设备测试开发中的挑战：
徐工机械（XCMG）是一家全球建筑机械领先的制造企业，正在寻找可以加快产品上市的时间同时，还要降低开发成本的新技术。为了实现成为全球前三建筑设备制造商的目标，他们研究并采用了虚拟测试工程解决方案，以加快产品开发速度并为客户提供高度优化的设备。
解决方案：
徐工机械与Maplesoft合作，采用数字孪生和虚拟投产测试作为改进他们新型空中作业平台开发的手段。作为建筑中使用的产品，徐工机械的空中作业平台必须符合严格的安全和性能的作业标准。通过选择数字孪生和虚拟投产设备，徐工机械计划通过在高保真虚拟仿真平台上进行测试，设计和验证其控制策略。
结果：
数字孪生和虚拟投产测试的实施使徐工机械能够为其空中作业平台创建一个高性能测试平台。虚拟测试平台使工程师能够在需要进行昂贵的物理原型制作之前，通过虚拟方式优化他们设计的多个方面。通过使用Maplesoft的数字孪生，徐工机械能够优化其控制策略，提高机器性能，并确保符合安全要求 – 大幅缩短了传统的工程测试时间。
与过去几年的建筑设备相比，新设备中的现代技术能够提供令人震惊的性能和安全功能水平。传统的机械系统已被高性能的多领域工程产品所取代，使建筑工人能够比以往更快速、更安全地工作。然而，随着这些产品的不断发展，制造商面临的关键挑战是对这些机器设备的控制 - 使每个子系统都能够以精密的方式协同工作，这包括各种硬件以及控制软件，液压，电控等。
作为建筑设备领先制造商，徐工机械意识到如果要保持竞争力，就需要不断采用新技术。作为成为全球前三建筑设备制造商的目标的一部分，他们在新设备技术的研究和开发方面投入了大量资金。最近，他们战略性地投资了数字孪生和虚拟投产测试技术，使他们能够使用精确的虚拟模型设计、验证和优化新机器设备。这些虚拟模型将为徐工机械提供比传统的物理方法更快地迭代设计的工具，并减少实际旅行和现场工程成本的需求。
在徐工机械欧洲研究中心，工程师们努力实施了虚拟投产技术，应用于他们的新型空中作业平台（如图1所示）。该团队希望尽早在设计过程中实施对电子控制单元（ECU）软件的测试，以减少在实际机器设备上进行的测试。为了完成这项测试，他们需要他们空中作业平台的基于物理学的模型。这些模型，也被称为数字孪生，来充当不同控制单元，来进行测试的一个平台。这些控制单元可以在设计过程的早期作为软件代码测试对象，或者在后期设计中，在安装硬件ECU上时进行测试。
图1：徐工机械开发的一辆消防卡车，配备有一个空中作业平台（DG54m1 8X4 54m 消防卡车）
创建数字孪生
为了创建他们空中作业平台的数字孪生体，徐工机械使用了MapleSim，这是一个基于物理学的工具，用于创建多领域数字孪生体。MapleSim为用户提供了一个拖放建模环境，用于创建动态机器模型，工程师可以通过导入他们的CAD模型开始。在MapleSim中，数字孪生体可以包括来自多个领域的效应 - 机械、液压、热、电等。徐工机械的工程师导入了他们的CAD模型，并使用MapleSim创建了一个3D多体机器模型（图2）。在CAD导入后，还添加了额外的模型组件，包括连接件、滑块、气缸、链接等。
在设计的这个阶段，徐工机械的工程师可以用可视化的方式，对他们空中作业平台的多体动力学进行3D模拟，并进行必要的设计迭代。
图2：显示了空中作业平台的MapleSim模型，代表了机器的动态、多体性能
建立整个虚拟测试平台，徐工机械采用了功能样机接品（FMI）标准，该标准允许独立于平台的模型进行模拟并进行相互交互。使用MapleSim Connector for FMI将整个MapleSim模型导出为功能样机单元FMU，然后可以导入到虚拟工程实验VEL中供使用。提供给徐工机械使用的VEL允许对工程师模型进行实时协同仿真。这些协同仿真可以在包括机器控制软件（软件在环仿真SIL）和控制硬件（硬件在环仿真HIL）的环境中进行。通过将MapleSim 的FMU与基于液压的FMU结合，徐工机械的工程师实现了对其空中作业平台的详细的协同仿真。
控制测试环境
这两个模型被集成到徐工机械的虚拟测试平台中（如图3）。他们平台的中央仿真服务器FLUIDON VEL将实时模拟数字孪生FMU，使用双向EtherCAT连接获取徐工机械控制单元的信息。物理量模型的信号转换为传感器信号或执行器信号是通过EtherCAT终端来实现的。图3中显示了其他连接的设备。
图3：徐工机械用虚拟投产的虚拟测试平台测试于空中作业平台，通过FMI连接，MapleSim数字孪生都连接到实时仿真服务器（“实时节点”）进行测试
利用测试平台进行虚拟投产
有了测试平台，徐工机械现在不仅可以验证是他们的控制代码软件的性能，而且还可以直接对其硬件控制单元进行测试。这两种控制测试策略构成了虚拟投产测试方法的关键优势，现在徐工机械能够减少在物理原型上进行测试所需的时间。他们的测试平台可以快速进行不同测试场景的仿真，更早地发现任何潜在的投产问题。
为了进一步改进测试平台，徐工机械还使用了MapleSim Insight，将测试场景的实时3D可视化纳入其中（图4）。MapleSim Insight是一个基于FMU的工具，徐工机械连接到他们的测试平台，允许使用系统的CAD信息实时可视化测试结果。通过使用MapleSim Insight的实时反馈，徐工机械能够快速验证其控制单元的性能，并发现可能在仅使用2D图和数值模拟数据时难以发现的潜在问题。
图3：徐工机械通过添加MapleSim Insight（右侧）进一步改进了他们的虚拟投产测试平台（左侧），MapleSim Insight提供测试场景的实时3D可视化和模拟结果
虚拟投产测试解决方案进行下一代消防车的开发
项目总结
通过认识到基于仿真的技术对机器设计的日益重要性，徐工机械现在已成功开发了一个用于设计和投产他们空中作业平台的虚拟测试环境。基于这些虚拟投产系统的好处将使徐工机械能够在更短的时间内开发新产品，使他们的产品在建筑设备市场更具竞争力。这些技术持续改进了徐工机械提供的产品，并在他们努力成为全球前三建筑设备制造商的目标中赋予他们战略优势。
徐工机械创建的测试平台为他们建筑设备的开发带来了各种好处：
1. 安全测 试 - 通过虚拟测试各种场景，徐工机械可以确保其空中作业平台的安全，而不会危及操作人员的安全，或者冒险损坏昂贵的物理设备。
2. 减少物理投产时间 - 虚拟测试平台使徐工机械能够在开发过程的早期开始投产，缩短了总体上市时间，并减少了物理投产阶段的复杂性。
3. 基于数字孪生的设计改进 - 徐工机械创建的数字孪生体可用于进一步探索其设备设计，模拟可以在无需等待实际原型的情况下提供结果。
4. 操作员培训 - 由于测试平台模拟了空中作业平台的准确性能，徐工机械可以利用这个虚拟环境来对操作员进行培训。操作员将控制软件模型，并实时获取系统响应的反馈，包括3D可视化。
