虚拟调试技术在数控复合磨床上的应用：SINUMERIK 840Dsl+SIMIT+NX MCD 方案

      一、引言 

     机床行业的产品研发是一个典型的机电设备的研发过程。近几年随着虚拟调试技术和手段的日趋成熟，以及西门子机床数字化双胞胎方案的不断推广，部分国外先进的机床制造商开始采用虚拟调试技术来完成机床的设计研发，利用虚拟机床大幅缩短了产品设计周期，将机床设计推到了一个更新的技术应用层面。虚拟调试就是通过把虚拟世界的设备模型与物理世界的真实控制设备进行连接，目的是对复杂生产系统进行功能测试。虚拟设备的模型是通过数字化技术建立起来的与真实设备完全功能相同的三维模型，这些模型可以完全映射真实的工作场景，执行内部设置好的程序功能，也就是说它们的动作可以和现实的动作模一样，通过模拟和测试可以在早期阶段就提前发现和纠正潜在的设计缺陷，并且可以使现场的调试速度更快，风险更低，从而缩短上市时间，降低成本，增加灵活性和提高生产力。

     二、技术方案 

     数控复合磨床通过 B 轴自动切换砂轮，工件一次装夹下可完成其外圆、锥面、端面、内圆等多工序的磨削加工，是我国精密机械加工急需的高精度加工技术设备。正值公司开发数控复合磨床新产品，相比于其他数控外圆磨床产品，复合磨床结构复杂，机床功能较多，前期的设计和后期的调试都将面临巨大的挑战。借助西门子公司来公司推广 MCD 软件这个契机，经过评估后，公司决定在数控复合磨床项目的设计开发中使用西门子的 MCD 软件。由于计划开发的数控复合磨床搭载的是西门子 840Dsl 数控系统，最终确定的技术方案是西门子 SINUMERIK 840Dsl+SIMIT+NX MCD 软件来实现机床数字化虚拟调试仿真，如图 1 所示。

图 1 技术方案

     在机床搭建虚拟调试的过程中 ，采用 MCD+Sinumerik 840D SL 的控制运行方式。MCD（Mechatronics Concept Designer）是建立在 NX CAD 平台上，用于交互式设计和模拟机电系统复杂运动的软件，它融合了多个学科，包括机械、电气、流体和自动化方面，是一种将机器创建过程转变为高效机电一体化设计方法的解决方案。通过将 MCD 和西门子数控系统进行虚实连接，从而实现数控磨床的虚拟调试工作。

     可以调试的内容和实现的功能包括 :

   （1）仿真的功能 : 干涉、刚体、加速度等 ;

   （2） 验证的功能 : 操作顺序、NC 代 码、PLC 代码等 ;

   （3）定义的功能 : 功能模型、需求、驱动和传感器等 ;

   （4）虚拟调试的功能:数字孪生（数字双胞胎）验证、校验机电概念设计、可视化呈现等。

     三、项目实施 

    3.1第一阶段:数控系统和 MCD 的连接

     按照技术方案，840Dsl 数控系统通过硬件仿真单元 (SIMIT UNIT) 接入 SIMIT 软件里，SIMIT 不仅可以做信号级仿真（即平时说的 DI、DO、AI、AO）， 也支持设备级仿真（ 如 : 电机、阀门和控制器等），甚至能够实现一些简单的过程级仿真。通过使用 SIMIT UNIT 硬件来映射机床现场的 IO 设备和机床轴数据，然后通过SIMIT 软件和 MCD 的接口信号对接，实现机床数据和 MCD 里的运动副、传感器和执行器数据的连接。以下是一些主要功能的实施方法。

     数控复合磨床配备有四根伺服轴，通过SIMIT 里的 ADAS 控件，可以非常方便地就把机床轴实际位置数据送入 MCD 里的虚拟机床运动副信号里，实现虚拟机床直线轴和旋转轴的位置控制仿真。由于 B 轴转台使用的是力矩电机，所以在 SIMIT 里搭建了模拟温度逻辑去给到 PLC，从而能轻松实现力矩电机的温度仿真验证，如图2 所示。

图 2 数控轴的仿真

     在实际调试时，由于机床的硬件 MCP 操作面板装在了操纵箱上，而在虚拟调试时主要是在电脑上进行操作，两者的距离，使得调试很不方便。通过西门子提供的信号控件，在 SIMIT 里搭建了一块虚拟的 MCP 操作面板。同时通过设计编制 PLC 程序，将此虚拟面板配置为机床的第二面板，从而成功实现了在电脑端对机床的实时操控，如图 3 所示。

     数控复合磨床配置有三个砂轮磨头，全部采用的是普通变频器带动。考虑到去仿真变频器工作量大，实际使用意义又不大，所以还是在SIMIT 软件里搭建逻辑来实现砂轮的控制仿真。

图 3 数控虚拟面板

     为了可以展现可视化界面，加入了数字显示表和使能灯，用来配合 MCD 里的虚拟砂轮的状态显示，如图 4 所示。

图 4 砂轮调速仿真

     在这一阶段，还完成了诸如机床尾架，轴向对刀，径向量仪、防护门、油箱、限位等数控复合磨床的全部外部功能部件的仿真，如图 5 所示。

图 5 外围辅助部件仿真

     在实际实施中，可以在 MCD 和 CIMIT 之间相互配合使用。有些在 MCD 中能实现的信号和动作如（限位，轴，油缸等）可在 MCD 里实现。MCD 里实施不理想的，可以通过 SIMIT 来进行补充实现如（液压，气等信号和部件）。通过配合可以完美地实现机床全部功能的模拟仿真。

     3.2第二阶段:数控机床和虚拟机械手的连接

     作为机床功能扩充，数控机床连接机械手上下料是现在很多自动化加工线的标配 ; 但在很多情况下，在机床设计调试阶段很难去和机械手实际对接调试，因此对机械手的虚拟调试也变成了迫切的需求。机械手一般都有自己的控制系统，通过它的系统和数控系统进行连接交互，所以需要为机械手搭建一个控制系统，来仿真机械手。

     很庆幸，西门子可以提供一个简便的使用方案 --NX MCD 里的仿真序列功能。仿真序列可以处理机构动作的逻辑关系与仿真演示的快捷方式，它可以将各个执行器与传感器关联，从而实现逻辑控制。机械手就使用了 MCD 里的仿真序列来进行逻辑控制，实现虚拟机械手进行上下料仿真的功能。事先分别为其编了三条基于事件的仿真序列 --- 机械手上料、机械手下料、传送带移动。数控系统发出对应的 M 指令，信号传送到 MCD 时，调用相应的仿真序列执行机械手动作。执行完毕后发出完成信号给数控系统，完成数控的 M 指令应答，从而完成整个上下料过程。机械手仿真信号流程和序列编制如图 6 和图 7 所示。

图 6 机械手仿真信号流程

图 7 机械手仿真序列编制

     在实际使用中，也可以进行虚实结合仿真，机床用实体，虚拟机械手配合给其虚拟上下料。这样可以构成一个独立的加工单元进行加工展示，并且可以精确地模拟出将来实际运行时的工序节拍。机械手的加入也为后续打造数字化仿真加工车间奠定了基础。利用机械手搭建的虚拟场景如图 8 所示。

图 8 虚拟场景

     四、机床设计研发中作用 

     通过使用了虚拟调试技术，使得数控复合磨床在它的全生命周期里就和它的影子机床形影相随。在机床机械设计阶段，根据机床的几何结构、运动轨迹和控制系统等信息，利用计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）软件建立机床的虚拟模型。该模型可以完全映射真实的工作场景，就是说他的动作可以和现实的动作一模一样。这样机械工程师就可以完成机床结构的论证，机床的干涉检查等，从而可以快速判断出所设计的机床结构是否满足要求。提前发现和纠正潜在问题，减少实际投产中的错误和风险。在机床实体部件还在加工制造时，电气工程师就已经开始使用虚拟机床进行虚拟调试加工（图 9），完成机床 PLC 程序的验证制作与零件加工程序的编制测试。最后搭建的虚拟调试现实场景如图10 所示，虚拟调试让大家真实感受到数字化的魅力和潜力，很有现实意义。

图 9 虚拟调试中  图 10 虚拟调试现实场景

     五、结语 

     虚拟调试技术作为机床数字化的核心部分，可以助力加速新产品开发试制过程。通过虚拟调试技术，使机床研发制造周期，可缩短多达30%; 使用虚拟调试来提前编程和测试产品，可以减少过程停机时间，机床现场调试时间，可缩短多达 70%; 并且可以降低将设计转换为产品的过程风险，其推广应用必将会加速整个机床行业数字化转型。