机床制造商借助机电一体化概念设计解决方案和 SIMIT 实现机器软件测试自动化

不止涉足于钣金加工领域

无论是手持电子设备、厨具，还是汽车，我们日常使用的许多产品的零件都是由切割成型的钣金做成的。这种情况并不仅仅存在于车身或缸体零件制造中。许多行业都将复杂的钣金件用作结构组件。在许多应用中，该做法早已取代了铸造和机械加工，因为钣金件重量更轻，也更易于大量生产。

而钣金坯料切割和零件成型专用机床的问世则进一步促进了该做法的应用。通快集团 (TRUMPF) 于 1923 年成立，总部位于德国迪琴根（斯图加特附近），是钣金加工设备领域的先行者和全球领先制造商。该集团于 1968 年推出世界首台带有导轨数控系统的钣金加工机，首次实现了包括更换刀具在内的工作流程完全自动化。值得一提的是，该集团早在 1979 年就将激光技术集成到了激光冲压复合机中。

由于进口束源在精密度和可靠性方面有所欠缺，于是通快转而开始自行生产，并于 1985 年成为一家激光器制造商。此后，该集团又依靠自身雄厚的技术力量和产品研发能力陆续推出 TruLaser 5030 高速激光切割机等富有竞争力的产品，走上了多元化发展的道路。除用于切割、焊接和 3D 零件表面处理的激光系统外，该集团还提供高性能激光器和发电机以及激光驱动增材制造 (AM) 解决方案。

通快的一大业务领域是柔性钣金和管件加工机床。该产品组合包括折弯机、冲压机、复合冲压机和激光加工机，以及激光切割机和激光焊接机。此外，该产品组合还包括定制机器，以及自动化、网络和软件解决方案，可在将 2D 坯料转化为 3D 成品过程中，协助操作员完成从设计到生产控制的所有机械加工任务。对于引进数字网络工业 4.0 生产解决方案，通快的德国和美国智能工厂可为客户提供相关咨询和培训。

软件测试日益重要

通快对研究和开发 (R&D) 的投入占其年收入的 10% 以上，其中用于软件开发的部分越来越多。如今，不仅新机器的购买者可从功能扩展和控制以及可视化软件的持续改进中受益，而且老用户也可通过一年两次的软件发布对现有通快钣金加工设备进行功能扩展、更新和升级。

通快的机器产品虽采用标准化生产，每个产品系列的核心都相同，但种类繁多，选择空间大。这给新软件的发布前测试造成了困难。虽然机器的可编程逻辑控制器 (PLC) 专用软件自带某些自测程序，但这些程序并不能反映复杂的机电设备的临时行为。过去进行最终测试时必须使用物理样机。通快按多种配置保存了各类机器，用作软件测试和故障排除的测试台。

“使用实机进行软件测试时，检查机器的所有功能既麻烦，又耗时，”通快机器动力学部门负责人贝恩德·伦茨表示，“这也意味着无法试用所有能想到的配置选项和错误场景。”

使用数字孪生进行测试

为了克服这些缺点，通快机器动力学部门的工程师们决定使用每台机器的数字孪生而非硬件进行软件测试。伦茨认为，为这组复杂的任务找到合适的软件本身就是一种挑战。尽管许多建模软件产品都针对使用硬件在环 (HiL) 仿真的单个机器的虚拟调试进行了优化，但在虚拟世界中对一些计算机模型进行测试还需要软件在环 (SiL) 仿真。

通快的工程师用了三个软件产品为该公司的 TruLaser 5030 激光切割机建模，并从中习得多个软件产品的智能技术。在竞争基准测试之后，他们从 Siemens Xcelerator 这一软硬件和服务业务平台选择了经常用作虚拟调试解决方案的一套产品组合。其中包括 SIMIT 仿真平台和 Mechatronics Concept Designer™ 软件，后者属于 NX™ 这一面向计算机辅助设计、工程设计和制造 (CAD/CAE/CAM) 的软件产品组合。

“这两个仿真解决方案有助于我们在其之间创建我们所说的通快虚拟机，”伦茨说，“该虚拟机使用模型库，为每个软件测试运行所需的所有不同机器都创建了数字孪生，并且整个创建过程是半自动的，十分轻松。”

在完全虚拟的环境中进行测试

通快的工程师利用机电概念设计解决方案创建了可用于 TruLaser 5030 配置的所有组件和装配的运动学模型。为此，他们从该公司的 CAD 软件导入了相应 3D 模型，并利用与惯性或重力效应相关的运动学依赖性和物理属性的信息丰富了相应实体。

“机电概念设计解决方案操作方便，具有强大的导入功能，可以让我们轻松地为数字孪生用作测试台打下基础，”伦茨指出，“此外，它还含有一个功能全面的 3D 建模引擎，有助于为提高性能而临时进行的修改（例如模型简化）。”

无论是使用 HiL 还是 SiL，SIMIT 仿真平台均有助于在仿真和自动化环境之间轻松耦合，而无需使用自动化系统硬件。

为了创建综合功能模型，该平台提供了多个含有行业特定仿真组件的库。通快的工程师利用 SIMIT 模板建立了一个包含所有 TruLaser 5030 组件及其临时行为的模型库。

通快虚拟机

通快的专家开发了一套配置软件，可以半自动方式使用 SIMIT 模型库对一些用于自动化测试的单个机器模型进行配置。该数字孪生配置器还可为仿真连接器的共享内存接口设置参数，并可使 SIMIT 行为模型与虚拟数控内核 (VNCK) 有机结合和同步，同时协调好相关所有软件工具。

SIMIT、机电概念设计解决方案及上述内部开发软件工具，可支持在其之间，使用不同版本状态下的零件和装配，来编译所谓通快虚拟机 (vTM) 的所有可能配置的全面数字孪生。过段时间，机器能配备的所有自动化处理工具也会加入该整体软件解决方案。“标准机器的数字孪生将包含 SIMIT 和机电概念设计解决方案的模型，其中前者占 80%，而后者仅占 20%，”负责创建该整体软件解决方案的机器动力学工程师凯文·迪贝尔斯表示，“对于自动化处理所必需的机器，这一比例应当反过来。”

一夜之间完成软件测试

自动化测试解决方案能够自动生成所有必需机器配置的全面数字孪生，带来诸多优势。优势之一是，模型库包含了某一特定类型机器的所有组件后，可极大缩减构建新机器配置用于以数字方式（而非作为物理样机）进行测试所需的时间和支出。迪贝尔斯说，“我们能够在两天内为类似机器建模。”

而测试时间的减少更是令人叹为观止：“以前我们需要四周才能完成软件版本测试，而现在这只需一夜即可实现，”迪贝尔斯补充说，“使用通过 SIMIT 和机电概念设计解决方案创建的数字孪生的自动化测试程序可提供更多配置选项。”

伦茨总结称：“隔夜软件测试使用通快虚拟机作为测试台，有助于我们大幅缩短创新产品的上市时间，同时确保软件零错误。我们预计不到一年就可获得投资回报。”