張箭

NX MCD是整合了機械、電氣以及軟件開發(fā)的三位一體設(shè)計方案，能夠把碎片化的專業(yè)知識進行融會貫通。借助NX MCD系統(tǒng)可以定義常見的機電設(shè)施設(shè)備，再通過PLCSim與MCD進行虛擬調(diào)試驗證，實施虛擬仿真鏡像設(shè)施設(shè)備在工作環(huán)境中的行為，形成實物與仿真孿生的“數(shù)字化雙胞胎”，可以有效解決學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)薄弱認知度不夠，幫助學(xué)生解決目前專業(yè)知識零散，系統(tǒng)性學(xué)習(xí)機會少等問題，大大提高了學(xué)習(xí)效率。

一、NX MCD機電一體化概念

NX MCD機電一體化設(shè)計系統(tǒng)，是西門子PLM（Product Lifecycle Management）工業(yè)軟件NX中集成的一個子系統(tǒng)。在NX/MCD中，具備需求管理 、系統(tǒng)工程、仿真建模、機械設(shè)計、電氣設(shè)計以及調(diào)試驗證等模塊，常用的工作界面有個四部分的功能分別是機械部分、控制部分、信號部分、仿真部分，其中機械部分主要用到的是對仿真環(huán)境中的機械部件賦予物理屬性，能最大程度還原實物狀態(tài)下運動形態(tài)，控制部分主要是模擬實際系統(tǒng)的信號驅(qū)動控制功能，信號部分主要將NX/MCD中的模型與外部PLC和傳感器等信號連接，仿真部分主要用來監(jiān)視執(zhí)行器運行狀態(tài)。在NX MCD系統(tǒng)對機電一體化設(shè)備中的自動化相關(guān)行為的概念進行仿真和3D建模，使其能完成從設(shè)計建模、調(diào)試修改、系統(tǒng)仿真驗證以及運行的全過程。

二、借助“數(shù)字化雙胞胎”開創(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。借助西門子虛擬NC內(nèi)核，從教學(xué)實訓(xùn)任務(wù)開始結(jié)合了機械設(shè)計、電氣自動化控制以及設(shè)置實訓(xùn)任務(wù)，鏡像的虛擬環(huán)境與真實環(huán)境是完全對應(yīng)的“數(shù)字化雙胞胎”，不需要真實的物理機械結(jié)構(gòu)，僅需設(shè)計3D模型，就可以進行運動控制、編程仿真、測試和優(yōu)化，實現(xiàn)機電一化設(shè)備高效快速調(diào)試。以目前中職機電專業(yè)，在教學(xué)中讓學(xué)生掌握的技能以及設(shè)施設(shè)備的情況來看，基于數(shù)字雙胞胎的機電一化設(shè)施設(shè)備虛擬調(diào)試方法可行性很強。如圖所示，數(shù)字化雙胞胎鏡像對比圖。

三、NX MCD的教學(xué)價值

1、集成式系統(tǒng)工程方法

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

2、建模與物理場的仿真

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，在平臺中建立“虛·虛”“虛·實”結(jié)合的環(huán)境，對設(shè)施設(shè)備進行修改驗證，并把結(jié)果映射到真是的物理環(huán)境中。NX MCD平臺提供容易使用的建模和仿真，在需求階段，對功能進行分解，創(chuàng)建后建立需求、功能、邏輯模型相互間的關(guān)系。在設(shè)計階段從庫中添加現(xiàn)有部件，進行機械、電子電氣、自動控制、編程等方面的設(shè)計。在驗證仿真階段通過NX MCD平臺，每個部件可通過直接引用需求和交互式仿真來驗證，可以實現(xiàn)機械運動學(xué)、動力學(xué)、和物理動態(tài)靜態(tài)等一系列行為進行仿真。

3、開放式接口面向其他工具

NX MCD 平臺提供面向各個學(xué)科的開放式接口，其機械設(shè)計結(jié)果，可以提供 CAD 設(shè)計所有的機械設(shè)計圖紙以及功能，還可將NX MCD 平臺模型數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Catia、Pro/ENGINEER、SolidWorks 以及獨立于CAD 的 JT 格式;其電氣設(shè)計結(jié)果，可以開發(fā)傳感器和驅(qū)動器的列表，并以HTML或 Excel 電子表格格式輸出，學(xué)生可以通過此列表清楚知道設(shè)施設(shè)備電氣元件的數(shù)量;在自動化設(shè)計中，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，更加易于學(xué)生今后的專業(yè)成長。

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