NX MCD创建机电集成功能数字孪生模型的流程
MCD（Mechatronic concept design）机电一体化系统(tong)设(she)计是NX设计平台的(de)(de)应(ying)用模(mo)块(kuai)。它创(chuang)建的(de)(de)机电(dian)功能模(mo)型，实现了机械，电(dian)气，自动化功能的(de)(de)集成，并(bing)以信号交互的(de)(de)方式对复杂机电(dian)装(zhuang)备的(de)(de)运行过程进(jin)行设计和仿真。
MCD创建的(de)机电(dian)集(ji)成的(de)功能(neng)模型不(bu)仅可用(yong)于机电(dian)系统的(de)功能(neng)验证，同时也是组成虚拟调试(shi)关(guan)键环节，本(ben)文将介(jie)绍使(shi)用(yong)MCD创建机(ji)电集成功能模型的流程，如下所示：
图1-机电(dian)集成功能(neng)模(mo)型创建流(liu)程
1．机电对象定义(yi)——刚体，碰(peng)撞体等
基本机(ji)电对象(xiang)(xiang)(xiang)主要包括刚体(ti)，碰撞体(ti)，对象(xiang)(xiang)(xiang)源(yuan)及(ji)对象(xiang)(xiang)(xiang)收集器等。通过定义(yi)，可赋(fu)予几何模型(xing)物理(li)属性，如(ru)质量(liang)，摩(mo)擦力(li)，恢复系(xi)数等。在仿真过程中，机(ji)电对象(xiang)(xiang)(xiang)会(hui)根据外部的(de)(de)条件进(jin)行(xing)(xing)相应的(de)(de)物理(li)响(xiang)应，如(ru)重力(li)下落，移动旋转，碰撞停止(zhi)等，而没(mei)有进(jin)行(xing)(xing)机(ji)电对象(xiang)(xiang)(xiang)定义(yi)的(de)(de)几何体(ti)，将始终保持(chi)静止(zhi)。
如果仿真过程中(zhong)机电对(dui)象间还需(xu)要通(tong)过接触力产(chan)生(sheng)行(xing)为，则需(xu)要定(ding)(ding)义碰(peng)撞(zhuang)(zhuang)体，碰(peng)撞(zhuang)(zhuang)材料等，没(mei)有定(ding)(ding)义碰(peng)撞(zhuang)(zhuang)的对(dui)象将(jiang)相(xiang)互(hu)穿过。
图2-刚体定义
2．运动副及约束/耦(ou)合副定义(yi)
使用基(ji)本运(yun)(yun)动(dong)(dong)副可(ke)(ke)对(dui)仿真期间刚体运(yun)(yun)动(dong)(dong)方(fang)式(shi)(shi)进行(xing)定义，如平行(xing)运(yun)(yun)动(dong)(dong)或(huo)旋(xuan)转(zhuan)运(yun)(yun)动(dong)(dong)，同时也对(dui)运(yun)(yun)动(dong)(dong)的(de)(de)(de)范围(wei)进行(xing)限制。一个运(yun)(yun)动(dong)(dong)副由基(ji)本体与连(lian)接(jie)体组成，约束(shu)两(liang)者之(zhi)间的(de)(de)(de)相对(dui)运(yun)(yun)动(dong)(dong)关系。为使仿真性能更加稳定，在(zai)创建运(yun)(yun)动(dong)(dong)副时可(ke)(ke)选择不同的(de)(de)(de)运(yun)(yun)动(dong)(dong)计算方(fang)式(shi)(shi)，包(bao)括：
a. 动力学(xue)：在仿(fang)真过(guo)程中(zhong)使用机电求解器执行精确的运动副计(ji)算。
b．运动学(xue)：执行简(jian)单的(de)运动学(xue)计算，不使用(yong)机电(dian)求解器，以(yi)提高(gao)仿真性能。
c．铰接运(yun)动(dong)(dong)：优化运(yun)动(dong)(dong)学计(ji)算，实现更精(jing)确、更快速(su)的(de)结果。
图3-运动副与约(yue)束
基本运动(dong)(dong)副只(zhi)定(ding)义一个运动(dong)(dong)约束，耦合副则是对两(liang)个具有(you)约束关系(xi)的运动(dong)(dong)副进行定(ding)义，两(liang)者之间具有(you)主从(cong)关系(xi)。主要(yao)有(you)齿轮(lun)副，机械/电子凸轮，滑(hua)轮与(yu)带，齿轮齿条等，如下所示。
图4-耦合副定义
3．执(zhi)行器(qi)定义(yi)
机电系统(tong)的运(yun)动(dong)副与约束定义(yi)完成后，可以添加执行器以驱动(dong)运(yun)动(dong)副。MCD中(zhong)可用(yong)的执(zhi)行器(qi)包(bao)括(kuo)速度(du)控制，位置(zhi)控制，力与(yu)扭矩(ju)控制，气动/液压控制(zhi)，反算机(ji)构驱动(dong)，传输面(mian)等功(gong)能。其中反算机(ji)构驱动(dong)可用于工业机(ji)器人的运动(dong)设计，实现对(dui)机(ji)器人的虚拟示教。
每个执(zhi)行器(qi)具有相应的控制参数(shu)，如速(su)度，位(wei)置等。这些参数(shu)可以(yi)在(zai)定义时输入(ru)，也可以(yi)在(zai)创建(jian)仿真(zhen)序列时定义。在(zai)虚(xu)拟调试中，这些参数(shu)则作为MCD的输入信(xin)号，由外部(bu)控制器(qi)进行(xing)控制。
图5-位置控制(zhi)
4．传感(gan)器定(ding)义
MCD机电集成功能模(mo)型(xing)最重要的(de)特点就是(shi)集成了电气传感器(qi)属性，从(cong)而可以(yi)检测设备的(de)条件与状态，并作为MCD的输出信号，由仿真序列或者外部控制(zhi)器使用，创建逻辑程(cheng)序。MCD支持数字量传感器的创建，如(ru)碰(peng)撞传感器可用作接(jie)近开关，检(jian)测设备(bei)到位，零件在位等场景。同时MCD支持(chi)模拟量(liang)传感器(qi)的(de)创(chuang)建(jian)，如(ru)速度(du)检(jian)测(ce)，位置检(jian)测(ce)，加速度(du)检(jian)测(ce)等，从而在(zai)虚(xu)拟调(diao)试过程中可建(jian)立运动(dong)控制(zhi)的(de)闭环，半闭环等控制(zhi)方式(shi)。
图6-碰撞传感器
5．仿(fang)真序列控制
机电系统动作(zuo)的(de)执行(xing)是基(ji)于(yu)(yu)时(shi)(shi)间或状态变化，即动作(zuo)的(de)时(shi)(shi)序和(he)条件。而仿真序列即可用(yong)来创建基(ji)于(yu)(yu)时(shi)(shi)间和(he)基(ji)于(yu)(yu)事(shi)件的(de)行(xing)为，从(cong)而让机电功能模(mo)型在序列的(de)控制下实现系统连续有序的(de)运行(xing)。
图7-仿真序列(lie)
仿(fang)真(zhen)(zhen)序列可创建机电(dian)系(xi)统中(zhong)所(suo)(suo)有对象(xiang)的(de)(de)控(kong)制(zhi)单(dan)元，并可访(fang)问所(suo)(suo)有对象(xiang)的(de)(de)参数，如凸轮(lun)曲线、运动副和约束。仿(fang)真(zhen)(zhen)序列可以控(kong)制(zhi)执(zhi)行器(qi)的(de)(de)开始(shi)时间、持续(xu)时间和速度，或者在传感(gan)器(qi)激活时更改动态材料的(de)(de)大小(xiao)等。一般使用(yong)仿(fang)真(zhen)(zhen)序列执(zhi)行以下操作(zuo)：
a. 创建条件语(yu)句以确(que)定何时(shi)触发参数更改。
b. 将对象参(can)数的(de)(de)值更改为仿真序列(lie)中设置的(de)(de)值。
c. 根据指定(ding)的事件暂停运行(xing)时仿真。
d. 使用仿真序(xu)列导出系统运(yun)行(xing)节拍表，用于系统分析和优化。
需(xu)要注(zhu)意的是，如果在虚拟调试过(guo)程中使用(yong)外(wai)部信(xin)号(hao)控(kong)制(zhi)机(ji)电对象，则需(xu)要激(ji)活或停用(yong)对应的仿真序(xu)列(lie)，避(bi)免对同一参数同时被两种不(bu)同的方式控(kong)制(zhi)。
图(tu)8-创建基于事(shi)件的仿真序列(lie)
6．结语
NX MCD通过定(ding)义机(ji)(ji)电(dian)对(dui)象，运(yun)动副和约束，传感器与执行器，将(jiang)机(ji)(ji)械产品的几(ji)何模型转换(huan)为具有机(ji)(ji)电(dian)物理属性的集成功(gong)(gong)能模型，即(ji)创(chuang)建(jian)与实际系统对(dui)应(ying)的虚拟功(gong)(gong)能模型。利用仿真序列(lie)创(chuang)建(jian)的时间(jian)/事件(jian)序列，可以按照(zhao)自动化控制逻辑驱动功(gong)能模型中的机电对象，从(cong)而实现对机电系统复杂运行过程的设计(ji)与(yu)仿真。
