NX MCD創(chuàng)建機電集成功能數字孿生模型的流程
MCD（Mechatronic concept design）機電一體化系統設計是NX設計平臺的應用模塊。它創(chuàng)建的機電功能模型，實現了機械，電氣，自動化功能的集成，并以信號交互的方式對復雜機電裝備的運行過程進行設計和仿真。
MCD創(chuàng)建的機電集成的功能模型不僅可用于機電系統的功能驗證，同時也是組成虛擬調試關鍵環(huán)節(jié)，本文將介紹使用MCD創(chuàng)建機電集成功能模型的流程，如下所示：
圖1-機電集成功能模型創(chuàng)建流程
1．機電對象定義——剛體，碰撞體等
基本機電對象主要包括剛體，碰撞體，對象源及對象收集器等。通過定義，可賦予幾何模型物理屬性，如質量，摩擦力，恢復系數等。在仿真過程中，機電對象會根據外部的條件進行相應的物理響應，如重力下落，移動旋轉，碰撞停止等，而沒有進行機電對象定義的幾何體，將始終保持靜止。
如果仿真過程中機電對象間還需要通過接觸力產生行為，則需要定義碰撞體，碰撞材料等，沒有定義碰撞的對象將相互穿過。
圖2-剛體定義
2．運動副及約束/耦合副定義
使用基本運動副可對仿真期間剛體運動方式進行定義，如平行運動或旋轉運動，同時也對運動的范圍進行限制。一個運動副由基本體與連接體組成，約束兩者之間的相對運動關系。為使仿真性能更加穩(wěn)定，在創(chuàng)建運動副時可選擇不同的運動計算方式，包括：
a. 動力學：在仿真過程中使用機電求解器執(zhí)行精確的運動副計算。
b．運動學：執(zhí)行簡單的運動學計算，不使用機電求解器，以提高仿真性能。
c．鉸接運動：優(yōu)化運動學計算，實現更精確、更快速的結果。
圖3-運動副與約束
基本運動副只定義一個運動約束，耦合副則是對兩個具有約束關系的運動副進行定義，兩者之間具有主從關系。主要有齒輪副，機械/電子凸輪，滑輪與帶，齒輪齒條等，如下所示。
圖4-耦合副定義
3．執(zhí)行器定義
機電系統的運動副與約束定義完成后，可以添加執(zhí)行器以驅動運動副。MCD中可用的執(zhí)行器包括速度控制，位置控制，力與扭矩控制，氣動/液壓控制，反算機構驅動，傳輸面等功能。其中反算機構驅動可用于工業(yè)機器人的運動設計，實現對機器人的虛擬示教。
每個執(zhí)行器具有相應的控制參數，如速度，位置等。這些參數可以在定義時輸入，也可以在創(chuàng)建仿真序列時定義。在虛擬調試中，這些參數則作為MCD的輸入信號，由外部控制器進行控制。
圖5-位置控制
4．傳感器定義
MCD機電集成功能模型最重要的特點就是集成了電氣傳感器屬性，從而可以檢測設備的條件與狀態(tài)，并作為MCD的輸出信號，由仿真序列或者外部控制器使用，創(chuàng)建邏輯程序。MCD支持數字量傳感器的創(chuàng)建，如碰撞傳感器可用作接近開關，檢測設備到位，零件在位等場景。同時MCD支持模擬量傳感器的創(chuàng)建，如速度檢測，位置檢測，加速度檢測等，從而在虛擬調試過程中可建立運動控制的閉環(huán)，半閉環(huán)等控制方式。
圖6-碰撞傳感器
5．仿真序列控制
機電系統動作的執(zhí)行是基于時間或狀態(tài)變化，即動作的時序和條件。而仿真序列即可用來創(chuàng)建基于時間和基于事件的行為，從而讓機電功能模型在序列的控制下實現系統連續(xù)有序的運行。
圖7-仿真序列
仿真序列可創(chuàng)建機電系統中所有對象的控制單元，并可訪問所有對象的參數，如凸輪曲線、運動副和約束。仿真序列可以控制執(zhí)行器的開始時間、持續(xù)時間和速度，或者在傳感器激活時更改動態(tài)材料的大小等。一般使用仿真序列執(zhí)行以下操作：
a. 創(chuàng)建條件語句以確定何時觸發(fā)參數更改。
b. 將對象參數的值更改為仿真序列中設置的值。
c. 根據指定的事件暫停運行時仿真。
d. 使用仿真序列導出系統運行節(jié)拍表，用于系統分析和優(yōu)化。
需要注意的是，如果在虛擬調試過程中使用外部信號控制機電對象，則需要激活或停用對應的仿真序列，避免對同一參數同時被兩種不同的方式控制。
圖8-創(chuàng)建基于事件的仿真序列
6．結語
NX MCD通過定義機電對象，運動副和約束，傳感器與執(zhí)行器，將機械產品的幾何模型轉換為具有機電物理屬性的集成功能模型，即創(chuàng)建與實際系統對應的虛擬功能模型。利用仿真序列創(chuàng)建的時間/事件序列，可以按照自動化控制邏輯驅動功能模型中的機電對象，從而實現對機電系統復雜運行過程的設計與仿真。
