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| 內容簡介： |
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本书是基于西门子NX MCD、TIA Portal编程软件、S7-PLCSIM Advanced软件，适用于本科层次，集机电系统数字化设计理论、仿真、虚拟调试与应用实践于一体，以新开发的复杂真实案例驱动的新工科教材。本教材以掌握机电系统数字化设计与仿真为教学目标，在精讲理论的同时，以大量应用实例分析为主线，以项目任务为单元，系统地阐述了机电系统数字化设计原理及应用技术。本书在介绍机电系统数字化设计知识的基础上，通过一系列实例仿真与动手实践，进一步扩展应用知识，使教学内容理论结合实际，深入浅出，通俗易懂，使学生具备一定动手解决工程实践问题的能力。最后通过机电系统三维仿真典型案例，可以实现从虚拟场景搭建到实验制作及调试的完整过程学习。本教程注重实用性，全部源文件公开，图文并茂，并配有基于数字孪生理念的真实工程案例，配套教学课件和互联网教学资源库，便于初学者研习和动手实践。全书共分十章，每章末尾附有一定数量的思考题。本书可作为高等院校机械类、自动化类相关课程的教材和课程设计、主题实践的指导书，也可作为广大科技人员自学和NX MCD考试培训认证参考书。既可满足学习者全方位的个性化移动学习需要，又为师生开展线上线下混合教学等课堂教学创新奠定了基础。
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| 目錄：
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第1章 机电系统数字化设计概述 1
1.1 机电系统数字化设计概述 1
1.1.1 机电系统组成与特征 1
1.1.2 机电系统数字化设计简介 4
1.1.3 机电系统数字化设计技术发展趋势 5
1.2 机电系统（产品）数字化设计在设计流程中的应用 7
1.2.1 产品设计流程 7
1.2.2 机电系统（产品）数字化设计应用 8
本章小结 9
思考题 9
第2章 机电一体化概念设计基本理论 10
2.1 机电一体化概念设计概述 10
2.1.1 机电一体化概念设计简介 11
2.1.2 机电一体化概念设计原理 15
2.1.3 机电一体化概念设计的特点与功能 15
2.1.4 机电一体化概念设计系统的调试功能 20
2.1.5 机电一体化概念设计的技术优势 21
2.1.6 机电一体化概念设计流程 22
2.2 机电一体化概念设计软件NXMCD 24
2.3 数字孪生 27
2.3.1 数字孪生概念 27
2.3.2 数字孪生的特征 28
2.3.3 数字孪生关键技术分析 29
2.3.4 数字样机 32
2.3.5 西门子“数字化双胞胎” 34
本章小结 36
思考题 36
第3章 智能设计基本理论 37
3.1 智能设计概述 37
3.2 智能设计的分类 38
3.3 智能设计关键技术 39
3.4 智能设计流程 40
3.5 智能设计的发展趋势 42
3.6 智能设计的研究内容 42
本章小结 43
思考题 43
第4章 机电一体化概念设计软件简介 44
4.1 NXMCD软件环境简介 44
4.1.1 进入机电一体化概念设计软件环境 44
4.1.2 文件命令 46
4.1.3 工具栏命令 47
4.1.4 资源条工具栏命令 48
4.1.5 运行机电概念设计仿真 49
4.2 NXMCD软件应用概述 50
4.3 TIAPortal软件简介 51
4.3.1 进入TIAPortal软件环境 51
4.3.2 界面介绍 52
4.3.3 PLC软件编程 53
4.4 S7-PLCSIMAdvanced软件简介 55
4.4.1 界面介绍 55
4.4.2 软件的工作模式及原理 56
本章小结 57
思考题 57
第5章 基于物理特性的运动仿真基础 58
5.1 基本机电对象与执行器 58
5.1.1 基本机电对象与执行器概述 58
5.1.2 创建机电一体化概念设计训练平台 59
5.1.3 基本机电对象 60
5.1.4 执行器 69
5.2 运动副 73
5.2.1 铰链副 73
5.2.2 固定副 75
5.2.3 滑动副 76
5.2.4 柱面副 77
5.2.5 球副 79
5.2.6 螺旋副 80
5.2.7 平面副 81
5.2.8 弹簧副 83
5.2.9 弹簧阻尼器 84
5.2.10 限制副 86
5.2.11 点在线上副 87
5.2.12 路径约束运动副 88
5.2.13 线在线上副 90
5.3 耦合副 91
5.3.1 齿轮副 91
5.3.2 机械凸轮副 92
5.3.3 电子凸轮副 94
5.4 传感器 95
5.4.1 碰撞传感器 95
5.4.2 距离传感器 97
5.4.3 位置传感器 98
5.4.4 通用传感器 100
5.4.5 限位开关 102
5.4.6 继电器 103
5.5 约束 105
5.5.1 断开约束 105
5.5.2 防止碰撞 106
5.6 变换对象属性 107
5.6.1 显示更改器 107
5.6.2 变换对象 109
本章小结 109
思考题 110
第6章 仿真的过程控制与协同设计 111
6.1 过程控制与协同设计简述 111
6.2 运行时参数与运行时表达式 113
6.2.1 运行时参数 113
6.2.2 运行时表达式 114
6.2.3 虚拟轴运动副 115
6.3 信号与运行时行为 117
6.3.1 信号与信号适配器 117
6.3.2 运行时行为 119
6.4 仿真序列 120
6.5 代理对象 122
6.6 使用标记表读写参数 124
6.7 协同设计 125
6.7.1 MCD的SCOUT协同设计 125
6.7.2 使用SIMOTIONSCOUT工具编辑 126
6.7.3 通过SIZER选择电动机 127
本章小结 129
思考题 129
第7章 桌面式智能制造系统的仿真 130
7.1 桌面式智能制造系统简介 130
7.2 部件模型的制作 132
7.3 机电概念设计 136
7.3.1 桌面式智能制造系统的基本机电对象、传感器设置 136
7.3.2 桌面式智能制造系统的运动副、执行器设置 137
7.3.3 仿真序列设置 140
本章小结 144
思考题 144
第8章 虚拟调试技术 145
8.1 虚拟调试概述 145
8.2 硬件在环虚拟调试 146
8.2.1 项目一：TIA PLC KEPServerEX硬件在环虚拟调试 146
8.2.2 项目二：TIA PLC SIMATICNET硬件在环虚拟调试 160
8.2.3 项目三：TIA PLC1200（OPCUA）硬件在环虚拟调试 161
8.3 软件在环虚拟调试 170
8.3.1 项目四：TIA PLCSIMAdvanced（SOFTBUS）软件在环虚拟调试 171
8.3.2 项目五：TIA PLCSIMAdvanced（OPCUA）软件在环虚拟调试 176
8.3.3 项目六：TIA PLCSIM NetToPLCsim KEPServerEX软件在环虚拟调试 183
本章小结 193
思考题 193
第9章 典型机电系统数字化设计案例 194
9.1 彩球机数字化设计与数字孪生应用实例 194
9.1.1 彩球机的基本机电对象、传感器设置 196
9.1.2 彩球机的运动副、执行器、信号适配器及仿真序列设置 198
9.1.3 彩球机系统的PLC程序编写 205
9.1.4 彩球机系统的数字孪生 221
9.2 倒角仪数字化设计与数字孪生应用实例 224
9.2.1 倒角仪的基本机电对象、传感器设置 225
9.2.2 倒角仪的运动副、执行器、信号适配器及仿真序列设置 227
9.2.3 倒角仪系统的PLC程序编写 233
9.2.4 倒角仪系统的数字孪生 236
9.3 雕刻机虚拟调试应用实例 238
9.3.1 雕刻机的基本机电对象设置、传感器设置 240
9.3.2 雕刻机的运动副、执行器及信号适配器设置 242
9.3.3 雕刻机的PLC程序编写 244
9.3.4 雕刻机系统的虚拟调试 248
9.4 五子棋机虚拟调试应用实例 251
9.4.1 五子棋机的基本机电对象、传感器设置 253
9.4.2 五子棋机的运动副、执行器、信号适配器及仿真序列设置 254
9.4.3 五子棋机的PLC程序编写 259
9.4.4 五子棋机系统的虚拟调试 263
本章小结 266
思考题 266
第10章 机电系统三维仿真案例 267
10.1 三维仿真技术概述 268
10.2 三维仿真场景搭建 268
10.2.1 MINT三维仿真工具功能概述 269
10.2.2 项目一：处理雕刻机模型 272
10.2.3 项目二：处理雕刻机模型PLC驱动 276
10.3 三维仿真实验任务制作 280
10.3.1 项目三：创建仿真实验任务 280
10.3.2 项目四：配置仿真实验任务 282
10.4 三维仿真实验任务调试 289
10.4.1 项目五：任务调试 290
10.4.2 项目六：环境布局 298
本章小结 298
思考题 298
参考文献 299
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| 內容試閱：
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机电一体化概念设计（Mechatronics Concept Designer，MCD）是一种全新解决方案，适用于机电一体化产品的概念设计。借助西门子NX MCD、TIA Portal编程软件、S7-PLCSIM Advanced软件，可对包含多物理场以及通常存在于机电一体化产品中的自动化相关行为的概念进行3D建模、仿真和虚拟调试。MCD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。MCD可实现创新性的设计技术，帮助机械设计人员满足日益提高的产品设计需求，不断提高机械的生产效率、缩短设计周期和降低成本。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过程。
本书编者长期从事机电系统设计与仿真的研究与教学实践，在二十多年的教学实践中发展了以项目学习为主线和线上线下混合的教学方法，通过校企合作，撰写了与之配合的新形态教程，具有以下特色：
（1）理实并重、能力导向：在精讲机电系统数字化设计基本理论的基础上，通过一系列实例分析与动手实践，进一步扩展应用知识，将教学内容理论结合实际，使学生具备一定动手解决工程实践问题的能力。
（2）项目驱动、案例教学：用项目任务实例组织单元教学，将机电系统数字化设计所需要的基本知识和能力穿插在各个实例中。精选多个机电系统三维仿真典型案例，读者可以登录三维仿真平台，实现从虚拟场景搭建到实验制作及调试的完整过程学习。
（3）公开共享、远程仿真：本教材配套教学课件、模型文件、程序等资源，不仅有助于学生自学和预习，也有利于教师实行个性化教学设计，有效实现混合式教学、翻转课堂和探究式学习等教学方法，更有利于应用型人才的培养。本教材适应新形态学习模式，通过移动互联网技术，以纸质教材为载体，嵌入三维仿真平台等数字资源，助力“移动互联”远程教育教学模式改革。
全书共十章，主要内容包括：机电系统数字化设计概述、机电一体化概念设计基本理论、智能设计基本理论等理论部分，基于NX MCD的基本概述、基于物理特性的运动仿真、仿真过程控制与协同设计、虚拟调试技术等实践部分，彩球机、倒角仪、雕刻机、五子棋、智能产线等真实案例部分。
本书适用于机械工程、机械设计制造及其自动化、机械电子工程、智能制造工程、机器人工程和自动化等机械类、自动化类专业的机电系统设计、计算机辅助设计、机电一体化设计、智能产线设计与虚拟调试、机电系统数字化设计与仿真、数字化生产线仿真与验证、基于NX MCD的机电系统虚拟调试等32～64学时的课程学习。
在本书编写过程中，编者参考了大量相关的文献资料，其中包括丰富的网络资源，借此机会向这些作者深表敬意。
全书由北京石油化工学院曹建树、刘国印及合作企业的专家们合作编写，其中，上海明材数字科技有限公司冯德川、陈绪龙编写了第10章以及三维仿真案例的开发部分，深圳复兴智能制造有限公司陈勇参与典型案例编写和技术指导，上海犀浦智能系统有限公司孙其伟参与第7章的编写和设备调试。
由于编者水平有限，加之时间仓促，书中难免有疏漏之处，敬请读者批评指正。
编著者
2025年01月于北京
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