虚拟原型设计速度机器开发

通过建模和仿真，设计团队可以在机械设计的同时开发控制解决方案，最大限度地减少原型，以节省成本，并将产品迅速推向市场。

那里时光机的建造有四个步骤:设计、建造、测试——然后希望它能成功。如今，原始设备制造商越来越多地利用建模和仿真工具来提高他们的成功率。利用机电原理，他们可以增加创新，同时降低风险。在2009年，我们讨论了机电一体化(见第一部分和第二部分)。现在，让我们更仔细地看看早期采用者是如何通过应用具有详细建模的系统级方法获得成功的。

传统的机器制造流程是机械工程师设计整体结构，然后引入电气工程师，电气工程师将系统交给控制工程师，再由控制工程师转交给软件工程师。最后，大家一起对结果进行故障排除。因为故障排除在这种竖井环境中几乎是不可避免的，所以在规程之间可能会有摩擦。

“一些机器制造商在建造他们的系统时，没有考虑到控制、电机、驱动或软件，”凯文·克雷格(Kevin Craig)说，他是马凯特大学(Marquette University)工程设计罗伯特·c·格林海克(Robert C. greenheeck)主席。“当出现故障时，他们的第一反应是责怪发动机、驱动或软件，而不是说，‘好吧，下次我们设计这台机器时，让我们想想我们在做什么，并以基于模型的方式来做。’”

Mechatronics允许团队在投入物理原型之前发现机械问题，而不是在投入物理原型之后(见图1)。高级机器控制和机器人产品经理国家仪器（德克萨斯州奥斯汀）。

考虑机器人和定位设计公司Square One design Inc.，它是美国国家仪器公司的客户，为各种市场提供定制自动化解决方案。厌倦了从头开始每个项目，公司决定开发一个灵活的平台，他们可以很容易地修改来满足客户的需求，无论是从机械角度还是从控制角度。

这个过程说起来容易做起来难。“这对他们来说是一个挑战，尤其是控制设计团队;要测试一个能够处理所有这些变化的控制系统，要么需要大量的猜测，要么需要大量的物理原型，”Fritz说。相反，他们选择将虚拟原型工具与CAD模型相结合，以在虚拟空间中试验物理系统的行为(参见图2)。

他们的努力制作了一个易于定制的平台。现在，他们可以向客户展示产品的详细型号，确保任何重大的机械问题都已制定出来。如果客户更改订单，工程师可以运行模拟，以确保控制软件将工作，即没有意外的机械问题，如修改的过度合规性的碰撞或谐振振动。

虚拟原型制作
NI的另一个客户Biorep技术公司生产用于分离人类胰腺细胞的分析仪器。这是一个复杂的过程，导致第一代仪器具有20个不同的子系统，包括5个多轴运动。与人机界面相比，控制器需要不同的平台和编程语言，而人机界面与伺服和步进电机需要不同的设置。

当是时候开始Biorep的下一代产品时，设计团队决定从开头开始，使用基于模型的设计开发的模块化平台。该方法允许BioRep轻松为不同用户自定义仪器，同时简化其供应链，简化了从学习四个硬件/软件平台到一个的培训，以及切割维护成本。

新平台具有多个协调运动轴。该公司使用CAD程序和建模软件来开发和测试许多虚拟原型，模拟系统对各种运动配置文件的响应。他们不仅能够避免昂贵的错误，他们能够将他们的开发时间削减为一半，同时使用现成的控制软件和驱动程序。

“他们的目标是将设计过程并行化，”Fritz说。“虚拟样机技术基本上允许控制工程师在实际样机出现之前就开始进行控制设计工作。特别是对于小型设计团队来说，这是一大优势。”

机电一体化方法的最大好处之一是它使设计过程更有效率。他们可以从一开始就涉及到控制工程师，而不是机械工程师将原型的图片交给控制工程师。启动CAD设计甚至不需要携带大量的细节，只需要主要质量和惯性。全球OEM技术顾问阿德里亚诺•达席尔瓦说:“例如，机械臂的连杆可以被建模为具有等效惯性的实心杆罗克韦尔自动化（梅隆，威斯康星州）。在最终设计阶段之前，控件工程师用足够的数据武装，开始工作控制结构和代码。如果他们发现机械系统的动态性能问题，他们可以在发生原型出现之前将它们升到整个项目团队（见图3）。“机械，电气和控制设计可以并行和以集成的方式开发，而不是串联，这是一种传统的机器设计方法，”他补充道。结果更快，成本较低。

一旦存在运动配置文件，设计团队将知道每个轴所需的扭矩。他们可以继续选择电机和驱动器，在虚拟系统中测试它们以检查动态，搜索合规性问题。当第一个物理原型建立时，它将在没有主要问题的情况下根据需要执行很高的可能性。

当然，这并不能消除对系统进行微调以解决任何残余共振的需要。它不会指示如何阻尼振动，但它可以用来模拟阻尼的影响，以便工程可以确定他们的响应是否有效。大多数情况下，基于模型的设计有助于在启动物理原型时防止出现丑陋的意外情况。它简化了开发过程，从而使控制工程师有更多的时间在过程后端对真实的物理系统进行微调，并优化它以获得更高的性能。

重新开始的自由
机电一体化也为创新开辟了道路。由于涉及成本损失，机器制造商往往不会从头开始设计，而是从现有的模型开始。虚拟原型让他们能够探索新的概念，而无需在一系列可能行得通或行不通的原型上投入大量资金。弗里茨说:“他们可以做出改变，并进行模拟，以了解它是否真的是个好主意，或者它只是在周五下午看起来是个好主意。”

Fritz指向生产流体分配机的另一位医疗客户。他们的基本设计使用了高速铅螺钉，将灌装头移动在紧密间隔的小瓶中。未经任何合规性问题，导通螺丝在没有任何合规性问题致动器它不仅笨重且昂贵，还需要定期润滑，这可能会造成制药行业不愿看到的污染问题。该公司试图更新他们的设计，采用更轻、更便宜、更清洁、更强劲的驱动器技术，如皮带驱动器。

这不是一次渐进式的更新，而是一次重大的设计转变。如果使用传统的方法，他们将不得不构建多个原型来探索动态行为并根除任何遵从性问题。相反，他们转向基于模型的设计。与虚拟样机,他们能够分析振动,确保如果由皮带传动,例如,填补头仍然能够分发流体容器到他们想要的——而不是震动,以至于会过头,邻瓶误。

虚拟原型设计并不完全消除构建物理原型的需要，但大大减少了到最终版本所需的数量。更重要的是，它有助于OEM避免使用时间表增加成本和肆虐的错误设计错误。“在你的机器的最终验证测试之前，制作错误的设计决定并没有意识到这一点？这可能不可避免多么昂贵，”Fritz说。“如果你必须在发展过程的延迟阶段重新设计，那么金额就会非常重要。”

一旦粗略的设计和控制结构到位，下一步就是为每个轴指定电机和驱动器。该仿真软件可以同时对多个轴的相互作用进行建模，对机械臂的设计具有一定的指导意义。在包装机械的情况下，通常轴可以独立建模。软件从控制剖面开始，并确定运动所需的扭矩量。有了扭矩信息，其他软件就可以简单地选择合适的电机和驱动来提供所需的运动。

这就把我们带到了机器制造过程中让工程人员冒冷汗的部分:测试。他们投入了如此多的时间和金钱在原型上，当他们按下开关时，它能正常运行吗?还是会出现意想不到的事情?通过机械电子仿真，虚拟设备在整个过程中进行测试，以揭示动态力的影响。例如，一个轴在缓慢运动时可能相当稳定，但如果它在负载和电机之间有很高的惯性不匹配，它可能在高速时不稳定。一个耦合可能会被证明过于顺从。小直径的轴可以起弹簧的作用。利用机电一体化技术，设计人员可以发现并确定这些问题的解决方案。

通过模拟多个坐标轴，工程团队可以确定设计的机械特性是否符合机械规范。电机和驱动能否在转矩和速度方面满足应用要求?这将创造一个稳定的解决方案还是它需要一个不同的传动比或更高的转子惯性?模拟甚至可以帮助确定优化驱动器增益的良好起点，并可以揭示系统是否需要利用观察者控制以提高性能。da Silva补充说:“可以通过模拟获得驱动器的初步优化，以避免不必要的能源、时间和材料成本，这些成本将用于确定这些设置，而机器已经建成。”

缺点是，这个过程可能需要大量的计算。例如，美国国家仪器公司的软件利用一个物理引擎来完成这项工作。在模拟过程中，处理软件的同一台PC可能也需要运行物理控制器，这可能会让事情陷入僵局。使用具有大量RAM的高速处理器和用于处理3-D可视化的独立高速显卡，对于适当的响应至关重要。

机电一体化的好处是不可否认的，设计社区逐渐上行。如今，使用建模和仿真是常见的，但从项目开始到实现的机器和日常维护仍然是早期采用者的省份。鉴于这种方法的好处，这只是一个时间问题。克雷格，一个，预测技术来自这项技术。“如果您拥有此建模环境，并且您使用它和每个人都会参与，那么您如何选择电机以及设计系统的设计应该如何急剧变化。”