机电一体化推动OEM成功

建模和仿真工具可以从优化组件选择到故障排除问题。

多年来，机器设计遵循着一个非常简单的流程:机械工程师开发出基本的设计，然后将其转给电气工程师，后者再添加电机和驱动器。接着，他们把这个项目交给了控制工程师，他们找到了让系统按预期运行的方法。这是一个基于竖井的过程，各学科之间几乎没有交流。每个小组都根据自己的优先次序优化了设计，而不必考虑他们的决策对整个机器运行的影响。例如，为了使材料和加工成本最小化，机械工程师可能会要求用一块钢制造一个固定夹具，不要考虑这样一个事实，即增加的惯性将显著影响轴准确和重复到达其控制位置而不超调或振铃的能力。最好的情况是，这种类型的设计选择将大大复杂化控制工程师的任务;在最坏的情况下，它可能会增加系统成本，因为它需要一个更高扭矩的电机，同时限制吞吐量。

如果设计团队将机电原理应用到项目中，这样的问题就可以避免。机电一体化是一种基于跨学科输入的设计方法，通常使用建模和仿真技术来快速交付更有效的设计(见图1)。在上面的例子中，控制工程师可能很容易指出高惯性组件的问题。模拟将揭示铃声和超调，让团队提出和建模解决方案。答案可能很简单，只需改用轻质的铝制灯具。这是一个相当简单的例子，但机电一体化提供了一个强大的工具来解决甚至高度复杂的挑战。

典型的机电图设计流程涉及首先在3-D CAD软件中开发模型。然后，用户可以将机械数据导入系统级仿真，涉及电气，机械和控制行为的组合，以评估集成系统的性能。“我们喜欢说我们的模拟模型成为可执行规范，因为您可以代表仿真环境中系统的操作特性，”工业自动化和机械行业经理Tony Lennon说：Tony Lennon说Mathworks(马萨诸塞州纳)。“这个模型代表了书面的需求，让每个人都能看到系统的交互和性能，而不那么模糊。”

在许多机电一体化软件套件中，模拟只是开始。封装可以提供可以应用的运动轮廓来计算每个轴所需的扭矩，这可以转向尺寸电机和驱动器。甚至更好，软件允许团队迅速评估许多不同的机械设计，识别弱点。工程师可以探索详细的型号，完成性能预测和分析，然后是遍布建造的。有些软件包甚至可以生成和测试控制逻辑，以为提前的组件提供调整参数。这为设计团队提供了非常清楚地了解系统将如何执行一次制造。

例如，分析可用于量化不同部件上的安全因子。如果设计人员提前知道一部分的安全系数为20，另一部分只有1.3的安全系数，例如，它们可以修改设计以减少过度设计的部分的安全系数，并增加安全系数其他。它是一种洞察力的洞察力，但物理原型是不可能的，缺乏循环疲劳失效分析，以确定各个部件失败前的平均时间，这可以得到复杂，昂贵和耗时的。

工具还可用于确定负载变化对性能的影响，在当今的制造环境中很重要，其中一台机器通常用于在一系列尺寸范围内生产和包装物品。如果负载增加，系统是否可以执行所需的速度？如果OEM需要系统更快，最初的设计是否会工作？其他工具可用于检查减少比率以确定更大或更小的齿轮箱是否可以提供更好的性能或是否仍然可以执行较小的电动机和驱动器。

更快，更好的解决方案
就实际功能而言，今天的机器与十年前的机器几乎没有什么不同——例如，装瓶机仍然将液体装入瓶中，并添加瓶盖。然而，在其他方面，机器已经发生了巨大的变化。例如，这种动力变得更加苛刻。过去，每分钟300个零件被认为是高速;今天，机器制造商和客户谈论每分钟400个零件。现在，挑战不仅仅是到达位置，而是在很短的时间内到达位置，并在最小的超调、振铃和沉淀时间内停留在那里。与此同时，终端用户需要不断提高的定制水平，这意味着通过构建和排除多个原型来完善设计不再可行。如果机器制造商想要有竞争力，他们需要提供更复杂的解决方案，如果他们想在合理的时间内将这些机器推向市场，他们需要更复杂的工具。

专门生产转换设备的Contech Inc.每种型号只生产一到两种。由于几乎没有出现故障的空间，该公司使用机电一体化技术来确保不会出现意外(见图2)。多亏了今天复杂的机电一体化软件套件，不会出现意外。“在过去，这是[2d CAD]和一个Excel电子表格，我们可能有6或8个电机和3或4个驱动器可供选择，”加里·沃尔夫(Gary Wolfe)说，他是Contech的机械工程师。“现在，我们可以在6个月或更少的时间里，从销售人员梦想的一张餐巾纸草图变成一台机器。这很神奇——然而，我们不能以其他方式运作。如果我们试图回到过去的方式，我可以看到我们的成本翻倍。”

田纳西州机器人技术(RTT;(田纳西州库克维尔)开发了工业产品，如小型移动焊接平台，它可以在地面操作员的控制下，爬上金属表面(如钢铁储罐)进行维修。作为一家小公司，该公司利用机电一体化技术以最少的资源快速开发原型。RTT的负责人斯蒂芬•坎菲尔德表示:“如果没有完全集成的机电模拟，我们就无法设计出某种东西。”“我们投入项目的时间很短，所以我们的设计必须非常接近他们的预期。”加菲尔德还是田纳西理工大学机械工程教授，该大学从一开始就为技术专业的学生提供机电一体化的课程。

发现和修复问题
Mechatronics为用户提供了一种强大的工具，以多种方式优化设计。瑞秋雅各布，机电一体化产品专家，罗克韦尔自动化（梅隆，威斯康星州），指向使用齿轮箱和皮带的打孔机的示例，以将旋转运动转换为线性运动。通过建立准确的模型和使用机电分析软件，工程团队发现，所产生的扭矩的不到一半用于执行有用的工作（参见图3）。“当你看看整个机器时，你可以告诉它使用X次数扭矩单位，或者你可以告诉它需要多少力量，但你不知道该电源在哪里，”她说。“当您实际执行模拟时，您可以看到41％的扭矩将移动负载，另一个59％进入所有这些不同的传输分量损耗。这告诉我，这里有一个巨大的机会来回去看，看那个设计，增加扭转扭矩的扭矩百分比。“该团队取代了一种直接驱动线性电机，用于旋转电机/皮带组合，驱动扭矩施加的扭矩，使负载高达80％。该更改也增加了每分钟35份到70的吞吐量加倍。

使用机电一体化技术使得Contech能够更快速地响应客户的需求和不断变化的需求。考虑一台由气动执行器提供服务的有几个运动轴的机器。当客户决定他们需要更精确时，会发生什么?沃尔夫说:“假设我们有两个位置，突然我们意识到，如果机器有一个中间位置——不仅仅是收缩或扩展，而是一个小的悬停位置——我们将提高产量。”“有了机电一体化技术，我们可以告诉客户，一个成熟的伺服轴可能需要8000美元，但他们的生产率将提高10%。这使得管理层能够迅速做出明智的决定。”

机电调整工具还可以为复杂问题提供答案。对于RTT，焊接车辆的磁轨道，例如，产生显着的磁场，而电弧焊机会产生自己的田地。两者之间存在非常强烈的互动;为了进一步复杂化，模式不是静态 - 轨道在机器人处于运动中的任何时候移动。挑战是寻找评估该互动的方法。用高斯仪测量领域似乎是一个明显的解决方案，但它只能在钢的表面上显示该领域，而不是它如何穿透材料。为了充分评估问题并寻找解决方案，RTT工程团队使用机电技术进行建模和仿真。“你可以尝试测试，你可以做一些实证研究，但我无法想象你可以在没有机电一体化的情况下到达我们没有机电一体化的地方，”坎菲尔德说。“机电性设计允许我们不仅解决问题，但我们也使用这些模型来说服客户，我们可以真正照顾它。”

用小型无人驾驶汽车进行焊接存在许多挑战。焊枪移动的位置和速度对最终焊缝的质量至关重要，这在装置运行时变得更加困难。该设计采用链条驱动的磁轨。因为链条本身具有可变的螺距半径，这意味着对于电机的恒定转速，平台的速度根本不是恒定的，这在焊接过程中是不可接受的。问题是团队应该如何最好地补偿这种行为——通过控制?通过机械系统?坎菲尔德说:“我们实际上能够找到一个折衷的方法，通过调整我们的悬挂驱动器，增加足够的顺应性，使系统能够适应这种音调，结合我们的控制算法的紧密性，观察机器人的移动速度。”

拉兹万·帕纳特斯库(Razvan Panaitescu)表示，机电技术不仅对新产品有用，还可以用于解决现有机器的问题西门子工业公司。（诺克斯，格鲁吉亚）。在通过其系统集成商之一进行改造印刷机的测试期间，团队注意到对准确渲染至关重要的注册点已经开始明显振荡。虽然纠正了板材和毯子缸之间的差距，但在压力机上提高了性能，但它没有照顾一切。Panaitescu介入开发详细的模型，并将加速度计放在打印缸上。对机器的彻底振动和模态分析显示了谐振频率，在两个打印单元上指示齿轮系中的进一步的机械问题（参见图4）。“我们将听诊器放在患者身上 - 在这种情况下，驱动器和压缸，”他说。“从我们的分析中，我们确定网格频率指示链轮/齿轮问题。”最终来源被证明是齿轮和链轮组件上的非正常角孔。更换组件解决了问题。

向机械电子方法的转变需要一种文化变革。对于某些行业的一些公司来说，这可能是一个挑战。学习新技术可能需要一些组织认为他们没有的时间。他们需要重新考虑。多年来，机械制造商一直在响应市场需求，通过更换气动和固定速度电机的运动控制来提高性能。由于终端用户要求更快和更可配置的产品，电子轴系提供的操作灵活性是不够的。机器制造商需要设计灵活性，他们需要在极短的设计周期和极低的预算下交付能够执行最高水平的系统。考虑到所有这些相互冲突的要求，问题不再是一家公司是否有能力投入时间和学习机械电子技术来进行机器设计，而是他们是否有能力不这样做。

“这是一项基本上令人惊讶的预算所做的，”沃尔夫说。“3-D CAD软件和运动分析仪包的5000美元座椅允许公司倾斜，卑鄙，并与具有数十万美元的软件和工具的工程公司竞争。如果你想成为竞争力，我看不到你如何不能使用这些东西。“