MCD（Mechatronic concept design）机电一体化系统设计是NX设计平台的应用模块。它创建的机电功能模型，实现了机械，电气，自动化功能的集成，并以信号交互的方式对复杂机电装备的运行过程进行设计和仿真。

MCD创建的机电集成的功能模型不仅可用于机电系统的功能验证，同时也是组成虚拟调试关键环节，本文将介绍使用MCD创建机电集成功能模型的流程，如下所示：

图1-机电集成功能模型创建流程

1．机电对象定义——刚体，碰撞体等

基本机电对象主要包括刚体，碰撞体，对象源及对象收集器等。通过定义，可赋予几何模型物理属性，如质量，摩擦力，恢复系数等。在仿真过程中，机电对象会根据外部的条件进行相应的物理响应，如重力下落，移动旋转，碰撞停止等，而没有进行机电对象定义的几何体，将始终保持静止。

如果仿真过程中机电对象间还需要通过接触力产生行为，则需要定义碰撞体，碰撞材料等，没有定义碰撞的对象将相互穿过。

图2-刚体定义

2．运动副及约束/耦合副定义

使用基本运动副可对仿真期间刚体运动方式进行定义，如平行运动或旋转运动，同时也对运动的范围进行限制。一个运动副由基本体与连接体组成，约束两者之间的相对运动关系。为使仿真性能更加稳定，在创建运动副时可选择不同的运动计算方式，包括：

a. 动力学：在仿真过程中使用机电求解器执行精确的运动副计算。

b．运动学：执行简单的运动学计算，不使用机电求解器，以提高仿真性能。

c．铰接运动：优化运动学计算，实现更精确、更快速的结果。

图3-运动副与约束

基本运动副只定义一个运动约束，耦合副则是对两个具有约束关系的运动副进行定义，两者之间具有主从关系。主要有齿轮副，机械/电子凸轮，滑轮与带，齿轮齿条等，如下所示。

图4-耦合副定义

3．执行器定义

机电系统的运动副与约束定义完成后，可以添加执行器以驱动运动副。MCD中可用的执行器包括速度控制，位置控制，力与扭矩控制，气动/液压控制，反算机构驱动，传输面等功能。其中反算机构驱动可用于工业机器人的运动设计，实现对机器人的虚拟示教。

每个执行器具有相应的控制参数，如速度，位置等。这些参数可以在定义时输入，也可以在创建仿真序列时定义。在虚拟调试中，这些参数则作为MCD的输入信号，由外部控制器进行控制。

图5-位置控制

4．传感器定义

MCD机电集成功能模型最重要的特点就是集成了电气传感器属性，从而可以检测设备的条件与状态，并作为MCD的输出信号，由仿真序列或者外部控制器使用，创建逻辑程序。MCD支持数字量传感器的创建，如碰撞传感器可用作接近开关，检测设备到位，零件在位等场景。同时MCD支持模拟量传感器的创建，如速度检测，位置检测，加速度检测等，从而在虚拟调试过程中可建立运动控制的闭环，半闭环等控制方式。

图6-碰撞传感器

5．仿真序列控制

机电系统动作的执行是基于时间或状态变化，即动作的时序和条件。而仿真序列即可用来创建基于时间和基于事件的行为，从而让机电功能模型在序列的控制下实现系统连续有序的运行。

图7-仿真序列

仿真序列可创建机电系统中所有对象的控制单元，并可访问所有对象的参数，如凸轮曲线、运动副和约束。仿真序列可以控制执行器的开始时间、持续时间和速度，或者在传感器激活时更改动态材料的大小等。一般使用仿真序列执行以下操作：

a. 创建条件语句以确定何时触发参数更改。

b. 将对象参数的值更改为仿真序列中设置的值。

c. 根据指定的事件暂停运行时仿真。

d. 使用仿真序列导出系统运行节拍表，用于系统分析和优化。

需要注意的是，如果在虚拟调试过程中使用外部信号控制机电对象，则需要激活或停用对应的仿真序列，避免对同一参数同时被两种不同的方式控制。

图8-创建基于事件的仿真序列

6．结语

NX MCD通过定义机电对象，运动副和约束，传感器与执行器，将机械产品的几何模型转换为具有机电物理属性的集成功能模型，即创建与实际系统对应的虚拟功能模型。利用仿真序列创建的时间/事件序列，可以按照自动化控制逻辑驱动功能模型中的机电对象，从而实现对机电系统复杂运行过程的设计与仿真。