用户案例 | 徐工集团XCMG使用数字孪生和虚拟调试设计新型高空作业平台
徐工集团XCMG使用数字孪生和虚拟调试设计新型高空作业平台
简述
挑战
作为工程机械行业的领先制造商，徐工集团XCMG一直致力于寻找和采用新技术，以加快上市时间，降低研发成本。为了实现成为全球前三的工程机械设备制造商的短期目标，他们研究了虚拟工程解决方案，以加快产品开发，向客户提供高度优化的设备。
解决方案
徐工集团与Maplesoft和FLUIDON GmbH合作，采用了数字孪生（数字双胞胎）和虚拟调试的技术路线，以改进其新型高空作业平台的开发。作为施工中工人使用的设备，徐工XCMG的高空作业平台必须满足严格的安全和性能标准。通过使用数字孪生和虚拟调试，徐工集团在一个高精度虚拟平台上进行测试、设计和验证其控制代码和策略。
效益
数字孪生和虚拟调试的实现，让徐工集团能够为其空中作业平台创建高性能测试平台。这个虚拟测试平台让工程师可以在昂贵的物理原型实现之前就可以虚拟地优化他们设计的许多方面。通过使用Maplesoft的数字孪生技术，徐工集团XCMG可以优化其控制策略，提高设备的性能，确保安全性要求 — 与传统方法相比，大大缩减了所需的研发时间。
技术路线与实施内容
与过去几年的工程设备相比，新机器中的现代技术提供了令人震惊的性能和安全特性。传统的机械系统已经被高性能、多领域的工程产品所取代，让建筑商比以往任何时候都工作得更快、更安全。但是，随着这些产品的发展，制造商面临的关键挑战是对这些机器的控制 — 硬件和软件使机器的每个子系统都能精密地协同工作。
作为工程机械行业的领先制造商，徐工集团XCMG认识到，要想竞争力，就必须不断采用新技术。作为成为全球前三的工程机械制造商的目标的一部分，徐工集团在新设备技术的研发上投入了大量资金。最近，他们战略性地投资了数字孪生和虚拟调试技术，从而使他们能够使用精确的虚拟模型来设计、验证和优化他们的新机器。数字孪生和虚拟调试为徐工集团提供了工具，相比传统的实物方法更快地迭代设计，并减少出差和现场工程成本的需求。
在徐工集团欧研院，工程师们实现了公司新型空中作业平台的虚拟调试（如图1）。该团队希望在设计过程中尽早实施其电子控制单元（ECU）软件的测试，以减少物理机器上的测试。为了完成这项测试，他们需要一个基于物理实机的空中作业平台模型。这些模型，也就是所谓的数字孪生，作为不同控制单元测试的平台。控制单元可以在其设计早期使用软件代码进行测试（软件在环），也可以安装到硬件ECUs上在设计后期进行测试（硬件在环）。
图1：徐工集团开发的消防车和高空作业平台（DG54m1 8X4 54m消防车）
建立数字孪生
为了建立其空中工作平台的数字孪生，徐工集团使用了 MapleSim，基于物理的多领域数字孪生创建工具。MapleSim为用户提供了创建机器模型的拖放式建模环境，允许工程师直接导入CAD模型。在MapleSim中，可以创建数字孪生，包含来自不同领域的相互作用效果 — 机械、液压、热、气动、电气等。工程师导入CAD模型后创建了3-D多体机器模型（如图2）。在导入CAD后，可以添加其他模型元件，例如运动副、滑块、气缸、连杆等等。
在设计的这一阶段，徐工集团工程师可以3-D可视化其空中作业平台的多体动力学行为，并执行任意必要的设计迭代。
图2：MapleSim中的高空作业平台模型示意图，代表了机器的动态、多体性能。
为了建立整个虚拟测试平台，徐工集团采用了FMI（功能样机接口）标准，该标准允许独立于平台的模型进行协同仿真和交换。MapleSim Connector for FMI 工具将整个MapleSim模型导出为一个功能模型单元（FMU），然后将其导入到FLUIDON的虚拟工程实验室（VEL）中使用。虚拟工程实验室VEL可实现工程模型的实时联合仿真。这些联合仿真可以在包括机器软件（软件在环仿真）和控制硬件（硬件在环仿真）的环境中执行。通过结合MapleSim FMU与基于液压的DSHplus FMU，徐工集团工程师对他们的高空作业平台进行了高精度、详细的联合仿真。
控制测试环境
这两个模型已经集成到徐工集团的虚拟测试平台中（如图3）。该平台的中央仿真服务器（VEL）使用双向EtherCAT连接到控制单元，实时仿真数字孪生FMU。借助EtherCAT终端，可以将模型的物理量信号转换为传感器信号或执行器信号。其他连接的设备如图3。
图3：徐工集团XCMG用于虚拟调试的虚拟测试平台。机电液数字孪生通过FMI连接到实时仿真服务器（“实时节点”）
使用测试平台进行虚拟调试
有了测试平台，徐工集团现在不仅可以验证其控制代码软件的性能，而且还可以直接针对其硬件控制单元进行测试（硬件在环测试）。两种控制测试策略形成了虚拟调试方法的主要优势，现在，徐工集团减少了基于物理原型进行测试所需的时间。他们的测试平台可以快速执行不同测试场景的模拟，在开发过程的早期就发现任何潜在的调试问题。
为了进一步完善测试平台，徐工集团还使用了 MapleSim Insight，实现了测试场景的3-D可视化（如图4）。MapleSim Insight是徐工集团基于FMU的测试平台对接工具，利用机器的CAD信息，实现了测试结果的实时可视化。徐工集团利用MapleSim Insight的实时反馈，可以快速验证其控制单元的性能，并发现仅靠2-D图形和数值仿真数据难以发现的潜在问题。
图4：徐工集团通过添加MapleSim Insight（右边）进一步完善虚拟调试平台（左边），MapleSim Insight提供了测试场景和仿真结果的实时3-D可视化。
对下一代产品进行虚拟调试
徐工集团打造的测试平台，为徐工集团机械工程设备开发带来了诸多好处：
安全测试 – 通过对各种场景进行虚拟测试，徐工集团可以确保其高空作业平台的安全，而不会危及操作人员的安全，也不会破坏昂贵的物理机器。
实物调试的时间更少 – 虚拟测试平台让徐工可以在开发过程中更早地开始调试，早调试、早发现问题、早解决问题，改变整个上市时间，并降低了实物调试阶段的复杂性。
基于数字孪生的设计改进 – 徐工集团创建的数字孪生可用于进一步探索其产品设计，并且仿真可以提供结果，而无需等待物理原型。
操作人员培训 – 由于测试平台准确模拟了高空作业平台的性能，徐工集团可以使用该虚拟环境来培训操作员如何使用其设备。操作员将控制软件模型，并接收系统响应的实时反馈，包括3-D可视化。
通过认识到基于仿真的技术在机器设计中日益增长的必要性，徐工集团现已成功开发了虚拟测试环境，用于其高空作业平台的设计和调试。这些基于虚拟调试系统的好处将使徐工能够在更短的时间内开发新产品，使其新产品在工程机械市场上更具竞争力。这些技术不断提高了徐工集团的产品质量，为徐工集团迈向全球工程机械制造前三强的“小”目标提供了战略支持。
