1、概述
随着智能制造发展及日益激烈的市场竞争，对新样机新设备的灵活性、柔性化和智能化提出了更高的需求，在此智能制造的环境下，对机电一体化的概念也更深入一个层次的要求。传统新设备开发流程已经无法适应当今智能制造的发展速度，而是对机械设计和电气设计的融合提出了更加迫切要求。机械行业的设计流程涉及各个领域的专业人员，由于专业术语差异和设计流程，且各个学科之间缺乏共同的载体，从而导致产品上市时间缓慢并增加了设计迭代所产生的误差风险。在这样的需求下，从机械与电气融合的角度出发，对机电一体化的设计平台提出了更加明确的需求与任务。
西门子推出的机电一体化概念设计解决方案是由一种全新的适用于机电一体化产品概念设计的解决方案，该解决方案支持功能设计方法，可集成上游和下游工程领域，包括需求管理、机械设计、电气设计以及软件/自动化工程。基于西门子NX MCD、TIA等软件平台可对包含多物理场以及自动化相关行为的概念进行 3D 建模和仿真。在设备开发设计阶段，通过虚拟调试可以对机械机构的合理性及设备的工艺流程以可视化形式进行验证。在虚拟调试的基础上，NX MCD还提供了机电设备设计过程中的硬件在环仿真调试（HiL），由于这种调试是采用虚拟设备与实际PLC联调，因此它为我们的机电一体化设计带来了更可靠的调试验证手段和直观的仿真现象，调试方式的丰富性以及建模设计过程的可扩展性都极大地扩展了这款软件的使用范围。
NX MCD的合理应用可加快机械、电气和软件设计学科产品的开发速度，使这些学科能够并行开发研究。NX MCD 可实现创新性的设计技术，提高了样机的开发周期、合理性验证，同时也减少了样机开发成本，可以给客户带来更好的经济效益。
在NX的平台下，针对数字化样机的虚拟调试主要包含以下内容：
基于NX或其它绘图软件的机械机构建模
基于NX MCD的机电一体化设计
基于TIA和NX MCD的虚拟调试
由于机械建模是传统机械设计必备的技能，且该部分因各个用户的用途或使用习惯不同，各个用户的建模软件也有很大的差异，但NX MCD软件支持各大主流绘图软件格式的导入的文件，因此关于NX机械建模部分，本文不做具体的阐述。
2、 基于NX MCD的机电一体化设计
NX MCD机电一体化概念设计解决方案是NX解决方案的重要组成部分，在NX或其他3D绘图软件中完成机械建模，可将该模型导入到NX MCD中，然后再NX MCD环境中完成机械仿真、机电一体仿真，通过机械仿真验证机械的合理性，结合电气的仿真以可视化的方式验证工艺流程的可行性。
NX MCD开发环境界面
在NX软件中，通过点击新建，选择机电概念设计选项后即可进入NX MCD开发界面，如图2所示。在给软件界面中，导航一栏主要包含系统导航器、机电导航器、装配导航器等3部分。系统导航器是项目管理的总导航器，主要包含项目的需求、功能和逻辑等管理内容，对于需要多人协调类的项目开发，能够显示其优势，对于一般的样机开发，可以不使用该部分内容；装配导航器是通过NX或其他建模软件完成的机械模型部分；机电导航器是NX MCD的重要部分，主要包含基本机电对象、运动副和约束、材料、耦合副、传感器和执行器、运行时行为、信号及信号连接等，在进行机电仿真时，需要按照每部分的功能一一完成配置。
NX MCD主要内容
在本部分主要分别介绍了基本机电对象、运动副和约束、材料、耦合副、传感器和执行器、运行时行为、信号及信号连接概念和内容。
3、基本机电对象
在完成机械模型导入后，需要对机械模型赋予电气的特征，在赋予特征之前需要建立基本的机电对象，在NX MCD中基本的机电对象包括包括刚体、碰撞体、传输面和对象源以及对象源收集器
（1）刚体：在对部件未添加任何属性之前，部件在MCD环境中仅是一个虚拟可视的存在。添加刚体属性后，部件具有了力的属性，可以理解为，该部件可以运动同时能够接受到其他刚体的作用力。例如定义了刚体的几何体受重力影响会落下。如果几何体未定义刚体对象，那么这个几何体将完全的静止。在MCD中定义的刚体，一般包含质量、惯性、平动、转动速度、质心位置和方位等。
（2）碰撞体：在两个对象之间有碰撞或者接触时，添加碰撞体属性可表示部件在真实物理状态下的碰撞和接触（接触力）的状态，添加碰撞体属性的前提是它首先具有刚体的属性。在NX/MCD中，可以设置碰撞体的类型，同类型的碰撞体相互作用会产生碰撞效果，不同类型的碰撞体作用时不会产生干涉，在物理模拟中，没有碰撞体的刚体会彼此相互穿过。在NX MCD中，支持方块、球、胶囊、凸面体、网格面等多种碰撞形状的设定，如图4所示。
（3）传输面：物理世界中传送带，具有速度和方向属性，对某一平面添加传输面的属性之后，可以设置传输面的方向和速度，该平面具有了传输带属性，能对位于该平面上的刚体进行运输。传输面需要和碰撞体结合使用，否则物体无法在传输面上传输，而是因重力作用会直接掉落。
（4）对象源：对刚体添加对象源属性后，可以实现刚体安装设定的时间重复出现，以模拟物体源源不断出现的效果。
该选项的作用主要用于生产线或托盘上工件重复多次出现，模拟工件的传输或抓取作业流程。
（5）碰撞传感器：利用碰撞产生一个时间，该信号可以理解为电气系统中的光电传感器，该传感器也用与对象收集器的触发传感器。当该传感器发生碰撞产生碰撞事件时，该事件也可以用于触发或停止某项操作。
（6）对象收集器：当对象源与碰撞传感器反生碰撞时，对象源会自动消失，相当于对象源进入收集器。从该选项的定义看该对象源收集器必须与对象源和碰撞传感器三者结合才可以使用，缺一不可，其中对象源是要收集对象，碰撞传感器是收集器。
4、运动副和约束
两构件直接接触并能产生运动的活动联接。两构件分别是基本件和连接件，基本件为主动件，连接件为从动件，在NX MCD中常见的运动副及约束包括固定副、铰链副、滑动副、平面副及球副等。在NX MCD中给物体添加对应的运动副来实现相应的运动。
（1）固定副：将一个刚体固定到另一个刚体上，固定副所有自由度均被约束，自由度个数为零。固定副常用在一下两种场景，第一个是机构的安装底座，即将刚体固定到一个固定的位置，如当基本件为空时，即是将该刚体固定在大地上，第二种是需要两个刚体一起运动时，将两个刚体固定在一起。
（2）铰链副：对于两个部件间和某一个公共轴建立关系，该运动副的两个构件只能绕该轴线作相对转动的运动副，铰链副具有一个旋转自由度，相当于销钉连接。
（3）滑动副：组成运动副的两个构件之间只能按照某一指定方向作相对移动，滑动副具有一个平移自由度，相当于导轨与导轨滑块的关系
（4）平面副：连接的对象以使他们能够在保持平面接触的同时实现自由的滑动或旋转运动。平面副具有一个旋转或者滑动的自由度。
（5）虚拟轴运动副：虚拟的运动副，意义等同于电气控制中的虚轴概念。
耦合副是指轴与轴之间的耦合关系，常见的耦合副是齿轮与齿轮耦合、齿轮与齿条耦合、电子凸轮耦合等，在NX MCD提供常见电气控制中的电子齿轮耦合和电子凸轮耦合，通过设定电子齿轮比即建立两个轴之间的速度关系。通过在NX MCD中描点或者导入的方式创建凸轮曲线，执行电子凸轮命令实现轴与轴之间的位置关系耦合
5、传感器和执行器
在该选项中，主要包含传感器和执行器两部分。在NX MCD中传感器即模拟物理世界中常见的碰撞传感器、限位开关、继电器、距离传感器、速度传感器、倾角传感器、加速度传感器等，可以直接在该项中创建相应的传感器，不同类型的传感器可以输出不同的信号，如碰撞传感器和限位开关在触发时可以输出布尔量信号，在仿真序列或者通过信号的形式将传感器的结果直接反馈出来。
在执行器中，主要是对执行机构而言，如常见运动副的速度控制、位置控制、扭矩控制等，也有物理世界中的液压缸和气缸等执行元件，可以根据实际的项目需要进行创建和使用。
6、运行时行为
在NX MCD中也提供了运行时的行为，用于监控监测机构运行时的行为，常用的主要是运行时的轨迹和运行时的一些变量的监控。该功能常用于对多轴机构耦合后的运动轨迹进行监控，以检测算法得正确与否
7、信号与信号连接
为了方便信号的传递和控制，NX MCD提供了变量的转换和再定义功能，通过该信号选项可以创建信号别名或者经一定运算后的值名称，为了便于查看，也可以将定义的信号归类到一个信号表中
信号连接功能是用于虚拟调试时，需要将NX MCD的信号与虚拟或者物理控制器建立信号的传递，该处主要体现了各个信号的传递与连接情况
8、仿真序列
在NX MCD中，为了实现一些简单的顺序逻辑控制，可以通过仿真序列实现。在NX MCD定义的仿真对象中，每个对象都有一个或者多个参数，可以通过创建仿真序列进行修改预设值。常见的的是通过仿真序列实现对执行机构的速度和位置控制，也可以实现两个刚体对象的物理连接、也可以通过一些传感器的条件触发某些动作或操作等。
9、凸轮曲线的导入与导出
NX MCD支持与SCOUT软件的互通，在一些复杂的运动控制系统中，为了验证一些算法实现的可能性，可以通过在SCOUT中编写程序，生成相应的凸轮曲线，通过NX MCD导入的功能将凸轮曲线导入到仿真环境中，通过搭建机械模型以可视化的方式验证算法可行性。
10、优化选型
在一些新的样机开发过程中，电机的选型是样机开发过程中重要的一个环节，但由于一些机构的复杂性，无法通过计算的方式实现对负载扭矩或惯量的计算，在NX MCD中提供了载荷曲线导出功能，此功能很好的解决了一些样机开发的电机选型等问题。在机械模型下建立仿真，按要求设定运行轨迹和节拍，导出载荷曲线，然后将曲线导入到Sizer中，即可选出合适的电机型号。