机电一体化融合虚拟原型技术的设计方案

用户总是要求我们提高所设计的机械的性能，同时减少资金成本。为了达到这两个矛盾的目标，我们将注意力放到在机械设计方面有巨大潜力的机电一体化上。本文着重展示了使用嵌入式分析工具的现代计算机辅助设计（CAD）系统如何实现机电一体化设计。

在机电一体化设计中，三个设计团队（机械、电机与控制）并行工作。在机械团队完成设计前，电机与控制团队需要预先得到有关机械的信息。虚拟原型技术可以预先提供机械信息，通过将3D CAD系统与一个运动和结构分析工具，以及一个虚拟控制器相连接， SolidWorks公司与NI公司创建了一个真实的机电一体化设计环境。使用这些工具并不表示机械设计过程中的繁重工作减少了，而是工作量在整个设计周期中由设计团队分担了。

图 1 初次共振实验示意图。虚拟原型技术的巨大价值在于，它允许出现并校正设计错误，而不会出现制造实物样机所带来的资金耗费与时间延迟。

图 1 初次共振实验示意图

虚拟原型技术设计过程

经常失败与早期失败是虚拟原型技术设计的必经之路，失败的方式体现在设计过程中而不是事后。其诀窍就是在正确的事情上失败，确定什么是机械的关键性能指标（KPI’s），并将这些作为随后测试的参数与目标。首先看看取放机并领会虚拟原型技术如何在设计过程引导我们。

图2 取放机示意图

运动轮廓是所有机械的基石。最简单的情况是将物体A从 B处 移到 C处。但是在某些情况下，从B到C的最佳方式并不那么显而易见。一步运动还是两步？凸轮还是伺服？利用CAD可以快速地安排机械的运动部件，并检查冲突与运动范围。由于大多机械并不是从草图开始的，最初的CAD组装很可能是3D模型与布局草图或是结构图的混合体。

即使只有如此简单的几何形状，SolidWorks仍可以基于草图或用户定义的部分计算出近似的力与转矩，图2为装配马达与驱动的取放布局图。我们现在可以将这些要求告知电机工程师，他们会对马达与驱动提出建议。再者，有可能借助于软件的优势直接从3D信息中心 （拥有超过一百万个模型）或者制造商的网站下载马达与驱动的CAD模型。

图3 装配马达与驱动的取放布局

最初的设计迭代提供力的大小来确定“最初估计”的马达和驱动尺寸。使用装配图中包含的马达与驱动CAD模型，运动仿真能够快速地重复运行来完善马达与驱动需求。当机械设计成熟并且CAD装配变得更加完整，运动分析软件可以周期性地重复运行，确保实物样机制造时不会出现意外。

当马达尺寸确定后，我们可以将注意力转移到机械的性能与其结构上。典型的机械KPI是其位置公差，就机械学的层次来说，是由机构刚度与驱动顺性决定的。对取放机而言，需要一个与较轻的，但很硬的移动结构结合一个非常刚性的支持结构，、驱动以及连接系统，它们能够充分满足机械的需求。

使用SolidWorks集成的仿真套件，可以从运动分析中取出力与转矩，并将其放入结构仿真中来*估机械强度、耐久性以及柔韧性。现在，机械工程师可以回答有关机械性能的基本问题了。在任何运行速度下机械是否会共振？机械是否超出设计标准？是否能减少机械的重量以及由此导致的花费？机械部件的使用寿命是多久？这不是只做一次的仿真，而是当机械开发时，不断运行以发展与改进，不断为机电一体化团队提供最新、精确的信息，根据具体情况作出设计决定。

目前为止，我们只考虑了机械与电机工程师，而机电一体化设计模式是关于并行工作的三个工程团队。那么虚拟原型技术如何帮助控制工程师？我们已经看到了虚拟机械如何在CAD系统下被驱动，但是控制工程师想要的是一个虚拟控制器，能够直接与CAD几何图形对话并驱动运动分析（图4），如同用于SolidWorks的LabVIEW NI SoftMotion所能实现的。

图4 通过马达尺寸以及其它部件的确定，虚拟控制器能够直接与CAD图形对话并驱动运动分析

现在，控制工程师可以驱动虚拟机械，微调控制代码并实时观察机械行为。控制工程师可以确保运动轮廓正确，调查有关机械性能顺性的效果，并留意设计一些安全装置，例如传感器或者限位开关。对机械与电机工程师来说，因为虚拟机械是由“真实”代码驱动， 新增的好处是，机械工程师可以确定“真实”的力与转矩，而电机工程师可以估计“真实”的马达与驱动需求。