通过使用密集的建模和模拟来发现设计阶段的问题，OEM可以提高机器性能并节省大。

十年或两年前，运动控制意味着增强有几个伺服轴的系统。如今，由多种机器形成的百足包装线并不常见。随着复杂性的上升，设计的复杂性呈指数增长 - 与意外相互作用的可能性一样。根据符合规范和群体，例如，当机器实际上并在生产条件下运行时，可能会出现破坏性共振和振动模式。不幸的是，到那一点，如果不是不可能的话，修复问题可能是昂贵的。为避免开发在计算机辅助设计（CAD）程序中看起来很棒的设计，但没有表现，机器建设者越来越多地转向机电一体化

机电一体化是一种综合设计方法，它利用多级建模和仿真来优化机器的开发和性能。这取决于你问的是谁，这门学科早在20世纪60年代阿波罗登月计划期间就出现了。然而，直到20世纪90年代，机电一体化才真正成熟为一种多学科的系统工程方法。

在最基本的，机电一体化或基于模型的设计中 - 涉及建模系统的机械，电气，控制甚至是实时软件元素（参见图1）。这个想法是评估性能并理解相互作用以找到最能满足规格的设计。Mechatronics的趋势是由实用性驱动的：更高效的设计意味着更少的延误和更快的市场时间，即使在这些时间的资源中，“机器概念的整合真的需要一个综合方法，”Razvan Panaitescu，Engineering经理，机电支持，西门子工业公司（诺克斯，格鲁吉亚）。“如果您想要正确执行从所有观点执行的机器，则需要从早期阶段相应地接近它。”

“这对创新来说非常重要，”克申克雷格，罗伯特C. Greenheck椅子在Marquette大学的工程设计中（Milwaukee，Wisconsin）。他将四个要素识别成功创新的过程（见图2）。首先，必须基于数学和工程原则开发一系列可行的解决方案。接下来，那些可行的解决方案必须适应用户以人为本的设计。“你必须知道什么是可取的，你必须解决正确的问题，”他说。“那时，当然，有商业方面。这是可行的，但它是可行的吗？是可持续，节能，环保吗？“第四个和最终元素是复杂性管理。设计可能是可行的，以人为本的和可行的，但如果它过于复杂，无论它有多么理想，它仍然无法使用。 Mechatronics provides a tool to achieve all four objectives. “These four elements have to be part of your solution and that's where innovation happens,” Craig adds.

机电整合的动机
也许因为机器过去主要是机械的，已经建立的发展模式是机械工程师生成机器设计，将他们的图纸传递给电气工程师添加相关的驱动器和马达，然后再给控制工程师添加逻辑，等等。通常情况下，遵循这种串行方法的公司完成了设计并构建了第一个原型，却发现系统中存在严重的问题。

在今天的全球市场中，受到挣扎经济压力的极端性能要求，正在推动更多的OEM来考虑使用机电一体化。在机器建设者正试图为其工程美元的最大价值效果，基于模型的设计提供了一种优化性能，提高投资回报（ROI）的手段，并管理风险。

运动的运动学是基于位置、速度和加速度的。我们都学过基础物理F = ma但是它并不那么简单。也许电机可以在5秒内移动5千克质量，但是当该运动必须在1 s中发生时会发生什么？你得到响铃，是否会妥协定位？如果是这样，也许控制系统可以补偿。如果质量增加一倍或者在60 Hz重复的运动，则可能出现振荡和共振，这可能是不可分割的。这是一种机制建模可以识别和隔离问题。

“你必须深入和分析机器的建设以及如何集成电机和机械部件，”Panaitescu说。“也许联轴器不够坚硬，或者小齿轮和齿轮箱太弱，无法承受开发的高力或高扭矩。如果您更深入地分析了机器，您可以观察到振动模式，特定于该机器的特定频率。您可以尝试修复机械问题，或者如果是不可能的话，可以通过外部手段或其他技术，如实现控制器过滤器的其他技术吸收那些不需要的频率。“

然而，在设计阶段可以解决问题之前，需要发现它。建模过程可以从一个简单的大规模模型开始，以评估动力传动系中质量的基本运动，假设各个部件足够刚性以被视为单件。如果机器没有足够的刚性，则可以使用有限元分析来提供更好地评估更符合更符合的系统。值得注意的是，已经开发了许多复杂的软件工具来协助机电调整建模（参见图3）。包可以从CAD程序导入数据或允许工程师将其有限元模型与控件的数学模型组合，以产生机器的完整虚拟仿真。机电调整建模不仅可以检测隐藏问题，它可以帮助设计团队为每个运动任务选择最佳硬件，使电机足够强大但不超大。

这听起来像是一个漫长而复杂的操作，但实际上并非如此。Panaitescu说:“一旦你绘制了将包含在该机制中的基本组件，现在的软件工具可以让你[非常快地]进行分析。”“软件可以导入3d设计，生成多体或有限元模型。大约需要6到8个小时，也许一天，将所有的条件和约束添加到模型中。模拟本身和分析还需要1到2个小时。你可以将整个过程纳入常规设计过程中，并最终对机器施加动力时会发生什么进行彻底分析。”

如果处理得当，在设计过程中添加机械电子建模并不会非常耗时。“取决于你如何实现不同设计团队之间的整合，你最终可能不会增加任何额外的工作，”Christian Fritz说，他是Motion and Mechatronics的产品经理国家文书（德克萨斯州奥斯汀）。“这需要时间，但它也需要时间脱离开发过程 - 重建物理原型，测试。你只是将一些实施工作转移到较早的设计中。“

克雷格说:“这实际上远不止是一场零和游戏。“长期来看，解决问题和提高性能的成本是巨大的。现在您了解了自己构建的是什么。它不是一个设计、构建、测试的过程——然后祈祷它能起作用，或者如果不起作用，你可以修复它。”

机器制造商中有一句格言:如果在设计阶段发现的错误需要花费100美元来纠正，那么在机器制造阶段发现的错误需要花费1000美元。如果没有人注意到它，直到机器安装在客户的位置，修理它的价格上升到1万美元，这不仅包括材料，机票和工程时间。然而，它不包括不满意的顾客的成本，他们可能不会在下一次购买。“人们说他们没有时间做(机电一体化设计)，”克雷格说。“我的回答是，你没有时间不去做。如果你不这样做，你就没有竞争优势，因为你不能创新。”

节省的不仅仅是硬件成本的最小化或错误的早期检测，还包括所有权成本的降低。John Pritchard，全球产品营销经理罗克韦尔自动化（密尔沃基，威斯康星州）指向一个升级他们每分钟35件包装机的客户，以处理每分钟50件。"They called us back about six months later, around the time gas had gone to four dollars a gallon, and said, ‘Hey, can a mechatronic design approach reduce energy consumption as well?’” he recounts. “We looked to the model and we found a 64% energy reduction [from the original design]. It was there all along but we never noticed it.”

与其纯粹关注性能，机电一体化模拟可以围绕能源效率进行重铸以优化。在某些情况下，节省的能量可能很小，或者被设计中增加的硬件成本所抵消。如果在一年的时间里，节省的能源是几千美元，然而，改变的机器的成本差只有几百美元，这可能非常符合客户的最大利益。诚然，购买批准往往取决于投资回报(ROI)，但长期降低拥有成本可能是一个有力的论据。

（联合国）风险的业务
“一台机器建设者曾经对我说过，”我认为自己是在设计风险管理业务中，“”Pritchard说。“他说，'我的业务有两种基本风险：一个风险是如果我们没有创新，我们将是非竞争力的;另一个是，每次我们重新设计某些东西时，我们会打破一个规则，这是一个规则，如果它没有破坏，那就是没有修理它。“”它整齐地总结了OEM的永久困境。

当暂时坚持市场份额时，足够好，不再，好，足够好。与此同时，更改 - 特别是重新设计 - 可以创造令人讨厌的惊喜和昂贵的头痛。多年来，机器建造者辞去了新设计将涉及到开发工​​作机器的重复失败的概念。问题不是原型是否会崩溃，但有多严重。

合并电气和机械系统可能会产生意想不到的交互作用，这些交互作用要么是通过艰难的方法发现的，要么是通过机电一体化发现的。考虑一个开发低成本机械臂用于喷漆应用的团队。挑战是优化机械刚度、电机尺寸和控制动作。至关重要的是，要确保控制系统将给予手臂在各种可能的负载的所有点的稳定性，以确保油漆是在客户希望它应用的地方。MathWorks (Natick, Massachusetts)工业自动化行业经理Tony Lennon说:“在硬件原型之前使用仿真来测试机械、电气、控制和软件交互可以是一种更全面、更便宜的方法，来发现你的控制策略是不正确的。”“除了PID控制，你真的需要前馈控制来考虑一些操作区域的不稳定性。”

诚然，发现这些问题所需的模拟过程需要付出一定的努力，并伴有相关成本，但从长远来看，失败的成本可能更高。列侬说:“假设你在一个非常有价值的客户的工厂安装了一个机器人的设计版本，客户指定了一定的产量，你发现你的机器人必须慢下来，因为它不能以你同意的速度提供可重复的性能。”“客户所在的位置不是你想要发现问题的地方。”

一种方法是坚持尝试和测试的设计，但这使得自己的危险。替代方案是将基于模型的设计用作减轻风险的工具。“当我与采用机电性设计方法的机器建设者交谈时，他们的创新一般而言，他们在一架机器建设者上加速了他们所知道的机器建设者，”Pritchard说。“你如何创新和减轻你的风险的整个问题同时，这是机电一体化设计的巨大领域。“

机电一体化设计原则的使用并不意味着设计团队可以消除原型。这意味着工程团队可以在切割任何金属之前设计并优化整个机器(见图4)。当他们构建原型并进行现场测试时，他们正在验证声音设计，而不是使用原型去寻找缺陷。列侬说:“顾客会承认，他们必须摆脱这种用原型机来寻找设计错误的模式。”集成的机电一体化开发方法降低了整个设计过程的风险，并确保了客户的满意度。

特别是随着经济的复苏，整车厂需要可靠而迅速地推出高质量的产品。基于模型的设计为实现这一目标提供了强大的工具。一个公司是否有一面墙的橱柜装着机器设计并不重要;旧的方法已经不再有效了。普里查德说:“与其‘插电祈祷’，不如花点时间使用机械电子设计方法，让你对最终建成的东西有一个高度的信心，相信它会是你想要的东西。”

在本文的第二部分，我们将讨论机电一体化的实施和成功的障碍。