基于“數字化雙胞胎”技術在中職機電專業應用的探索

文/珠海市理工職業技術學校 張 箭

NX MCD 是整合了機械、電氣以及軟件開發的三位一體設計方案，能夠把碎片化的專業知識進行融會貫通。借助NX MCD 系統可以定義常見的機電設施設備，再通過PLCSim 與MCD 進行虛擬調試驗證，實施虛擬仿真鏡像設施設備在工作環境中的行為，形成實物與仿真孿生的“數字化雙胞胎”，可以有效解決學生專業基礎薄弱認知度不夠，幫助學生解決目前專業知識零散，系統性學習機會少等問題，大大提高了學習效率。

一、NX MCD 機電一體化概念

NX MCD 機電一體化設計系統，是西門子PLM(Product Lifecycle Management)工業軟件NX 中集成的一個子系統。在NX/MCD 中，具備需求管理、系統工程、仿真建模、機械設計、電氣設計以及調試驗證等模塊，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境中的機械部件賦予物理屬性，能最大程度還原實物狀態下運動形態，控制部分主要是模擬實際系統的信號驅動控制功能，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視執行器運行狀態。在NX MCD 系統對機電一體化設備中的自動化相關行為的概念進行仿真和3D 建模，使其能完成從設計建模、調試修改、系統仿真驗證以及運行的全過程。

二、借助“數字化雙胞胎”開創虛擬學習環境

數字雙胞胎技術能夠利用虛擬世界的模型去替代物理模型，其關鍵的技術是物理和虛擬相結合的連接。借助西門子虛擬NC 內核，從教學實訓任務開始結合了機械設計、電氣自動化控制以及設置實訓任務，鏡像的虛擬環境與真實環境是完全對應的“數字化雙胞胎”，不需要真實的物理機械結構，僅需設計3D 模型，就可以進行運動控制、編程仿真、測試和優化，實現機電一化設備高效快速調試。以目前中職機電專業，在教學中讓學生掌握的技能以及設施設備的情況來看，基于數字雙胞胎的機電一化設施設備虛擬調試方法可行性很強。如圖所示，數字化雙胞胎鏡像對比圖。

三、NX MCD 的教學價值

1、集成式系統工程方法

根據中職機電專業教學需求，以NX MCD 軟件為總綱，可以利用仿真實現機械三維形狀和運動學創建設計，選擇設施設備需要的傳感器和驅動器，設計自動化編程控制機械的基本邏輯行為，使這些學科并行工作進行結構運動和控制聯合仿真。學生可以從設施設備的最初階段，就能了解機電一體化產品的行為和邏輯特性需求。

2、建模與物理場的仿真

構建數字雙胞胎的前提是把設施設備工程的數據化，在平臺中建立“虛·虛”“虛·實”結合的環境，對設施設備進行修改驗證，并把結果映射到真是的物理環境中。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，創建后建立需求、功能、邏輯模型相互間的關系。在設計階段從庫中添加現有部件，進行機械、電子電氣、自動控制、編程等方面的設計。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，可以實現機械運動學、動力學、和物理動態靜態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科的開放式接口，其機械設計結果，可以提供CAD 設計所有的機械設計圖紙以及功能，還可將NX MCD 平臺模型數據導出到Catia、Pro/ENGINEER、SolidWorks 以 及獨立于CAD 的JT 格式；其電氣設計結果，可以開發傳感器和驅動器的列表，并以HTML 或Excel 電子表格格式輸出，學生可以通過此列表清楚知道設施設備電氣元件的數量；在自動化設計中，能以PLCopen XML 標準格式導出順序甘特圖，可以將其轉化正PLC 控制程序。綜上所述在NX MCD 工作環境中接口輸出通用性強，更加易于學生今后的專業成長。