机电一体化第II部分：将基于模型的设计付诸实施

建模和仿真可以为用户提供大益处，只要他们注意避免陷阱。

机电一体化是指基于物理模型和模拟的机器建筑的系统工程方法。该方法涵盖了系统的机械，电气，控制和软件方面，提供了一种经济高效的方式来探索设计选项，并寻找给定的一组设计约束的最佳解决方案。“机电方法的核心是罗克韦尔自动化（威斯康星州密尔沃基）的全球产品营销经理John Pritchard的设计。“你想象整个潜在的解决方案，你花时间建模，你建立了一个虚拟原型来看待可能的结果。显然，模拟并不完美，但它肯定是一个很棒的指标。”在第I部分在这篇文章中，我们讨论了这个理论。现在，让我们仔细看看机电性设计方法如何实现和避免的陷阱。

一种良好的方法是从一个目标和第一近似开始，PROCITCAR表征为中性设计语句 - 例如，机器需要在给定时间内从点A到点B中的5-LB负载。存在根本无法设计的基本物理限制。这个想法是做一个快速的理智检查，以确保中立的设计陈述是现实的，那么真正的工作就开始了。

Mechatronic背后的想法是为机械，电气，控制和软件工程师进行协作以产生整个系统的单一集成模型。它们模拟有效载荷，机制，电机，反馈，驱动器和控制。该过程可以从机械设计开始，由电气工程师，控件工程师，软件工程师，所有在协作环境中获得。不同的元素可以源自不同的设计工具，但这一切都会在协作环境中聚集在一起。一旦团队通过控制器建立了整个机器的模型，他们就可以开始模拟性能并评估差异变化的影响（见图1）。

“你可以和它一起玩。如果你改变括号的材料或变速箱的减速比，你可以看到会发生什么，”Pritchard说。“如果添加合规性，你可以看到会发生什么，因为两个大事这可能会给你一个惊喜往往遵守合规和反弹。“即使是负载和扭矩的最佳分析也可能在易于动态效果方面变得无关紧要。“说你在系统方面符合要求。系统中的电机可以激发合规性，并且您可以通过振动的方式充满振动你真的没有想象。使用机电一体化，我们可以模拟现在，理想地避免完全避免这种情况。“

该过程有时可以提供强大的候选设计数量。关键是将这些候选人赢得了少数值得追求的候选人。Prichard引用了一种包装的OEM客户，他们使用了机电方法来探索现有机器设计的更改。“他们几乎不堪重负20个潜在的解决方案，”他说。“他们让一些学生在夏天进入并建立了那些20种不同机器的虚拟原型，以便他们能够运行它们，然后了解哪个是最好的候选人。我想最后，他们缩小了它并建立了两个实际的物理型原型，以了解哪一个效果最佳。客户的反馈是他们能够快速追踪到优化的设计，并节省超过10万美元的过程。必须是如何做到这一点的闪亮例子。“

这一切的关键方面是，该团队可以全面地测试其设计，最低支出（见图2）。“You can start having your conversation between the various disciplines of mechanical, electrical, control, and software engineers and say, ‘Look, under these operating conditions we see a certain resonance here and we think it's caused by the masses in this part,’ or ‘There's friction in the system causing a lot of hysteresis, we're getting overshoot on the mechanism,’” says Tony Lennon, Industry Manager for Industrial Automation at The MathWorks (Natick, Massachusetts). “You can have a much more realistic discussion about where the design trade-offs need to be made - can we reduce the mass here, reduce the size of this motor, etc.”

使用合适的软件工具，测试可以扩展到运行实时仿真的控制器的面包板版本，或在具有模拟I / O的实际机器上运行的计算机模型。这个想法是首先用机器单独测试不同的组件，然后毕业到集成测试。使用精心设计的全面模型，模拟环境可以容纳所有这些。该团队的多个组可以在其各个部分上工作，然后与专用接口一起绑定。各个部件可以在单个环境中连接，两者都简化并加速了集成过程。

挑战时代
基于模型的设计是一种强大的技术，但与任何其他技术一样，它带来了某些挑战。通常，最大的问题不是机械或电气或软件工程，这是人类因素。机电一体化方法与大多数工程组织的长期站立，围岩文化进行逆行。无论是在私营部门还是在大学，各个部门通常都存在各种学科。“这是一个常设的笑话，”Pritchard说。“我正在与机械设计的机械工程师交谈。我问他是否经常与电器谈话，他说，”除非我必须。“即使在电气工程等部门，控制或嵌入式系统等各种子学科也可能会将其分发到自己的群体中。为了充分实现机电一体化的好处，组织需要努力移动过去这种孤岛心态。

该过程已经在大学层面进行。在全球范围内，工程学校正在开放学位课程甚至是机电一体化的部门，其中学生在一天的一天中训练，多学科视角。他们可能不是任何一个学科的专家，但他们了解不同的领域如何互相涉及和它们之间的相互作用。

有时被忽视的重要因素是包含产品营销人员和设计过程。大多数产品具有从一开始指定的成本和性能编号。在优化过程中，设计团队可能会发现他们可以满足成本目标，但仅以减少性能水平为代价。如果结果是在市场上没有提供竞争优势的较慢机器，但是，通过练习就没有意义。在这个关键时段列入营销人员有助于设计团队了解哪些权衡是可接受的。

集成工具
对于可用的所有复杂软件包，挑战仍然存在于基于模型的设计。机电一体化需要一个中央建模环境，其中机械，电气，控制和软件工程师都可以访问最新结果，并且群组确定如何最好地进行权衡以优化整体性能。“一切都应该集成，所以一旦模拟完成，每个人都会看到它，每个人都可以访问结果或对可能的设计变化的原始数据，”工程经理，机电调整支持，工程经理，西门子工业公司。（诺克斯，格鲁吉亚）。“这就是机电一体化真正开始展示的真正价值的地方。”

在筒仓环境中，问题一切都经常导致指纹。If a controls engineer working on the controls for a machine finds instabilities, for example, he or she may blame the improper choice of actuators or linkages, or perhaps hidden resonances in the machine.与此同时，机械工程师可能会质疑控制工程师模型的准确性，特别是如果它利用控制设计工具。

如果控件工程师可以使用通过CAD模型提供的机械数据并通过简单地将其控制算法应用于现有模型来模拟机械设计的动态行为，它消除了其中一些冲突（见图3）。实际上，正确的开发工具可以促进合作。“机械家伙和控制器家伙讲两种不同的语言，”运动和机电一体化的产品经理Christian Fritz说国家文书（德克萨斯州奥斯汀）。“有帮助他们合作的工具需要很多痛苦。集成设计工具提供了一种通用语言，并支持开发团队，通过同时分析机械组件，电子和控制算法来优化整体设计。“

通常，系统和控制工程师使用框图来模拟机电调谐系统。Lennon Notes将3D CAD模型导入联动和关节的机械数据 - 元件群体，惯性张力和物理拓扑，与3D CAD模型进口到框图模型。“框图模型用于模拟机器动态以设计控制系统，与3D CAD模型不同，用于分析由静态和动态负荷引起的应力，”他说。“重要点是两种模型代表相同的动态系统，因为它们使用相同的设计数据。”控件工程师可以利用此模型作为控制系统设计过程的一部分运行模拟，测试开环和闭环控制策略。甚至可以使用状态模型设计模拟控制系统，以允许计算机在不同的操作条件下支持不同的调谐参数。

在一个完美的世界中，模型将允许工程师进入电机和驱动器等电气元件的参数，以便它们可以相当容易地调整电机。一个挑战是电机参数可以指稳态条件，而不是动态用于速度或位置控制的电机经历的那些。解决方案是使用测功机表征电动机实际测量一些可以允许调谐动态模型的值。

最重要的是，软件工具需要直观且快速。机器建造者在永久期限压力下运行。除非软件相对速度和易于使用，否则机器建筑商不太可能采用反对时钟。“

将数据转换为智能
当然，如果您不知道如何解释和行动，世界上所有的模拟都没用。从基于模型设计中的数据量提取智能的过程可以是最大的挑战。当然，通过使用电机尺寸的变化运行模拟来优化性能，例如，但是利用超出这种简单级别的智能需要工程技能。

“你需要新型的机电一体化工程师，他们可以开辟模拟和说，”我们必须对这个特定的位置或特定的组件进行一些事情来改进，“”Panaitescu说。“这就是为什么许多公司最终放弃使用模拟，因为他们很少有内部能力立即发现错误的根本原因并给出良好的建议。相反，他们依靠试验和错误，或者在没有看待模拟的经验者上，他们看起来已经建造的机器并配合螺丝刀并解决问题。“当资深工程师无法解决问题时，问题都会出现，或者他们转向另一家公司。

“Even if it does work, if you don’t understand why it works, when it breaks - and it will - or when the customer wants more features, better performance - and he/she will - you can’t deliver,” says Kevin Craig, Robert C. Greenheck Chair in Engineering Design at Marquette University (Milwaukee, Wisconsin).

机电调整建模可以帮助公司交付，但只有当该方法正确杠杆时才。“每个人都可以模拟现在，”Panaitescu说。“找到能够真正解释结果并纠正原来的错误的人更难。”公司需要专注于寻找或开发开发工程师，他们可以将最近大学毕业生的型号普动与老师工程师与螺丝刀的直观相结合。这种专业知识可能需要时间和金钱来发展，但结果值得。

“如果你现在不投资你的劳动力，并将他们带到这个新的水平，你就不会创新，”克雷格说。“随着经济形势，现在是投资于员工的时候，现在是时候真正改变，因为当经济转身时，你会带来竞争优势。”