機(jī)電一體化融合虛擬原型技術(shù)的設(shè)計(jì)方案

用戶總是要求我們提高所設(shè)計(jì)的機(jī)械的性能，同時(shí)減少資金成本。為了達(dá)到這兩個(gè)矛盾的目標(biāo)，我們將注意力放到在機(jī)械設(shè)計(jì)方面有巨大潛力的機(jī)電一體化上。本文著重展示了使用嵌入式分析工具的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)。

在機(jī)電一體化設(shè)計(jì)中，三個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)（機(jī)械、電機(jī)與控制）并行工作。在機(jī)械團(tuán)隊(duì)完成設(shè)計(jì)前，電機(jī)與控制團(tuán)隊(duì)需要預(yù)先得到有關(guān)機(jī)械的信息。虛擬原型技術(shù)可以預(yù)先提供機(jī)械信息，通過將3D CAD系統(tǒng)與一個(gè)運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)分析工具，以及一個(gè)虛擬控制器相連接， SolidWorks公司與NI公司創(chuàng)建了一個(gè)真實(shí)的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)環(huán)境。使用這些工具并不表示機(jī)械設(shè)計(jì)過程中的繁重工作減少了，而是工作量在整個(gè)設(shè)計(jì)周期中由設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)分擔(dān)了。

圖 1 初次共振實(shí)驗(yàn)示意圖。虛擬原型技術(shù)的巨大價(jià)值在于，它允許出現(xiàn)并校正設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，而不會(huì)出現(xiàn)制造實(shí)物樣機(jī)所帶來的資金耗費(fèi)與時(shí)間延遲。

圖 1 初次共振實(shí)驗(yàn)示意圖

虛擬原型技術(shù)設(shè)計(jì)過程

經(jīng)常失敗與早期失敗是虛擬原型技術(shù)設(shè)計(jì)的必經(jīng)之路，失敗的方式體現(xiàn)在設(shè)計(jì)過程中而不是事后。其訣竅就是在正確的事情上失敗，確定什么是機(jī)械的關(guān)鍵性能指標(biāo)（KPI’s），并將這些作為隨后測(cè)試的參數(shù)與目標(biāo)。首先看看取放機(jī)并領(lǐng)會(huì)虛擬原型技術(shù)如何在設(shè)計(jì)過程引導(dǎo)我們。

圖2 取放機(jī)示意圖

運(yùn)動(dòng)輪廓是所有機(jī)械的基石。最簡單的情況是將物體A從 B處 移到 C處。但是在某些情況下，從B到C的最佳方式并不那么顯而易見。一步運(yùn)動(dòng)還是兩步？凸輪還是伺服？利用CAD可以快速地安排機(jī)械的運(yùn)動(dòng)部件，并檢查沖突與運(yùn)動(dòng)范圍。由于大多機(jī)械并不是從草圖開始的，最初的CAD組裝很可能是3D模型與布局草圖或是結(jié)構(gòu)圖的混合體。

即使只有如此簡單的幾何形狀，SolidWorks仍可以基于草圖或用戶定義的部分計(jì)算出近似的力與轉(zhuǎn)矩，圖2為裝配馬達(dá)與驅(qū)動(dòng)的取放布局圖。我們現(xiàn)在可以將這些要求告知電機(jī)工程師，他們會(huì)對(duì)馬達(dá)與驅(qū)動(dòng)提出建議。再者，有可能借助于軟件的優(yōu)勢(shì)直接從3D信息中心 （擁有超過一百萬個(gè)模型）或者制造商的網(wǎng)站下載馬達(dá)與驅(qū)動(dòng)的CAD模型。

圖3 裝配馬達(dá)與驅(qū)動(dòng)的取放布局

最初的設(shè)計(jì)迭代提供力的大小來確定“最初估計(jì)”的馬達(dá)和驅(qū)動(dòng)尺寸。使用裝配圖中包含的馬達(dá)與驅(qū)動(dòng)CAD模型，運(yùn)動(dòng)仿真能夠快速地重復(fù)運(yùn)行來完善馬達(dá)與驅(qū)動(dòng)需求。當(dāng)機(jī)械設(shè)計(jì)成熟并且CAD裝配變得更加完整，運(yùn)動(dòng)分析軟件可以周期性地重復(fù)運(yùn)行，確保實(shí)物樣機(jī)制造時(shí)不會(huì)出現(xiàn)意外。

當(dāng)馬達(dá)尺寸確定后，我們可以將注意力轉(zhuǎn)移到機(jī)械的性能與其結(jié)構(gòu)上。典型的機(jī)械KPI是其位置公差，就機(jī)械學(xué)的層次來說，是由機(jī)構(gòu)剛度與驅(qū)動(dòng)順性決定的。對(duì)取放機(jī)而言，需要一個(gè)與較輕的，但很硬的移動(dòng)結(jié)構(gòu)結(jié)合一個(gè)非常剛性的支持結(jié)構(gòu)，、驅(qū)動(dòng)以及連接系統(tǒng)，它們能夠充分滿足機(jī)械的需求。

使用SolidWorks集成的仿真套件，可以從運(yùn)動(dòng)分析中取出力與轉(zhuǎn)矩，并將其放入結(jié)構(gòu)仿真中來*估機(jī)械強(qiáng)度、耐久性以及柔韌性。現(xiàn)在，機(jī)械工程師可以回答有關(guān)機(jī)械性能的基本問題了。在任何運(yùn)行速度下機(jī)械是否會(huì)共振？機(jī)械是否超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)？是否能減少機(jī)械的重量以及由此導(dǎo)致的花費(fèi)？機(jī)械部件的使用壽命是多久？這不是只做一次的仿真，而是當(dāng)機(jī)械開發(fā)時(shí)，不斷運(yùn)行以發(fā)展與改進(jìn)，不斷為機(jī)電一體化團(tuán)隊(duì)提供最新、精確的信息，根據(jù)具體情況作出設(shè)計(jì)決定。

目前為止，我們只考慮了機(jī)械與電機(jī)工程師，而機(jī)電一體化設(shè)計(jì)模式是關(guān)于并行工作的三個(gè)工程團(tuán)隊(duì)。那么虛擬原型技術(shù)如何幫助控制工程師？我們已經(jīng)看到了虛擬機(jī)械如何在CAD系統(tǒng)下被驅(qū)動(dòng)，但是控制工程師想要的是一個(gè)虛擬控制器，能夠直接與CAD幾何圖形對(duì)話并驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)分析（圖4），如同用于SolidWorks的LabVIEW NI SoftMotion所能實(shí)現(xiàn)的。

圖4 通過馬達(dá)尺寸以及其它部件的確定，虛擬控制器能夠直接與CAD圖形對(duì)話并驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)分析

現(xiàn)在，控制工程師可以驅(qū)動(dòng)虛擬機(jī)械，微調(diào)控制代碼并實(shí)時(shí)觀察機(jī)械行為。控制工程師可以確保運(yùn)動(dòng)輪廓正確，調(diào)查有關(guān)機(jī)械性能順性的效果，并留意設(shè)計(jì)一些安全裝置，例如傳感器或者限位開關(guān)。對(duì)機(jī)械與電機(jī)工程師來說，因?yàn)樘摂M機(jī)械是由“真實(shí)”代碼驅(qū)動(dòng)， 新增的好處是，機(jī)械工程師可以確定“真實(shí)”的力與轉(zhuǎn)矩，而電機(jī)工程師可以估計(jì)“真實(shí)”的馬達(dá)與驅(qū)動(dòng)需求。