基于“数字化双胞胎”技术在中职机电专业应用的探索

张箭

NX MCD是整合了机械、电气以及软件开发的三位一体设计方案，能够把碎片化的专业知识进行融会贯通。借助NX MCD系统可以定义常见的机电设施设备，再通过PLCSim与MCD进行虚拟调试验证，实施虚拟仿真镜像设施设备在工作环境中的行为，形成实物与仿真孪生的“数字化双胞胎”，可以有效解决学生专业基础薄弱认知度不够，帮助学生解决目前专业知识零散，系统性学习机会少等问题，大大提高了学习效率。

一、NX MCD机电一体化概念

NX MCD机电一体化设计系统，是西门子PLM（Product Lifecycle Management）工业软件NX中集成的一个子系统。在NX/MCD中，具备需求管理 、系统工程、仿真建模、机械设计、电气设计以及调试验证等模块，常用的工作界面有个四部分的功能分别是机械部分、控制部分、信号部分、仿真部分，其中机械部分主要用到的是对仿真环境中的机械部件赋予物理属性，能最大程度还原实物状态下运动形态，控制部分主要是模拟实际系统的信号驱动控制功能，信号部分主要将NX/MCD中的模型与外部PLC和传感器等信号连接，仿真部分主要用来监视执行器运行状态。在NX MCD系统对机电一体化设备中的自动化相关行为的概念进行仿真和3D建模，使其能完成从设计建模、调试修改、系统仿真验证以及运行的全过程。

二、借助“数字化双胞胎”开创虚拟学习环境

数字双胞胎技术能够利用虚拟世界的模型去替代物理模型，其关键的技术是物理和虚拟相结合的连接。借助西门子虚拟NC内核，从教学实训任务开始结合了机械设计、电气自动化控制以及设置实训任务，镜像的虚拟环境与真实环境是完全对应的“数字化双胞胎”，不需要真实的物理机械结构，仅需设计3D模型，就可以进行运动控制、编程仿真、测试和优化，实现机电一化设备高效快速调试。以目前中职机电专业，在教学中让学生掌握的技能以及设施设备的情况来看，基于数字双胞胎的机电一化设施设备虚拟调试方法可行性很强。如图所示，数字化双胞胎镜像对比图。

三、NX MCD的教学价值

1、集成式系统工程方法

根据中职机电专业教学需求，以NX MCD软件为总纲，可以利用仿真实现机械三维形状和运动学创建设计，选择设施设备需要的传感器和驱动器，设计自动化编程控制机械的基本逻辑行为，使这些学科并行工作进行结构运动和控制联合仿真。学生可以从设施设备的最初阶段，就能了解机电一体化产品的行为和逻辑特性需求。

2、建模与物理场的仿真

构建数字双胞胎的前提是把设施设备工程的数据化，在平台中建立“虚·虚”“虚·实”结合的环境，对设施设备进行修改验证，并把结果映射到真是的物理环境中。NX MCD平台提供容易使用的建模和仿真，在需求阶段，对功能进行分解，创建后建立需求、功能、逻辑模型相互间的关系。在设计阶段从库中添加现有部件，进行机械、电子电气、自动控制、编程等方面的设计。在验证仿真阶段通过NX MCD平台，每个部件可通过直接引用需求和交互式仿真来验证，可以实现机械运动学、动力学、和物理动态静态等一系列行为进行仿真。

3、开放式接口面向其他工具

NX MCD 平台提供面向各个学科的开放式接口，其机械设计结果，可以提供 CAD 设计所有的机械设计图纸以及功能，还可将NX MCD 平台模型数据导出到Catia、Pro/ENGINEER、SolidWorks 以及独立于CAD 的 JT 格式;其電气设计结果，可以开发传感器和驱动器的列表，并以HTML或 Excel 电子表格格式输出，学生可以通过此列表清楚知道设施设备电气元件的数量;在自动化设计中，能以PLCopen XML标准格式导出顺序甘特图，可以将其转化正PLC控制程序。综上所述在NX MCD工作环境中接口输出通用性强，更加易于学生今后的专业成长。

责任编辑    邱  丽