維模型的裝配、建模、研發、數據整理、集成等功能均得到了有力的保障。在此基礎上，借助于NXMCD創建機電一體化模型，對包含多體物理場以及通常存在于機電一體化產品中的自動化相關行為概念進行3D建模和仿真，從而實現了創新性設計，達成了機械、電氣、傳感器和制動器，以及運動等多學科之間的協同融合。1.2.3數字孿生與機電一體化概念設計

1.2.

機電一體化概念設計通過TC與上下游“系統/工具”協同以軟件為總綱，實現了跨學科的融合設計與知識的重復利用，在設計流程中采用了并行與聯合仿真技術，提供了一種可驗證的仿真平臺

。1.3.1建立了機電聯合仿真評估的環境

1.3MCD的技術優勢

把多專業研發技術部門、人員整合在統一的設計環境上?？傮w設計部門在此環境中能夠對產品的總體需求、功能等進行定義和拆分。機械結構、機構工程師在此環境中能夠進行三維建模及機構、結構設計。電氣工程師在此環境中能夠進行電機選配安裝、傳感器安裝、乃至線束、線纜布置等方面的設計。自動化與控制編程工程師能夠在此環境中對控制邏輯和設備動態性能進行時序、事件等的控制編程與設計。1.3.2支持多專業聯合設計與調試

1.3MCD的技術優勢定義設計需求①搜集、構建如響應時間和消耗等項目設計的必要條件；②添加源于主條件的次要需求條件；③把各個需求條件連接一起；④添加各個需求的詳細信息。創建功能模型①定義系統的基本功能；②基于功能分解，進行分層處理；③為功能設計建立可選項；④可重用的功能單元；⑤參數化表達功能單元的輸出和需求的必要條件。創建邏輯模型①定義系統的邏輯模塊；②基于功能分解，進行分層處理；③為功能設計建立可選項；④可重用的功能單元；⑤參數化模塊使其與模塊功能相結合。1.3.3典型的工作流程

1.3MCD的技術優勢創建連接以表明功能單元與邏輯塊之間的從屬關系。定義機電概念①草擬機器的基本外觀；

②為功能單元和邏輯塊分配機械對象；

③添加運動學和動力學條件。添加基本的物理學約束和信號①添加基本的物理學速度約束和位置執行器；

②添加信號適配器；③為功能單元和邏輯塊分配信號適配器對象；定義時間順序執行序列①定義執行器操作控制源；②設計基于時間的執行序列；

③為相應的功能樹分配執行操作；④為對應的邏輯樹分配執行操作；

1.3.3典型的工作流程1.3MCD的技術優勢添加傳感器，用于觸發系統中各個帶有傳感對象組件的碰撞事件，或者被設定為信號適配的傳感器定義基于操作的事件①定義能夠被事件觸發的操作，觸發條件可以是傳感器或機電系統中的其它對象，如執行器是否到達了某個位置等；②為功能樹中相關的功能分配操作；用詳細的模型替換概念模型，并且轉換物理對象從粗糙幾何體到詳細幾何體。用ECAD分配傳感器和執行器。依照PLCOpenXML格式導出順序操作，在STEP7等PLC工程軟件中實現順序操作的編程；通過OPC連接來測試PLC程序的功能。

1.3.3典型的工作流程1.3MCD的技術優勢1.3.4案例賞析1.3