基于“數(shù)字化雙胞胎”技術(shù)在中職機(jī)電專(zhuān)業(yè)應(yīng)用的探索

張箭

NX MCD是整合了機(jī)械、電氣以及軟件開(kāi)發(fā)的三位一體設(shè)計(jì)方案，能夠把碎片化的專(zhuān)業(yè)知識(shí)進(jìn)行融會(huì)貫通。借助NX MCD系統(tǒng)可以定義常見(jiàn)的機(jī)電設(shè)施設(shè)備，再通過(guò)PLCSim與MCD進(jìn)行虛擬調(diào)試驗(yàn)證，實(shí)施虛擬仿真鏡像設(shè)施設(shè)備在工作環(huán)境中的行為，形成實(shí)物與仿真孿生的“數(shù)字化雙胞胎”，可以有效解決學(xué)生專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)薄弱認(rèn)知度不夠，幫助學(xué)生解決目前專(zhuān)業(yè)知識(shí)零散，系統(tǒng)性學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)少等問(wèn)題，大大提高了學(xué)習(xí)效率。

一、NX MCD機(jī)電一體化概念

NX MCD機(jī)電一體化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，是西門(mén)子PLM（Product Lifecycle Management）工業(yè)軟件NX中集成的一個(gè)子系統(tǒng)。在NX/MCD中，具備需求管理 、系統(tǒng)工程、仿真建模、機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)以及調(diào)試驗(yàn)證等模塊，常用的工作界面有個(gè)四部分的功能分別是機(jī)械部分、控制部分、信號(hào)部分、仿真部分，其中機(jī)械部分主要用到的是對(duì)仿真環(huán)境中的機(jī)械部件賦予物理屬性，能最大程度還原實(shí)物狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)形態(tài)，控制部分主要是模擬實(shí)際系統(tǒng)的信號(hào)驅(qū)動(dòng)控制功能，信號(hào)部分主要將NX/MCD中的模型與外部PLC和傳感器等信號(hào)連接，仿真部分主要用來(lái)監(jiān)視執(zhí)行器運(yùn)行狀態(tài)。在NX MCD系統(tǒng)對(duì)機(jī)電一體化設(shè)備中的自動(dòng)化相關(guān)行為的概念進(jìn)行仿真和3D建模，使其能完成從設(shè)計(jì)建模、調(diào)試修改、系統(tǒng)仿真驗(yàn)證以及運(yùn)行的全過(guò)程。

二、借助“數(shù)字化雙胞胎”開(kāi)創(chuàng)虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境

數(shù)字雙胞胎技術(shù)能夠利用虛擬世界的模型去替代物理模型，其關(guān)鍵的技術(shù)是物理和虛擬相結(jié)合的連接。借助西門(mén)子虛擬NC內(nèi)核，從教學(xué)實(shí)訓(xùn)任務(wù)開(kāi)始結(jié)合了機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣自動(dòng)化控制以及設(shè)置實(shí)訓(xùn)任務(wù)，鏡像的虛擬環(huán)境與真實(shí)環(huán)境是完全對(duì)應(yīng)的“數(shù)字化雙胞胎”，不需要真實(shí)的物理機(jī)械結(jié)構(gòu)，僅需設(shè)計(jì)3D模型，就可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制、編程仿真、測(cè)試和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一化設(shè)備高效快速調(diào)試。以目前中職機(jī)電專(zhuān)業(yè)，在教學(xué)中讓學(xué)生掌握的技能以及設(shè)施設(shè)備的情況來(lái)看，基于數(shù)字雙胞胎的機(jī)電一化設(shè)施設(shè)備虛擬調(diào)試方法可行性很強(qiáng)。如圖所示，數(shù)字化雙胞胎鏡像對(duì)比圖。

三、NX MCD的教學(xué)價(jià)值

1、集成式系統(tǒng)工程方法

根據(jù)中職機(jī)電專(zhuān)業(yè)教學(xué)需求，以NX MCD軟件為總綱，可以利用仿真實(shí)現(xiàn)機(jī)械三維形狀和運(yùn)動(dòng)學(xué)創(chuàng)建設(shè)計(jì)，選擇設(shè)施設(shè)備需要的傳感器和驅(qū)動(dòng)器，設(shè)計(jì)自動(dòng)化編程控制機(jī)械的基本邏輯行為，使這些學(xué)科并行工作進(jìn)行結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和控制聯(lián)合仿真。學(xué)生可以從設(shè)施設(shè)備的最初階段，就能了解機(jī)電一體化產(chǎn)品的行為和邏輯特性需求。

2、建模與物理場(chǎng)的仿真

構(gòu)建數(shù)字雙胞胎的前提是把設(shè)施設(shè)備工程的數(shù)據(jù)化，在平臺(tái)中建立“虛·虛”“虛·實(shí)”結(jié)合的環(huán)境，對(duì)設(shè)施設(shè)備進(jìn)行修改驗(yàn)證，并把結(jié)果映射到真是的物理環(huán)境中。NX MCD平臺(tái)提供容易使用的建模和仿真，在需求階段，對(duì)功能進(jìn)行分解，創(chuàng)建后建立需求、功能、邏輯模型相互間的關(guān)系。在設(shè)計(jì)階段從庫(kù)中添加現(xiàn)有部件，進(jìn)行機(jī)械、電子電氣、自動(dòng)控制、編程等方面的設(shè)計(jì)。在驗(yàn)證仿真階段通過(guò)NX MCD平臺(tái)，每個(gè)部件可通過(guò)直接引用需求和交互式仿真來(lái)驗(yàn)證，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、和物理動(dòng)態(tài)靜態(tài)等一系列行為進(jìn)行仿真。

3、開(kāi)放式接口面向其他工具

NX MCD 平臺(tái)提供面向各個(gè)學(xué)科的開(kāi)放式接口，其機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)果，可以提供 CAD 設(shè)計(jì)所有的機(jī)械設(shè)計(jì)圖紙以及功能，還可將NX MCD 平臺(tái)模型數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Catia、Pro/ENGINEER、SolidWorks 以及獨(dú)立于CAD 的 JT 格式;其電氣設(shè)計(jì)結(jié)果，可以開(kāi)發(fā)傳感器和驅(qū)動(dòng)器的列表，并以HTML或 Excel 電子表格格式輸出，學(xué)生可以通過(guò)此列表清楚知道設(shè)施設(shè)備電氣元件的數(shù)量;在自動(dòng)化設(shè)計(jì)中，能以PLCopen XML標(biāo)準(zhǔn)格式導(dǎo)出順序甘特圖，可以將其轉(zhuǎn)化正PLC控制程序。綜上所述在NX MCD工作環(huán)境中接口輸出通用性強(qiáng)，更加易于學(xué)生今后的專(zhuān)業(yè)成長(zhǎng)。

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