機電一體化融合虛擬原型技術(shù)的設(shè)計方案

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

在機電一體化設(shè)計中，三個設(shè)計團隊（機械、電機與控制）并行工作。在機械團隊完成設(shè)計前，電機與控制團隊需要預(yù)先得到有關(guān)機械的信息。虛擬原型技術(shù)可以預(yù)先提供機械信息，通過將3D CAD系統(tǒng)與一個運動和結(jié)構(gòu)分析工具，以及一個虛擬控制器相連接， SolidWorks公司與NI公司創(chuàng)建了一個真實的機電一體化設(shè)計環(huán)境。使用這些工具并不表示機械設(shè)計過程中的繁重工作減少了，而是工作量在整個設(shè)計周期中由設(shè)計團隊分擔(dān)了。

圖 1 初次共振實驗示意圖。虛擬原型技術(shù)的巨大價值在于，它允許出現(xiàn)并校正設(shè)計錯誤，而不會出現(xiàn)制造實物樣機所帶來的資金耗費與時間延遲。

圖 1 初次共振實驗示意圖

虛擬原型技術(shù)設(shè)計過程

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

圖2 取放機示意圖

運動輪廓是所有機械的基石。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。一步運動還是兩步？凸輪還是伺服？利用CAD可以快速地安排機械的運動部件，并檢查沖突與運動范圍。由于大多機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算出近似的力與轉(zhuǎn)矩，圖2為裝配馬達與驅(qū)動的取放布局圖。我們現(xiàn)在可以將這些要求告知電機工程師，他們會對馬達與驅(qū)動提出建議。再者，有可能借助于軟件的優(yōu)勢直接從3D信息中心 （擁有超過一百萬個模型）或者制造商的網(wǎng)站下載馬達與驅(qū)動的CAD模型。

圖3 裝配馬達與驅(qū)動的取放布局

最初的設(shè)計迭代提供力的大小來確定“最初估計”的馬達和驅(qū)動尺寸。使用裝配圖中包含的馬達與驅(qū)動CAD模型，運動仿真能夠快速地重復(fù)運行來完善馬達與驅(qū)動需求。當(dāng)機械設(shè)計成熟并且CAD裝配變得更加完整，運動分析軟件可以周期性地重復(fù)運行，確保實物樣機制造時不會出現(xiàn)意外。

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

使用SolidWorks集成的仿真套件，可以從運動分析中取出力與轉(zhuǎn)矩，并將其放入結(jié)構(gòu)仿真中來*估機械強度、耐久性以及柔韌性?，F(xiàn)在，機械工程師可以回答有關(guān)機械性能的基本問題了。在任何運行速度下機械是否會共振？機械是否超出設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)？是否能減少機械的重量以及由此導(dǎo)致的花費？機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)機械開發(fā)時，不斷運行以發(fā)展與改進，不斷為機電一體化團隊提供最新、精確的信息，根據(jù)具體情況作出設(shè)計決定。

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

圖4 通過馬達尺寸以及其它部件的確定，虛擬控制器能夠直接與CAD圖形對話并驅(qū)動運動分析

現(xiàn)在，控制工程師可以驅(qū)動虛擬機械，微調(diào)控制代碼并實時觀察機械行為。控制工程師可以確保運動輪廓正確，調(diào)查有關(guān)機械性能順性的效果，并留意設(shè)計一些安全裝置，例如傳感器或者限位開關(guān)。對機械與電機工程師來說，因為虛擬機械是由“真實”代碼驅(qū)動， 新增的好處是，機械工程師可以確定“真實”的力與轉(zhuǎn)矩，而電機工程師可以估計“真實”的馬達與驅(qū)動需求。