博世力士乐庆祝在美国成立40周年

建模和仿真可以为用户提供很大的好处，只要他们小心地避免陷阱。

机电一体化是指基于物理和数学模型和仿真的机械制造的系统工程方法。该方法涵盖了系统的机械、电气、控制和软件方面，提供了一种经济有效的方法来探索设计选项，并为给定的一组设计约束寻找最佳可能的解决方案。“机电一体化方法的核心是头脑风暴可能的设计，”罗克韦尔自动化公司(威斯康星州密尔沃基市)全球产品营销经理约翰·普里查德说。“你构思出整个可能的解决方案，花时间建模，然后构建一个虚拟原型，看看可能的结果。显然，模拟并不完美，但它肯定是一个很好的指标。”在第一部分在这篇文章中，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。

一个好的方法是从一个目标和第一个近似开始，普里查德将其描述为中性的设计声明——例如，机器需要在给定的时间内将一个5磅的负载从A点移动到B点。基本的物理约束是无法改变的。这个想法是做一个快速的健全检查，以确保中立的设计陈述是现实的，然后真正的工作开始。

机械电子学背后的想法是让机械、电气、控制和软件工程师合作，以产生整个系统的单一集成模型。他们建立有效载荷、机械、马达、反馈、驱动和控制的模型。这个过程可能从机械设计开始，然后由电气工程师，控制工程师，软件工程师，在一个协作的环境中进行增强。不同的元素可能源于不同的设计工具，但它们都是在一个协作的环境中结合在一起的。一旦团队建立了从负载到控制的整个机器的模型，他们就可以开始模拟性能并评估差异变化的影响(见图1)。

“你可以玩它。你可以看到如果你改变支架的材料或变速箱的减速比会发生什么，”普里查德说。“你可以看到如果增加合规会发生什么，因为合规和反弹往往会让你大吃一惊。”即使对负载和扭矩的最佳分析也可能在不可预见的动态影响面前变得无关紧要。“说你遵守了系统的规定。系统中的马达可以激发这种顺应性最终有效载荷会以一种你想象不到的方式振动。利用机电一体化技术，我们现在可以建立模型，并在理想情况下完全避免这种情况。”

这个过程有时可以提供大量的候选设计。关键是把这些候选人筛选成几个有价值的人选。Prichard引用了一个包装OEM客户的例子，他使用机电一体化方法来探索现有机器设计的变化。“他们几乎被20种可能的解决方案淹没了，”他说。“他们让一些学生在夏天来到这里，为这20种不同的机器构建虚拟样机，这样他们就可以运行这些机器，然后了解哪些是最佳的候选机器。我想最后他们缩小了范围，做了两个实际的原型，看看哪一个效果最好。从客户那里得到的反馈是，他们能够快速获得优化设计，并在这个过程中节省了超过10万美元。这必须是如何做到这一点的光辉榜样。”

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.”

有了正确的软件工具，测试可以扩展到实时模拟运行的控制器的面包板版本，或者在具有模拟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，然后逐步升级到集成测试。有了一个精心设计的、全面的模型，仿真环境就可以满足所有这些要求。团队的多个组可以处理各自的模拟部分，然后通过专门的接口将这些部分连接在一起。各个部件可以连接在一个单一的环境中，这既简化又加快了集成过程。

艰难时期
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。

这一过程已经在大学层面展开。在全球范围内，工程学校正在开设学位课程，甚至开设机电一体化系，学生从第一天起就接受全面、多学科的培训。他们可能不是某一学科的专家，但他们了解不同领域之间的关系以及它们之间的相互作用。

一个有时被忽视的重要元素是产品营销人员和设计过程的包含。大多数产品从一开始就规定了成本和性能数字。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，但只能以降低性能水平为代价。然而，如果结果是一台速度较慢的机器在市场上无法提供竞争优势，那么进行这种练习就没有意义了。在这个关键时刻，市场营销人员的加入有助于设计团队理解哪些权衡是可以接受的。

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．(格鲁吉亚诺)。“这才是机电一体化的真正价值开始显现的地方。”

在筒仓环境中，问题往往会导致指斥。例如，如果负责机器控制的控制工程师发现不稳定，他或她可能会指责执行机构或连杆的选择不当，或者可能是机器中隐藏的共振。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，尤其是如果它利用了控制设计工具的话。

如果控制工程师可以使用机械提供通过CAD模型数据和模拟的动态行为机械设计通过控制算法应用到现有的模型,它可以消除这些冲突(参见图3)。实际上,合适的开发工具可以促进协作。“机械人员和控制人员说两种不同的语言，”Christian Fritz说，他是该公司的运动和机械电子产品经理国家仪器(德克萨斯州奥斯汀)。“拥有帮助他们合作的工具可以减轻很多痛苦。集成设计工具提供了一种通用的语言，同时支持开发团队通过分析机械部件、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建模机电系统。列侬指出，理想的软件将把机械数据——部件质量、惯性张量、连杆和关节的物理拓扑——从3D CAD模型导入到框图模型中。他说:“框图模型用于模拟机器动力学，以设计控制系统，而3D CAD模型用于分析静态和动态负载造成的应力。”“重要的是，这两个模型代表了相同的动态系统，因为它们使用了相同的设计数据。”控制工程师可以利用这个模型运行模拟，作为控制系统设计过程的一部分，测试开环和闭环控制策略。模拟控制系统甚至可以使用状态模型来设计，以允许机器在不同的操作条件下支持不同的调谐参数。

在一个完美的世界里，这些模型将允许工程师输入电机和驱动器等电子元件的参数，这样他们就可以相当容易地调整电机。一个挑战是，电机参数可能是指稳态条件，而不是那些经历的电机动态使用速度或位置控制。一个解决方案是用一个测力计来测量电机的特性，从而可以调整动态模型的一些值。

最重要的是，软件工具需要直观和快速。机器制造商在工期的压力下工作。除非软件使用起来相对快速和简单，否则机器制造商不太可能争分夺秒地采用它。”

将数据转化为智能
当然，如果你不知道如何解释结果并对其采取行动，那么世界上所有的模拟都是无用的。在基于模型的设计中，从大量数据中提取智能的过程可能是唯一的最大挑战。当然，软件可以通过模拟不同的电机大小来优化性能，但要想利用超出这一简单水平的智能，就需要工程技术。

Panaitescu说:“你需要那种新型的机械电子工程师，他们可以打开模拟，然后说，‘我们必须对这个特定的点或特定的组件做些什么来改进’。”“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，并给出好的建议。相反，他们依靠试验和错误，或有经验的人，他们不看模拟，他们看已经建成的机器，用螺丝刀来解决问题。”问题出现的时候，即使是资深工程师也不能解决这个问题，或者他们转到另一家公司。

“即使它工作,如果你不明白为什么它的工作原理,当它真的被打碎时——它会或当客户想要更多的功能,更好的性能——和他/她将你不能交付,”凯文·克雷格说,罗伯特·c·格林瀚克通风设备(椅子马奎特大学工程设计(密尔沃基,威斯康星州)。

机械电子建模可以帮助公司交付，但只有当方法被适当地利用。Panaitescu说:“现在每个人都可以模拟。“很难找到能够真正解释结果并纠正最初错误的人。”公司需要专注于寻找或开发工程师，他们既能将刚毕业的大学生的建模悟性与经验丰富的工程师的直观性结合起来。开发这种专门技术可能需要时间和金钱，但结果是值得的。

克雷格说:“如果你现在不投资于你的员工，把他们带到一个新的水平，你就不会有创新。”“在经济形势下，现在是投资于你的劳动力的时候了，现在是真正改变的时候了，因为当经济好转时，你会从中获得竞争优势。”