降低機(jī)械設(shè)計(jì)的成本和風(fēng)險(xiǎn)
概覽
激 烈的全球化競(jìng)爭(zhēng)給機(jī)械制造商帶來(lái)壓力，他們制造出的機(jī)器需要能提高產(chǎn)量，同時(shí)降低成本，并滿足更多類(lèi)似的要求，如：提高生產(chǎn)力，提升效率，從而在競(jìng)爭(zhēng)中脫 穎而出。因此，當(dāng)今的機(jī)械制造商已從僅制造單一功能的機(jī)器，轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)計(jì)靈活高效的多功能機(jī)器，他們通過(guò)采用現(xiàn)代化控制系統(tǒng)配合復(fù)雜的運(yùn)算并將高端電子產(chǎn)品 集成到他們的機(jī)械產(chǎn)品中。
 
機(jī)電一體化
機(jī)電一體化是一種綜合的工業(yè)技術(shù)，通過(guò)將最有效的開(kāi)發(fā)實(shí)踐和技術(shù)融和到精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)、樣機(jī)研究和系統(tǒng)發(fā)布中，以此來(lái)提升整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程。
Kevin Craig博士是倫斯勒理工學(xué)院機(jī)械工程教授，他認(rèn)為機(jī)電一體化作為工程的準(zhǔn)則，是機(jī)械工程、電子、控制工程和計(jì)算機(jī)的協(xié)同組合，在設(shè)計(jì)過(guò)程中相互交融。 它涉及了在從復(fù)雜決策到物理系統(tǒng)運(yùn)作等多方面應(yīng)用。由于這些獨(dú)特的功能，機(jī)電一體化系統(tǒng)依賴(lài)于計(jì)算機(jī)軟件。這一規(guī)律導(dǎo)致了一個(gè)不斷發(fā)展的趨勢(shì)，由于設(shè)計(jì)變 得越加復(fù)雜，因此在不同設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)間的合作越來(lái)越必要。
 
機(jī)電一體化開(kāi)發(fā)方式的成功之道
機(jī)電一體化系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)使得設(shè)計(jì)的復(fù)雜度陡增，迫使不同的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)一起工作。在一個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)中，每個(gè)決策在整個(gè)設(shè)計(jì)中會(huì)產(chǎn)生連鎖反應(yīng)。如果 機(jī)械團(tuán)隊(duì)決定改變材料，意味著改變了機(jī)械零件的重量，為了機(jī)器有效的運(yùn)行，會(huì)需要對(duì)電機(jī)的尺寸，甚至是電機(jī)的類(lèi)型做相應(yīng)的更改。將步進(jìn)電機(jī)更換為伺服電機(jī) 會(huì)大大增加運(yùn)算控制的復(fù)雜性和對(duì)嵌入式系統(tǒng)運(yùn)算處理性能的要求。在機(jī)械、電氣和控制工程師間，提高團(tuán)隊(duì)交流與和合作是十分重要的，而那些無(wú)縫合作工具，能 夠幫助工程師們?cè)陂_(kāi)發(fā)周期的各階段分享數(shù)據(jù)和信息，從而使合作和信息交流更為有效。
那些工具實(shí)現(xiàn)了虛擬樣機(jī)（也被稱(chēng)作數(shù)字樣機(jī)），能夠在從不同領(lǐng)域結(jié)合的仿真技術(shù)，即一個(gè)模型仿真完整的機(jī)器或設(shè)備。設(shè)計(jì)師可以在具化一個(gè)物理部件之 前，仿真其機(jī)械動(dòng)力，其中包括質(zhì)量和摩擦效應(yīng)、循環(huán)次數(shù)和單個(gè)零件性能。在投入物理樣機(jī)的花費(fèi)之前，一個(gè)虛擬機(jī)樣即可以預(yù)測(cè)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且能評(píng)估不同設(shè) 計(jì)的研究和概念?；跈C(jī)電一體化的開(kāi)發(fā)方式能降低機(jī)器設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)、加快設(shè)計(jì)節(jié)奏、提高對(duì)客戶需求的認(rèn)知，并簡(jiǎn)化調(diào)試排除故障的過(guò)程。因此機(jī)電一體化的方法 可以幫助機(jī)器制造商在第一時(shí)獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)。
從商業(yè)角度看，一個(gè)虛擬樣機(jī)不僅在設(shè)計(jì)階段增加了許多價(jià)值，而且對(duì)銷(xiāo)售部門(mén)在銷(xiāo)售過(guò)程中與潛在客戶溝通提供支持。一個(gè)虛擬樣機(jī)能夠幫助銷(xiāo)售贏得客戶并成功的執(zhí)行項(xiàng)目。
在報(bào)價(jià)階段，一個(gè)虛擬機(jī)器可以幫助明確要求，確保銷(xiāo)售部門(mén)準(zhǔn)確地理解客戶的需求。它提供多種可能，如展示設(shè)計(jì)特性、解釋價(jià)值、幫助揭開(kāi)項(xiàng)目中的未 知，以及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。甚至在售后，一個(gè)虛擬樣機(jī)能夠根據(jù)客戶的要求在已有機(jī)器的改進(jìn)和升級(jí)測(cè)試中起到作用。另外，客戶可以用這個(gè)樣機(jī)來(lái)解決他們?cè)谶\(yùn)行過(guò)程中 遇到的問(wèn)題。
NI LabVIEW和DS SolidWorks結(jié)合
為降低機(jī)器設(shè)計(jì)的成本和風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)索析統(tǒng)和美國(guó)國(guó)家儀器合作，為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提供機(jī)電一體化為核心的虛擬原型工具。
采用LabVIEW和SolidWorks，機(jī)器設(shè)備制造商可以連接SolidWorks運(yùn)動(dòng)分析功能與LabVIEW工業(yè)級(jí)運(yùn)動(dòng)控制程序，創(chuàng)造出 真實(shí)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的仿真。采用這種集成的方式，機(jī)器制造商還可以開(kāi)發(fā)控制邏輯、動(dòng)作軌跡描述并將其應(yīng)用于他們機(jī)器的三維CAD模型中，在支付昂貴的加工 成本和物理零件購(gòu)置費(fèi)之前，就能在軟件中測(cè)試機(jī)器的運(yùn)行。采用這種集成的方式，機(jī)器設(shè)備制造商能在建造物理樣機(jī)前評(píng)估系統(tǒng)行為和性能。他們能夠在極端的操 作環(huán)境下測(cè)試部件的電氣性能和實(shí)時(shí)響應(yīng)時(shí)間，而無(wú)須將其單獨(dú)取出。
因此，一旦CAD模型被創(chuàng)建，機(jī)械工程師和控制工程師就能夠合力工作。它們能夠用虛擬原型工具創(chuàng)造出用于不同設(shè)計(jì)分析為目的的實(shí)際機(jī)器的仿真，例如：
• 可視化仿真機(jī)器操作
• 機(jī)器加工周期性能評(píng)估
• 完成精確的壓力/扭矩性能需求分析
• 運(yùn)動(dòng)控制程序及碰撞檢測(cè)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證
• 物理樣機(jī)制造前設(shè)計(jì)優(yōu)化
• 機(jī)械/電氣相關(guān)設(shè)計(jì)問(wèn)題確認(rèn)
使用SolidWorks和LabVIEW，工程師們可以在具化一個(gè)物理部件，同時(shí)將其連接至一個(gè)真實(shí)的控制算法之前，模擬其機(jī)械動(dòng)力，其中包括聚 合摩擦力效果、循環(huán)次數(shù)和單個(gè)零件性能。在投入物理模型的花費(fèi)之前，一個(gè)虛擬樣機(jī)可以預(yù)測(cè)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且能評(píng)估不同設(shè)計(jì)概念。將運(yùn)動(dòng)仿真與CAD結(jié)合能 使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，因?yàn)榉抡嬗玫降男畔⒃缫言贑AD模型中出現(xiàn)，如密合裝配、聯(lián)軸器、和材料的質(zhì)量特性。LabVIEW提供了簡(jiǎn)單易用的高級(jí)功能塊編程模式對(duì)運(yùn) 動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，那些只有一些或沒(méi)有運(yùn)動(dòng)控制程序使用經(jīng)驗(yàn)的使用者都能很容易上手。LabVIEW與SolidWorks的結(jié)合，幫助客戶開(kāi)發(fā)他們的 運(yùn)動(dòng)控制算法，同時(shí)能在SolidWorks環(huán)境中使用3D CAD來(lái)評(píng)估系統(tǒng)行為和性能。通過(guò)真實(shí)的運(yùn)動(dòng)控制仿真，它能夠在設(shè)計(jì)時(shí)仿真實(shí)際的運(yùn)行情景，以此來(lái)確認(rèn)零件碰撞，輸出數(shù)據(jù)或者圖形結(jié)果，以此利用CAD模 型實(shí)現(xiàn)三維可視化。
 
 
最后工程師們能輕松地將已開(kāi)發(fā)的控制算法部署到嵌入式運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)中，例如NI CompactRIO，它是一個(gè)基于FPGA的硬件平臺(tái)。CompactRIO為獨(dú)立分散的確定性操作提供了實(shí)時(shí)嵌入式處理器，以及可以直接連接工業(yè)傳感 器，激勵(lì)器和電機(jī)的可熱插拔的工業(yè)I/O模塊。有了CompactRIO，工程師能夠重新利用在仿真中已測(cè)試開(kāi)發(fā)的代碼，并將其實(shí)現(xiàn)在實(shí)際的I/O模塊和 電機(jī)上。