降低機(jī)械設(shè)計的成本和風(fēng)險
概覽
激 烈的全球化競爭給機(jī)械制造商帶來壓力，他們制造出的機(jī)器需要能提高產(chǎn)量，同時降低成本，并滿足更多類似的要求，如：提高生產(chǎn)力，提升效率，從而在競爭中脫 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)計靈活高效的多功能機(jī)器，他們通過采用現(xiàn)代化控制系統(tǒng)配合復(fù)雜的運算并將高端電子產(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)，通過將最有效的開發(fā)實踐和技術(shù)融和到精簡設(shè)計、樣機(jī)研究和系統(tǒng)發(fā)布中，以此來提升整個設(shè)計過程。
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、控制工程和計算機(jī)的協(xié)同組合，在設(shè)計過程中相互交融。 它涉及了在從復(fù)雜決策到物理系統(tǒng)運作等多方面應(yīng)用。由于這些獨特的功能，機(jī)電一體化系統(tǒng)依賴于計算機(jī)軟件。這一規(guī)律導(dǎo)致了一個不斷發(fā)展的趨勢，由于設(shè)計變 得越加復(fù)雜，因此在不同設(shè)計團(tuán)隊間的合作越來越必要。
 
機(jī)電一體化開發(fā)方式的成功之道
機(jī)電一體化系統(tǒng)的發(fā)展趨勢使得設(shè)計的復(fù)雜度陡增，迫使不同的設(shè)計團(tuán)隊一起工作。在一個機(jī)電一體化系統(tǒng)中，每個決策在整個設(shè)計中會產(chǎn)生連鎖反應(yīng)。如果 機(jī)械團(tuán)隊決定改變材料，意味著改變了機(jī)械零件的重量，為了機(jī)器有效的運行，會需要對電機(jī)的尺寸，甚至是電機(jī)的類型做相應(yīng)的更改。將步進(jìn)電機(jī)更換為伺服電機(jī) 會大大增加運算控制的復(fù)雜性和對嵌入式系統(tǒng)運算處理性能的要求。在機(jī)械、電氣和控制工程師間，提高團(tuán)隊交流與和合作是十分重要的，而那些無縫合作工具，能 夠幫助工程師們在開發(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。
那些工具實現(xiàn)了虛擬樣機(jī)（也被稱作數(shù)字樣機(jī)），能夠在從不同領(lǐng)域結(jié)合的仿真技術(shù)，即一個模型仿真完整的機(jī)器或設(shè)備。設(shè)計師可以在具化一個物理部件之 前，仿真其機(jī)械動力，其中包括質(zhì)量和摩擦效應(yīng)、循環(huán)次數(shù)和單個零件性能。在投入物理樣機(jī)的花費之前，一個虛擬機(jī)樣即可以預(yù)測和優(yōu)化設(shè)計，并且能評估不同設(shè) 計的研究和概念?；跈C(jī)電一體化的開發(fā)方式能降低機(jī)器設(shè)計的風(fēng)險、加快設(shè)計節(jié)奏、提高對客戶需求的認(rèn)知，并簡化調(diào)試排除故障的過程。因此機(jī)電一體化的方法 可以幫助機(jī)器制造商在第一時獲得最優(yōu)設(shè)計。
從商業(yè)角度看，一個虛擬樣機(jī)不僅在設(shè)計階段增加了許多價值，而且對銷售部門在銷售過程中與潛在客戶溝通提供支持。一個虛擬樣機(jī)能夠幫助銷售贏得客戶并成功的執(zhí)行項目。
在報價階段，一個虛擬機(jī)器可以幫助明確要求，確保銷售部門準(zhǔn)確地理解客戶的需求。它提供多種可能，如展示設(shè)計特性、解釋價值、幫助揭開項目中的未 知，以及風(fēng)險評估。甚至在售后，一個虛擬樣機(jī)能夠根據(jù)客戶的要求在已有機(jī)器的改進(jìn)和升級測試中起到作用。另外，客戶可以用這個樣機(jī)來解決他們在運行過程中 遇到的問題。
NI LabVIEW和DS SolidWorks結(jié)合
為降低機(jī)器設(shè)計的成本和風(fēng)險，達(dá)索析統(tǒng)和美國國家儀器合作，為運動控制系統(tǒng)設(shè)計師提供機(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運動分析功能與LabVIEW工業(yè)級運動控制程序，創(chuàng)造出 真實的運動控制系統(tǒng)的仿真。采用這種集成的方式，機(jī)器制造商還可以開發(fā)控制邏輯、動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 成本和物理零件購置費之前，就能在軟件中測試機(jī)器的運行。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)前評估系統(tǒng)行為和性能。他們能夠在極端的操 作環(huán)境下測試部件的電氣性能和實時響應(yīng)時間，而無須將其單獨取出。
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)計分析為目的的實際機(jī)器的仿真，例如：
• 可視化仿真機(jī)器操作
• 機(jī)器加工周期性能評估
• 完成精確的壓力/扭矩性能需求分析
• 運動控制程序及碰撞檢測的設(shè)計和驗證
• 物理樣機(jī)制造前設(shè)計優(yōu)化
• 機(jī)械/電氣相關(guān)設(shè)計問題確認(rèn)
使用SolidWorks和LabVIEW，工程師們可以在具化一個物理部件，同時將其連接至一個真實的控制算法之前，模擬其機(jī)械動力，其中包括聚 合摩擦力效果、循環(huán)次數(shù)和單個零件性能。在投入物理模型的花費之前，一個虛擬樣機(jī)可以預(yù)測和優(yōu)化設(shè)計，并且能評估不同設(shè)計概念。將運動仿真與CAD結(jié)合能 使設(shè)計簡化，因為仿真用到的信息早已在CAD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提供了簡單易用的高級功能塊編程模式對運 動控制系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，那些只有一些或沒有運動控制程序使用經(jīng)驗的使用者都能很容易上手。LabVIEW與SolidWorks的結(jié)合，幫助客戶開發(fā)他們的 運動控制算法，同時能在SolidWorks環(huán)境中使用3D CAD來評估系統(tǒng)行為和性能。通過真實的運動控制仿真，它能夠在設(shè)計時仿真實際的運行情景，以此來確認(rèn)零件碰撞，輸出數(shù)據(jù)或者圖形結(jié)果，以此利用CAD模 型實現(xiàn)三維可視化。
 
 
最后工程師們能輕松地將已開發(fā)的控制算法部署到嵌入式運動控制平臺中，例如NI CompactRIO，它是一個基于FPGA的硬件平臺。CompactRIO為獨立分散的確定性操作提供了實時嵌入式處理器，以及可以直接連接工業(yè)傳感 器，激勵器和電機(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試開發(fā)的代碼，并將其實現(xiàn)在實際的I/O模塊和 電機(jī)上。