数字孪生技术在机电一体化实训平台的应用研究

徐 蔓

（广东省机械技师学院，广东 广州 510450）

1 研究背景

党的“十四五”规划指出，要加强关键数字技术创新应用、加快推动数字产业化、推进产业数字化转型。在互联网+、大数据、云计算、数字孪生、人工智能等新一代信息技术蓬勃发展的今天，新形态、新技术的产生对技术技能人才提出了更高要求[1]。越来越多的中国企业正在数字化浪潮中崭露头角。截至2023年5月底，中国累计培育出1 700多家引领行业发展的数字化车间和智能工厂，具有一定区域和行业影响力的工业互联网平台超过240个，重点平台连接设备超过8 900万台（套），因此，研究数字孪生技术，完成机电一体化设备教学实训的仿真调试，不仅能够解决教学设备数量不足、学习门槛高、设备调试难度大、依赖实体设备程度高等问题，还能够让学生掌握数字孪生技术，提升自身综合能力及专业水平，适应新的发展趋势。

2 机电一体化实训设备介绍

机电一体化综合实训设备采用铝合金型材结构，配有井式供料单元、皮带传送单元、货物检测单元、材料分拣单元、行走机械手单元、斜滑道模块单元、载货台单元、电机模块、平面仓储单元、钻铣加工单元、多工位装配单元、触摸屏单元、控制器单元、电源单元、变频器驱动单元等15个工作单元。

机电一体化综合实训设备涵盖气动技术、传感器检测技术、直流电机驱动技术、步进电机驱动技术、伺服电机驱动技术、触摸屏应用技术、上位机监控技术、工业网络通信技术、变频调速技术、PLC控制技术、系统故障检测技术、机械结构与系统安装调试技术、人机接口技术、运动控制技术等，同时还能进行团队精神、合作精神、组织能力的培养等训练。

设备选取典型工业生产环节，采用多种控制器对其进行控制，提高了设备的利用效率。在学习时可以对每个典型生产环节进行单独训练，在单独训练完成后进行综合训练。工作任务也采取由浅入深的模式，最终实现每个技能都得到系统的学习。

设备均是模块化设计，每个典型工作环节均可进行拆装调试，各环节可以进行多种丰富的组合，使实训更加灵活。

3 机电一体化实训设备的数字孪生应用研究过程和实现方法

3.1 技术路线

首先对机电一体化设备进行几何建模，如图1所示，然后对功能需求进行分析，根据整个功能需求将系统进行分解，分解成机械模块、控制模块等，对各个子模块分别进行建模，然后集成并进行仿真调试验证，最后对整个过程进行规范化。

图1 机电一体化设备模型

3.2 数字孪生软件选用

机电一体化概念设计解决方案（Mechatronics Concept Designer，MCD）是支持硬件在线调试的产品设计平台。作为产品设计阶段的一个落地实现平台，MCD可以缩短产品调试的试验时间，减少设计成本，降低创新设计的风险，管理产品设计全过程的信息。NX MCD主要用于模拟机械零件和组件的运动行为，通过数字化方式1:1拷贝工厂物理对象，可以实现机构的虚拟仿真与评估[2]。同时，可以通过CAD模型看到这台机器，在开发过程中提前预判出错的可能，从而可以避免这些风险带来代价高昂的生产与客户问题。

NX MCD为产品的机电一体化并行设计提供了平台，使虚拟设计与物理制造之间有效融合，同时提高了产品生产效率，降低了生产损耗。该软件的机电一体化解决方案开启了产品设计的新思路，它可以使设计人员充分施展各种创意，在所有领域，由始至终进行全过程的产品设计。该解决方案使工程设计人员只需几步即可获得机电一体化产品中常见的物理对象和自动化相关行为的概念仿真。同时，NX MCD机电一体化的解决方案能够缩短产品上市的时间，帮助企业在市场竞争中抢占先机；通过在产品开发初期支持不同部门协同工作以及可重复使用现有设计，帮助传统机械制造企业从单部门串行设计转型为多部门并行研发，以加快产品设计研发速度，从而提升竞争力[3]。

3.3 实施过程

3.3.1 传输单元模型属性配置

步骤1：选择机电一体化设备中的传输带，定义刚体属性（图2），定义完成后会给传输带质量属性。

图2 定义刚体

步骤2：定义碰撞体（图3）。对于有接触和力的传递部件，需要在其刚体属性的基础上对其进行碰撞体定义。

图3 定义碰撞体

步骤3：定义运动副（图4）。对于传输带运动需要定义其运动副才能运转。

图4 选择运动副

步骤4：添加位置控制（图5）。MCD只提供了两种类型的执行机构：速度控制和位置控制。执行机构需要添加到具体的运动副上面，对运动副起到驱动的作用。两种类型虽然方式不同，但是可以达到同一个运动效果。

图5 添加位置控制

步骤5：添加仿真序列（图6）。每个执行机构都对应有一个基于时间的操作，且各个操作之间的顺序是基于时间概念排列的。也就是说，每一个速度控制和位置控制都对应有一个时间序列，有且都必须有。根据时间序列来定义动作的开始时间和结束时间。

图6 添加仿真序列

步骤6：添加信号（图7）。MCD可以创建多种信号，这种信号均在符号表内保存。信号的创建主要是源于之前所创建的传感器、速度控制量、位置控制等[4]。与此同时，该信号可以通过信号适配器与外部OPC的信号进行匹配。当所有的信号都建立以后，与外部PLC程序进行连接，同时运行PLC程序和MCD程序进行仿真。这时操作外部触摸屏对设备进行运行控制，以查看设备在PLC控制程序下的运动是否符合设计要求。

图7 添加信号

步骤7：编写PLC程序并开启高级仿真。PLCSIM Advanced能够仿真S7-1500系列PLC（图8），可在虚拟调试的过程中作为机械的控制器，驱动控制MCD模型的运动。综上所述，NX MCD平台和PLCSIM Advanced平台分别提供准确的物理模型和虚拟PLC，为虚拟仿真提供了真实的物理场仿真环境，保证了虚拟仿真结果的可靠性，确保了虚拟仿真系统的可行性[5]。

图8 PLC高级仿真

步骤8：完成外部信号适配器连接并做好信号映射（图9）。

图9 信号映射

3.3.2 触摸屏画面组态与设计

为保证仿真功能及效果，本次研究采用西门子TP700精智系列触摸屏，该触摸屏具有7.0寸TFT显示屏，800×480像素，16M色；1个MPI/PROFIBUS DP，1个支持MRP和RT/IRT的PROFINET/工业以太网接口。开发界面如图10所示。

图10 触摸屏界面设计

3.3.3 综合仿真调试

完成相关配置后，使用触摸屏、PLC、MCD进行相应的虚拟仿真，点击虚拟触摸屏启动按键，系统开始工作。传输带向前移动，通过虚拟仿真，验证了机电一体化平台基于NX MCD的虚拟仿真的可行性。仿真效果如图11所示。

图11 仿真效果

4 总结与感悟

本文通过NX MCD完成了机电一体化教学实训平台的仿真应用，以机电一体化实训平台传输单元为基础，进一步完善各单元仿真功能，可以真正实现整套设备的数字孪生仿真应用，帮助更多学生快速完成该平台的学习、编程、调试。通过本文对数字孪生技术应用的研究，笔者有以下几点感悟：

（1）虚拟仿真教学。数字孪生技术可将现实世界中的对象和过程数字化，在虚拟空间中进行仿真。在教育领域，这意味着学生可以在虚拟环境中进行实验、操作和演练，这对于教学过程中的安全性和效率都有很大的提升。

（2）个性化教育。数字孪生技术可以通过收集学生的个性化数据，如学习兴趣、学习习惯等，来制定个性化教育计划，以满足不同学生的需求。例如，学生在虚拟环境中学习时，系统可以根据学生的表现和反馈，自动调整教学内容和难度，使教学更加符合学生的需要。

（3）虚拟学习空间。数字孪生技术可以构建虚拟学习空间，使学生可以在虚拟环境中进行学习和交流。这种虚拟学习空间可以为学生提供更加丰富的学习体验，例如，学生可以在虚拟环境中进行三维模型的观察和操作，以更好地理解复杂的概念和知识。