智能制造裝備創(chuàng)新設(shè)計 課件 劉樹青 第5-7章 數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計-數(shù)字孿生驅(qū)動的數(shù)字化生產(chǎn)

武漢華工智云科技有限公司第五章數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計《智能制造裝備創(chuàng)新設(shè)計》

主要內(nèi)容23智能檢測單元機床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計概述12機床的數(shù)控裝置數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)控機床的PLC控制數(shù)控機床電氣控制線路345第一節(jié)機床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計概述31.1機床電氣控制技術(shù)的發(fā)展電力拖動技術(shù)的發(fā)展計算機控制技術(shù)的發(fā)展●20世紀(jì)40年代以前，電機不能電氣調(diào)速●40年代后，直流調(diào)速系統(tǒng)●60年代后，交流調(diào)速●20世紀(jì)40年代以前，繼電器接觸器系統(tǒng)●50年代開始，數(shù)字控制技術(shù)●70年代后，CNC控制技術(shù)、PLC技術(shù)第一節(jié)機床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計概述41.2數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)的組成●現(xiàn)代數(shù)控機床采用了CNC控制、交流調(diào)速以及PLC控制等技術(shù)，其電氣控制系統(tǒng)的部件組成主要包括數(shù)控裝置、驅(qū)動裝置、主軸及進給軸電動機、機床IO、機床控制面板等輸入輸出裝置。圖5-1數(shù)控機床電氣系統(tǒng)的部件組成第一節(jié)機床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計概述51.2數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)的組成●數(shù)控裝置是數(shù)控機床的“大腦”，對輸入裝置或輸入接口輸入的命令或程序進行存儲、譯碼和運算等處理，將插補運算的位置或速度指令周期性的發(fā)送給伺服裝置；●伺服裝置把指令信號與實際的測量反饋信號進行比較，根據(jù)偏差信號進行控制，輸出驅(qū)動電流，控制伺服電動機運行，實現(xiàn)機床主軸和進給軸的閉環(huán)運動控制。●與數(shù)控裝置集成一體的機床可編程序控制器根據(jù)加工程序中的M、S、T等輔助功能指令，發(fā)出輔助控制指令，實現(xiàn)外圍輔助功能，包括刀具交換、冷卻液開關(guān)、潤滑、液壓/氣動等。第一節(jié)機床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計概述61.3數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計（1）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范第一節(jié)機床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計概述7

1.3數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

（2）電氣設(shè)計要求●高可靠性●安全性●良好的控制特性●自診斷及運行狀態(tài)指示●設(shè)備的宜人性第一節(jié)機床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計概述8

1.3數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

（3）數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的基本內(nèi)容●電氣設(shè)計任務(wù)書的擬定●控制系統(tǒng)選型及電氣傳動方案設(shè)計●電氣控制系統(tǒng)圖的設(shè)計●編寫電氣說明書和使用說明書第二節(jié)機床的數(shù)控裝置92.1計算機數(shù)字控制技術(shù)（1）CNC裝置的軟硬件結(jié)構(gòu)●電氣設(shè)計任務(wù)書的擬定●控制系統(tǒng)選型及電氣傳動方案設(shè)計●電氣控制系統(tǒng)圖的設(shè)計●編寫電氣說明書和使用說明書第二節(jié)機床的數(shù)控裝置102.1計算機數(shù)字控制技術(shù)（1）CNC裝置的軟硬件結(jié)構(gòu)●超大規(guī)模集成電路(VLSI)技術(shù)實現(xiàn)了數(shù)控裝置體積小、可靠性高、控制速度高以及維護成本少的目的?！瘳F(xiàn)代CNC裝置的硬件通常包括微處理器、數(shù)據(jù)存儲器以及伺服控制回路專用模塊等。●CNC裝置采用一個或多個用于執(zhí)行控制功能的微處理器，特別是多核處理器的使用，進一步提升了數(shù)控裝置的性能?！馛NC裝置的所有組件都集成在一塊或者多塊印制電路板上，通過內(nèi)部總線相互連接。第二節(jié)機床的數(shù)控裝置11（1）CNC裝置的軟硬件結(jié)構(gòu)●CNC裝置需要一套操作系統(tǒng)，也稱控制軟件或者系統(tǒng)軟件，它確定了機床整體的功能和使用范圍，包括了所有必要的功能，如控制內(nèi)核插補計算、位置控制、速度控制、顯示、編輯、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理，此外還包括后臺的機床數(shù)據(jù)接收及處理、接口程序、故障診斷、加工過程的圖形仿真和CNC集成編程系統(tǒng)等。2.1計算機數(shù)字控制技術(shù)第二節(jié)機床的數(shù)控裝置122.1計算機數(shù)字控制技術(shù)（2）控制類型和插補●點位控制：控制機床從一點準(zhǔn)確地移動到另一點，在移動過程中不進行加工，因此對兩點間的移動速度和運動軌跡沒有嚴(yán)格要求●直線控制：不僅要控制機床運動部件從一點準(zhǔn)確地移動到另一點，還要控制兩相關(guān)點之間的移動速度和軌跡，可一邊移動一邊切削加工。●輪廓路徑控制：兩根或者更多的數(shù)控機床軸按照確切的相互關(guān)系運動稱為輪廓路徑控制，使其合成的平面或空間的運動軌跡符合被加工零件的圖紙要求第二節(jié)機床的數(shù)控裝置132.1計算機數(shù)字控制技術(shù)（3）數(shù)控機床的坐標(biāo)軸●機床坐標(biāo)軸遵循笛卡兒坐標(biāo)系原則，分為平移軸X、Y、Z軸，和旋轉(zhuǎn)軸A、B和C軸?！竦毒咄ㄟ^三個平移軸的運動可以到達工作區(qū)中的任意點，旋轉(zhuǎn)軸和擺動軸可用于加工傾斜表面或跟蹤刀具軸。第二節(jié)機床的數(shù)控裝置142.2數(shù)控裝置的組成及接口（1）數(shù)控裝置的組成原理●現(xiàn)代CNC裝置通常由人機交互界面（HMI：HumanMachineInterface）、數(shù)字控制核心（NCK）以及機床邏輯控制（PLC）三個相互依存的功能部件構(gòu)成?！馛NC裝置可分為緊湊一體型結(jié)構(gòu)和分離型結(jié)構(gòu)。第二節(jié)機床的數(shù)控裝置152.2數(shù)控裝置的組成及接口（2）數(shù)控裝置的總線接口●在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，數(shù)控裝置作為數(shù)控機床的控制裝置，位于設(shè)備控制層。其上層通常是基于PC或工作站的DNC系統(tǒng)、FMS系統(tǒng)或CIMS系統(tǒng)等的單元層或車間管理層。其下層為傳感器-執(zhí)行器層，通常包括驅(qū)動和執(zhí)行機構(gòu)、通過（遠(yuǎn)程、智能）輸入輸出模塊接入的傳感器和繼電器輸出等。第二節(jié)機床的數(shù)控裝置162.2數(shù)控裝置的組成及接口（2）數(shù)控裝置的總線接口●單一總線類型在加工過程中不能滿足多種任務(wù)要求，適用于設(shè)備控制層和執(zhí)行層之間的數(shù)據(jù)通信現(xiàn)場總線，稱為執(zhí)行裝置/傳感器現(xiàn)場總線，如Profbus、Interbus或CANbus。第二節(jié)機床的數(shù)控裝置172.2數(shù)控裝置的組成及接口（2）數(shù)控裝置的總線接口●適用于設(shè)備控制層和單元層之間的系統(tǒng)現(xiàn)場總線中，基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的數(shù)據(jù)總線逐漸取代其他系統(tǒng)總線，成為系統(tǒng)級總線的標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用。第二節(jié)機床的數(shù)控裝置182.3數(shù)控裝置的信息流程第三節(jié)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)193.1數(shù)控機床伺服驅(qū)動系統(tǒng)概述●包括主運動驅(qū)動系統(tǒng)和進給運動驅(qū)動系統(tǒng)，以機床運動部件的位置和速度為控制量，接收上層數(shù)控裝置的位置、速度指令，與測量反饋裝置檢測的實際值進行比較，經(jīng)位置控制、速度控制、電流控制閉環(huán)控制和功率放大后驅(qū)動伺服電動機，通過機械傳動機構(gòu)實現(xiàn)工作部件的加速度、速度、位置運行要求。第三節(jié)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)203.1數(shù)控機床伺服驅(qū)動系統(tǒng)概述●現(xiàn)代數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)主要包括模塊化數(shù)字化的驅(qū)動控制器、高性能的伺服電動機和帶有位置測量系統(tǒng)的高質(zhì)量的軸機械機構(gòu)三大部分。第三節(jié)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)213.1數(shù)控機床伺服驅(qū)動系統(tǒng)概述（2）伺服驅(qū)動系統(tǒng)的分類●按有無位置檢測反饋裝置分類●按伺服電機的類型分類

①步進電動機伺服驅(qū)動系統(tǒng)

②直流電機伺服驅(qū)動系統(tǒng)

③交流電機伺服驅(qū)動系統(tǒng)

④直線電機伺服驅(qū)動系統(tǒng)第三節(jié)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)22（2）伺服驅(qū)動系統(tǒng)的分類●數(shù)控機床主運動系統(tǒng)和進給運控系統(tǒng)

數(shù)控機床的主運動以調(diào)速控制為主，調(diào)速控制的控制量一經(jīng)給定基本不變，基本上是一個恒值控制系統(tǒng)。只有在自動換刀、加工螺紋等的時侯，需要主軸準(zhǔn)確停止在某一固定角度，進行簡單的位置控制。數(shù)控機床進給運動是使進給軸產(chǎn)生一定的位置變換，控制量是數(shù)控裝置插補發(fā)出的直線位移或轉(zhuǎn)角位移，輸入量實時周期性地不斷變化，要求輸出量快速準(zhǔn)確的跟隨輸入量的變化而變化，是一個位置隨動系統(tǒng)，它的控制要求高，難度大。第三節(jié)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)233.2數(shù)控機床的調(diào)速控制●現(xiàn)代數(shù)控機床主運動系統(tǒng)中，廣泛應(yīng)用交流異步感應(yīng)電動機進行拖動，它有不同類型的調(diào)速方法，其中變壓變頻調(diào)速屬于轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速方法，無論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率基本不變，因此效率高，應(yīng)用最廣。第三節(jié)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)243.2數(shù)控機床的調(diào)速控制（1）變壓變頻調(diào)速方法的特性

第三節(jié)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)25（1）變壓變頻調(diào)速方法的特性

第三節(jié)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)26（1）變壓變頻調(diào)速方法的特性●① 基頻以下的恒磁通變頻調(diào)速●② 基頻以上的弱磁變頻調(diào)速第三節(jié)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)27（1）變壓變頻調(diào)速方法的特性●異步電動機恒壓頻比變頻調(diào)速控制時的機械特性曲線基本是平行移動，表示此種方法調(diào)速有良好的硬度特性。第三節(jié)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)28（1）變壓變頻調(diào)速方法的特性●① 基頻以下的恒磁通變頻調(diào)速●② 基頻以上的弱磁變頻調(diào)速第三節(jié)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)293.2數(shù)控機床的調(diào)速控制（2）變頻器的基本結(jié)構(gòu)和原理●從整體結(jié)構(gòu)上看，電力電子變壓變頻器可分為交-直-交和交-交兩大類。目前，除了超大功率場合外，都采用交-直-交的形式?！窠?交變頻器可將工頻交流直接變換成頻率、電壓均可控制的交流，又稱直接式變頻器?！窠?直-交變壓變頻器先將工頻交流電源通過整流器變換成直流，再通過逆變器變換成可控頻率和電壓的交流。由于有一個“中間直流環(huán)節(jié)”，所以又稱間接式的變壓變頻器。第三節(jié)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)30（2）變頻器的基本結(jié)構(gòu)和原理●當(dāng)前應(yīng)用最廣的是由電力二極管組成三相橋式不控整流器和由功率開關(guān)器件（P-MOSFET，IGBT等）組成的三相橋式脈寬調(diào)制（PWM）逆變器，簡稱PWM變壓變頻器。第三節(jié)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)31（2）變頻器的基本結(jié)構(gòu)和原理●變頻器的控制電路常由運算電路、檢測電路、控制信號的輸入、輸出電路和驅(qū)動電路等構(gòu)成。其主要任務(wù)是完成對逆變器的開關(guān)控制、對整流器的電壓控制以及完成各種保護功能等。第三節(jié)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)32（2）變頻器的基本結(jié)構(gòu)和原理●目前，變頻器一般采用微處理器控制，多采用數(shù)字信號處理器(DSP)進行全數(shù)字控制，硬件電路盡可能簡單，主要靠軟件來完成各種功能?！裨诮涣髡{(diào)速領(lǐng)域中，大量的負(fù)載如風(fēng)機、水泵等，對調(diào)速要求并不高，使用通用開環(huán)的VVVF變頻器完全可以滿足要求?！袼^“通用”一是指可以和通用的籠型異步電機配套使用；二是指具有多種可供選擇的功能，適用于各種不同性質(zhì)的負(fù)載。第三節(jié)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)333.2數(shù)控機床的調(diào)速控制（3）正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）原理●采樣控制理論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積，“效果基本相同”是指慣性環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同，第三節(jié)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)34（3）正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）原理第三節(jié)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)35（3）正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）原理●將正弦波半波分成N等份，把它看成由N個等寬不等幅的彼此相連的脈沖所組成。把這N個正弦脈沖都用一個與之面積相等的等幅矩形脈沖來代替，矩形脈沖的中點與正弦脈沖的中點重合，就得到圖示的脈沖序列。第三節(jié)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)36（3）正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）原理●正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）就是把一個正弦波分成N個等幅而不等寬的方波脈沖，每個方波的寬度，與其所對應(yīng)時刻的正弦波的值成正比，這樣就產(chǎn)生了與正弦波等效的等幅矩形脈沖序列波，稱為SPWM波形。由于各脈沖的幅值相等，所以逆變器可由恒定的直流電源供電，也就是說，逆變器輸出脈沖的幅值就是整流器的輸出電壓。第三節(jié)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)373.2數(shù)控機床的調(diào)速控制（4）異步電動機矢量控制原理●在20世紀(jì)70年代初期，德國西門子公司的F.Blachke等提出的“感應(yīng)電機磁場定向的控制原理”，美國P.C.Custman與A.A.Clark申請的專利“感應(yīng)電機定子電壓的坐標(biāo)變換控制”，這兩項成果奠定了異步電機矢量控制的基礎(chǔ)?！癞惒诫妱訖C所有的矢量，包括磁通勢矢量、磁鏈?zhǔn)噶?、電壓矢量、電流矢量等，都在空間以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，它們在定子坐標(biāo)系(靜止系)上的各分量，就是定子繞組上的物理量，都是交流量，控制和計算不方便。第三節(jié)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)383.2數(shù)控機床的調(diào)速控制（4）異步電動機矢量控制原理●建立以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系，在該旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上看，電動機各矢量都變成了靜止矢量，它們在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的各分量都是直流量●利用從靜止坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的變換，把定子電流中的勵磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量變成標(biāo)量獨立開來，進行分別控制。這樣，通過坐標(biāo)變換重建的電機模型就可等效為一臺直流電動機，從而可像直流電動機那樣進行快速的轉(zhuǎn)矩和磁通控制，并獲得與直流電動機相類似的控制特性。第三節(jié)數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)393.3數(shù)控機床的位置控制（4）異步電動機矢量控制原理●建立以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系，在該旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上看，電動機各矢量都第四節(jié)數(shù)控機床的PLC控制404.1數(shù)控系統(tǒng)中的PLC（1）數(shù)控系統(tǒng)中PLC的作用●機床PLC的軟硬件可以完全集成在數(shù)控裝置中，集成方案隨著技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，目前通常有內(nèi)裝型PLC和集成的軟件PLC兩種方式?！駜?nèi)裝式PLC作為數(shù)控裝置內(nèi)部的一個功能模塊，通過內(nèi)部系統(tǒng)總線與CNC之間交換信息，增強了系統(tǒng)的可靠性和數(shù)據(jù)交換的速度。第四節(jié)數(shù)控機床的PLC控制414.1數(shù)控系統(tǒng)中的PLC（1）數(shù)控系統(tǒng)中PLC的作用●而在一些數(shù)控系統(tǒng)中，采用帶有標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)接口的集成軟件PLC，帶完整功能的“CNC+集成軟件PLC+軸控制”集成于一個共同的印制電路PC卡上，這是一種低成本的解決方案，獲得了廣泛的使用。●PLC是數(shù)控系統(tǒng)為機床制造商提供的一個開放的開發(fā)平臺，是數(shù)控系統(tǒng)開放性的重要體現(xiàn)。PLC可以與數(shù)控系統(tǒng)之間進行數(shù)據(jù)交換，讀寫數(shù)控系統(tǒng)的系統(tǒng)變量，調(diào)用NC程序等。第四節(jié)數(shù)控機床的PLC控制424.1數(shù)控系統(tǒng)中的PLC（1）數(shù)控系統(tǒng)中PLC的作用

●機床操作面板的控制

●機床外部開關(guān)輸入信號

●輸出信號控制

●M、S、T功能實現(xiàn)第四節(jié)數(shù)控機床的PLC控制434.1數(shù)控系統(tǒng)中的PLC（2）數(shù)控系統(tǒng)中PLC的信息交換●是指以PLC為中心，在PLC與NCK、HMI、MCP以及機床電氣輸入輸出信號之間的信號傳遞處理過程。●為了便于數(shù)據(jù)交換，在PLC與NCK、HMI、MCP之間增加了進行信息交換的數(shù)據(jù)區(qū)，這個數(shù)據(jù)區(qū)稱為接口信號。第四節(jié)數(shù)控機床的PLC控制444.1數(shù)控系統(tǒng)中的PLC（2）數(shù)控系統(tǒng)中PLC的信息交換●接口信號的地址和內(nèi)容是數(shù)控系統(tǒng)明確定義的，數(shù)控系統(tǒng)不同，其接口信號的內(nèi)容和數(shù)量也有所不同●每個接口信號具有方向性，信號的方向決定了該信號的可讀可寫性能，由NCK發(fā)給PLC的信息（NCK→PLC）通常表示數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)，對PLC是只讀的。而PLC發(fā)給NCK的信號（PLC→NCK）通常是PLC向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的控制請求，,這些信號對PLC是可讀可寫的。第四節(jié)數(shù)控機床的PLC控制454.2PLC的輸入輸出信號●數(shù)控機床機床自動化、智能化程度越高，其輸入輸出的信號就越多。第四節(jié)數(shù)控機床的PLC控制464.3PLC典型控制功能設(shè)計●數(shù)控機床電氣設(shè)計和調(diào)試的第一項工作就是讓機床控制面板的PLC程序生效，并且保證所有與安全功能相關(guān)的PLC基本功能正確無誤?！裢ǔＰ枰O(shè)計的PLC控制內(nèi)容有：初始化程序、機床操作面板生效、坐標(biāo)軸的使能控制（使能、硬限位、參考點）、主軸換擋控制、機床的冷卻、潤滑、機床的液壓卡盤/尾架、機床的排屑控制、自動換刀控制、機床的輔助動作（防護門互鎖、報警燈等）等。第四節(jié)數(shù)控機床的PLC控制474.3PLC典型控制功能設(shè)計（1）初始化功能●僅在首個PLC掃描周期執(zhí)行一次，程序的主要目的是讓機床的軸倍率修調(diào)功能有效，軸位置編碼器有效。同時為安全考慮，快速移動進給率修調(diào)有效，空運行時倍率無效。第四節(jié)數(shù)控機床的PLC控制484.3PLC典型控制功能設(shè)計（2）急?？刂啤窦蓖？刂频哪康氖窃诰o急情況下，使機床的所有運動部件在最快的時間內(nèi)制動。通過急停按鈕直接切斷主電源的方法是不正確的，必須在所有運動部件停止后才能切斷主電源；另一方面，直接斷電不符合伺服驅(qū)動系統(tǒng)斷電時序的要求，可能導(dǎo)致伺服驅(qū)動器的硬件故障?！褚话銇碚f，急停按鈕沒有按下，則PLC給出NCReady（driveenable）信號；如果急停按鈕被按下，則PLC向NC發(fā)出急停請求，并產(chǎn)生急停報警。第四節(jié)數(shù)控機床的PLC控制494.3PLC典型控制功能設(shè)計（3）MCP面板控制●MCP面板控制程序的功能是將MCP面板和HMI接口信號送到NCK接口，以激活操作模式和控制序列，同時，NC會通過接口信號將系統(tǒng)的實際狀態(tài)反饋到PLC。第四節(jié)數(shù)控機床的PLC控制504.3PLC典型控制功能設(shè)計（3）MCP面板控制●是將MCP面板和HMI接口信號送到NCK接口，以激活操作模式和控制序列，同時，NC會通過接口信號將系統(tǒng)的實際狀態(tài)反饋到PLC。（4）軸控制功能●控制驅(qū)動器脈沖使能和控制器使能，并監(jiān)控硬限位和參考點開關(guān)的信號。（5）冷卻液控制●冷卻液的手動控制是指在手動方式下，按下MCP面板上的冷卻液按鍵，冷卻液打開，同時面板上的冷卻指示燈亮；再按一下該按鈕，冷卻液關(guān)閉，指示燈熄滅。第四節(jié)數(shù)控機床的PLC控制51（5）冷卻液控制●冷卻液的自動控制是指在自動方式下，通過NC程序中的輔助功能指令M07/M08/M09控制冷卻啟動或停止?！癞惓Ｇ闆r處理包括：機床運行過程中，如有急停、復(fù)位命令發(fā)生、程序停止M02/M30，或機床工作在程序測試模式下，則不運行冷卻系統(tǒng)?！窭鋮s泵過載、冷卻液液位過低時，應(yīng)在顯示器上顯示報警，并停止冷卻。第四節(jié)數(shù)控機床的PLC控制52（6）導(dǎo)軌潤滑控制●可按設(shè)定的時間間隔，同時對所有的坐標(biāo)軸進行潤滑。有些數(shù)控機床采用按坐標(biāo)軸移動距離的潤滑模式，當(dāng)某個軸所設(shè)定的潤滑距離到達后，對該軸進行潤滑。●機床每次上電時自動啟動一次潤滑，正常情況下按規(guī)定的時間間隔周期性潤滑。操作者也可以根據(jù)實際需要，通過機床操作面板的潤滑按鍵，進行手動潤滑控制。第四節(jié)數(shù)控機床的PLC控制53（7）換刀控制●簡易四工位刀架電機為普通三相異步電機，通過蝸輪蝸桿傳動，只能單方向換刀，電機正轉(zhuǎn)為尋找刀具換刀，反轉(zhuǎn)為鎖緊定位。采用霍爾元件檢測刀位信號。●手動換刀控制是指手動方式下，按下機床控制面板上的“手動換刀”鍵，啟動手動換刀，按動一次按鍵可以換至相鄰的一個刀具。●自控?fù)Q刀控制過程如下：當(dāng)NCK執(zhí)行到加工指令T××?xí)r，NCK將“T功能改變”的接口信號置為有效，意為告訴PLC更改T功能，并且把T指令后的編程刀號譯碼后存放在相應(yīng)的接口寄存器中。第四節(jié)數(shù)控機床的PLC控制54（7）換刀控制●當(dāng)PLC應(yīng)用程序由上述接口信號或從機床控制面板得到換刀指令后，控制刀架電機正轉(zhuǎn)，同時通過PLC的數(shù)字輸入監(jiān)控刀架的實際位置，如果刀架的實際位置等于指令刀具的位置，控制刀架電機反轉(zhuǎn)，并啟動延時控制。延時時間到達后，反轉(zhuǎn)停止，換刀過程結(jié)束?！裨诩蓖；虺绦驕y試生效等情況下，換刀被禁止。第四節(jié)數(shù)控機床的PLC控制55總結(jié)：●機床PLC應(yīng)用程序應(yīng)采用模塊化、結(jié)構(gòu)化編程，主程序通過調(diào)用各功能子程序?qū)崿F(xiàn)整個數(shù)控機床PLC程序的控制任務(wù)。模塊化編程其程序結(jié)構(gòu)明確、層次清晰，程序更容易理解，可讀性更好；子程序只有在調(diào)用時才會處理其代碼，縮短了掃描周期；有利于對常用功能進行標(biāo)準(zhǔn)化，減少重復(fù)勞動；各子程序可以分別測試，程序的查錯、修改和調(diào)試都更容易；而且也易于PLC應(yīng)用程序的管理?！駭?shù)控系統(tǒng)廠家還用戶提供了一些機床控制專用的功能指令或功能子程序，來滿足數(shù)控機床控制的特殊要求。機床制造廠只需將這些子程序根據(jù)需要進行組合，就可以快速建立一個新的PLC應(yīng)用程序。第五節(jié)數(shù)控機床電氣控制線路565.1電氣控制系統(tǒng)的組成數(shù)控機床采用了CNC控制技術(shù)、交流調(diào)速技術(shù)以及PLC控制技術(shù)，其電氣控制系統(tǒng)的部件組成包括數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、PLC輸入/輸出裝置、機床控制面板等組成。數(shù)控機床電氣原理圖主要包括主電路、控制電路、數(shù)控系統(tǒng)裝置、伺服系統(tǒng)、PLC相關(guān)電路。（1）主回路電路圖

●主回路通常又分為機床總電源主回路（熔斷器、隔離開關(guān)、總開關(guān)等）；

●主軸/進給驅(qū)動器的強電電源以及DC2V4控制電源回路；●各輔助交流電機（刀架電機、冷卻電機、潤滑電機等）主回路。第五節(jié)數(shù)控機床電氣控制線路575.1電氣控制系統(tǒng)的組成（2）控制回路電路圖

指接觸器線圈、繼電器線圈、電磁閥線圈或其他執(zhí)行電器的工作電路，以及機床設(shè)備的起、停、急停等控制回路。（3）數(shù)控裝置電路圖

指的是數(shù)控裝置各接口與外圍部件或信號的連接。數(shù)控裝置的接口通常包括數(shù)控裝置之間或者數(shù)控裝置與上位計算機之間的通訊接口、數(shù)控裝置與下位執(zhí)行器之間的總線通訊接口、數(shù)控裝置與I/O裝置之間的總線通訊接口、快速IO接口、數(shù)控裝置電源接口等。第五節(jié)數(shù)控機床電氣控制線路585.1電氣控制系統(tǒng)的組成（4）伺服驅(qū)動裝置電路圖主要包括其與CNC裝置之間的實時總線通訊連接、與電動機的連接、速度及位置信號的反饋輸入連接、強電電源以及自身控制電源的連接等。（5）PLC輸入、輸出接口電路圖主要包括機床側(cè)傳感器的輸入信號的連接，刀架、冷卻、潤滑等輔助功能的控制輸出電路。第五節(jié)數(shù)控機床電氣控制線路595.2主電路及電源電路（1）數(shù)控機床總電源電路●為數(shù)控機床總的電源引入;●通常包括隔離開關(guān)和總電源開關(guān);●隔離開關(guān)通常采用組合開關(guān)，用于為設(shè)備提供電氣隔離斷點，不帶載接通和分?jǐn)嚯娐?。注意，隔離開關(guān)不起過載和短路保護作用。●總電源開關(guān)通常采用帶漏電保護的斷路器，不僅是設(shè)備的總電源開關(guān)，還對設(shè)備總電源電路起著過載、過電流及短路保護。第五節(jié)數(shù)控機床電氣控制線路605.2主電路及電源電路（2）電動機主回路●數(shù)控機床是多電機拖動系統(tǒng)，不同的運動軸數(shù)和自動輔助功能意味著不同的電動機或其他執(zhí)行電器的數(shù)量。最基本的數(shù)控機床都包含主軸電機、進給軸電機，以及刀架（刀庫）電機、冷卻電機、潤滑電機等?！窀鱾€電動機的控制要求及傳動方式不同。例如，冷卻泵電機由PLC進行手動和自動的起?？刂疲坏都埽ǖ稁欤╇姍C由PLC進行正反轉(zhuǎn)的控制；而主軸和進給軸電機都需要調(diào)速及連續(xù)的位置控制，需要有變頻器或伺服放大器組成運動閉環(huán)控制對其速度和位置進行高速高精的調(diào)節(jié)和控制，不同的運行要求，對應(yīng)不同的主電路和控制電路的設(shè)計和連接。第五節(jié)數(shù)控機床電氣控制線路615.2主電路及電源電路（2）電動機主回路●輔助功能電動機的主電路見圖5-37所示。第五節(jié)數(shù)控機床電氣控制線路625.2主電路及電源電路（3）驅(qū)動系統(tǒng)的電源電路●驅(qū)動系統(tǒng)主電源通常采用三相交流電源供電，供電電壓為380VAC或220VAC。變頻器/伺服驅(qū)動器運行時會對三相進線回路上的電氣部件以及供電電網(wǎng)產(chǎn)生很強的高次諸波干擾，所以要求在驅(qū)動器進線端配備平波電抗器，如果在三相回路上具有敏感電氣部件，或在車間內(nèi)有其他敏感設(shè)備與數(shù)控機床共用同一路三相供電系統(tǒng)時，建議在主電源開關(guān)與電抗器之間配備濾波器，減小驅(qū)動系統(tǒng)在運行時對三相供電系統(tǒng)產(chǎn)生的高次諧波干擾。第五節(jié)數(shù)控機床電氣控制線路635.2主電路及電源電路（3）驅(qū)動系統(tǒng)的電源電路第五節(jié)數(shù)控機床電氣控制線路645.2主電路及電源電路（4）直流控制電源●數(shù)控裝置采用24V直流供電，數(shù)控系統(tǒng)中需直流24V供電部件通常有數(shù)控裝置、人機界面、機床控制面板、驅(qū)動系統(tǒng)控制電源、數(shù)字輸入輸出模塊等?！裨跀?shù)控機床電氣設(shè)計時，要根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)中各部件的功耗指標(biāo)和所需的供電電流指標(biāo)來選擇24V直流穩(wěn)壓電源的容量。數(shù)控系統(tǒng)中各部件的功耗指標(biāo)可以從數(shù)控系統(tǒng)相關(guān)手冊中查得。第五節(jié)數(shù)控機床電氣控制線路655.2主電路及電源電路（4）直流控制電源第五節(jié)數(shù)控機床電氣控制線路665.3控制電路●在電氣控制電路比較簡單、電器元件不多的情況下，應(yīng)盡可能用主電路電源作為控制電路電源，即可直接用交流380V或220V，簡化供電設(shè)備?！駥τ诒容^復(fù)雜的控制電路，控制電路應(yīng)采用控制電源變壓器，將控制電壓由交流380V或220V降至110V、48V或24V，這是從安全角度考慮的。●這些不同的電壓等級，通常由一個控制變壓器就可提供。第五節(jié)數(shù)控機床電氣控制線路675.3控制電路●交流接觸器線圈所在的控制電路可以是單相交流110V、交流220V以及交流380V，不同的控制電路電壓等級意味著不同的交流接觸器線圈額定電壓，這一點在交流接觸器選型的時候必須注意匹配。

●直流控制電路多采用220V或110V，對于直流電磁鐵、電磁離合器，常用24V直流電源供電。第五節(jié)數(shù)控機床電氣控制線路685.4數(shù)控裝置和伺服裝置的連接●X1接口是直流24V工作電源接入端子；●PN1/PN2是Profinet接口，PN1通過連接PN/PN耦合器，可實現(xiàn)與另外一臺數(shù)控裝置的通訊，PN2可用于PLCI/O模塊的接口；●X135是USB接口；●X140是RS232串行接口；●X122/X132接口是數(shù)字量輸入輸出端，用于驅(qū)動；第五節(jié)數(shù)控機床電氣控制線路695.4數(shù)控裝置和伺服裝置的連接●X242/X252接口是NC的數(shù)字量輸入/輸出端；●X143是手輪接口；●X130以太網(wǎng)LAN接口；●X100/X101/X102是與驅(qū)動通訊的DriveCLIQ接口；●X127是以太網(wǎng)口，可連接PC用于調(diào)試。

第五節(jié)數(shù)控機床電氣控制線路705.5PLC輸入輸出電路●圖5-45給出了輸入信號由PLC內(nèi)部電源供電的連接方法，端子2為DI輸入信號提供內(nèi)部DC24V電源供電。第五節(jié)數(shù)控機床電氣控制線路715.5PLC輸入輸出電路●圖5-46，輸入信號由外部電源（24VDC）供電，端子2不需連接，P3和M3分別為外部24V直流穩(wěn)壓電源的+24V和0V。第五節(jié)數(shù)控機床電氣控制線路725.5PLC輸入輸出電路●PLC輸出端子連接的負(fù)載為中間繼電器線圈、電磁閥等，然后由中間繼電器的觸頭實現(xiàn)對相應(yīng)接觸器線圈得電與否的控制，最終通過接觸器的主觸頭控制輔助功能電動機的運行，通過程PLC序控制的方式，大大簡化的電氣接線。第六章數(shù)字孿生驅(qū)動的機電一體化設(shè)計《智能制造裝備創(chuàng)新設(shè)計》743智能檢測單元機電一體化概念設(shè)計數(shù)字孿生驅(qū)動的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)字孿生驅(qū)動的控制系統(tǒng)設(shè)計第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)數(shù)字孿生在各階段的應(yīng)用第四節(jié)機電一體化設(shè)計與虛擬調(diào)試案例第五節(jié)主要內(nèi)容第一節(jié)機電一體化概念設(shè)計75

1.1機電一體化概念設(shè)計的定義Pahl和Beitz于1984年提出了設(shè)計過程分為：明確任務(wù)（ClarificationofTask）、概念設(shè)計（ConceptualDesign）、具體設(shè)計（EmbodimentDesign）、詳細(xì)設(shè)計（DetailedDesign）四個階段。他將概念設(shè)計定義為：“在確定任務(wù)之后，通過抽象化，擬定功能結(jié)構(gòu)，尋求適當(dāng)?shù)淖饔迷砑捌浣M合等，確定出基本求解途徑，得出求解方案”的這一部分設(shè)計工作。設(shè)計的過程是產(chǎn)品的功能描述向結(jié)構(gòu)描述的轉(zhuǎn)換過程，而概念設(shè)計是這個過程的早期階段。第一節(jié)機電一體化概念設(shè)計76

1.1機電一體化概念設(shè)計的定義（1）機電一體化概念設(shè)計與創(chuàng)新概念設(shè)計創(chuàng)新可以分為以下幾個層次：3任務(wù)創(chuàng)新分析、發(fā)現(xiàn)市場的新需求原理創(chuàng)新確控制創(chuàng)新

信息處理的新方法，新的控制算法的使用和創(chuàng)新功能創(chuàng)新行為創(chuàng)新工藝動作過程創(chuàng)新2451結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

包括機構(gòu)、布局、控制系統(tǒng)及使用的機、電、檢測元器件的組成等6第一節(jié)機電一體化概念設(shè)計77

1.1機電一體化概念設(shè)計的定義（2）機電一體化產(chǎn)品設(shè)計流程機電一體化產(chǎn)品的多學(xué)科協(xié)同設(shè)計主要包括3個階段：（１）需求分析。基于系統(tǒng)工程的方法，根據(jù)市場調(diào)研和用戶大數(shù)據(jù)分析，從需求、功能、邏輯和物理４個層次進行產(chǎn)品需求分析，分別建立產(chǎn)品需求、產(chǎn)品功能、工作機理、加工工藝、質(zhì)檢規(guī)范等文檔信息，并管理整個研發(fā)過程。（２）方案設(shè)計?；谝陨希磦€層次的需求分析，逐步建立產(chǎn)品概念模型、功能模型、行為規(guī)則模型、加工工藝模型和檢測過程模型，最終建立概念級的產(chǎn)品模型。（３）詳細(xì)設(shè)計。包括基于機械學(xué)的協(xié)同設(shè)計、基于電氣學(xué)的協(xié)同設(shè)計、基于自動化的運動控制設(shè)計和多學(xué)科集成設(shè)計。在多學(xué)科設(shè)計平臺上，集成多個子系統(tǒng)的功能模型，完善數(shù)據(jù)交互接口，對系統(tǒng)的整體性能進行仿真驗證和優(yōu)化。圖6-1機電一體化概念設(shè)計流程第一節(jié)機電一體化概念設(shè)計78

1.2基于模型的機電一體化設(shè)計傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程是“基于文本的系統(tǒng)工程”（Text-BasedSystemsEngineering，TSE）。在這種模式下，要把分散在論證報告、設(shè)計方案、分析報告、試驗報告中的的數(shù)據(jù)信息集成關(guān)聯(lián)在一起，費時費力且容易出錯。因此，需要通過構(gòu)建結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)模型，打通各子系統(tǒng)、各階段的邊界，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互、協(xié)同以及跨學(xué)科的集成。從而達到面向訂單的高效設(shè)計研發(fā)與制造，這是機電一體化系統(tǒng)工程的構(gòu)建目標(biāo)及行業(yè)需求所在。圖6-2表示了基于模型的設(shè)計所具有的優(yōu)勢。圖6-2基于模型的設(shè)計第一節(jié)機電一體化概念設(shè)計79

1.2基于模型的機電一體化設(shè)計MBSE（Model-BasedSystemsEngineering，MBSE）的定義：MBSE是建模方法的形式化應(yīng)用，以使建模方法支持系統(tǒng)要求、設(shè)計、分析、驗證和確認(rèn)等活動，從概念設(shè)計階段開始，持續(xù)貫穿到全生命周期的各個階段。其核心是建立基于數(shù)字孿生模型的系統(tǒng)工程，打通系統(tǒng)不同組件、不同學(xué)科之間的聯(lián)系。MBSE下的系統(tǒng)模型成為各子領(lǐng)域模型的集線器，各子領(lǐng)域的模型已經(jīng)被大量應(yīng)用于工程設(shè)計的各個方面，但模型缺乏統(tǒng)一的編碼，也無法共享，形成了多個“模型孤島”，在MBSE模式下，圍繞系統(tǒng)模型開展需求分析、系統(tǒng)設(shè)計、仿真等工作，便于工程團隊的協(xié)同。這就使整個設(shè)計團隊可以更好地利用各專業(yè)學(xué)科在模型、軟件工具上的先進成果，提高設(shè)計的準(zhǔn)確性，構(gòu)建能重用的系統(tǒng)，實現(xiàn)機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的集成。第一節(jié)機電一體化概念設(shè)計80

1.3數(shù)字孿生與協(xié)同設(shè)計數(shù)字孿生技術(shù)與機電一體化系統(tǒng)工程相結(jié)合，促進了多學(xué)科協(xié)同設(shè)計與建模，消除電氣、機械和自動化工程師之間的障礙，實現(xiàn)并行設(shè)計和并行工程，并保證數(shù)字模型與物理世界中的真實產(chǎn)品的生產(chǎn)和運行信息一致。數(shù)字孿生驅(qū)動的概念設(shè)計的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在其所具備的五種能力，如表6-1所示。圖6-3基于模型的多學(xué)科團隊協(xié)同設(shè)計序號主要優(yōu)勢解釋

1數(shù)據(jù)能力基于云的數(shù)據(jù)收集、傳輸、存儲2模擬能力在虛擬環(huán)境中模擬真實世界的過程和環(huán)境3學(xué)習(xí)能力從已有的設(shè)計案例中吸取教訓(xùn)并診斷未來問題的能力4分析能力分析數(shù)據(jù)以發(fā)現(xiàn)隱藏信息的能力5連接能力連接到其他智能設(shè)備、CPS系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)的能力表6-1數(shù)字孿生驅(qū)動的概念設(shè)計的主要優(yōu)勢第一節(jié)機電一體化概念設(shè)計81

1.3數(shù)字孿生與協(xié)同設(shè)計（1）基于機械學(xué)的協(xié)同設(shè)計在機械CAD系統(tǒng)中進行結(jié)構(gòu)模型設(shè)計與裝配，在多學(xué)科協(xié)同平臺上，可以反復(fù)對產(chǎn)品模型進行協(xié)同仿真和方案優(yōu)化；在此階段得到機械結(jié)構(gòu)及零部件的幾何模型、物理模型和概念級產(chǎn)品物料清單（BillofMaterial，BOM），如傳感器、執(zhí)行器等。（2）基于電氣學(xué)的協(xié)同設(shè)計在電氣CAD系統(tǒng)中完成電氣元件的集成，然后將電氣系統(tǒng)的3D模型和機械結(jié)構(gòu)的3D模型導(dǎo)入多學(xué)科協(xié)同設(shè)計平臺。在此階段得到電氣原理圖、接線圖、電氣布局圖和電器元件BOM清單。（3）基于自動化的協(xié)同設(shè)計在自動化控制程序設(shè)計階段，在多學(xué)科協(xié)同設(shè)計平臺環(huán)境中，根據(jù)設(shè)備的功能模型和行為規(guī)則模型設(shè)計初始的設(shè)備操作順序圖，生成控制程序。在運動控制程序設(shè)計階段，在伺服調(diào)試軟件中導(dǎo)入?yún)f(xié)同設(shè)計平臺生成的原始輪廓曲線，并下載到伺服驅(qū)動器硬件進行調(diào)試和優(yōu)化.。第一節(jié)機電一體化概念設(shè)計82

1.3數(shù)字孿生與協(xié)同設(shè)計（4）多學(xué)科協(xié)同的虛擬調(diào)試在多學(xué)科協(xié)同虛擬調(diào)試階段，仿真和虛擬調(diào)試基于PLC高級仿真平臺、虛擬被控對象仿真平臺和多學(xué)科協(xié)同設(shè)計平臺，仿真過程就是各平臺之間程序耦合和信號傳輸?shù)倪^程。其信號傳輸機制如下：１）自動化調(diào)試平臺將生成的程序代碼下發(fā)給PLC仿真平臺，PLC虛擬控制器執(zhí)行程序，并將輸出過程映像區(qū)的信號發(fā)給虛擬被控對象仿真平臺。２）虛擬被控對象仿真平臺接收PLC虛擬控制器的輸出信號，在特定驅(qū)動功能塊中計算機器行為，將速度、位置等模擬量，啟動、停止等開關(guān)量信號發(fā)送給多學(xué)科協(xié)同設(shè)計平臺。３）多學(xué)科協(xié)同設(shè)計平臺基于預(yù)定義的自由度和設(shè)定值，進行機械部件仿真，并將計算的實際值（速度、位置等模擬量，啟動、停止開關(guān)量信號）發(fā)送給虛擬被控對象仿真平臺。４）虛擬被控對象仿真平臺再次計算機器的行為，并將信號發(fā)給虛擬PLC控制器的輸入過程映像區(qū)。第一節(jié)機電一體化概念設(shè)計83

1.4多學(xué)科協(xié)同設(shè)計平臺實現(xiàn)機電一體化產(chǎn)品的設(shè)計、調(diào)試、服務(wù)各個階段的信息共享、高效融合，離不開多學(xué)科協(xié)同設(shè)計平臺。本小節(jié)以西門子公司的協(xié)同設(shè)計平臺為例，其組成及在各階段的具體應(yīng)用如下：多學(xué)科協(xié)同設(shè)計平臺基于NXMCD（Mechatronicsconceptdesigner），通過PLM數(shù)據(jù)庫平臺Teamcenter的數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)機械設(shè)計平臺（NXCAD等）、電氣設(shè)計平臺（Eplan／EplanPro等）、自動化設(shè)計平臺（TIAPortal，Sizer，SelectionTools等）之間的信息集成和數(shù)據(jù)交互，通過對集成電氣和自動化元件的設(shè)備模型進行仿真，快速驗證設(shè)計結(jié)果并及時反饋，持續(xù)改進和優(yōu)化設(shè)計階段的設(shè)備數(shù)字孿生模型。在伺服電機選型時，根據(jù)機械結(jié)構(gòu)模型在MCD中的仿真數(shù)據(jù)，如機械特性曲線，就可以在電機驅(qū)動選型軟件（如Sizer）的現(xiàn)有庫中初步選出伺服電機／驅(qū)動器的型號和參數(shù)，如功率、輸出扭矩、尺寸和3D模型等，將伺服電機驅(qū)動器的幾何模型和物理模型導(dǎo)入MCD中與機械機構(gòu)模型進行集成裝配，進行多次仿真和選型驗證，最終選出合適的伺服電機和驅(qū)動器。第一節(jié)機電一體化概念設(shè)計84

1.4多學(xué)科協(xié)同設(shè)計平臺在電氣設(shè)計階段，可以將電氣CAD（如Eplan／EplanPro）中的電氣原件清單和集成接線的3D電氣布局模型導(dǎo)入MCD中，與機械模型進行裝配集成，為自動化設(shè)計和虛擬調(diào)試做準(zhǔn)備。在自動化設(shè)計階段，可以將MCD仿真的機械操作順序圖（如甘特圖），轉(zhuǎn)化為PLCOpenXML格式的文件，導(dǎo)入自動化開發(fā)環(huán)境（如TIAPortal）生成自動化程序框架，加速PLC程序開發(fā)，同時基于MCD中的設(shè)備模型開發(fā)HMI界面和程序。協(xié)同虛擬調(diào)試系統(tǒng)由PLC高級仿真器（PLCSIMAdvanced）、虛擬被控對象仿真平臺（SIMIT）、人機界面軟件（WICCRuntime）、自動化編程軟件（TIAPortal）組成，其協(xié)同集成可以實現(xiàn)虛擬調(diào)試、虛擬運行和虛擬測試。運行服務(wù)階段，在物理設(shè)備裝配完成后，切換到實際環(huán)境進行調(diào)試，把物理的人機界面、PLC等通過現(xiàn)場總線連接傳感器、伺服驅(qū)動器等現(xiàn)場模塊行成完整的電控系統(tǒng)，基于測試好的程序進行物理樣機的聯(lián)機調(diào)試和運行驗證，同時將最新的程序在虛擬仿真系統(tǒng)同步更新，進化數(shù)字孿生模型。第二節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計85

2.1數(shù)字孿生驅(qū)動的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)勢數(shù)字孿生驅(qū)動的機械設(shè)計所建立的CAD模型不僅包含幾何信息，還被賦予了各種屬性和功能定義，包括材料、感知系統(tǒng)、機器運動機理等，便于對物理的機電一體化系統(tǒng)，如數(shù)控機床、自動化產(chǎn)線等進行仿真。除此之外，如本章第一節(jié)所述，機電一體化設(shè)計的流程首先是需求分析，將產(chǎn)品需求轉(zhuǎn)化為設(shè)計參數(shù)，在虛擬環(huán)境中，便于添加、更新、替換、合并、刪除原有的設(shè)計參數(shù)，并生成新的設(shè)計方案?；跀?shù)字孿生的模型，可以從物理世界中實時收集產(chǎn)品需求、設(shè)計、制造和運行階段的相關(guān)數(shù)據(jù)，并實時更新，設(shè)計人員將這些信息及時考慮到設(shè)計方案中，用于產(chǎn)品設(shè)計迭代，從而提高產(chǎn)品的適應(yīng)性。其次，通過自學(xué)習(xí)能力，數(shù)字孿生系統(tǒng)可以對產(chǎn)品在特定環(huán)境中正面和負(fù)面的行為進行分析。通過實時數(shù)據(jù)傳輸，在模擬環(huán)境中修改設(shè)計方案，使其更真實、更全面。在理想的情況下，數(shù)字孿生可以實時控制智能產(chǎn)品，使其做出響應(yīng)。第二節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計86

2.2數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計的要求現(xiàn)代數(shù)控機床不是簡單地將傳統(tǒng)機床配備上數(shù)控系統(tǒng)，也不是在傳統(tǒng)機床的基礎(chǔ)上，僅對局部加以改進。為了實現(xiàn)加工精度、表面質(zhì)量、生產(chǎn)效率、可靠性、使用壽命等要求，數(shù)控機床的部件結(jié)構(gòu)設(shè)計以及整體布局、外部造型等都亟需創(chuàng)新的設(shè)計理論、方法和平臺工具，以克服傳統(tǒng)機床的弱點，如剛性不足、抗振性差、熱變形大、滑動面的摩擦阻力大及傳動元件之間存在間隙等。數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計要滿足高精度、高運轉(zhuǎn)速度、高可靠性的要求?？煽啃允窃u價數(shù)控機床機械的重要指標(biāo)。國產(chǎn)數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)的可靠性急需提升。第二節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計87

2.2數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計的要求提高數(shù)控機床的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。在數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用創(chuàng)新技術(shù)，可提高機床運行的穩(wěn)定性和定位的準(zhǔn)確性，例如，采用剛性結(jié)構(gòu)設(shè)計，盡量減少各進給軸移動部件的質(zhì)量，或者加大靜態(tài)部件的質(zhì)量、使用防震材料等，減少數(shù)控機床機械在操作中的慣性，確保機械運行平穩(wěn)。提高數(shù)控機床主軸運行精度和速度。主軸的特性如果達不到要求的指標(biāo)，則無法保證加工的精密性，比如造成鉆孔精度較差、鉆孔質(zhì)量不高等后果。與智能化技術(shù)結(jié)合也是數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的重要方向之一。如數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)故障的自診斷和自修復(fù)技術(shù)、機械運行精度和速度的實時智能化監(jiān)控與補償技術(shù)。數(shù)控機床機械實時智能化還具有提高生產(chǎn)效率、強化自我修復(fù)、及時判斷故障原因、位置等特點。第二節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計88

2.3機械結(jié)構(gòu)設(shè)計階段的虛擬模型在數(shù)字孿生驅(qū)動的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，需要完成設(shè)備機械結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計，并建立可視化模型和相關(guān)數(shù)據(jù)。該虛擬模型不僅僅是使用CAD軟件創(chuàng)建的3D幾何模型，還包括關(guān)于材料特性、零件特性和環(huán)境因素的數(shù)據(jù)庫。進一步結(jié)合虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)，可以生成生動的虛擬產(chǎn)品，包含豐富的產(chǎn)品制造信息，如尺寸、規(guī)格、結(jié)構(gòu)和材料等，并可以通過數(shù)據(jù)平臺實現(xiàn)共享。設(shè)計人員可以與虛擬產(chǎn)品交互，確定其是否能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計要求，并檢查機構(gòu)的運動、干涉、功能。例如，可以使用基于數(shù)字孿生的虛擬模型檢查機床各運動部件的運動，并提供反饋信息。還可以根據(jù)工廠當(dāng)前生產(chǎn)能力，推薦關(guān)鍵部件的制造信息參數(shù)，如表面粗糙度、配合公差等。第二節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計89

2.3機械結(jié)構(gòu)設(shè)計階段的虛擬模型（1）對虛擬模型的要求虛擬模型VE是物理實體PE的鏡像，旨在反映物理實體，反映其物理參數(shù)、屬性、行為、機制，甚至實體的全生命周期。虛擬模型還允許用戶預(yù)測不同條件下物理實體的性能。便于在對物理實體進行任何更改之前提供早期反饋?；谔摂M模型的模擬將用于優(yōu)化物理實體的工作狀態(tài)。因此，對虛擬模型的三個基本的要求是：1）建立物理實體的虛擬模型。2）用輸入因素模擬產(chǎn)品的反應(yīng)、機理和生命周期。3）返回模擬結(jié)果并對物理實體的工作提出相應(yīng)建議第二節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計90

2.3機械結(jié)構(gòu)設(shè)計階段的虛擬模型（2）虛擬模型和其他組成部分的關(guān)系建立虛擬模型需要物理實體、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫、數(shù)字孿生管理器、同類物理實體的參與，如圖6-4所示。虛擬模型作為物理實體的映射，對物理實體的功能和設(shè)計目標(biāo)進行模擬。其建模需要收集數(shù)據(jù)，反過來，基于虛擬模型的仿真模擬將幫助物理實體上的控制器調(diào)整狀態(tài)。數(shù)字孿生管理器可以輸入仿真目標(biāo)和條件，虛擬模型接收管理器的更新和設(shè)置，虛擬模型將模擬結(jié)果返回給管理器，管理器還負(fù)責(zé)監(jiān)控虛擬體的準(zhǔn)確性并實時解決錯誤。數(shù)據(jù)中心提取相關(guān)的歷史仿真模擬數(shù)據(jù)、記錄模擬過程，并對虛擬模型的建立提供引導(dǎo)。圖6-4虛擬模型和其他組成部分之間的交互關(guān)系第二節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計91

2.3機械結(jié)構(gòu)設(shè)計階段的虛擬模型（3）對虛擬模型的功能需求虛擬模型需要具備的功能包括四個方面：建模、仿真、決策和通信。建立數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)模型，包含了物理實體映射為數(shù)字形式的所有功能，包括虛擬環(huán)境、虛擬產(chǎn)品、反應(yīng)、行為、屬性和交互。建模需要幾何建模技術(shù)、行為建模、機制建模技術(shù)的協(xié)作。模擬仿真則包括功能的虛擬測試、參數(shù)和反應(yīng)的更改以及數(shù)據(jù)的收集。相關(guān)技術(shù)包括隨機模擬技術(shù)、有限狀態(tài)機、應(yīng)用演化機制等。決策意味著識別功能需求狀態(tài)并進行相應(yīng)調(diào)整的能力。雖然高級分析和學(xué)習(xí)由數(shù)字孿生數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)，但虛擬體具有基于內(nèi)部腳本的判斷，以提高同步質(zhì)量。通信則包括與其他相關(guān)系統(tǒng)的互動。數(shù)據(jù)可能以數(shù)字信號、已開發(fā)的算法、圖像和感官感知的形式存在，通信有時需要預(yù)編譯版本來整合相關(guān)數(shù)據(jù)。第二節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計92

2.3機械結(jié)構(gòu)設(shè)計階段的虛擬模型（4）虛擬模型的簡化在虛擬模型開發(fā)階段，需要考慮的最關(guān)鍵的因素之一是簡化程度。理論上，一個理想的虛擬體應(yīng)該與物理體有100%的相似性。然而，受傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)分析方法、計算能力和成本預(yù)算的限制，建模失真是必然存在的。虛擬體的簡化應(yīng)該滿足設(shè)計要求中必要的約束條件。因此，選擇最相關(guān)的屬性并評估虛擬模型的準(zhǔn)確性，是虛擬模型開發(fā)的關(guān)鍵。模型的簡化程度可以分為四個級別，如圖6-5所示。最基本的層次是“外觀相似”，第二層次為“屬性相似”，第三層次為“反應(yīng)相似”，第四層次為“體驗相似”。圖6-5虛擬模型的簡化第二節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計932.4數(shù)字孿生驅(qū)動的數(shù)控機床虛擬樣機如圖6-6所示，數(shù)控機床包括機械子系統(tǒng)和電氣子系統(tǒng)，可以認(rèn)為機械子系統(tǒng)是執(zhí)行單元，電氣子系統(tǒng)是驅(qū)動單元。機械子系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度在部件甚至零件級別描述機床的組成，包括螺釘、工作臺和主軸。機械子系統(tǒng)作為執(zhí)行單元，基于不同零部件及傳動和支撐件，實現(xiàn)機床的動作。電氣子系統(tǒng)根據(jù)外部輸入和內(nèi)部算法向機械子系統(tǒng)輸出控制信號。然后，根據(jù)接收到的控制命令，驅(qū)動機械子系統(tǒng)進行安全、準(zhǔn)確的操作。組成數(shù)控機床的機械子系統(tǒng)和電氣子系統(tǒng)之間在工作原理、結(jié)構(gòu)、性能上均存在耦合。圖6-6數(shù)控機床的機械和電氣子系統(tǒng)第二節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計942.4數(shù)字孿生驅(qū)動的數(shù)控機床虛擬樣機機械子系統(tǒng)是數(shù)控機床的執(zhí)行終端，其靈敏度、精度和穩(wěn)定性對工件質(zhì)量影響很大。因此，數(shù)控機床對機械子系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度和軸向剛度有很高的要求，需要基于機械子系統(tǒng)模型進行仿真分析。首先，使用三維幾何建模軟件（如NX、SolidWorks）建立數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)不同的模擬目標(biāo)，可適度簡化次要部分。三軸立式數(shù)控機床如圖6-7所示，其主要部件包括底座、導(dǎo)軌、工作臺、滾珠絲杠、軸承、主軸和附件。然后可以使用多領(lǐng)域建模語言，對數(shù)控機床機械子系統(tǒng)的關(guān)鍵部件進行建模，便于對數(shù)控機床進行多領(lǐng)域的聯(lián)合仿真分析。圖6-7三軸立式數(shù)控銑床（1）機械子系統(tǒng)的建模第二節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計952.4數(shù)字孿生驅(qū)動的數(shù)控機床虛擬樣機基于數(shù)字孿生的數(shù)控機床的虛擬樣機必須具有以下特點：（1）機械子系統(tǒng)、電氣子系統(tǒng)及其耦合關(guān)系集成在同一平臺上；（2）虛擬樣機可以根據(jù)數(shù)控機床的性能變化進行動態(tài)更新。這就需要基于數(shù)字世界和物理世界之間的實時信息交互，實現(xiàn)及時準(zhǔn)確的更新?；跀?shù)字孿生的虛擬樣機具有如下優(yōu)勢：1）基于數(shù)字孿生的虛擬樣機是一個集成了不同子系統(tǒng)的多域高保真模型。該模型可以支持?jǐn)?shù)控機床整個生命周期的設(shè)計、生產(chǎn)、運行、維護和回收過程。2）基于數(shù)字孿生的虛擬樣機可以通過實時數(shù)據(jù)映射與物理機床保持一致，用于模型的動態(tài)更新和數(shù)據(jù)存儲。3）基于數(shù)字孿生的虛擬樣機可以基于存儲的數(shù)據(jù)為機床的后續(xù)智能維護和優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。（2）數(shù)控機床的虛擬樣機第二節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計962.4數(shù)字孿生驅(qū)動的數(shù)控機床虛擬樣機在數(shù)字空間中，基于數(shù)字孿生的數(shù)控機床虛擬樣機主要由描述模型和更新策略兩部分組成。1）描述性模型描述模型是基于數(shù)字孿生的虛擬樣機最重要的部分?？梢詫⑵湟暈閿?shù)字空間中數(shù)控機床的副本，在運行過程中，該模型需要動態(tài)更新，以達到更真實、準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。2）更新策略更新策略包括映射策略、運行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫和一致性維護策略。映射策略負(fù)責(zé)物理空間和數(shù)字空間之間的實時映射，映射數(shù)據(jù)存儲在運行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中。一致性維護策略通過比較仿真結(jié)果和實際性能是否一致，決定是否對模型進行更新。（2）數(shù)控機床的虛擬樣機圖6-8數(shù)控機床虛擬樣機模型及更新第三節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動的控制系統(tǒng)設(shè)計973.1控制系統(tǒng)建模永磁同步電動機（PMSM）因其結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)越而廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床的軸控制中。為了簡化建模過程，可以選擇“將d軸電流設(shè)置為零”的控制模式，從而解耦永磁同步電機。在這種情況下，永磁同步電動機的控制可以等效于直流電動機的控制。這種等效轉(zhuǎn)換本質(zhì)上是電機坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的過程。將永磁同步電機抽象為數(shù)學(xué)模型，通過方程描述其物理特性。由于電機的復(fù)雜性，建模時必須進行一些理想假設(shè)：1）不考慮定子和轉(zhuǎn)子的鐵芯磁阻、磁滯和渦流損耗。2）忽略轉(zhuǎn)子的阻尼繞組。3）永磁體中的磁導(dǎo)率與空氣中的磁導(dǎo)率相同4）通過定子的電流波形是規(guī)則的正弦曲線（1）永磁同步電機建模第三節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動的控制系統(tǒng)設(shè)計983.1控制系統(tǒng)建模三相電壓型逆變器是永磁同步電機伺服系統(tǒng)中功率轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵功能部件，其輸入是直流母線電壓和控制信號，這是控制系統(tǒng)中空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）裝置輸出的六路布爾信號。因此，三相電壓型逆變器（以下簡稱逆變器）可以簡化為由六個功率開關(guān)組成的三橋臂電路結(jié)構(gòu)。這些名為S1-S6的電源開關(guān)可以構(gòu)成八種獨立狀態(tài)：（0,0,0），（0,0,1），（0,1,0），（0,1,1），（1,0,0），（1,0,1），（1,1,0）和（1,1,1）。其中，狀態(tài)（1,1,1）和（0,0,0）不能產(chǎn)生有效電壓和電流。整個逆變器電路可以使用功率開關(guān)、二極管和相關(guān)接口建模。（2）伺服驅(qū)動器的建模第三節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動的控制系統(tǒng)設(shè)計993.1控制系統(tǒng)建模傳感裝置作為數(shù)控機床的檢測裝置，在反饋電路中起著重要作用。電機伺服系統(tǒng)的傳感器用于各種類型的數(shù)據(jù)采集，如轉(zhuǎn)子位置、電機轉(zhuǎn)速和三相繞組電流，為控制系統(tǒng)提供反饋信息。進給系統(tǒng)的限位開關(guān)用于檢測工作臺的移動范圍，以避免過度移動導(dǎo)致故障甚至安全問題。（4）控制系統(tǒng)建模坐標(biāo)變換是永磁同步電機矢量控制的基礎(chǔ)，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換功能可以通過設(shè)計相應(yīng)的模型并將其封裝為模塊以供后續(xù)使用。逆變器的輸入包括SVPWM輸出的控制信號。SVPWM的關(guān)鍵是在已知電壓矢量值的基礎(chǔ)上計算出與給定電壓矢量值相等的平均電壓值。根據(jù)數(shù)控機床的功能邏輯和實際工作原理，通過連接上述封裝模塊，可以構(gòu)建控制系統(tǒng)的模型。（3）傳感器和限位開關(guān)建模第三節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動的控制系統(tǒng)設(shè)計100

3.2數(shù)控機床的機電耦合模型以數(shù)控機床的X軸進給系統(tǒng)為例，說明機械子系統(tǒng)和電氣子系統(tǒng)的建模方法，并闡述這兩個子系統(tǒng)之間的關(guān)系。X軸進給系統(tǒng)模型的內(nèi)部邏輯如圖6-9所示。控制器的輸入是目標(biāo)速度值，而輸出是由逆變器驅(qū)動的SVPWM模型生成的六路布爾信號。傳感裝置檢測電機角速度和位移反饋至控制回路。在整個系統(tǒng)模型中，電機的電源由逆變器驅(qū)動器通過電流傳感裝置提供。電機產(chǎn)生的機械能由轉(zhuǎn)子通過機械接口輸出，以扭矩的形式傳輸?shù)綑C械子系統(tǒng)。同時，機械子系統(tǒng)做為負(fù)載，對電機施加反作用力。Y方向和Z方向進給系統(tǒng)和主軸子系統(tǒng)的模型設(shè)計與X方向模型的設(shè)計類似。圖6-9機床X軸進給系統(tǒng)機電一體化模型第三節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動的控制系統(tǒng)設(shè)計101

3.3數(shù)字孿生模型的實時更新基于數(shù)字孿生的數(shù)控機床虛擬樣機的更新策略主要包括兩部分。一種是映射策略，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從物理空間實時映射到數(shù)字空間。另一種是一致性維護策略，其目的是根據(jù)映射數(shù)據(jù)更新描述模型，使其與數(shù)控機床保持一致。為了保證基于數(shù)字孿生的數(shù)控機床虛擬樣機和物理實體的一致性，需要實現(xiàn)物理空間和數(shù)字空間的數(shù)據(jù)映射。因此，需要有效的實時映射策略，為模型的持續(xù)更新提供數(shù)據(jù)支持。由于傳感器類型的多樣性，從數(shù)控機床收集的數(shù)據(jù)是多源和時變的，通常采用OPCUA作為傳輸協(xié)議。第三節(jié)數(shù)字孿生驅(qū)動的控制系統(tǒng)設(shè)計102

3.3數(shù)字孿生模型的實時更新基于OPCUA協(xié)議的服務(wù)器/客戶端結(jié)構(gòu)是映射策略的核心。OPC-UA服務(wù)器和OPC-UA客戶端在信息模型層進行通信，通過數(shù)據(jù)映射庫將數(shù)據(jù)直接從物理空間映射到數(shù)字空間。然而，考慮到存在不采用OPCUA的設(shè)備，OPCUA服務(wù)器設(shè)計為四層，以便在底層集成來自不同通信接口的數(shù)據(jù)。OPCUA服務(wù)器的四層功能如下：1）物理接口層旨在從各種類型的傳感器或設(shè)備收集數(shù)據(jù)。它應(yīng)該與RS485、RS232、Wi-Fi、藍牙和CAN等不同接口兼容。2）協(xié)議驅(qū)動層為使用不同接口的數(shù)據(jù)包提供通用的讀寫方法。3）數(shù)據(jù)解析層根據(jù)不同的通信協(xié)議從數(shù)據(jù)包中提取數(shù)據(jù)。4）信息模型層基于數(shù)據(jù)映射庫將各種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有意義的信息。第四節(jié)數(shù)字孿生在各階段的應(yīng)用103

4.1在數(shù)控機床的設(shè)計階段的應(yīng)用基于數(shù)字孿生的數(shù)控機床虛擬樣機可以實現(xiàn)精益設(shè)計和虛擬調(diào)試。首先，建立基于數(shù)字孿生的虛擬樣機。其次，可以通過挖掘數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)分析目標(biāo)性能指標(biāo)。然后，基于目標(biāo)性能指標(biāo)計算數(shù)控機床的新設(shè)計參數(shù)，并利用這些參數(shù)重建虛擬模型。據(jù)庫中的數(shù)據(jù)不僅包含傳感器收集的機床狀態(tài)，還包括與生產(chǎn)相關(guān)的數(shù)據(jù)，如工件和環(huán)境信息。這些數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生驅(qū)動的機床精益設(shè)計的基礎(chǔ)。從數(shù)據(jù)庫中提取工作負(fù)載數(shù)據(jù)，例如主軸轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)溫度和進給速度，作為模擬的邊界條件，根據(jù)模擬結(jié)果，修改和優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，直到仿真結(jié)果滿足目標(biāo)性能指標(biāo)的要求，如精度、剛度和熱變形等。第四節(jié)數(shù)字孿生在各階段的應(yīng)用104

4.1在數(shù)控機床的設(shè)計階段的應(yīng)用如圖6-10所示，機床設(shè)計的目標(biāo)性能指標(biāo)不同，可以從數(shù)據(jù)庫中選取不同的工作數(shù)據(jù)，進行不同類型的模擬，例如流體力學(xué)模擬、結(jié)構(gòu)力學(xué)模擬和熱力學(xué)模擬，再根據(jù)模擬的結(jié)果對設(shè)計進行評估，如果滿足設(shè)計指標(biāo)，則輸出這些最優(yōu)設(shè)計參數(shù)。否則，產(chǎn)品需要重新設(shè)計，以確保達成目標(biāo)性能指標(biāo)。圖6-10機床設(shè)計的目標(biāo)性能指標(biāo)第四節(jié)數(shù)字孿生在各階段的應(yīng)用105

4.2在數(shù)控機床的運行階段基于數(shù)字孿生的數(shù)控機床虛擬樣機可以應(yīng)用于故障診斷和故障預(yù)測。（1）故障診斷由于基于數(shù)字孿生的虛擬樣機的映射策略和分布式數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)庫中存儲的歷史數(shù)據(jù)足以構(gòu)建機器學(xué)習(xí)算法應(yīng)用的訓(xùn)練集。數(shù)控機床運行期間的故障信息也包含在這些數(shù)據(jù)中。通過將某些故障（如過度振動）引起的數(shù)據(jù)輸入模型，然后輸出故障類型，可以將故障診斷識別為一個分類過程。訓(xùn)練分類器時，以物理空間的實時數(shù)據(jù)為輸入，及時輸出相應(yīng)的故障類型，實現(xiàn)故障診斷。（2）故障預(yù)測基于數(shù)字孿生的數(shù)控機床虛擬樣機的故障預(yù)測過程與故障診斷過程類似。然而，雖然故障診斷更側(cè)重于意外故障，但故障預(yù)測通常側(cè)重于長期過程和可避免的故障，如軸承故障。因此，訓(xùn)練集的構(gòu)造和輸入輸出數(shù)據(jù)的選擇不同于故障診斷。通過這種方式，可以通過觀察數(shù)控機床的當(dāng)前狀態(tài)來預(yù)測潛在故障，以避免嚴(yán)重的停機和故障損失。第四節(jié)數(shù)字孿生在各階段的應(yīng)用106

4.4在數(shù)控機床的維護階段維護基于存儲在基于數(shù)字孿生的數(shù)控機床虛擬樣機數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)。它涉及機器學(xué)習(xí)中的分類問題，維修訓(xùn)練集由故障類型及其相應(yīng)的處理方法組成。盡管一些處理方法無法自動收集，但基于數(shù)字孿生的虛擬樣機為此類信息記錄提供了一個存儲平臺，該平臺集成了所有數(shù)據(jù)，以構(gòu)建訓(xùn)練集。然后，在故障預(yù)測或故障診斷模型輸出故障類型后，基于數(shù)字孿生的數(shù)控機床虛擬樣機可以通過訓(xùn)練好的維護模型為用戶提供可能的維護解決方案。第五節(jié)機電一體化設(shè)計與虛擬調(diào)試案例107

5.1機電一體化設(shè)計與調(diào)試的硬軟件平臺本案例實現(xiàn)數(shù)控機床機電一體化設(shè)計與虛擬調(diào)試的軟硬件平臺組成如下：（1）使用的硬件以840Dsl數(shù)控系統(tǒng)作為主控制器，如圖6-13所示，使用的硬件包括：840Dsl數(shù)控系統(tǒng)、SIMITUNIT信號轉(zhuǎn)換單元、調(diào)試用計算機。(a)840Dsl數(shù)控系統(tǒng)(b)SIMITUNIT(c）設(shè)計及調(diào)試用計算機圖6-13使用的硬件第五節(jié)機電一體化設(shè)計與虛擬調(diào)試案例108

5.1機電一體化設(shè)計與調(diào)試的硬軟件平臺1）840Dsl數(shù)控系統(tǒng)840Dsl數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，是西門子公司面向新一代智能制造的高端型數(shù)控系統(tǒng)。將CNC、HMI、PLC、閉環(huán)控制和通訊功能組合在一個數(shù)控單元（NCU）上，并可通過配合使用PCU來提高操作性能，支持以太網(wǎng)、Drive-CLiq、ProfiBus網(wǎng)絡(luò)通訊。2）SIMITUNIT信號轉(zhuǎn)換單元SIMITUNIT是外部現(xiàn)場設(shè)備和虛擬模型之間的信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，支持ProfibusDP/Profinet協(xié)議現(xiàn)場總線設(shè)備，可以仿真基本I/O輸入輸出功能，也支持復(fù)雜的邏輯控制。硬件在環(huán)的虛擬調(diào)試中，SIMITUNIT與實際的控制器建立連接，電腦端可以通過以太網(wǎng)連接到SIMITUNIT的PROFINET接口，可以使用真實控制系統(tǒng)和真實PLC對整個工程項目進行測試。第五節(jié)機電一體化設(shè)計與虛擬調(diào)試案例109

5.1機電一體化設(shè)計與調(diào)試的硬軟件平臺（2）使用的軟件數(shù)控機床在設(shè)計和調(diào)試過程中，需要使用多種專用軟件，本案例使用的軟件包括NX12.0、STEP7、840DslToolbox、SimulationUnit、SIMIT10。1）NX12.0NX是在UG軟件基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，集CAD/CAM/CAE/PDM/PLM于一體。CAD使工程設(shè)計及制圖完全自動化；CAM內(nèi)含大量數(shù)控編程庫(機床庫、刀具庫等)，數(shù)控加工仿真、編程和后處理比較方便；CAE可以實現(xiàn)產(chǎn)品、裝配和部件的性能模擬；PDM/PLM幫助管理產(chǎn)品數(shù)據(jù)和整個生命周期中的設(shè)計重用；MCD是NX的一個模塊，可以實現(xiàn)三維虛擬機電模型及虛擬調(diào)試。2）STEP7用于S7-300/400PLC的編程，可使用LAD（Ladder梯形圖），STL（StepLadderInstruction步進梯形圖）和FBD(FunctionalBlockDiagram功能框圖）三種編程語言。第五節(jié)機電一體化設(shè)計與虛擬調(diào)試案例110

5.1機電一體化設(shè)計與調(diào)試的硬軟件平臺3）840DslToolbox為設(shè)計人員提供基本程序及其他組件，用于數(shù)控機床PLC用戶程序的創(chuàng)建，可以有效縮短數(shù)控機床PLC程序的開發(fā)周期。4）SimulationUnit與SIMITUNIT硬件配套，實現(xiàn)對信號的轉(zhuǎn)換。5）SIMIT10仿真軟件SIMITUNIT硬件進行組態(tài)，實現(xiàn)I/O信號的配置，支持虛擬調(diào)試。第五節(jié)機電一體化設(shè)計與虛擬調(diào)試案例111

5.2基于NXMCD的機械建模NXMCD模塊的主要菜單和功能如圖6-15所示圖6-15NXMCD模塊的主要菜單和功能圖6-16MCD配置流程第五節(jié)機電一體化設(shè)計與虛擬調(diào)試案例112

5.2基于NXMCD的機械建模在NX的CAD模塊完成機械本體的三維建模，并在MCD模塊中導(dǎo)入建立的機械模型，幾何建模完成后，需要設(shè)置剛體、碰撞體、添加運動副。配置流程圖如圖6-16所示。(1）數(shù)控設(shè)備部件設(shè)計基于CAD平臺，實現(xiàn)例如主軸、刀庫等機械部件的設(shè)計，并進行虛擬裝配。(2）導(dǎo)入機床模型將機床的三維模型導(dǎo)入MCD，如圖6-17所示。圖6-17導(dǎo)入機床模型第五節(jié)機電一體化設(shè)計與虛擬調(diào)試案例113

5.2基于NXMCD的機械建模（3）設(shè)置剛體和碰撞體每一個運動的部件都是帶有質(zhì)量的剛體，因此所有的運動部件都需要設(shè)置成剛體，才能接收外力和扭矩。當(dāng)一個幾何體未被定義為剛體對象時，這個幾何體將完全靜止，不會受到任何力的影響。碰撞體是物理組件的一類，兩個碰撞體之間要發(fā)生相對運動才能觸發(fā)碰撞。如果兩個剛體發(fā)生碰撞，但兩者都沒有任何面被定義為碰撞體，那么在物理模擬中，他們會彼此互相穿過。圖6-18設(shè)置主軸剛體

圖6-19設(shè)置主軸碰撞體第五節(jié)機電一體化設(shè)計與虛擬調(diào)試案例114

5.2基于NXMCD的機械建模（4）建立運動副及位置控制每個剛體都有它們自有的束縛，動副是兩個機械構(gòu)件之間通過直接接觸而組成的可動連接。兩個構(gòu)件上參與接觸而構(gòu)成運動副的點、線、面等元素被稱為運動副元素。依次對X、Y和Z軸進行滑動副設(shè)置；對A、B、C和主軸進行鉸鏈副設(shè)置；對刀具進行固定副的設(shè)置。同時也需要對X、Y、Z、A、B、C和主軸分別設(shè)置位置控制，這里以設(shè)置A軸為為例，如圖6-20和6-21所示。圖6-20設(shè)置A軸為鉸鏈副

圖6-21設(shè)置A軸位置控制第五節(jié)機電一體化設(shè)計與虛擬調(diào)試案例115

5.2基于NXMCD的機械建模（5）建立傳感器在對機床控制過程中，需要監(jiān)控某些運動部件的狀態(tài)，因此需要設(shè)置傳感器。這里以設(shè)置刀具T1的傳感器為例，如圖6-22和圖6-23所示。圖6-22刀具T1的刀盤傳感器

圖6-23刀具T1的主軸傳感器第五節(jié)機電一體化設(shè)計與虛擬調(diào)試案例116

5.2基于NXMCD的機械建模（6）建立信號適配器信號適配器用于接收外圍電路或者CNC的信號，用來控制機床。在虛擬調(diào)試中，這些信號來自于SIMIT的共享內(nèi)存，因此信號源的最大數(shù)量和SIMIT共享內(nèi)存的容量一致，其名稱可相同，以便于信號連接，如圖6-24所示。圖6-24信號適配器的建立第五節(jié)機電一體化設(shè)計與虛擬調(diào)試案例117

5.2基于NXMCD的機械建模（7）仿真序列的創(chuàng)建仿真序列（SequenceEditor）可以認(rèn)為是多個仿真動作的集合。仿真序列中可以包含多個仿真子集（OperationChain），每個仿真子集中又包含了多個仿真動作（Operation）。在機床設(shè)計中，通常基于仿真序列，對機床進行運動分析，檢查運動是否存在干涉、是否符合設(shè)計需要。以刀具的控制為例，有如下兩種情況：一是當(dāng)?shù)毒叩侗P傳感器被觸發(fā)，并且主軸松刀信號為1的時候，刀具跟隨刀盤旋轉(zhuǎn)；二是當(dāng)?shù)毒咧鬏S傳感器被觸發(fā)，并且主軸松刀信號為0的時候，刀具跟隨主軸旋轉(zhuǎn)。此處以第一把刀具的第一種情況為例，如圖6-25所示，選擇第一把刀具固定副為對象，選擇“運行時參數(shù)”中的基體，并選擇刀盤為基體，在“條件”中選擇條件，分別是刀具刀盤傳感器被觸發(fā)、主軸松刀信號為1。圖6-25仿真序列的創(chuàng)建第五節(jié)機電一體化設(shè)計與虛擬調(diào)試案例118

5.3數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)及PLC程序設(shè)計（1）數(shù)控系統(tǒng)上電準(zhǔn)備完成數(shù)控系統(tǒng)的硬件連接，檢查電源電壓無誤后啟動數(shù)控系統(tǒng)。開機后做NCK和PLC總清。NCK總清用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)初始化并裝載標(biāo)準(zhǔn)機床數(shù)據(jù)。PLC總清用于刪除用戶數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)塊和功能塊)、刪除系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊、清除診斷緩沖區(qū)參數(shù)?？偳逋瓿珊螅斎肟诹钸M入制造商訪問等級，以進行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。總清完成后顯示屏上顯示報警“2001：PLC未啟動”，遇到此報警是正常的，等下載完硬件配置和PLC程序，再重啟數(shù)控系統(tǒng)即可消除。第五節(jié)機電一體化設(shè)計與虛擬調(diào)試案例119

5.3數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)及PLC程序設(shè)計（2）PLC程序設(shè)計在計算機上安裝840DslToolbox和GSD文件，基于工具包中所提供的數(shù)控機床基本PLC程序，根據(jù)機床的具體配置和控制要求，完成硬件組態(tài)，設(shè)計用戶PLC程序并進行調(diào)試。具體操作如下：