一种基于数字孪生的全自动裁断机协同系统、介质及终端

技术领域

本发明属于全自动裁断机协同设计技术领域，尤其涉及一种基于数字孪生的全自动裁断机协同系统、介质及终端。

背景技术

目前，全球工业正面临着提高生产力、缩短上市时间、采用更灵活的制造模式以及提高资源和能源效率以满足个别客户需求的挑战。在这种背景下，传统的产品设计依赖于单一的学科已经不能满足需求，机械、电子、通信和控制等多学科耦合必将成为未来机械设计和自动化技术的发展方向。传统的复杂产品设计是串行的，涉及概念设计、机械设计、电气设计、自动化设计、样机制造和调试等阶段，每个阶段都需要重复的验证和修改，这导致了前一个阶段的连续返工。尤其是在物理原型测试调试乃至实际生产运行过程中，未被发现的设计错误都可能对设备造成重大损害。因此，研发周期的延长、设计的不断变化和成本的增加对传统制造企业提出了很大的问题和挑战。

数字孪生的出现为复杂机械产品的理想设计信息和实际运行状态的一致表达提供了有效途径。在智能制造领域，数字孪生可以实现虚实映射，从而提高产品设计与制造的迭代效率，对制造业升级具有巨大的推动作用，同时也被认为是实现信息物理融合的关键技术。全自动裁断机作为一种复杂机械产品，其设计包括机械、液压、电气、自动化和控制等学科，目前各企业对全自动裁断机的设计依旧处在传统研发阶段，设计试验仍需要大量的现场调试。随着社会经济的发展，客户需求的大量变更，设计的多样化，裁断机的研发同样存在着复杂机械产品所面临的上述问题。

随着产品复杂性的增加以及日益增加的多样化设计，为了适应现代工程产品的设计要求，利用多学科协同设计来解决学科之间的冲突，减少产品研发周期和成本。现有的研究主要围绕三个方面：协同建模、协同仿真以及协同设计优化。在协同设计建模技术方向，Rosenman等提出了一个三维虚拟世界环境，该环境为不同位置的设计师提供实时多用户协作，并允许不同的设计学科将其建筑视图建模为不同的表示形式。在协同设计仿真技术方向，Wang等提出了一种以协同计算技术为基础的面向服务的模式，集成作为服务的仿真模型，从而在产品设计中执行仿真任务。在协同设计优化技术方向，易永胜提出的协同近似方法来处理复杂耗时分析以及繁琐灵敏度计算的问题。

随着生产模式和社会需求的改变，加上复杂产品的智能化发展，使得产品研发的最终目标往往存在很大的差异。虽然协同设计在建模、仿真与优化方向都得到了较明显的发展，但考虑到复杂产品整个设计过程以及设计模型之间的集成与共享问题，成熟的协同设计技术可以在不同的设计阶段更好地结合起来。目前在制造企业存在大量多学科设计引发的不协同效应问题，不同专业不同学科分开设计，造成试制调试周期加长，现有仿真平台无法进行复杂机械模型的联动运行分析。因此，建立复杂产品协同设计的信息集成模型，构建多学科统一建模仿真平台和集成技术都需要进一步研究。

随着客户对个性化产品功能需求的不断增加，产品结构变得越来越复杂。全自动裁断机作为一种复杂机械产品，其设计涉及机械、电气、自动化等相关领域，需要更紧密的多学科协同设计与集成。然而，传统的设计方法缺乏多学科的协调，导致设计阶段之间存在交互障碍，产品设计信息与原型制造之间存在脱节。不仅如此，复杂机械产品的研发需要通过样机制造进行现场验证，然而在物理原型测试调试乃至实际生产运行过程中，会出现连续返工和修改的过程，且未被发现的设计错误可能对设备造成重大损害，从而延长研发周期，提高成本。为了弥补这一差距，亟需一种新的数字孪生驱动的协同设计方法。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)传统的全自动裁断机设计方法缺乏多学科的协调，导致设计阶段之间存在交互障碍，产品设计信息与原型制造之间存在脱节。

(2)传统的全自动裁断机设计方法中存在连续返工和修改的过程，且未被发现的设计错误可能对设备造成重大损害，从而延长研发周期，提高成本。

(3)目前在制造企业存在大量多学科设计引发的不协同效应问题，造成试制调试周期加长，现有仿真平台无法进行复杂机械模型的联动运行分析。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种全自动裁断机协同控制方法、系统、介质、设备及终端，尤其涉及一种基于数字孪生的全自动裁断机协同控制方法、系统、介质、设备及终端。

本发明是这样实现的，一种基于数字孪生的全自动裁断机协同系统包括：

基于机械学的协同模块，用于借助NX工具进行混合建模与造型，以及进行机电一体化概念设计，为工程师虚拟创建、模拟和测试产品与生产所需的机器设备提供仿真支持；

基于电气学的协同模块，用于TIA博途环境的搭建以及PLC程序的编写；通过TIA实现设备和网络的配置；

基于自动化的协同模块，用于基于机械学的协同模块、基于电气学的协同模块的功能要求，对人机界面进行搭建，并进行模拟数据与文字输入操作，同时实时地显示设备的工作状态并记录设备的生产数据记录；

产品数字孪生模型构建模块，用于在虚拟环境下完成建立机械、电气、自动化模型以及数据管理、虚拟仿真、通信连接，构建产品数字孪生模型；构建的产品数字孪生模型通过软件在环方式以及硬件在环方式进行虚拟调试，根据调试反馈的数据与结果，直接在虚拟环境下对虚拟设备进行优化，最终获得产品数字孪生模型。

进一步，所述基于机械学的协同模块还用于在建立完完整的三维模型后，对NX-MCD仿真环境进行搭建；在机电一体化概念设计中，基本机电对象是基础，通过对已有的三维模型添加机电特征的方法，具有逼真的物理特性，并具备物理系统下的运动属性；具体地，刚体能使几何体模型具备质量、重力特征，碰撞体能够使模型具备碰撞特征；三维模型的运动仿真需要通过运动副和执行机构来进行；在定义完裁断机的刚体和碰撞体的基础上，通过运动副定义对象的运动方式；而执行机构定义一种线性运动或者旋转运动的驱动装置，执行器有速度和位置控制，速度控制控制机电对象按设定的速度运行，位置控制用来控制运动几何体的目标位置，让几何体按照指定的速度运动到指定的位置后停下来；通过设置速度或者位置来实现对运动速度和运动位置的控制，还设置碰撞传感器、距离传感器、位置传感器、限位开关和继电器虚拟装置；

进行机械的仿真中NX-MCD提供面向各学科的开放式接口，为实现产品结构、电气控制机电一体化调试和管理提供条件。

进一步，所述基于电气学的协同模块还用于借助TIA portal软件进行PLC的编写，其中包含OB、FC、FB和DB的常用程序块，根据概念设计中的功能划分和控制要求，直接在软件中进行操作；除依靠工程师手动编制以外，NX-MCD软件强大的时间序列自动生成程序功能可以将仿真的时序图导出，转化为PLC Open XML格式的文件，在自动化开发环境例如TIAPortal Step7，便自动生成PLC的顺序功能图，从而加速PLC程序开发；在Portal中的PLC项目下需定义变量地址与数据类型，且地址进行合理分配，为后续自动化设计和虚拟调试做准备。

进一步，所述基于自动化的协同模块中，人机界面包括运行于HMI硬件中的系统软件和运行于PC机Windows操作系统下的画面组态软，用于PLC人机交互；

所述产品数字孪生模块还用于通过PLM数据库平台Teamcenter实现对模型信息的管理，进行扮数据整合。

进一步，所述基于数字孪生的全自动裁断机协同系统还包括：

虚拟验证模块，用于采用NX-MCD机械环境搭建、TIA Portal环境的搭建、虚拟仿真器的搭建和信号映射操作，实现软件在环虚拟调试，完成PLC程序调试和设备仿真验证；并通过人机交互界面实时地查看设备运行阶段，检测设备的实时数据和运动曲线；以及实时查看速度、位置、加速度以及X、Y、Z轴方向所在的受力情况，运动曲线用于查看位置-时间关系、速度-时间关系和力-时间关系。

本发明的另一目的在于提供一种全自动裁断机，所述全自动裁断机由机架、滚珠丝杆、伺服电机、冲裁板、压料气缸、送料架、送料滚筒、丝杆座、铣刀、同步轮、液压缸和电机组成；

将布料、皮革、纺织物、纸板其他合成材料的柔性片状物料通过自动送料装置由送料架的滚筒装置，输送到送料板上，采用伺服电机带动滚珠丝杠进行传动；送料板两侧设有挡死，机身两侧装有气动压杆，在冲头进行裁切前，气动压杆自动降下，压紧冲裁的布料；冲压装置的冲裁冲头在龙门横梁架下实现左右横移，采用伺服电机配减速机带动冲头上的同步大带轮，实现360度旋转运动，对复杂图案进行自动排版；当裁切图案需要更换时刀模开始进行换刀，刀库换刀装置中预存已加工好的所需要数量的刀模板，通过无杆气缸自动抽拉装置完成冲头与刀库之间的换刀操作；在完成冲裁后，对送料板进行打磨铣削操作，铣削装置和送料装置实现依次从左至右，从前至后的铣削工作。

进一步，按照全自动裁断机的功能划分，将裁断机的整体结构划分为自动送料机构、冲压机构、自动抽拉刀板机构、刀库换刀机构和铣削机构五大机构；

其中，所述自动送料机构由原材料放置架、压料部分和送料部分组成；其中，所述原材料放置架包括托辊、托辊支架、卷料芯轴和挡料板，用于放置不同种类、长度和样式的卷型材料；所述压料部分包括送料板头部、尾部以及铣刀处的三个气缸和压料杆，用于起到固定原材料的作用；所述送料部分由送料板组成，采用伺服电机带动滚珠丝杠进行传动；

所述冲压机构由导向滑块、冲头柱、减速机、液压缸、冲头刀钩组成；其中，所述冲头柱与导向滑块相连接，跟随导向滑块实现冲压过程中的水平方向移动；所述液压缸是冲压的主要动力输出，确定冲裁力的大小；冲头部位采用同步轮结构，转头实现360度旋转；在电机轴安装同步轮以及在轮上安装同步带，得到直线运动，在任意位置实现高精度定位并保护伺服电机；冲头与刀板部位安装夹紧装置，换刀气缸可以将刀板刀钩从刀模板上顶出，换入新刀板后，换刀气缸收缩，从而使得刀板刀钩将刀板夹紧；

所述自动抽拉刀板机构由无杆气缸、直线导轨、三轴气缸、插销、连接板和刀模板过渡架组成；选取20缸径的无杆气缸，无杆气缸旁设有直线导轨，采用三轴气缸对插销进行顶升，保证插销插入刀板的稳定性；

所述刀库换刀机构由刀库架、电机、刀模板、直线轴承、滚珠丝杆、导向杆和张紧轮组成；刀库箱采用伺服电机带动双侧滚珠丝杠对刀库进行升降，两侧采用同步轮联动，滚珠丝杠螺距选取32mm；伺服电机选取带刹车的型号；刀库箱前后设有挡杆，由库箱顶部的迷你气缸控制挡杆控制开合，换刀时挡杆开启，换刀结束挡板闭合；换刀过程由电机以及张紧轮带动两端滚珠丝杆，实现刀库平稳升降和指定调节高度，配合自动抽拉板机构，完成自定义换刀操作；

所述铣削系统由铣刀、铣刀电机、铣刀座、铣刀气缸、铣刀机架、丝杆和铣刀座电机组成；铣削装置用于实现三个自由度方向的运动即铣刀座在电机驱动滚珠丝杆上进行横移运动、铣刀电机在气缸的伸缩作用下进行垂直移动以及铣刀在铣刀电机的驱动下进行高速转动；架体部位由40160的铝型材构成，在铝型材的沟槽中镶入直线导轨，用于导向机构的运动；连接板背部铣槽，便于滚珠丝杠穿过，两侧支撑安装于机身后方，三相异步电机通过联轴器与滚珠丝杠相连，支撑上的电机板和支撑焊接时，制作专门的夹具，以保证电机轴与滚珠丝杠的同轴度；铣刀机构铣削时，气缸将铣刀顶出，压紧冲板。

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述基于数字孪生的全自动裁断机协同系统的功能。

本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述基于数字孪生的全自动裁断机协同系统的功能。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

首先，本发明针对传统设计模式存在的缺陷进行了分析，重点从学科专业协同和设计试验协同两个角度来优化协同设计流程。运用本体理论，分析模型概念与关系，构建多学科协同建模与仿真方案，以此提高多学科模型之间互操作性。在此基础上提出了基于数字孪生的协同设计方法框架，通过不同的研发阶段、不同的学科角度来构建多学科高保真模型，运用数字孪生虚拟调试技术，在虚拟环境下进行模型的调试验证，以此获得虚拟环境下最优数字孪生模型。

其次，本发明对全自动裁断机的工作原理和需求进行分析，根据物理空间整合的数据以及客户需求将设备划分为自动送料机构、冲压机构、自动抽拉板机构、刀库换刀机构和铣削机构五个部分，分别对各个机构进行了结构分析以及动力装置计算。接着构建在机械、电气和自动化环境下的完整数字孪生模型，从而为虚拟调试方案的实施提供模型与参数指标。

再者，本发明实现了全自动裁断机的虚拟调试。按照虚拟验证方案，完成虚拟仿真器配置和信号映射操作，并将构建的数字孪生模型和运动参数指标导入，从而实施软件在环虚拟调试。针对调试出现的问题进行一一分析，给出优化方案，并将优化前后进行对比，实现了对产品虚拟体的虚拟环境验证。

最后，本发明实现了全自动裁断机现场调试测试与验证。搭建现场调试场景，将构建的虚拟验证的信号、程序和控制一同下载到硬件设备中，通过系统功能测试检测结果是否同预期结果一致，并选取皮革材料和软布料以及不同刀模板进行冲裁试验，对数字孪生模型进行了验证与分析。试验结果有效验证了虚拟调试的正确性，其大大缩短了调试时间和成本，提前解决实际调试过程中可能出现的问题和异常，具有较强的实际应用价值。

第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

本发明将数字孪生理念引入到复杂机械产品的设计研发中，提出了一种基于数字孪生的协同设计方法，从多学科协同和设计试验协同两个角度来解决不同学科领域下复杂机械产品设计的难点。为了更直观的阐述并验证设计方法的可行性，本发明以全自动裁断机研发为案例，完整地呈现其研制过程中机械、电气、控制和自动化等多学科的融合设计流程，构建基于多学科环境下的数字孪生模型。本发明通过虚拟调试方案，对外观模拟、功能仿真、干涉检测和电气控制等进行整合与调试，提前验证整机设计问题以及控制程序的错误，从而降低全自动裁断机在现场测试阶段所面临的不断返工设计乃至机器损害问题，同时缩短产品研发周期以及产品的交付时间，以此来提高行业竞争能力。

本发明完成了对全自动裁断机现场调试测试与验证，首先完成了现场调试场景的搭建，之后将构架的虚拟验证的信号、程序和控制一同下载到硬件设备中，通过系统功能测试检测结果是否同预期结果一致，并选取皮革材料和软布料以及不同刀模板进行冲裁试验，对数字孪生模型进行了验证与分析。通过直接对设备现场调试验证了数字孪生虚拟调试结果的正确性，成功避免了实际调试中的风险，相较于之前的传统设计流程，大大缩短了调试时间和成本，提前解决实际调试过程中可能出现的问题和异常，具有较强的实际应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的基于数字孪生的全自动裁断机协同方法流程图；

图2是本发明实施例提供的全自动裁断机协同控制方法原理图；

图3是本发明实施例提供的多学科协同设计中的P-W关系示意图；

图4是本发明实施例提供的多学科协同设计领域的数字化样机模型示意图；

图5是本发明实施例提供的多学科协同设计的软件集成示意图；

图6是本发明实施例提供的全自动龙门裁断机总体结构布置图；

图7是本发明实施例提供的全自动裁断机功能模型示意图；

图8是本发明实施例提供的NX-MCD仿真流程图；

图9是本发明实施例提供的电气环境构建示意图；

图10是本发明实施例提供的冲头横移速度-时间关系图和位置-时间关系图；

图11是本发明实施例提供的调试问题示意图；

图12是本发明实施例提供的优化结果示意图；

图13是本发明实施例提供的皮革材料裁切效果图；

图14是本发明实施例提供的软布料裁切效果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种全自动裁断机协同控制方法、系统、介质、设备及终端，下面结合附图对本发明作详细的描述。

一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

本发明实施例提供一种基于数字孪生的全自动裁断机协同系统包括：

基于机械学的协同模块，用于借助NX工具进行混合建模与造型，以及进行机电一体化概念设计，为工程师虚拟创建、模拟和测试产品与生产所需的机器设备提供仿真支持；

基于电气学的协同模块，用于TIA博途环境的搭建以及PLC程序的编写；通过TIA实现设备和网络的配置；

基于自动化的协同模块，用于基于机械学的协同模块、基于电气学的协同模块的功能要求，对人机界面进行搭建，并进行模拟数据与文字输入操作，同时实时地显示设备的工作状态并记录设备的生产数据记录；

产品数字孪生模型构建模块，用于在虚拟环境下完成建立机械、电气、自动化模型以及数据管理、虚拟仿真、通信连接，构建产品数字孪生模型；构建的产品数字孪生模型通过软件在环方式以及硬件在环方式进行虚拟调试，根据调试反馈的数据与结果，直接在虚拟环境下对虚拟设备进行优化，最终获得产品数字孪生模型。

在本发明实施例中，所述基于机械学的协同模块还用于在建立完完整的三维模型后，对NX-MCD仿真环境进行搭建；在机电一体化概念设计中，基本机电对象是基础，通过对已有的三维模型添加机电特征的方法，具有逼真的物理特性，并具备物理系统下的运动属性；具体地，刚体能使几何体模型具备质量、重力特征，碰撞体能够使模型具备碰撞特征；三维模型的运动仿真需要通过运动副和执行机构来进行；在定义完裁断机的刚体和碰撞体的基础上，通过运动副定义对象的运动方式；而执行机构定义一种线性运动或者旋转运动的驱动装置，执行器有速度和位置控制，速度控制控制机电对象按设定的速度运行，位置控制用来控制运动几何体的目标位置，让几何体按照指定的速度运动到指定的位置后停下来；通过设置速度或者位置来实现对运动速度和运动位置的控制，还设置碰撞传感器、距离传感器、位置传感器、限位开关和继电器虚拟装置；

进行机械的仿真中NX-MCD提供面向各学科的开放式接口，为实现产品结构、电气控制机电一体化调试和管理提供条件。

所述基于电气学的协同模块还用于借助TIA portal软件进行PLC的编写，其中包含OB、FC、FB和DB的常用程序块，根据概念设计中的功能划分和控制要求，直接在软件中进行操作；除依靠工程师手动编制以外，NX-MCD软件强大的时间序列自动生成程序功能可以将仿真的时序图导出，转化为PLC Open XML格式的文件，在自动化开发环境例如TIAPortal Step7，便自动生成PLC的顺序功能图，从而加速PLC程序开发；在Portal中的PLC项目下需定义变量地址与数据类型，且地址进行合理分配，为后续自动化设计和虚拟调试做准备。

所述基于自动化的协同模块中，人机界面包括运行于HMI硬件中的系统软件和运行于PC机Windows操作系统下的画面组态软，用于PLC人机交互；

所述产品数字孪生模块还用于通过PLM数据库平台Teamcenter实现对模型信息的管理，进行扮数据整合。

所述基于数字孪生的全自动裁断机协同系统还包括：

虚拟验证模块，用于采用NX-MCD机械环境搭建、TIA Portal环境的搭建、虚拟仿真器的搭建和信号映射操作，实现软件在环虚拟调试，完成PLC程序调试和设备仿真验证；并通过人机交互界面实时地查看设备运行阶段，检测设备的实时数据和运动曲线；以及实时查看速度、位置、加速度以及X、Y、Z轴方向所在的受力情况，运动曲线用于查看位置-时间关系、速度-时间关系和力-时间关系。

如图1所示，本发明实施例提供的基于数字孪生的全自动裁断机协同方法包括以下步骤：

S101，进行基于数字孪生的协同设计；

S102，进行全自动裁断机数字孪生模型的构建；

S103，进行全自动裁断机的虚拟调试以及现场调试。

本发明实施例提供的全自动裁断机由机架、滚珠丝杆、伺服电机、冲裁板、压料气缸、送料架、送料滚筒、丝杆座、铣刀、同步轮、液压缸和电机组成。

按照全自动裁断机的功能划分，将裁断机的整体结构划分为自动送料机构、冲压机构、自动抽拉刀板机构、刀库换刀机构和铣削机构五大机构。

其中，自动送料机构由原材料放置架、压料部分和送料部分组成；原材料放置架包括托辊、托辊支架、卷料芯轴和挡料板，用于放置不同种类、长度和样式的卷型材料；压料部分包括送料板头部、尾部以及铣刀处的三个气缸和压料杆，用于起到固定原材料的作用；送料部分由送料板组成，采用伺服电机带动滚珠丝杠进行传动。

冲压机构由导向滑块、冲头柱、减速机、液压缸、冲头刀钩组成；其中，冲头柱与导向滑块相连接，跟随导向滑块实现冲压过程中的水平方向移动；液压缸是冲压的主要动力输出，确定冲裁力的大小；冲头部位采用同步轮结构，转头实现360度旋转；在电机轴安装同步轮以及在轮上安装同步带，得到直线运动，在任意位置实现高精度定位并保护伺服电机；冲头与刀板部位安装夹紧装置，换刀气缸可以将刀板刀钩从刀模板上顶出，换入新刀板后，换刀气缸收缩，从而使得刀板刀钩将刀板夹紧。

自动抽拉刀板机构由无杆气缸、直线导轨、三轴气缸、插销、连接板和刀模板过渡架组成；选取20缸径的无杆气缸，无杆气缸旁设有直线导轨，采用三轴气缸对插销进行顶升，保证插销插入刀板的稳定性。

刀库换刀机构由刀库架、电机、刀模板、直线轴承、滚珠丝杆、导向杆和张紧轮组成；刀库箱采用伺服电机带动双侧滚珠丝杠对刀库进行升降，两侧采用同步轮联动，滚珠丝杠螺距选取32mm；伺服电机选取带刹车的型号；刀库箱前后设有挡杆，由库箱顶部的迷你气缸控制挡杆控制开合，换刀时挡杆开启，换刀结束挡板闭合；换刀过程由电机以及张紧轮带动两端滚珠丝杆，实现刀库平稳升降和指定调节高度，配合自动抽拉板机构，完成自定义换刀操作。

铣削系统由铣刀、铣刀电机、铣刀座、铣刀气缸、铣刀机架、丝杆和铣刀座电机组成；铣削装置用于实现三个自由度方向的运动即铣刀座在电机驱动滚珠丝杆上进行横移运动、铣刀电机在气缸的伸缩作用下进行垂直移动以及铣刀在铣刀电机的驱动下进行高速转动；架体部位由40160的铝型材构成，在铝型材的沟槽中镶入直线导轨，用于导向机构的运动；连接板背部铣槽，便于滚珠丝杠穿过，两侧支撑安装于机身后方，三相异步电机通过联轴器与滚珠丝杠相连，支撑上的电机板和支撑焊接时，制作专门的夹具，以保证电机轴与滚珠丝杠的同轴度；铣刀机构铣削时，气缸将铣刀顶出，压紧冲板。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

1、基于数字孪生的协同设计方法框架

1.1多学科协同建模与仿真方案

1.1.1协同设计中概念与关系分析

本发明借助本体论，基于产品概念关系来描述各类信息，构建协同设计数字化信息模型。本体是对某领域的概念化表示，强调的是对知识的共享性以及重用性。利用本体建立模型有利于在提高不同阶段、不同学科的信息共享和多学科模型之间的互操作性。本发明将复杂机械产品对功能、学科以及角色三个角度进行分解，依次是基于功能分解成不同的分系统研发、基于学科将设计划分为各个模块和按照不同的角色分解不同的任务。如图3所示。将复杂产品基于功能分解为多个子功能系统，再将子系统细分成各个组件，组件属性基于学科来定义。最后基于角色，将任务一一分解，得到角色完成各自的任务要求。将复杂产品系统分为系统、分系统、部件和零件四个粒度层次。以全自动裁断机研发过程为例，将其分为自动送料、旋转冲头、刀库自动升降、自动抽拉刀板以及胶板铣削五个分系统，其中将旋转冲头系统基于功能继续分解为电机动力、气压升降、锁紧装置、刀模角度控制和减速器等多个模块，对于分解得到的组件可以从多个学科定义，如气压升降可以从液压学、动力学等学科定义。

对产品进行了层次的划分之后，按照逻辑实现满足产品功能的约束，以组件概念为核心进行详细的描述，在不同阶段即划分的系统、分系统、组件和零件四个层次，不同学科即最下层的子学科。由分解到组合的方式，实现自上而下意图传递以及自下而上的结果反馈。建立协同设计领域的数字化样机的模型，如图4所示。其中实线菱形箭头是聚合关系，表示的是整体与部分之间的关系。实线三角形箭头是泛化关系，表示的是父类与子类之间的关系，子类继承父类的所有结构与行为。虚线三角形箭头是实现关系，表示的两个实体之间的一个合约，一个实体定义一个合约，另一个实体保证履行该合约。虚线三角箭头是依赖关系，表示特定事物的改变将影响另一个元素。

1.1.2建模与仿真方法

本发明针对的是能够切合实际生产的物理对象，旨在面向多学科协同建模。多学科协同建模是将来自机械、控制、电子、结构等多个不同学科领域的软件模型“装配”成为一个更大的仿真模型，用于更准确地仿真实际系统的运行情况。当多领域建模完成后，不同学科领域的模型需要相互协调，协同运行。

本发明借助现在已开发为较完善的建模软件，利用其集成功能以及多种接口，解决多学科软件之间数据交互问题，来实现多学科建模。利用基于接口的多学科建模方法，采用多学科商用软件之间的接口进行多学科建模。这种方法只需要运用仿真软件互联模块，简单易用。以本发明使用的NX为例，其机电一体化概念设计模块(Mechatronics ConceptDesigner，MCD)，为设备级生产提供了集成思路，信息映射接口包含：OPC DA、OPC UA、Matlab、PLCSIM Adv、TCP、UDP等，能够很好地基于这些接口实现复杂产品的多学科协同建模。

本发明结合多学科协同建模和多学科协同仿真，基于各平台软件接口的方式，归纳并呈现了不同学科、不同平台和不同软件的联合仿真集成图，如图5所示。通过在产品全生命周期管理数据平台Teamcenter协作下，采用层次化结构来分解功能部件，并为接下来的操作过程进行管理和数据交换，接着通过机械、电气、通信、自动化等平台完成整个复杂产品的协同仿真。

1.2数字孪生设计方法框架建立

本发明将数字孪生理念引入到复杂机械产品的协同设计研发中，提出基于数字孪生的协同设计方法框架，极大缩短产品研发流程，对物理产品进行高保真的模拟以及尽可能在虚拟环境下呈现完整的产品信息，扩大虚拟调试的作用，从而减少物理试制的阶段。如图2所示，本发明实施例提供的数字孪生设计方法框架流程包含概念设计、详细设计和虚拟验证三个阶段。

1.2.1概念设计阶段

数字孪生作为物理世界的映射，可以整合大量真实的数据，能够通过实时传输来自客户的反馈和上一代产品的数据，更好地规整产品概念。从而结合多学科知识协同，将产品概念划分为功能知识、行为知识和结构知识三部分。

(1)物理空间数据整合

借助数字孪生整合的历史数据，设计人员可以分析产品销售情况、市场需求、用户群体以及市场同类产品的特点。考虑到投资计划，设计人员可以指导产品的材料选择、制造工艺和定价等，从而保证利润的最大化。

(2)模块划分

本发明将该过程分为三部分来应对不同阶段、不同形式的设计，依次是面向功能、面向制造以及面向服务的方法，通过相应的方法进行产品设计来支撑产品在整个生命周期中的运行。其中面向功能的设计，是建立在用户个性化需求方面，通过上文对市场和群体数据的整合，进行产品的个性化设计，同时提高交付的满意程度。面向制造的设计，建立在产品制造阶段所传输的信息上，通过数字孪生技术，能够对工艺过程信息以及制造资源信息的虚拟反馈，该方法能够准确的提高产品设计与制造阶段的配合度，降低实际制造存在的不理想化误差。面向服务的设计，是建立在当前数字孪生技术成熟的应用下即运维数字孪生体。运维阶段的数字孪生提供设备故障预测、维修规划以及设备全生命周期管控的功能，以此来确保产品设计中可能存在的研发关键点，或者确定上一代产品设计薄弱环节，带来的好处就是能够指导下一批次的产品优化，产品的更新换代就是建立在不断地优化设计上最终达到最优程度。

1.2.2详细设计阶段

在该阶段，结合多学科协同建模和仿真思想，主要包含机械学的协同设计、电气学的协同设计和自动化的协同设计。

(1)基于机械学的协同设计

在机械设计阶段，可以借助NX工具，相较于其他三维软件，NX不仅能够进行混合建模与造型，同时能够进行机电一体化概念设计，机电一体化概念设计(MechatronicsConcept Designer，MCD)是NX的一个模块，它为工程师虚拟创建、模拟和测试产品与生产所需的机器设备等提供仿真支持。相较于传统机电概念的设计平台，NX-MCD的功能设计更为突出，可以通过相应的模块建模并对模型进行概念设置，然后直接仿真，极大缩短虚拟现实开发时间。其集成度高，集成领域广，综合性强，弥补了传统的机电产品概念设计过于单一的缺点。同时涵盖了传统机电产品设计中的自动化功能，熟悉传统机电概念设计工具的用户可以很快适应NX-MCD机电一体化设计平台。

在建立完完整的三维模型后，需要对NX-MCD仿真环境进行搭建。在机电一体化概念设计中，基本机电对象是基础，它是通过对已有的三维模型添加机电特征的方法，使其具有逼真的物理特性，能够具备物理系统下的运动属性。具体来说，刚体能够使几何体模型具备质量、重力特征，碰撞体能够使模型具备碰撞特征。在机电一体化设计中，模型的运动仿真需要通过运动副和执行机构来进行。在上步定义完裁断机的刚体和碰撞体的基础上，通过运动副定义对象的运动方式。而执行机构定义了一种线性运动或者旋转运动的驱动装置，常见的执行器有速度和位置控制，速度控制可以控制机电对象按设定的速度运行，位置控制用来控制运动几何体的目标位置，让几何体按照指定的速度运动到指定的位置后停下来。因此通过设置速度或者位置来实现对运动速度和运动位置的控制，还可以设置碰撞传感器、距离传感器、位置传感器、限位开关和继电器等虚拟装置。

在该阶段进行机械的仿真，来仿真真实的物理性能，涵盖了机械运动学、动力学和物理动态干涉等。NX-MCD提供了面向各学科的开放式接口，为后续实现产品结构、电气控制等机电一体化调试和管理提供了条件。

(2)基于电气学的协同设计

在该阶段主要包含TIA博途环境的搭建以及PLC程序的编写。博途软件(TotallyIntegratedAutomation Portal，TIA)是一个全集成自动化软件平台，基于该平台对复杂产品的电气与自动化设计更为便捷，主要实现控制器PLC与分布式设备的组态和编程工作。通过TIA实现设备和网络的配置，如硬件、控制器和PC系统等，在PC系统中创建PC station、常规IE、OPC服务器、设置子网以及连接网络等操作。

在该阶段，可以借助TIA portal软件进行PLC的编写，其中包含OB、FC、FB和DB的常用程序块，根据概念设计中的功能划分和控制要求，可以直接在软件中进行操作。除了依靠工程师手动编制以外，NX-MCD软件强大的时间序列自动生成程序功能可以将仿真的时序图导出，转化为PLC Open XML格式的文件，在自动化开发环境例如TIA Portal Step7，便可以自动生成PLC的顺序功能图，从而加速PLC程序开发。由于软件之间还没有做到完全耦合，在移植过程中伴随着少量警告以及一些指令需要手动更改，但相较于纯手动编制，其带来的成效依旧显著。在Portal中的PLC项目下需要定义变量地址与数据类型，且地址需要合理分配，保证后续信号映射的准确性，为后续自动化设计和虚拟调试做准备。

(3)基于自动化的协同设计

目前复杂机械产品的设计制造离不开自动化的设计，企业为了追求高效益，一般取决于自动化程度，借助高新的自动化技术来提高市场优势。自动化设计是产品设计阶段迫切需求，自动化层面也是提高产品性能和功能的有效途径。复杂产品的优势往往体现在自动化技术上，集成的自动化能更好的满足客户需求以及市场份额。在自动化协同设计阶段，往往将功能和技术方案组合进行分析。为此，需要完成对控制功能和操作功能的设计。基于上述机械和电气设计对功能的要求，对人机界面(Human Machine Interface，HMI)进行搭建，呈现的界面很大程度上代表自动化的复杂程度。在HMI中可以模拟操作员面板，以便测试和优化已经处于工程阶段的操作概念或接口。HMI软件一般分为两部分，即运行于HMI硬件中的系统软件和运行于PC机Windows操作系统下的画面组态软件。一般来说，人机界面连接的都是PLC，来解决PLC人机交互问题，扮演上位机的角色，通过组态并进行下载完成连接。HMI不仅能够进行数据与文字输入操作，同时也能实时地显示设备的工作状态并记录设备的生产数据记录。考虑到在其他学科设计中，都是基于在西门子平台上的设计开发，因此本发明HMI软件选择西门子系列的WinCC软件，便于能够在TIA Portal平台上应用。

(4)构建产品数字孪生模型

在详细设计阶段，构建了机械环境、电气环境和自动化环境下的模型，但各模型之间仍处于相对独立状态，如何在各设计平台下进行信息集成以及数据交互是构建产品数字孪生模型的关键。

通过PLM数据库平台Teamcenter(TC)实现对模型信息的管理，扮演数据整合的角色，TC在产品全生命周期领域内具有强大的功能，包括产品设计、制造规划以及工程阶段。同样借助S7-PLCSIM Advanced虚拟仿真器，虚拟仿真器的作用就是担当一个虚拟PLC设备，能够将完整的程序下载到其中，仿真逻辑控制程序并提供仿真通信功能。在虚拟环境下，完成所有的准备工作即建立机械、电气、自动化模型以及数据管理、虚拟仿真、通信连接等，从而构建产品数字孪生模型。构建的模型会在后期通过软件在环方式以及硬件在环方式进行虚拟调试，根据调试反馈的数据与结果，直接在虚拟环境下对虚拟设备进行优化，最终获得设计阶段最佳的产品数字孪生模型。

1.2.3虚拟验证阶段

通过数字孪生的虚拟调试技术也是结合多学科协同仿真最佳的方案之一，能够实现运动仿真、PLC控制仿真和人机交互仿真等功能，达到对产品的外观模拟、功能分析、行为分析、性能分析和环境模拟等效果。虚拟调试机理就是在计算机上通过虚拟技术模拟虚拟产品在物理环境下的行为。在现场调试前可以提前测试产品，一般来说，验证控制是调试应用最广的需求，通过信号和指令完成相应的反馈动作。逻辑块是定义有输入/输出和内部逻辑计算能力的逻辑设备。信号是虚拟调试中很重要的一个部分，PLC与模型信息交互主要通过信号实现，逻辑块与信号之间的关系是相对应的关系。

采用TIA-MCD联合虚拟调试方案，即NX-MCD机械环境搭建、TIA Portal环境的搭建、虚拟仿真器的搭建和信号映射等一系列操作，实现软件在环虚拟调试，完成PLC程序调试和设备仿真验证。针对复杂机械设备来说，人机交互技术必不可少。在虚拟验证阶段，人机交互界面可以完整地呈现复杂机械设备的所有功能，将PLC程序开发后，基于NX-MCD中的设备模型开发人机接口界面HMI，通过人机界面上与功能对应的按钮操作更便于直观地查看验证结果。

在进行了一系列的虚拟调试过程后，所设计的复杂机械设备难免会出现问题，因此需要针对调试结果进行性能分析，实时地查看设备运行阶段，检测设备的实时数据和运动曲线。实时数据可观察其速度、位置、加速度以及X、Y、Z轴方向所在的受力情况等，运动曲线可观察其位置-时间关系、速度-时间关系和力-时间关系等。虚拟环境下各阶段的模型通过直观的数据和曲线图便于改进设计与优化，才能获得最佳数字孪生模型。

2、全自动裁断机数字孪生模型构建

2.1全自动裁断机工作原理与需求分析

裁断机由机架、冲裁板、送料架、压料气缸、滚珠丝杆、铣刀、同步轮、液压缸、电机等结构组成，图6为所设计的全自动裁断机的总体布置。图6中的(a)为侧面视图，图6中的(b)为正面视图。

全自动裁断机的工作原理如下：将布料、皮革、纺织物、纸板其他合成材料等柔性片状物料通过自动送料装置由送料架的滚筒装置，输送到送料板上，采用伺服电机带动滚珠丝杠进行传动，送料板两侧设有挡死，机身两侧装有气动压杆，在冲头进行裁切之前，气动压杆会自动降下，压紧冲裁的布料，避免了布料跑动导致的裁切精度不够。冲压装置的冲裁冲头可以在龙门横梁架下实现左右横移，并采用了伺服电机配减速机带动冲头上的同步大带轮，实现了360度旋转运动，以便对复杂图案进行自动排版，通过电脑端对排版的设置，能够极大地节省材料的浪费。当裁切图案需要更换时，刀模开始进行换刀，刀库换刀装置中预存已加工好的所需要数量的刀模板，通过无杆气缸自动抽拉装置，完成冲头与刀库之间的换刀操作。在完成冲裁后，需要对送料板进行打磨铣削操作，铣削装置和送料装置实现依次从左至右，从前至后的铣削工作。

全自动裁断机功能模型如图7所示。

2.2全自动裁断机结构分析和动力装置计算

按照全自动裁断机的功能划分，将裁断机的整体结构划分为自动送料机构、冲压机构、自动抽拉刀板机构、刀库换刀机构和铣削机构五大机构。

2.2.1自动送料机构

自动送料机构由三个部分组成。首先是原材料放置架，主要包含托辊、托辊支架、卷料芯轴和挡料板，其作用是放置不同种类、长度和样式的卷型材料。其次是压料部分，由送料板头部、尾部以及铣刀处的三个气缸和压料杆组成，在冲头进行裁切之前，气动压杆会自动降下，压紧冲裁的布料，这一部分可以起到固定原材料的作用，避免原材料在冲裁过程中发生打滑。最后是送料部分，这一部分由送料板组成，采用伺服电机带动滚珠丝杠进行传动，保证传送的精度，送料板两侧设有挡死，有效避免冲板跑偏导致的裁切精度不够的问题。

送料传动通过伺服电机水平驱动滚珠丝杠，选用4040导程为3804mm的滚珠丝杠传动，40滚珠直线导轨承重和导向，滚珠丝杠带动送料板在轴承上滑动，考虑轮子存在轴线误差，存在一定额外的摩擦，将摩擦系数取值为1.6，而送料板和冲板的总质量为350kg。带入式(1)中计算，得出轴向负载约为5500N。

F

其中T

传动过程为匀速运行，将滚珠丝杠导向的摩擦力μ为0.003以及计算出的轴向负载带入式(1)中得出导向面的摩擦阻力F

其中P代表功率(kW)，n代表转速(r/min)，T代表转矩(N·m)，9550是计算系数。

由于客户定制要求以及实际生产需要，伺服送料系统要求送料速度大于1m/s，滚珠丝杠螺距为40mm，故取送料速度为2m/s，带入式(3)得出电机转速为3000r/min。将选用的转速和扭矩带入式(4)中，得出P为3.3kW，因此保险起见选用5kW、15N·m的伺服电机。

2.2.2冲压机构

冲压机构由导向滑块、冲头柱、减速机、液压缸、冲头刀钩等组成。冲头柱与导向滑块相连接，跟随导向滑块实现冲压过程中的水平方向移动。液压缸是冲压的主要动力输出，确定冲裁力的大小。冲头部位采用同步轮结构，转头能够实现360度旋转，由于伺服电机具有很高的角度定位精度，在电机轴安装同步轮以及在轮上安装同步带，可以得到直线运动，在任意位置可实现高精度定位，且皮带提供柔性传动，可以很好地保护伺服电机。冲头与刀板部位安装夹紧装置，换刀气缸可以将刀板刀钩从刀模板上顶出，换入新刀板后，换刀气缸收缩，从而使得刀板刀钩将刀板夹紧。

首先计算多角度旋转所需的伺服电机，取定位盘与铝制的同步大带轮的摩擦系数μ为0.18，同步大带轮所承载的物体总质量约为50kg，带入式(1)中计算得出F约为88N。冲头部位选择齿数为110齿的同步大带轮，减速机出轴部位选择齿数为16齿的小同步轮，传动比为55/8，冲头要求转速达到1r/s，由此可得减速机出轴转速为6.875r/s即412.5r/min。

当圆柱状负载绕其轴线转动时，将圆柱体质量50kg和圆柱体半径0.25m带入式(6)中，得出转动惯量J为1.5625。要求在0.5s内达到正常转速，带入式(7)可得角加速度β为120，再将计算的转动惯量带入式(5)中，得出扭转力矩为187.5N·m。

M＝Jβ (5)

/>

其中式中M表示扭转力矩，J代表转动惯量，β表示角加速度，m代表圆柱体质量，r代表圆柱体半径。

由于传动比为55/8，所以小同步轮所需要的扭矩M为27.3N·m。根据出轴转速，扭矩需要增加减速机以保证冲头旋转的稳定性和停止时的精确度，选择减速比为1：4的减速机。由此可得伺服电机扭矩为6.8N·m，选取10N·m。再带入式(4)中，得出P为3.14kW，因此选用4kW、10N·m的伺服电机。

接着计算冲压横移的动力装置，冲压装置的横移部位同样采用伺服电机水平驱动滚珠丝杠，选用4040导程为2750mm的滚珠丝杠，冲头的重量由线性导轨承载，由于实际安装的不可控性，一般选取系数为0.25。两条直线导轨则为0.5，冲头的总质量约为800kg，带入式(1)得出轴向负载3920N。滚珠导向μ为0.003，滚珠丝杠效率η为0.96，带入式(1)中得出摩擦阻力F

由于冲头横移速度要求不低于1500mm/s，滚珠丝杠螺距为40mm，带入式(3)得出转速为2250r/min。根据所得扭矩与伺服电机型号，选取转速为3000r/min，扭矩为10N·m的伺服电机。带入式(4)中得出功率P为3.14kW，因此选用4kW、10N·m的伺服电机。

2.2.3自动抽拉板机构

自动抽拉刀板机构由无杆气缸、直线导轨、三轴气缸、插销、连接板和刀模板过渡架等组成。选取20缸径的无杆气缸来保证抽拉的速度，无杆气缸旁设有直线导轨，保证插销前后运动时的准确性，采用三轴气缸对插销进行顶升，保证插销插入刀板的稳定性。

自动抽拉板机构选取无杆气缸进行传动，按照生产要求，锰钢刀板质量m为1.38kg，锰钢与尼龙的摩擦力μ一般在0.3～0.5之间，取0.5带入摩擦力计算公式得出f为6.762N。

其中F为最大负载，L

根据刀库箱与冲头的距离选择缸径20mm，行程为750mm的无杆气缸，取σ为0.55，实际测量的L

2.2.4刀库换刀机构

刀库换刀机构由刀库架、电机、刀模板、直线轴承、滚珠丝杆、导向杆和张紧轮等组成。刀库箱采用伺服电机带动双侧滚珠丝杠对刀库进行升降，两侧采用同步轮联动，考虑到速度与精度要求，故滚珠丝杠螺距选取32mm。伺服电机应选取带刹车的型号，带刹车的伺服电机一般用于垂直或斜面运动场合，及时地对刀库升降进行制动，能够有效的减少刀库因过大的重量原因导致撞击地面的现象发生。刀库箱前后设有挡杆，由库箱顶部的迷你气缸控制挡杆控制开合，换刀时挡杆开启，换刀结束挡板闭合，从而防止地面不平导致刀板滑落。换刀过程由电机以及张紧轮带动两端滚珠丝杆，实现刀库平稳升降和指定调节高度，配合自动抽拉板机构，完成整个自定义换刀的操作。

刀库箱采用伺服电机带动双侧滚珠丝杠对刀库进行升降，滚珠丝杠选取3232型滚珠丝杠，库箱总质量为200kg，伺服电机通过滚珠丝杠带动200kg的负载，滚珠丝杠为垂直安装。

其中T为扭矩，mg为重力，Pb为丝杆导程。

带入式(9)，不考虑摩擦力因素伺服电机提升这个负载最少需要的扭矩T约为10N·m，按照实际生产要求，伺服电机取实际值应大于这个数值。考虑到刀库升降要求应满足精度与速度双兼顾，故规定升降速度为1m/s，滚珠丝杠螺距为32mm，所以滚珠丝杠转速为31.25r/s即1875r/min，得到扭矩为15N·m，带入式(4)得出功率P为4.7kW，最终选取3000r/min、15N·m、5kW带刹车的伺服电机。

2.2.5铣削机构

铣削系统由铣刀、铣刀电机、铣刀座、铣刀气缸、铣刀机架、丝杆和铣刀座电机等组成。铣削装置主要实现三个自由度方向的运动即铣刀座在电机驱动滚珠丝杆上进行横移运动、铣刀电机在气缸的伸缩作用下进行垂直移动以及铣刀在铣刀电机的驱动下进行高速转动。架体部位由40160的铝型材构成，在铝型材的沟槽中镶入直线导轨，以此来导向机构的运动，连接板背部铣槽，便于滚珠丝杠穿过，两侧支撑安装于机身后方，三相异步电机通过联轴器与滚珠丝杠相连，支撑上的电机板和支撑焊接时，制作了专门的夹具，以保证电机轴与滚珠丝杠的同轴度。铣刀机构铣削时，气缸将铣刀顶出，压紧冲板。

铣削机构的横移运动采用三相异步电机带动滚珠丝杠进行，由于在铣削过程中，要尽可能地充分接触冲压板，速度不能过快，故选取螺距为5mm的3205型滚珠丝杠，铣刀的升降采用100缸径的SC气缸完成，以大缸径的气缸来保证铣刀对胶板的压力。

F

F

F

其中F

初步选取亚德客款SCJ100*100-50可调气缸，此款气缸缸径为100mm，活塞杆径为25mm。数值带入式(10)中计算出F

选取铣刀传动的电机，经查表，取切削力为800N/mm

选取铣削横移的电机，滚珠丝杠导向的摩擦力μ为0.003，滚珠丝杠效率η为0.96，滚珠丝杠导程为2131mm，由上文计算的F

2.3数字孪生模型构建

2.3.1机械环境构建

通过对裁断机的设计需求的分析，结合NX-MCD模块运动仿真功能，确定实现裁断机运动仿真的整个流程方案。完整流程设计方案如图8所示。

本发明对裁断机的油缸、压杆、铣刀、刀库、刀板、冲板、冲头和龙门架等设置了相应的刚体和碰撞体属性。模型的运动仿真需要通过运动副和执行机构来进行。在上步定义完裁断机的刚体和碰撞体的基础上，通过运动副定义了对象的运动方式。执行机构定义了一种线性运动或者旋转运动的驱动装置，常见的执行器有速度和位置控制，通过设置速度或者位置来实现对运动速度和运动位置的控制。速度控制可以控制机电对象按设定的速度运行，位置控制用来控制运动几何体的目标位置，让几何体按照指定的速度运动到指定的位置后停下来，因此本发明对它们进行了位置控制和速度控制的设置。

仿真序列在NX MCD中起到控制执行器的作用，使用仿真序列可以基于时间或事件来控制上文设置的运动副以及执行器，包括位置控制、速度控制等。仿真序列还可以创建条件语句来控制何时触发位置控制、速度控制或运动副的执行与失效。按照全自动裁断机的真实工作情况来设计仿真序列，依次来完成设计需求：更换自定义刀具；自动取料、送料；自定义角度切割；铣削完成工作后的送料板。

2.3.2电气环境构建

基于Portal平台，能够通过高效配置快速以及直观地完成系统开发与调试。选取西门子S7-1500系列PLC进行组态设计，以确保数据安全和通讯的稳定。在TIA Portal中添加CPU1511-1 PN PLC和普通PC站，在PC站中添加OPC服务器和通用IE网卡，连接PLC与IE网卡端口，建立S7连接，完成组态，如图9所示。为了后期进行NX-MCD与TIA Portal信号的连接与配置，在PLC项目下的PLC变量中定义变量地址与数据类型，且地址需要合理分配，保证后续信号映射的准确。

在自动换刀控制程序设计中，先将原先刀板取出，当选择所需刀位号后，刀库上升到指定刀板位置；此时自动抽拉板机构，通过无杆气缸设有的直线导轨，准确的将插销送至刀库刀板位置，采用三轴气缸将插销进行顶升，将指定刀板抽出，最后自动抽拉装置进行复位。在冲裁控制程序设计中，设置了冲裁间隔距离，冲裁次数，当按下冲裁按钮，冲头会依次从材料的最左侧进行下压，按照设定的间隔距离，不断下压，然后达到横向距离最大值时，送料机构的冲压板会自动移动一个单位，冲头从第二行重复从左至右进行下压，直到下压次数达到设定值，停止运动。按下冲压旋转按钮，单次设定旋转45度，伺服电机进行旋转，实现刀头45度旋转，可继续下压操作。在自动送料控制程序中，按下开始送料按钮后(点一次触发一次)，PLC控制电机正转，冲压板开始移动一定距离(距离值任意设定)，气动压杆会自动降下，压紧冲裁的布料，避免布料跑动导致的裁切精度不够。在铣削控制程序中，设置了左右横移控制，上下移动控制，铣刀旋转速度控制。按下铣削按钮，铣刀进行下压并由左至右铣削胶板，到达横向最大距离，铣刀复位；冲压板移动一个单位，铣刀再次进行铣削。

2.3.3自动化环境构建

HMI仿真器即HMI Simulation，可以模拟操作员面板，以便测试和优化已经处于工程阶段的操作概念或接口。在搭建了NX-MCD环境以及TIA Portal环境之后，最后添加HMI设备，本发明基于SIMATIC精智面板TP700 Comfort，构建操作界面、坐标校正设置界面、刀库设置界面、冲裁设置界面和IO参数界面等调试界面。

本发明提出了一种基于数字孪生的协同设计方法框架，框架提高了涉及机械、电气、自动化等相关领域的复杂机械产品的设计效率，减轻了不同工程师之间的障碍，在时间维度上尽可能实现了并行设计，提高了在产品设计过程中虚拟体的比重，增加了在虚拟环境下对物理世界中产品真实信息的描述。为当前企业数字化设计提供了参考价值，以及为制造业升级提供了理论支撑。论文以全自动裁断机的研发为案例，运用数字孪生协同设计方法进行设计。由于是客户定制化产品，功能较多，由一般新产品研发交付周期的8个月缩短至5个月交付，直接转化为企业带来的经济效益。本发明的具体研究成果如下：

(1)从学科专业协同和设计与试验协同两个角度优化复杂机械产品设计流程，借助本体理论、基于接口建模以及数字化协同平台等手段，提出建模与仿真方案。在此基础上提出了基于数字孪生的协同设计方法框架，该框架对新产品制造和生产工厂建造具有一定的参考价值。

(2)通过框架的概念设计阶段，整合物理空间数据和客户需求，对全自动裁断机的工作原理、机构结构、动力装置进行分析与计算。并在详细设计阶段构建在机械、电气和自动化环境下的完整数字孪生模型。从而为虚拟调试方案的实施提供模型与参数指标。

(3)实现全自动裁断机的虚拟调试。按照虚拟验证方案，完成虚拟仿真器配置和信号映射操作，并将构建的数字孪生模型和运动参数指标导入，从而实施软件在环虚拟调试。最后根据出现的调试问题，依次对设计进行了整体的优化方案。

(4)通过搭建现场调试场景，将构建的虚拟验证的信号、程序和控制一同下载到硬件设备中，通过系统功能测试检测结果是否同预期结果一致，并选取皮革材料和软布料以及不同刀模板进行冲裁试验，对数字孪生模型进行了验证与分析。通过直接对设备现场调试验证了数字孪生虚拟调试结果的正确性，成功避免了实际调试中的风险，相较于之前的传统设计流程，大大缩短了调试时间和成本，提前解决实际调试过程中可能出现的问题和异常，具有较强的实际应用价值。

二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用的应用实施例。

三、实施例相关效果的证据。本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。

1、全自动裁断机虚拟调试实现

1.1虚拟仿真器配置

构建全自动裁断机不同环境下的模型之后，需要借助一个担当虚拟硬件角色的部件，不需要真实的PLC硬件，在虚拟环境下进行程序调试和设备仿真验证，即通过虚拟仿真器来进行此过程。S7-PLCSIM Advanced是西门子旗下的高功能仿真器，既能仿真PLC逻辑控制程序，也能仿真通信。在NX-MCD的外部信号配置中包含众多数据接口，多次试验下，与PLCSIM Advanced配置效果最佳，几乎没有延迟，便于最佳的虚拟调试效果。首先以管理员身份运行S7-PLCSIM Advanced V2.0，定义为PLC12，然后在Portal软件中进行组态，并将PLC程序下载到虚拟仿真器中。PLCSIM Advanced将由黄灯转向绿灯，此时表明连接成功。若Portal与其发生错误断开，则由绿灯转向闪烁式红灯。最后在Portal中将项目转至在线，在程序块窗口中启动监控按钮，进入监控状态，能够方便直观地查看信息传递状态，通过程序中的线条、指令元素和参数的颜色判断程序运行结果，实时反馈程序状态信息便于程序的更改与优化。

1.2信号映射

在进行虚拟调试过程中，信号的传递必不可少，信号是用于运动控制与外部的信号交互，信号的连接是关键的一步。根据PLC变量表以及在NX-MCD中所创建的模型信号，在信号映射窗口构建信号与外部信号。由信号相对应的匹配进行一一配置，建立信号映射。

1.3软件在环虚拟调试

完成了虚拟调试之前的所有准备工作，构建TIA Portal、NX-MCD、PLCSIMAdvanced、WinCC和Teamcenter的调试环境，通过在NX-MCD中的播放指令、PLCSIM Advanced的Start按钮、在Portal转至在线后启动监视、以及在WinCC画面下启动仿真，可以实时地观察全自动裁断机模型的机械结构、运动干涉和控制系统，在虚拟环境下进行展示与模拟。

此外，可以通过在运行时查看器的窗口，将指定对象的信号添加到查看器中，构建模型运动时的运行时参数，检测实时数据和运动曲线，实时数据可观察其速度，位置，加速度，减速度以及X、Y、Z轴方向所在的受力情况等；运动曲线可观察其位置-时间关系、速度-时间关系和力-时间关系等，如图10所示。

通过Portal中对PLC程序的实时监控，以及对应NX-MCD模型的运动状态和运行时查看器的实时数据，可以看到PLC程序正常运行(全程绿线直到结束)，模型没有产生干涉与碰撞，以及观察“速度-时间、位置-时间”的关系。裁断机在冲压过程中，随着时间不断变化，位置不断改变，速度同样平稳进行。整个虚拟调试过程，可以实时检测出在机械、电气和自动化任意阶段可能出现的异常与错误，通过不断地调试修改以达到设计要求，目标获得在设计阶段效果最佳的全自动裁断机数字孪生模型。

1.4调试问题和优化方案

1.4.1调试问题分析

在虚拟调试的过程中通过发现该全自动裁断机存在以下几个问题：

(1)在进行无杆气缸取刀、还刀的仿真过程中，发现无杆气缸插销处于最低位置时与冲头底部刀板之间间隙非常小，经测量其间隙仅为1.0314mm，不符合生产实际，间隙过小则会导致撞刀干涉的情况。插销取刀并将冲头刀板推入刀库时，此时冲头刀钩的安置刀板面与刀库刀位处于同一水平线上，如图11中的(a)所示。刀板入库完成后，无杆气缸插销下移与刀板分离时，发现无杆气缸插销未能完全离开刀板，如图11中的(b)所示。在生产实际中，如果存在无杆气缸插销未能完全离开刀板的情况，则会导致入库的刀板被插销带出。仿真过程中采用刀库整体上移的方式避开碰撞，这需要额外的计算机控制来执行操作，显然不是最优的解决方案。

(2)在PLC调试阶段，关于自动换刀控制程序设计部分，自动抽拉刀板机构的原先思路是按照时间间隔进行插销上下位移以及前后位移送至刀库刀板位置，然后由刀库的上升下降进行换刀操作。调试之后发现，由于客户需求较大，需要实现多功能刀模板来回切换使用，使换刀程序复杂，时间跨度增大，导致时常会出现掉刀和空刀的现象，如图11中的(c)所示。在实际生产运行中可以存在程序混乱、机器卡死以及无效换刀裁切的后果。

(3)在人机交互界面关于刀库信息反馈问题，进行了多次换刀操作之后，界面信息无法得出准确的正在运行时刀板号码，以及刀库刀板存放号码出现混乱现象，刀号一键清零操作无法正常运行。除了刀号不匹配问题，刀库气缸前门的推杆伸缩操作不能正常地推开和关闭指令，只能在换刀操作时手动开闭合，如图11中的(d)所示。

1.4.2优化方案和优化前后对比

根据调试的结果给出以下优化方案：

针对第一种问题提出三种解决方案，第一种是在裁断机的概念设计阶段，可以对原先计算的结构局部布置进行修改，如缩减冲头柱的高度，无杆气缸插销高度不变，将冲头柱高度减少与之对应的各个刀位的高度会相应提高，避免发生碰撞干涉的情况。但是考虑到这样的更改难免会造成冲头内油缸冲程的减少，从而会影响冲裁力的数值范围，因此选择放弃该方案。第二种将无杆气缸插销长度缩减，使无杆气缸插销在最低点处保证与刀板有一定的间隙。但考虑到无杆气缸插销高度缩减，会导致无杆气缸插销与刀板的连接不稳固，遇到质量不均匀的刀板时，可能会对无杆气缸插销造成断裂等后果。因此该方案不易采纳。第三种对机构的装配改良，为无杆气缸整体高度降低，对应的过度连接座也与之降低。相比与前两者，该种方案无需变更过多，高度的可调性较为明显，不会出现因为变更设计带来附加的问题，优化结果如图12中的(a)所示。

针对第二种问题，因为是复杂度问题导致的时间间隔出现不确定性误差，也考虑到实际生产中技术工人的长时间换刀操作和机器的寿命情况，时间量显然不够严谨，因为在机器的设计中，龙门横梁架的两端和无杆气缸的线程末端添加两个传感器，在NX-MCD中添加信号反馈实时位移量到Portal软件中，将时间量变为位移量，换刀的操作取消原先按照时间间隔的指令，设定触发传感器，每次由刀板所到达的位置然后再自动进行换刀操作。优化之后，刀库在进行换刀指令时并未出现掉刀和空刀的现象，蓝色刀板正常换刀，黄色刀板正常取刀，并且运行时没有出现延时现象，表明解决方案得到了成效，优化结果如图12中的(b)所示。

针对第三种问题，从机器传感器、PLC程序和人机交互界面指令三个角度进行入手，按照客户需求要反馈运行时刀库中各刀板号，在裁断机刀库的Z轴方向添加了位移传感器，以及各刀板所在位置的实时信息，根据NX-MCD中“运行时查看器”中检测到的实时数据，刀库刀号位置正常显示。接着对PLC程序进行监控，在换刀模块有接收的输入信号，变量表内有存放的实时刀位数据，显示的所有刀板位置信息存在数据不变和异常跳动现象，经不断调试后监控验证，发现因为变量名匹配问题，多把刀板对应同一个实时信息，以及随着刀库上升下降，缺少刀号的标记，只有位置信息。依据出现的情况，首先在变量表中一一对应变量，接着添加位置信息对应的刀号变量，最后在人机界面指令中，根据添加的变量和程序的修改，重新绑定按钮对应指令，得到的调试效果人机界面反馈数据显示正常，优化结果如图12中的(c)所示。在刀库换刀操作前后添加程序与变量，刀库气缸前门的推杆伸缩操作正常地推开和关闭指令，优化结果如图12中的(d)所示。

2、全自动裁断机现场调试测试与验证

2.1现场调试场景搭建

一台设备或者一条自动化生产线的建立包含了很多工作，从最初设计到最后的物理样机调试过程，产品在整个设计期间不能保证没有任何问题，只是在理论基础上确定了方案，实际上随着多种零件的加工、硬件的安装以及控制系统的加入，在物理样机调试过程中往往存在各种不确定性，设计的产品只有不断试错来修改控制程序和改良设计，直至调试合格才能确立最终方案，从而实现正常的制造生产。

本发明所提出的设计方案，在虚拟环境下完成了全自动裁断机的协同设计，并通过虚拟调试技术完成对设备的预调试工作，提前验证整机设计问题以及控制程序的错误，从而降低全自动裁断机在现场测试阶段所面临的不断返工设计乃至机器损害问题。基于上述工作，接下来需要完成对全自动裁断机的现场调试测试以及试验验证，来检验设计的完整性与合理性。对现场调试场景进行搭建，包括设备组装和调试界面。

2.1.1设备组装

根据设计需求，搭建完整的全自动裁断机设备，整机共包含1300多个大小零件，主要采用车铣刨磨、打孔、攻丝等基本加工方式，复杂零件需要加工中心才能完成，对板材进行切割、平面磨、焊接和铣直角等操作，最后进行电镀。在某些电线、链条杂乱的部位和电脑端触摸屏，设计护罩将其遮盖，保证操作人员的安全以及整机的美观。整机设备包含所设计的五大机构，采用上位机控制的方法，可以在控制屏幕上设置冲头的X轴和Y轴的数值以及旋转角度β值，冲头则会根据用户设置的位置自动进行冲裁工作。配备存放十把切割刀具的刀库，用户可以在控制屏幕上选取所采用的刀具，机器会根据用户自动进行换刀操作。整体驱动方式考虑到定位、效率问题多采用伺服电机、滚珠丝杆等构件。

2.1.2调试界面

前期通过虚拟调试技术，以全自动裁断机软件在环(Software-in-the-Loop)的方式实现并完成了物理对象数字模型的调试工作，接下来需要验证虚拟调试的准确性。本发明将配置好的程序下载到真实的西门子PLC硬件中，现场搭建出与联合调试虚拟环境一致的物理环境，运用现场调试手段直接对设备进行调试验证，基于现场调试的结果与虚拟调试结果直接进行比对。

2.2调试结果分析

2.2.1系统功能测试

在本次测试阶段，针对全自动裁断机界面和按钮的正确性进行功能测试，功能测试所承担的工作就是按系统设计的功能来测试系统是否符合使用者的预期。依次对冲压机构、自动送料机构、自动抽拉刀板机构、刀库换刀机构和铣削机构五大机构进行了数次运行测试，测试用例表如表1所示。

表1测试用例表

2.2.2试验验证与分析

按照虚拟调试所设定的数值，裁压力、单位裁切横向距离、单次裁压时间间隔、冲头旋转角度以及排版数都做出了设置，以冲压机构冲裁试验为例。其中，冲压裁切区域尺寸设置为1600*2600mm，样片间距为2.0mm，分别选取1号刀模板、2号刀模板和3号刀模板，其中对1号刀模版进行了普通模式裁切，2号和3号刀模板则根据刀模板样式进行自动密排，依次对应图中红色图案以及蓝色图案，密排数量设置为50次。

冲裁的效果仅仅透过肉眼观察无法精准地体现出来，需要转换为裁切的成品判断是否达到标准。考虑到材料的不同，在虚拟调试阶段预留一部分选取材料的位置及厚度间隙，因此在现场调试过程中，首先需要对裁切材料进行选取。

考虑到皮革材料在冲裁不完全的情况下难分离且相较于其他柔性材料压痕更易观察，为了准确表现冲裁是否达标，故选取裁切难度较大的皮革材料。通过上述裁切参数的设置进行裁切，根据皮革材料裁切成品，观察在现场裁切过程中与在虚拟调试所完成的是否存在差异，有无达到理想化虚拟环境下的冲裁指数，在1号刀模板、2号刀模板和3号刀模板裁切的完整效果图如图13所示。

根据1号刀模板的裁切效果图可以观察到冲裁不完全，在每个图形的边缘存在未分离现象，需要进行人工二次分离，这样带来的结果是会使边缘不规则且工序复杂，不符合现场生产标准。之后调整了裁压角度与间距，选择了2号刀模板和3号刀模板进行试验，由后两种效果图可以看出冲裁完全，单位图形之间不需要再次裁切，样品自然分离，试验结果理想。根据3种刀模板裁切试验，可以看出整个设备调试过程中一切正常，设备由输入的排版模式裁切，没有出现乱刀和跳刀的现象，裁切间距为2mm，单个图形与图形之间没有出现压痕重叠的现象。在试验过程中，设备到达指定次数即50次时停止运行，与设定的指令即输入的冲裁数值50一致，2号和3号刀模板两次试验都没有出现多余的裁压工序。最后观察皮革材料下的冲压板，发现板面光滑，有细微压痕，说明冲压压力设置正常，并未损害冲压板。

由于定制的全自动裁断机的裁切对象是面向多种非金属材料，而皮革材料属于相对较硬的一种，为了提高试验的说服力，故又选取了一种柔软性材料即软布料进行了裁切试验，但由于软布料厚度极其薄，因此放置的层数为30张。试验选取了1号和3号刀模板，裁切的完整效果图如图14所示。

根据软布料裁切的效果图可以看出1号和3号刀模板裁切完全，所放置的30层软布料全部充分裁切。由于3号刀模板属于细窄刀具，软布料轻薄易滑，过密的排版容易导致布料偏移，3号刀模板部分材料裁切出现瑕疵，而1号刀模板属于宽型刀具，故裁切的效果很好。因此，可以给出解决方案，在实际生产制造中，当裁切对象为轻薄软性材料时，并选用细小刀具时可适当地增加排版间距进行裁切，而宽大刀具则可以正常裁切。

由此得出结论，试验合格。试验验证了虚拟调试结果的正确性，整机在经历了完整的虚拟调试修改优化之后，冲裁操作的结果和虚拟冲裁的效果达到一致，降低了现场调试出现错误的风险以及设备拆卸调整参数的工序，有效地保护了设备如冲压头和冲压板等部件。

目前在多学科协同设计和数字孪生的研究进展上，在整个产品的全生命周期的概念出发、设计阶段、生产性能、模型信息表达、集成与数据交互等问题都存在着技术难点。

首先在传统的设计模式中存在缺陷，产品设计技术方面存在学科复杂性带来的不匹配度，虚拟空间下的产品无法得到及时的验证与分析，产品数字孪生多阶段建模过程存在不足，复杂机械产品的数字孪生模型无法深度地表达实现物理空间，因此需要研究机械、电气、自动化、信息等多学科不同类型数据建模与集成技术，基于数字孪生的产品制造过程大数据获取技术，多学科知识融合优化与冲突消解技术。本发明实施例通过多学科协同设计关键技术，基于机械学的协同模块，用于借助NX工具进行混合建模与造型，以及进行机电一体化概念设计，为工程师虚拟创建、模拟和测试产品与生产所需的机器设备提供仿真支持；基于电气学的协同模块，用于TIA博途环境的搭建以及PLC程序的编写；通过TIA实现设备和网络的配置；基于自动化的协同模块，用于基于机械学的协同模块、基于电气学的协同模块的功能要求，对人机界面进行搭建，并进行模拟数据与文字输入操作，同时实时地显示设备的工作状态并记录设备的生产数据记录。通过新方案下的仿真优化和虚拟调试来解决产品全生命周期中机械、电气和自动化等多学科系统的信息物理融合问题。未来在多学科协同设计中产品、生产、性能数字孪生之间的统一性上，依旧可以得到加强和升级。

其次在研究功能结构的信息表达建模方法，语义解析和虚实映射接口技术，虚拟调试阶段机械结构虚拟模型运行关键参数反馈技术方面存在的技术难点。本发明通过采用虚拟调试技术，用于采用NX-MCD机械环境搭建、TIA Portal环境的搭建、虚拟仿真器的搭建和信号映射操作，实现软件在环虚拟调试，完成PLC程序调试和设备仿真验证；并通过人机交互界面实时地查看设备运行阶段，检测设备的实时数据和运动曲线；以及实时查看速度、位置、加速度以及X、Y、Z轴方向所在的受力情况，运动曲线用于查看位置-时间关系、速度-时间关系和力-时间关系。带来的直观效果就是能够可视化验证逻辑动作和运动过程，持续改进和优化设备模型也可以用物理PLC代替下的虚拟调试，进行多次设计优化，最终获得设计阶段最佳的产品数字孪生模型。

最后在运行阶段存在的技术难点，如何切换到实际环境进行精准调试，基于测试好的程序进行实物联机调试和运行验证，同时将最新的程序在虚拟仿真系统里进行同步更新，进化产品数字孪生模型。本发明搭建现场调试场景，将构建的虚拟验证的信号、程序和控制一同下载到硬件设备中，通过系统功能测试检测结果是否同预期结果一致，并选取皮革材料和软布料以及不同刀模板进行冲裁试验，对数字孪生模型进行了验证与分析。试验结果有效验证了虚拟调试的正确性，其大大缩短了调试时间和成本，提前解决实际调试过程中可能出现的问题和异常，具有较强的实际应用价值。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。