机电一体化助力oem走向成功

建模和仿真工具可以完成从优化组件选择到故障排除的所有工作。

多年来，机械设计遵循着一个非常简单的流程:机械工程师开发基本设计，并将其转发给电气工程师，由电气工程师添加电机和驱动器。他们又把这个项目交给控制工程师，控制工程师想出了如何使系统按预期运行的办法。这是一个基于竖井的过程，学科之间几乎没有交流。每个小组都根据自己的优先级优化设计，而不必考虑他们的决策可能对机器整体运行产生的影响。例如，为了最大限度地降低材料和机械加工的成本，机械工程师可能会要求用一块钢来制造一个固定夹具，而没有考虑到增加的惯性会显著影响轴准确和重复地到达其命令位置而不会超调或响铃的能力。在最好的情况下，这种类型的设计选择将极大地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，要求更高的扭矩电机，同时限制吞吐量。

如果设计团队在项目中应用机电原理，这些问题就可以避免。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就能指出高惯性组件的问题。通过模拟可以发现振铃和超调，从而让团队提出解决方案并建立模型。答案可能很简单，只需改用轻质铝夹具。这是一个相当简单的例子，但机电一体化为解决非常复杂的挑战提供了强大的工具。

典型的机电设计流程包括首先在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，包括电气、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，我们的仿真模型成为一个可执行的规范，因为你在模拟环境中表示系统的操作特征，”托尼列侬说，工业自动化和机械工业经理Mathworks(马萨诸塞州纳)。“模型代表了编写的需求，让每个人都能以更少的模糊性看到系统交互和性能。”

在许多机电一体化软件套件中，仿真只是一个开始。包可以提供运动剖面，可以应用于计算每个轴所需的扭矩，这可以依次用于电机和驱动器的大小。更棒的是，该软件允许团队快速评估许多不同的机械设计，找出弱点。工程师可以在任何东西建成之前探索详细的模型，完成性能预测和分析。有些包甚至可以生成和测试控制逻辑，为组件预先提供调优参数。这使设计团队非常清楚地了解系统在制造完成后的性能。

例如，分析可以用于量化不同部件的安全系数。例如，如果设计师事先知道一个部件的安全系数为20，而另一个部件的安全系数只有1.3，他们就可以修改设计，降低过度设计部件的安全系数，并提高另一个部件的安全系数。这是物理原型所不可能达到的洞察水平，缺乏循环疲劳失效分析，以确定各种部件失效前的平均时间，这可能会变得复杂、昂贵和耗时。

工具还可用于确定负载变化对性能的影响，这在当今的制造环境中非常重要，在当今的制造环境中，一台机器通常用于生产和包装各种尺寸的物品。如果负载增加，系统还能执行所需的速度吗?如果OEM需要系统运行得更快，初始设计还能工作吗?其他工具可以用来检查减速比，以确定更大或更小的变速箱是否可以提供更好的性能，或者更小的电机和驱动器是否仍然可以完成工作。

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子并添加瓶盖。然而，在其他方面，机器已经发生了重大变化。例如，动态变化变得更加苛刻。过去，每分钟300个零件被认为是高速的;如今，机器制造商和客户谈论的是每分钟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，并以最小的超调、响铃和稳定时间保持在那里。与此同时，最终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，如果他们想要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。

专门生产设备转换的Contech Inc.每种型号只生产一到两台。由于失败的空间很小，该公司使用机电一体化技术来确保不会出现意外(见图2)。多亏了当今复杂的机电一体化软件套件，才不会出现意外。康泰克机械工程师加里•沃尔夫(Gary Wolfe)表示:“在过去，它是[2d CAD]和Excel电子表格，我们可能有6到8个马达和3到4个驱动器可供选择。”“现在，我们可以在六个月或更短的时间内，从销售人员梦寐以求的一张餐巾纸草图变成一台机器。这是不可思议的——然而，我们不能以任何其他方式工作。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公司(RTT;田纳西州的Cookeville)开发了小型移动焊接平台等工业产品，这种平台可以在地面操作员的控制下爬上钢铁储罐等金属表面进行维修。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(Stephen Canfield)表示:“在没有完整的机电一体化模拟的情况下，我们试图设计一些东西，这是不可想象的。”“我们在投入一个项目之间的时间非常短，所以我们必须有一个非常接近他们期望在现场看到的设计。”坎菲尔德还是田纳西科技大学机械工程的教授，该大学从一开始就为技术专业的学生提供机电一体化的方法。

发现并解决问题
机电一体化为用户提供了一个强大的优化设计的工具，在许多方面。Rachel Jacobs，机电产品专家，罗克韦尔自动化(Mequon, Wisconsin)指出了一个冲床的例子，它使用齿轮箱和皮带将旋转运动转换为直线运动。通过建立一个精确的模型并使用机电分析软件，工程团队发现产生的扭矩中只有不到一半被用于执行有用的工作(见图3)。“当你只看整个机器时，你可以知道它使用了x个扭矩单位，或者你可以知道它需要多少功率，但你不知道这些功率去了哪里，”她说。“当你真正进行模拟时，你会看到41%的扭矩用于移动负载，而其他59%则用于所有这些不同的传动组件的损失。这告诉我，这里有一个巨大的机会，可以回头看看这种设计，以增加用于移动负载的扭矩百分比。”该团队用直接驱动直线电机代替旋转电机/皮带组合，将用于移动负载的扭矩提高到80%。这一变化还使吞吐量翻了一番，从每分钟35件增加到70件。

使用机电一体化技术使康泰克能够对客户的需求和不断变化的要求做出更大的响应。考虑一个由气动执行器提供几个运动轴的机器。当客户决定他们需要更精确的时候会发生什么?Wolfe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——不仅仅是缩回或伸展，而是一个小的悬停位置——我们将提高吞吐量。”“通过机电一体化，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。”

机电工具还可以为复杂问题提供答案。例如，对于RTT，焊接车辆的磁轨道产生一个显著的磁场，而弧焊机产生自己的磁场。两者之间有很强的相互作用;更复杂的是，这种模式不是静态的——只要机器人在运动，轨迹就会移动。挑战在于找到一种方法来评估这种相互作用。用高斯表测量磁场似乎是一个显而易见的解决方案，但它只能显示钢表面的磁场，而不能显示它是如何穿透材料的。为了全面评估问题并寻求解决方案，RTT工程团队使用机电技术进行了建模和仿真。坎菲尔德说:“你可以尝试测试，也可以做一些实证研究，但我无法想象，如果没有机电一体化，你能达到我们现在的水平。”“机电一体化设计不仅让我们解决了问题，而且我们还利用这些模型说服我们的客户，我们真的可以解决这个问题。”

使用小型无人驾驶车辆进行焊接提出了许多挑战。焊枪平移的位置和速度对最终焊缝的质量至关重要，当设备在运动时，这变得更加困难。该设计使用了链传动磁轨。由于链条本身具有可变的节距半径，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——通过控制吗?通过机械系统?坎菲尔德说:“我们通过调整悬挂驱动器来增加足够的依从性，使系统能够适应这个pitch，并结合我们的控制算法，考虑机器人的行驶速度，我们实际上能够找到一个愉快的平衡点。”

机械电子技术不仅对新产品有用，而且可以用来解决现有机器的问题，at机械电子标准和法规工程经理Razvan Panaitescu指出西门子工业公司(格鲁吉亚诺)。在他们的一个系统集成商对一台翻新印刷机进行测试时，团队注意到对精确渲染至关重要的配准点开始明显振荡。虽然纠正印刷机上印版和橡皮滚筒之间的间隙可以提高性能，但它并不能解决所有问题。Panaitescu参与开发了一个详细的模型，并在打印气缸上安装了加速度计。对机器的彻底振动和模态分析显示，共振频率表明两个打印单元的齿轮传动系统存在进一步的机械问题(见图4)。“我们将听诊器放在患者身上——在这种情况下，是驱动器和压缸，”他说。“通过分析，我们确定啮合频率表明链轮/齿轮有问题。”最后的来源证明是一个不正常的角度孔上的齿轮和链轮总成。更换部件解决了问题。

向机电一体化的转变需要文化的改变。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企业认为他们没有的时间。他们需要重新思考。多年来，机械制造商一直在通过将气动和定速电机替换为运动控制来满足市场需求，从而提高性能。随着终端用户要求更快、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，他们需要提供能够在最高水平上运行的系统，所有这些都在极短的设计周期和最低的预算范围内。考虑到所有这些相互冲突的要求，问题不是公司是否有能力投入时间学习机械设计的机电一体化方法，而是他们是否有能力不投入。

沃尔夫说:“它的预算基本上令人震惊。”“一个价值5000美元的3d CAD软件和一个运动分析仪包可以让一家公司变得精简和简单，并与一家拥有价值数十万美元的软件和工具的工程公司竞争。如果你想要有竞争力，我不明白你为什么不能使用这些东西。”