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。

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