摘 要：在UG NX的机电概念设计模块中建立自动倒角机的数字孪生虚拟仿真样机，该虚拟仿真样机具有实体机的物理属性、动力学属性、传感器等属性。建立MCD的信号与TIA控制程序进行OPC协议连通，通过TIA控制程序控制虚拟仿真样机进行实际生产动作，可检验所设计的设备的机械属性、运动轨迹能否满足实际要求，同时可调整TIA控制程序，使其贴近现实需求，极大的降低了研发设备所需的时间成本，人力、物力成本。 关键词：自动倒角机；虚拟样机；仿真调试；MCD
0 引言
随着德国“工业4.0”、美国“工业互联网”、“中国制造2025”推进。制造业是我国经济的重要支柱，也是我国经济今后“创新驱动、转型升级”的主战场。我国是制造大国，要实现从“制造大国”到“智造大国”的完美转型升级。
本文基于目前倒角加工的问题，通过UG建模、选型装配及搭建MCD信号并将其进行定位安装，使之成为一个与真实硬件结构一致的虚拟仿真设备。将虚拟仿真自动倒角样机与TIA、P
LC SimAdvanced等编程应用构建一个互通的网络，使虚拟数字孪生仿真自动倒角机能实现生产过程中所需要的既定动作。最后通过已调试好的程序在数字孪生硬件平台上的移栽，实现硬件平台的驱动、生产逻辑的一体化控制，实现实际设备与虚拟设备之间数据交互，达到虚实同步。
1自动倒角机简介
本次所设计的自动倒角机由物料夹爪单元、物料仓储单元、操作控制单元、气缸单元、螺母供料单元、螺母冲压单元组成。 总体设计方案：
通过UG NX的机电概念设计模块设计零件，再通过约束条件装配好整体机构的模型，添加物理属性，使其拥有实体机构的所有物理特性，再创建MCD信号，于此同时，组态HMI界面，设计TIA程序，完成加工工艺设计。秋天的图画教学设计
工作原理：（1）机器各部分准备完毕后，按下启动键，螺母储料仓直振器开始震动，使螺母到达储料仓的物料光纤传感器的位置。（2）待传感器检测到物料，PLC接收到信号，机
械手单元就会运转到预先设定的夹取物料的位置，夹取物料。（3）机械手单元将物料送至加工单元，进行冲压。（4）机械手单元将螺母放至下料单元。
（5）待下料单元储料口附近的光纤传感器检测到储料口有物料，PLC输出信号，使机械手单元重新到物料台夹取物料。（6）当下料单元储料口附近的光纤传感器检测到储料口全放满物料后，PLC输出信号，下料单元动作，使物料掉入储料盘中。
2 虚拟样机设计
2.1总体方案设计
数字孪生体仿真自动倒角机由物料夹爪单元、物料仓储单元、操作控制单元、气缸单元、螺母供料单元、螺母冲压单元组成。各单元分布图 如图1所示。
图1各单元分布图 图2 自动倒角机数字孪生体总装配
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2.2 零件的设计、建模、装配
根据自动倒角机实际单个零件的长度而绘制出MCD零件的尺寸，当零件草图部分设计完毕后。通过拉伸、旋转、切除等建模方法，并辅之以布尔运算，进行参数化建模，将每个零件的草图生成每一部分的虚拟实体零件。
当自动倒角机的所有零件建模完成后，通过装配体功能，根据实际设备零件的位置，装配所有的功能单元，为每个零件添加约束，使零件各部分能与实体相匹配。
由小及大，每个功能单元由零件构成，自动倒角机整体装配由所有的功能单元构成。待所有单元装配完毕，删除所有的装配约束，如不删除，则会阻碍后期自动倒角机数字孪生体的虚拟动作的运动。自动倒角机数字孪生体总装配如图2所示。
2.3 物理特性设置
（1）对需要运动的部件进行刚体属性的定义：定义了刚体属性后，会给仿真虚拟机附以质
量属性。同时设置对象源，即能使螺母在这里源源不断的产生。（2）碰撞体的定。（3）运动副的定义。（4）传感器的定义。（5）对升降、前后、旋转等运动副添加运动控制。
2.4 感生电动势MCD信号的搭建湖南百科全说
MCD信号就犹如人的大脑，装配体和物理特性设置如同一个身体。要让身体动作就要有大脑给身体发送信号。搭建自动倒角机机数字孪生体MCD信号，已能让数字孪生体进行初步运动，如皮带的运动、夹爪的夹紧和松开等。这些信号源于之前所创建的传感器、运动副、运动控制等。而MCD信号也是和TIA程序互通的关键，使真实的硬件平台与仿真的平台构成数字孪生映像，虚实平台之间通过 OPC UA（-TSN）通信互联，实现数字化双胞胎协同运动控制。MCD信号如图3所示。
3 PLC程序设计
3.1 TIA博图组态
本设计采用西门子S7-1200系列PLC作为控制器，采用西门子KTP700，进行组态设计，HMI通过Profinet网络与PLC连接，PLC再通过Profinet网络向远程I/O模块及驱动系统发出
指令，从而控制设备按一定工艺要求完成自动倒角任务。
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3.2 PLC程序编写
PLC 程序设计采用梯形图编程，编程软件采用西门子TIA Protal V14。PLC 控制程序具备手动操作与自动操作功能。系统上电之后，程序进行初始化，在触摸屏上按启动键进入自动控制界面，长按复位键对设备进行复位，再按下启动按钮，可实现对加长螺母全自动倒角，直到工件加工完毕。
4 虚拟调试
4.1 信号映射
在实现MCD-TIA联合虚拟调试，信号的连接是非常重要的。本设计采用 MCD 中的信号映射命令将MCD 机电信号与 OPC 服务器传递的控制外部信号进行连接，建立信号映射。外部信号与MCD 之间实现连接、映射。如图4所示。
图3 MCD信号 图4 连接信号
4.2 虚拟调试验证
根据自动倒角机的需求，完成虚拟样机的设计和信号定义，以及信号连接完成之后，就能实现虚拟 MCD 与 PLC程序的运动信号交互。将相应对象的信号添加到“运行时查看器”，对实时数据进行监视。点击“启动”按钮，可以观察到自动自动倒角机虚拟样机的动作在 MCD 中得到了虚拟验证；与此同时，在 TIA 博图的窗口能看到，MCD 与博图进行了实时的数据交互，如图 5所示。
由于在虚拟调试过程中，MCD虚拟样机按PLC程序的要求，一次运行成功，没有异常。虚拟调试的应用价值在自动倒角机实验结果得到了很好的体现，解决了在实际安装调试过程中碰到的各种问题，提高了产线设计和生产效率。
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图 5 虚拟调试仿真结果
5 结论
通过数字孪生仿真与调试的方式能让前期的设备设计更加省时、省力、省钱。在人力、物力成本逐步上升的年代，一台自动化倒角机只需要一位员工，添加螺母到物料仓和收集螺母，降低了人力成本，提升了生产效率。数字孪生技术是今后智能制造发展的大趋势。
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