基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）系統(tǒng)的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

本文展示了使用嵌入式分析工具的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)。

　　用戶總是要求我們提高所設(shè)計(jì)的機(jī)械的性能，同時(shí)減少資金成本。為了達(dá)到這兩個(gè)矛盾的目標(biāo)，我們將注意力放到在機(jī)械設(shè)計(jì)方面有巨大潛力的機(jī)電一體化上。

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

　　在機(jī)電一體化設(shè)計(jì)中，三個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)（機(jī)械，電機(jī)與控制）并行工作。不過(guò)，在機(jī)械團(tuán)隊(duì)完成設(shè)計(jì)前，電機(jī)與控制團(tuán)隊(duì)需要預(yù)先得到有關(guān)機(jī)械的信息。虛擬原型技術(shù)可以預(yù)先提供機(jī)械信息。通過(guò)將3DCAD系統(tǒng)與一個(gè)運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)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(jī)電一體化設(shè)計(jì)環(huán)境。使用這些工具并不表示機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中的繁重工作減少了，而是工作量在整個(gè)設(shè)計(jì)周期中由設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)分擔(dān)了。

　　初次共振實(shí)驗(yàn)。虛擬原型技術(shù)的巨大價(jià)值在于，它允許您出現(xiàn)并校正設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，而不會(huì)出現(xiàn)制造實(shí)物樣機(jī)所帶來(lái)的資金耗費(fèi)與時(shí)間延遲。

　　虛擬原型技術(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程

　　經(jīng)常失敗與早期失敗是虛擬原型技術(shù)設(shè)計(jì)的必經(jīng)之路，失敗的方式是在設(shè)計(jì)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(jī)械的關(guān)鍵性能指標(biāo)(KPI’s)，并將這些作為隨后測(cè)試的參數(shù)與目標(biāo)。那么，讓我們看看取放機(jī)并領(lǐng)會(huì)虛擬原型技術(shù)如何在設(shè)計(jì)過(guò)程引導(dǎo)我們。

取放機(jī)

　　運(yùn)動(dòng)輪廓是所有機(jī)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(yùn)動(dòng)還是兩步？凸輪還是伺服？利用CAD可以快速地安排機(jī)械的運(yùn)動(dòng)部件，并檢查沖突與運(yùn)動(dòng)范圍。由于大多機(jī)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(jié)構(gòu)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定義的部分計(jì)算出近似的力與轉(zhuǎn)矩。我們現(xiàn)在可以將這些要求告知電機(jī)工程師，他們會(huì)對(duì)馬達(dá)與驅(qū)動(dòng)提出建議。再者，我們有可能借助于軟件的優(yōu)勢(shì)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(dá)與驅(qū)動(dòng)的CAD模型。

　　裝配馬達(dá)與驅(qū)動(dòng)的取放布局

　　最初的設(shè)計(jì)迭代提供力的大小來(lái)確定“最初估計(jì)”的馬達(dá)和驅(qū)動(dòng)尺寸。使用裝配圖中包含的馬達(dá)與驅(qū)動(dòng)CAD模型，運(yùn)動(dòng)仿真能夠快速地重復(fù)運(yùn)行來(lái)完善馬達(dá)與驅(qū)動(dòng)需求。當(dāng)機(jī)械設(shè)計(jì)成熟并且CAD裝配變得更加完整，運(yùn)動(dòng)分析軟件可以周期性地重復(fù)運(yùn)行，確保實(shí)物樣機(jī)制造時(shí)不會(huì)出現(xiàn)意外。

　　當(dāng)馬達(dá)尺寸確定后，我們可以將注意力轉(zhuǎn)移到機(jī)械的性能與其結(jié)構(gòu)上。典型的機(jī)械KPI是其位置公差，就機(jī)械學(xué)的層次來(lái)說(shuō)，是由機(jī)構(gòu)剛度與驅(qū)動(dòng)順性決定的。對(duì)我們的取放機(jī)而言，我們需要一個(gè)與較輕的，但很硬的移動(dòng)結(jié)構(gòu)結(jié)合一個(gè)非常剛性的支持結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)以及連接系統(tǒng)，它們能夠充分滿足機(jī)械的需求。我們提到充分，是因?yàn)轳R達(dá)和驅(qū)動(dòng)的順性緊密地與花費(fèi)聯(lián)系在一起。

　　使用SolidWorks集成的仿真套件，我們可以從運(yùn)動(dòng)分析中取出力與轉(zhuǎn)矩，并將其放入結(jié)構(gòu)仿真中來(lái)評(píng)估機(jī)械強(qiáng)度，耐久性以及柔韌性?，F(xiàn)在，機(jī)械工程師可以回答有關(guān)機(jī)械性能的基本問(wèn)題了。在任何運(yùn)行速度下機(jī)械是否會(huì)共振？機(jī)械是否超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)？我們是否能減少機(jī)械的重量以及由此導(dǎo)致的花費(fèi)？機(jī)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(jī)械開(kāi)發(fā)時(shí)，不斷運(yùn)行以發(fā)展與改進(jìn)，不斷為機(jī)電一體化團(tuán)隊(duì)提供最新、精確的信息，以根據(jù)具體情況作出設(shè)計(jì)決定。我們現(xiàn)在完全參與設(shè)計(jì)迭代循環(huán)，對(duì)于一個(gè)好的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，“如果出現(xiàn)情況怎么辦”可以被提高為“沒(méi)問(wèn)題”的設(shè)計(jì)。

　　目前為止，我們只考慮了機(jī)械與電機(jī)工程師，而機(jī)電一體化設(shè)計(jì)模式是關(guān)于并行工作的三個(gè)工程團(tuán)隊(duì)。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(jī)械如何在CAD系統(tǒng)下被驅(qū)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(duì)話并驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)分析，如同用于SolidWorks的LabVIEWNISoftMotion所能實(shí)現(xiàn)的。

　　通過(guò)馬達(dá)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(duì)話并驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)分析。

　　現(xiàn)在，控制工程師可以驅(qū)動(dòng)虛擬機(jī)械，微調(diào)控制代碼并實(shí)時(shí)觀察機(jī)械行為。控制工程師可以確保運(yùn)動(dòng)輪廓正確，調(diào)查有關(guān)機(jī)械性能順性的效果，并留意設(shè)計(jì)一些安全裝置，例如傳感器或者限位開(kāi)關(guān)。對(duì)機(jī)械與電機(jī)工程師來(lái)說(shuō)，因?yàn)樘摂M機(jī)械是由“真實(shí)”代碼驅(qū)動(dòng)，新增的好處是，機(jī)械工程師可以確定“真實(shí)”的力與轉(zhuǎn)矩，而電機(jī)工程師可以估計(jì)“真實(shí)”的馬達(dá)與驅(qū)動(dòng)需求。