The Marriage of Virtual Prototyping and Mechat

本文展示了使用嵌入式分析工具的現代計算機輔助設計（CAD）系統如何實(shí)現機電一體化設計。

用戶(hù)總是要求我們提高所設計的機械的性能，同時(shí)減少資金成本。為了達到這兩個(gè)矛盾的目標，我們將注意力放到在機械設計方面有巨大潛力的機電一體化上。

本文審視了當今與機電一體化結合的計算機輔助設計（CAD）工具如何幫助您制造更好的機器。那么，您需要設計制造一臺新的機器要，并且您確信機電一體化的設計方法及虛擬原型技術(shù)是正確的途徑，但是該從哪里著(zhù)手呢? 讓我們先來(lái)看更為簡(jiǎn)單的取放機。

在機電一體化設計中，三個(gè)設計團隊（機械，電機與控制）并行工作。不過(guò)，在機械團隊完成設計前，電機與控制團隊需要預先得到有關(guān)機械的信息。虛擬原型技術(shù)可以預先提供機械信息。通過(guò)將3D CAD系統與一個(gè)運動(dòng)和結構分析工具，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)的機電一體化設計環(huán)境。使用這些工具并不表示機械設計過(guò)程中的繁重工作減少了，而是工作量在整個(gè)設計周期中由設計團隊分擔了。

初次共振實(shí)驗。虛擬原型技術(shù)的巨大價(jià)值在于，它允許您出現并校正設計錯誤，而不會(huì )出現制造實(shí)物樣機所帶來(lái)的資金耗費與時(shí)間延遲。

虛擬原型技術(shù)設計過(guò)程
經(jīng)常失敗與早期失敗是虛擬原型技術(shù)設計的必經(jīng)之路，失敗的方式是在設計過(guò)程中——而不是之后。所以您該如何‘失敗’而仍舊成功？訣竅是在正確的事情上失敗，確定什么是您機械的關(guān)鍵性能指標(KPI’s)，并將這些作為隨后測試的參數與目標。那么，讓我們看看取放機并領(lǐng)會(huì )虛擬原型技術(shù)如何在設計過(guò)程引導我們。

取放機

運動(dòng)輪廓是所有機械的基石。最簡(jiǎn)單的情況是將物體A從 B處 移到 C處。但是在某些情況下，您從B到C的最佳方式并不那么顯而易見(jiàn)。一步運動(dòng)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(dòng)部件，并檢查沖突與運動(dòng)范圍。由于大多機械并不是從草圖開(kāi)始的，最初的CAD組裝很可能是3D模型與布局草圖或是結構圖的混合體。

取放裝配布局

即使只有如此簡(jiǎn)單的幾何形狀，SolidWorks仍可以基于草圖或用戶(hù)定義的部分計算出近似的力與轉矩。我們現在可以將這些要求告知電機工程師，他們會(huì )對馬達與驅動(dòng)提出建議。再者，我們有可能借助于軟件的優(yōu)勢直接從3D信息中心 （擁有超過(guò)一百萬(wàn)個(gè)模型）或者制造商的網(wǎng)站下載馬達與驅動(dòng)的CAD模型。

裝配馬達與驅動(dòng)的取放布局

最初的設計迭代提供力的大小來(lái)確定“最初估計”的馬達和驅動(dòng)尺寸。使用裝配圖中包含的馬達與驅動(dòng)CAD模型，運動(dòng)仿真能夠快速地重復運行來(lái)完善馬達與驅動(dòng)需求。當機械設計成熟并且CAD裝配變得更加完整，運動(dòng)分析軟件可以周期性地重復運行，確保實(shí)物樣機制造時(shí)不會(huì )出現意外。

當馬達尺寸確定后，我們可以將注意力轉移到機械的性能與其結構上。典型的機械KPI是其位置公差，就機械學(xué)的層次來(lái)說(shuō)，是由機構剛度與驅動(dòng)順性決定的。對我們的取放機而言，我們需要一個(gè)與較輕的，但很硬的移動(dòng)結構結合一個(gè)非常剛性的支持結構， 驅動(dòng)以及連接系統，它們能夠充分滿(mǎn)足機械的需求。我們提到充分，是因為馬達和驅動(dòng)的順性緊密地與花費聯(lián)系在一起。

使用SolidWorks集成的仿真套件，我們可以從運動(dòng)分析中取出力與轉矩，并將其放入結構仿真中來(lái)評估機械強度，耐久性以及柔韌性?，F在，機械工程師可以回答有關(guān)機械性能的基本問(wèn)題了。在任何運行速度下機械是否會(huì )共振？機械是否超出設計標準？我們是否能減少機械的重量以及由此導致的花費？機械部件的使用壽命是多久？這不是只做一次的仿真，而是當機械開(kāi)發(fā)時(shí)，不斷運行以發(fā)展與改進(jìn)，不斷為機電一體化團隊提供最新、精確的信息，以根據具體情況作出設計決定。我們現在完全參與設計迭代循環(huán)，對于一個(gè)好的設計來(lái)說(shuō)，“如果出現情況怎么辦”可以被提高為“沒(méi)問(wèn)題”的設計。

目前為止，我們只考慮了機械與電機工程師，而機電一體化設計模式是關(guān)于并行工作的三個(gè)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系統下被驅動(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幾何圖形對話(huà)并驅動(dòng)運動(dòng)分析，如同用于SolidWorks的LabVIEW NI SoftMotion所能實(shí)現的。

通過(guò)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(huà)并驅動(dòng)運動(dòng)分析。

現在，控制工程師可以驅動(dòng)虛擬機械，微調控制代碼并實(shí)時(shí)觀(guān)察機械行為?？刂乒こ處熆梢源_保運動(dòng)輪廓正確，調查有關(guān)機械性能順性的效果，并留意設計一些安全裝置，例如傳感器或者限位開(kāi)關(guān)。對機械與電機工程師來(lái)說(shuō)，因為虛擬機械是由“真實(shí)”代碼驅動(dòng)， 新增的好處是，機械工程師可以確定“真實(shí)”的力與轉矩，而電機工程師可以估計“真實(shí)”的馬達與驅動(dòng)需求。