《智能装备数字化仿真与调试》课件-1.4 小结

生产线数字化设计与仿真NXMCD绪论

概述——数字孪生与机电一体化概念设计

1目录CONTENTS1.1数字孪生技术概述1.2机电一体化概念设计（MCD）1.3MCD的技术优势1.4小结1.1.1数字孪生的概念1.1数字孪生技术概述数字孪生（DigitalTwin，DT）又常被称作数字化双胞胎（DigitalTwins），是基于工业生产数字化的新概念，它的准确表述还在发展与演变中，但其含义已在行业内达成了基本共识，即：在数字虚体空间中，以数字化方式为物理对象创建虚拟模型，模拟物理空间中实体在现实环境中的行为特征，从而达到“虚—实”之间的精确映射，最终能够在生产实践中，从测试、开发、工艺及运行维护等角度，打破现实与虚拟之间的藩篱，实现产品全生命周期内的生产、管理、连接等高度数字化及模块化的新技术。产品数字孪生：帮助用户比以前更快地驱动产品设计，以获得更佳、成本更低且更可靠的产品，并能更早地在整个产品生命周期中根据所有关键属性精确预测其性能；生产工艺数字孪生：能够以虚拟方式设计和评估工艺方案，以迅速制定用于制造产品的最佳计划。生产工艺流程中的“生产与物流数字化系统”可以对各种生产系统，包括工艺路径，生产计划和管理，通过仿真进行优化和分析，以达到优化生产布局、资源利用率、产能和效率、物流和供需链

、不同大小订单与混合产品生产的目标

；它可以同步产品和制造需求，管理更加全面的流程驱动型设计；性能数字孪生：为生产运营和质量管理提供了端到端的透明化，将车间的自动化设备与产品开发、生产工艺设计及生产和企业管理领域的决策者紧密连接在一起。借助生产过程的全程透明化，决策者可以很容易地发现产品设计与相关制造工艺中需要改进的地方，并进行相应的运营调整，从而使生产更顺畅，效率更高。

1.1.2西门子数字孪生技术的三个部分1.1数字孪生技术概述

1.1.3数字孪生技术的实施工具

西门子提供的全

生命周期管理软件（ProductLivecycleManagement，PLM）和全集成自动化（TotallyIntegratedAutomationportal，TIA）软件等能够在统一的产品全生命周期管理数据平台（Teamcenter，TC）的协作下完成不同技术的集成，以实现不同人员的协作。供应商也可以根据需要被纳入平台中，以实现价值链数据的整合。

1.1数字孪生技术概述

产品生命周期管理PLM软件：涉及产品开发和生产的各个环节，即：从产品设计到生产规划和工程，直至实际生产和服务等。Teamcenter（TC）：

在西门子与其他制造商提供的软件解决方案之间进行管理和交换数据，将分布在不同位置的开发团队以及公司和供应商连接在起来，从而形成统一的产品、过程、生产等数据流通渠道。NX软件：

是主要的计算机辅助设计/制造/工程（CAD/CAM/CAE）等套件，可针对产品开发提供详细的三维模型。机电一体化概念设计（MechatronicsConceptDesigner，MCD）是NX的一个套件，它为工程师虚拟创建、模拟和测试产品与生产所需的机器设备等提供仿真支持

。Tecnomatix软件：

主要针对整个生产的虚拟设计和过程模拟。

常用的ProcessDesigner、ProcessSimulate与PlantSimulation等均是Tecnomatix包中的软件，用于产品工艺设计、流水线与工厂的设计与仿真验证。

1.1数字孪生技术概述1.1.3数字孪生技术的实施工具

制造运行管理软件（ManufacturingOperationsManagement，MOM）：

不仅与控制、自动化和业务层紧密结合，而且还与西门子产品生命周期管理软件PLM相结合，让自动化与制造管理、企业管理、供应链管理建立了无缝连接，使供应链的变化迅速地反应在制造中心，从而为“数字工厂”理念提供了坚实的技术和产品管理基础。。

西门子软件SIMATICIT包含了一系列产品，专为生产运营、管理，以及执行人员提供更高的工厂信息可见性。这些产品的主要功能可描述为三个方面，即：提供数据集成与情景化、帮助利用信息做出尽可能的实时决策、分析信息等。其中，西门子SIMATICIT的制造执行系统（ManufacturingExecutionSystem，MES）提供了一个较高层次的环境，为制造过程和操作流程提升各组件之间的协同工作能力提供了可行的软件环境。

1.1数字孪生技术概述1.1.3数字孪生技术的实施工具

博途TIA软件:TIA是全集成自动化（TotallyIntegratedAutomation）软件TIAportal的简称。它是采用统一的工程组态

和软件项目环境的自动化软件，可在同一环境中组态西门子的所有可编程控制器、人机界面和驱动装置。在控制器、驱动装置和人机界面之间建立通信时共享任务，可大大降低连接和组态成本，几乎适用于所有自动化任务。借助全新的工程技术软件平台，用户能够快速、直观地开发和调试自动化系统。1.1数字孪生技术概述1.1.3数字孪生技术的实施工具

在虚拟环境中对生产线进行模拟调试，解决生产线的规划、干涉、PLC逻辑控制等问题，当完成上述模拟调试之后，再综合加工设备、物流设备、智能工装、控制系统等各种因素，才能全面评估建设生产线的可行性。在设计过程中，生产周期长、更改成本高的机械结构部分可采用虚拟设备，在虚拟环境中进行展示和模拟；易于构建和修改的控制部分则用由PLC搭建的物理控制系统来实现，由实物PLC控制系统生成控制信号，来控制虚拟环境中的机械对象以模拟整个生产线的动作过程。

借助于该技术，能够及早发现机械结构和控制系统的问题，在物理样机建造前就予以解决，这在整个产品的研发过程中节约了时间成本与经济成本。1.1数字孪生技术概述1.1.4虚拟调试（Visualcommissioning，VC）机电一体化概念设计（MechatronicsConceptDesigner，MCD）是进行机电联合设计的一种数字化解决方案。它提供了多学科、多部门的信息互联综合技术，可以被用来模拟机电一体化系统的复杂运动。采用了一种从功能出发的设计方法，开发团队可采用层次化结构来分解功能部件，将它们与需求直接联系起来，以确保在整个产品开发过程中满足客户的期望。这种功能模型可节约成本、缩短研发时间，促进跨学科协同，在设计中具有明显的优势。1.2.1机电一体化概念设计简介

1.2.

机电一体化概念设计从功能出发进行研发设计的理念是：在需求阶段建立需求模型；在概念设计阶段建立机电一体化的功能模型；在详细设计阶段，根据功能模型最终形成产品的装配、软件和布局模型。其最显著的特征是能够并行展开工程实施进程，大大地节省了时间、材料和管理上的消耗。1.2.1机电一体化概念设计简介

1.2.

机电一体化概念设计功能模块设计：以功能为驱动的设计强化了交叉学科之间的协作，也连接了实际需求和各种数据的管理，从而能够使设计人员能够跟踪客户需求，并把这种需求数据纳入到设计的过程中。逻辑块设计与模块的重复使用：可以把功能模型分解为不同的、可在多个设计中重复使用的逻辑块，并设置具体的参数来实现设计过程的优化。早期系统验证：在开发过程的初期，机电一体化概念设计（MCD）提供了基于仿真引擎的验证技术，能够帮助设计人员获取电机、伺服等驱动动力的仿真，初步验证概念设计的有效性。多学科支持：是一种多学科并行协作的开发环境。包含的学科涵盖了机械、电气、伺服驱动、液压气动、传感器、自动化设计、程序编程、信息通讯等诸多领域，是机电一体化设计中所涵盖的多个学科的融合。1.2.2机电一体化概念设计的特点

1.2.

机电一体化概念设计依托TC平台和CAD产品工程解决方案，任何机械三维模型的装配、建模、研发、数据整理、集成等功能均得到了有力的保障。在此基础上，借助于NXMCD创建机电一体化模型，对包含多体物理场以及通常存在于机电一体化产品中的自动化相关行为概念进行3D建模和仿真，从而实现了创新性设计，达成了机械、电气、传感器和制动器，以及运动等多学科之间的协同融合。1.2.3数字孪生与机电一体化概念设计

1.2.

机电一体化概念设计通过TC与上下游“系统/工具”协同以软件为总纲，实现了跨学科的融合设计与知识的重复利用，在设计流程中采用了并行与联合仿真技术，提供了一种可验证的仿真平台

。1.3.1建立了机电联合仿真评估的环境

1.3MCD的技术优势

把多专业研发技术部门、人员整合在统一的设计环境上。总体设计部门在此环境中能够对产品的总体需求、功能等进行定义和拆分。机械结构、机构工程师在此环境中能够进行三维建模及机构、结构设计。电气工程师在此环境中能够进行电机选配安装、传感器安装、乃至线束、线缆布置等方面的设计。自动化与控制编程工程师能够在此环境中对控制逻辑和设备动态性能进行时序、事件等的控制编程与设计。1.3.2支持多专业联合设计与调试

1.3MCD的技术优势定义设计需求①搜集、构建如响应时间和消耗等项目设计的必要条件；②添加源于主条件的次要需求条件；③把各个需求条件连接一起；④添加各个需求的详细信息。创建功能模型①定义系统的基本功能；②基于功能分解，进行分层处理；③为功能设计建立可选项；④可重用的功能单元；⑤参数化表达功能单元的输出和需求的必要条件。创建逻辑模型①定义系统的逻辑模块；②基于功能分解，进行分层处理；③为功能设计建立可选项；④可重用的功能单元；⑤参数化模块使其与模块功能相结合。1.3.3典型的工作流程

1.3MCD的技术优势创建连接以表明功能单元与逻辑块之间的从属关系。定义机电概念①草拟机器的基本外观；

②为功能单元和逻辑块分配机械对象；

③添加运动学和动力学条件。添加基本的物理学约束和信号①添加基本的物理学速度约束和位置执行器；

②添加信号适配器；③为功能单元和逻辑块分配信号适配器对象；定义时间顺序执行序列①定义执行器操作控制源；②设计基于时间的执行序列；

③为相应的功能树分配执行操作；④为对应的逻辑树分配执行操作；

1.3.3典型的工作流程1.3MCD的技术优势添加传感器，用于触发系统中各个带有传感对象组件的碰撞事件，或者被设定为信号适配的传感器定义基于操作的事件①定义能够被事件触发的操作，触发条件可以是传感器或机电系统中的其它对象，如执行器是否到达了某个位置等；②为功能树中相关的功能分配操作；用详细的模型替换概念模型，并且转换物理对象从粗糙几何体到详细几何体。用ECAD分配传感器和执行器。依照PLCOpenXML格式导出顺序操作，在STEP7等PLC工程软件中实现顺序操作的编程；通过OPC连接来测试PLC程序的功能。

1.3.3典型的工作流程1.3MCD的技术优势1.3.4案例赏析1.3