2.5 机械设备的数字化双胞胎与虚拟调试

随着机电一体化和软件技术的发展，许多新技术、新理念不断涌现。这些新技术可为机械设计师、软硬件工程师等从业人员在多方面提供极大的帮助，使新机型的开发和调试时间更短，开发成本更低。

利用数字化技术，可将实体机器的物理构造和工艺功能（如组成机器的模块、机器部件的运动形式及顺序、不同部件间的运动关系、传感器、控制时序等特征）用数字化文件的形式表示出来，使之与机器的物理部件、性能和行为等特征相对应。这就等同于为一台实体机器定制了一个与其具有相同特征的数字化映像，该数字映像称为实体机器的数字化双胞胎（digital twin）。实体机器的这个数字化映像可被重复使用，还可用于后续的计算机辅助设计（CAD）等操作。利用专用软件，如西门子公司的NX MCD，可以将这个数字映像显示成立体的、可活动的仿真图像，就像与其相对应的实体机器一样，如图2-5所示。

以传统的方式进行机器设计时，首先机械工程师完成机械设计，然后电气工程师去选择配套的电气产品，最后自动化工程师才能开始机器的控制程序设计。这三个设计环节依次进行且相互影响，前面设计环节的改动很可能使后面的环节随之改动。这样不仅使机器的开发时间延长，而且会增加开发成本。使用机电一体化概念设计软件（如西门子公司的NX MCD），能使机械、电气和自动化工程师同时且协同地工作。NX MCD软件具有开放的接口，可将机械设计CAD图样导入其中，机械工程师还可将机器的各种机械部件规划到数字模型中，完成详细的机械设计；MCD软件可与电气产品选型软件相配合以完成有关电气产品的选型，帮助电气工程师为机器的数字模型选择各种传感器、驱动器和电动机等执行部件；自动化工程师可将机器数字模型中的电子凸轮曲线、操作序列等信息导入机器的控制程序中，更方便地进行软件编程。

MCD软件不仅可快速产生机器的数字化映像（数字化双胞胎），而且可提供机器的仿真功能。因此在制造实际的物理机器之前，可在虚拟的环境中利用数字化双胞胎仿真实体机器的运行，验证其是否达到了设计要求，是否可满足生产率的要求等；还可反复地对机器的数字化双胞胎进行必要的修改和优化，直到满足实际的生产工艺和技术要求。这样的工作方式可极大地减少机器的开发（或改造）时间，降低相应的开发成本。

同样，为了减少机器的开发时间和成本，且更好地利用数字化双胞胎技术，市场上还出现了许多新的理念和配套解决方案。例如采用开放的、标准化的工程信息交换手段，使不同软件开发环境下的信息交换方便快捷。利用这种信息交换手段，在数字化双胞胎的产生过程中，可以方便地将CAD图表示的机械部件信息导入NX MCD软件。在机器的组态和编程方面，也出现了许多旨在减少工作量、优化编程过程的新理念和软件工具，如基于对象的程序设计（object oriented programming, OOP）方法，使得编写程序像搭积木一样简便和快捷，大大降低了软件编程的难度。西门子公司的项目生成器（project generator）和模块应用产生器（modular application creator）等工具可更好地支持机器模块化理念的实施，利用它们可将已开发的、经过实际运行检验的标准软件程序模块方便地组合成机器的完整控制程序。

按照传统的机械制造方式，机器设计并制造完成后要进行调试，以确认机器在实际运行中是否可达到设计和实际工作的要求，确认机器的各个机械及电气部分是否可很好地相互配合，是否具有很好的稳定性，是否会出现误操作等。在物理实体机器上进行调试（图2-6）时，如果发现某些指标达不到要求，则需要对物理机器进行重新设计和改造，这样不仅成本高，而且费时费力；如果存在机器设计方面的错误，在物理机器的调试过程中，还可能造成机器部件的损坏和（或）调试者的人身伤害。

机电一体化技术及专业软件的发展使虚拟调试成为可能，如图2-7所示。利用专用的仿真软件和配套产品（如西门子公司的NX MCD用于仿真机器的机械部分，SIMIT仿真软件用于仿真现场的驱动器、传感器、执行器等有源部件的行为），通过网络将电气控制部分（如PLC或运动控制器）与在PC上运行的虚拟机（实体机器的数字映像）相连，可实现对物理机器的实时动态仿真并可进行虚拟调试。

在这样的环境下，虽然不存在真正的物理机器，自动化控制部分只是和虚拟机相连，但从电气控制部分的视角来看，它就像是在操控一台实际的物理机器一样，可以验证机械部分的概念设计、机械系统的相互作用、电气系统、软件和用户程序。在控制器中运行已经设计并编制好的机器控制程序，操作人员可以在显示器上直观地看到机器的运动、材料供给、是否有碰撞等情况，还可以看出机器在运行时的温度、压力等参数。如果虚拟机的运行结果达不到设计目标，只需对虚拟机及其控制程序进行修改和优化，直至其达到理想的设计目标为止。由此可见，利用虚拟调试，设计人员可在制造实际物理机器之前，就发现所设计的机器中的错误和可能出现的故障，还可避免因设计失误等原因造成对实体机器和操作人员的伤害，并可根据虚拟调试的结果修改和优化机器设计。因此，数字化双胞胎与虚拟调试技术可极大地减少机器的开发时间和成本，缩短新机型的上市时间。

在图2-7所示的虚拟调试方式下，物理机器用PC中运行的虚拟机替代，但控制器仍是真实的产品。还有另一种虚拟调试方式：虚拟调试所需的控制器也是用软件仿真出来的，机器的控制程序在虚拟的控制器中运行。在这种方式下，虚拟的控制器和虚拟机都在一台PC中运行，如图2-8所示。

采用第二种方式的好处是，在虚拟调试前不需要准备任何真实的硬件产品。在这种情况下，因为是用PC模拟硬件控制器来执行程序，所以程序执行的节拍速度会受到PC性能的影响，不一定与真实控制器的执行节拍完全相同。若采用第一种方式，虽然在进行虚拟调试前要准备好控制器等硬件产品，但这样做的好处是，虚拟调试时使用的控制器就是将来在物理机器上要使用的真实控制器，程序执行的节拍速度与将来在真实机器上的速度完全一致。 tWdLl8EAgBaLg6IWdp9XA3HkgJSo//3bIrnFVTXTmj4fpk8luj4nRBmc95HwHMt4