虚拟样机加速了机器开发

通过建模和仿真，设计团队可以开发与机械设计并行的控制解决方案，最大限度地减少原型设计，以节省成本并快速将产品推向市场。

在那里是一台时间机器，建造有四个步骤:设计、建造、测试——然后希望它能工作。如今，整车厂越来越多地利用建模和仿真工具来提高他们的成功率。利用机电一体化原理，它们可以增加创新，同时降低风险。2009年，我们讨论了机电一体化第一部分而且第二部分)。现在，让我们更仔细地看看早期采用者是如何通过应用带有详细建模的系统级方法来获得成功的。

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，电气工程师把系统交给控制工程师，控制工程师再把系统交给软件工程师。最后，每个人都联合起来对结果进行故障排除。因为在这种竖井环境中，故障排除几乎是不可避免的，所以规程之间可能存在摩擦。

“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、驱动器或软件，”凯文·克雷格说，他是马凯特大学工程设计专业的罗伯特·c·格林赫克主席。“当事情出了问题时，他们的第一反应是指责电机、驱动器或软件，而不是说，‘好吧，下次我们设计这台机器时，让我们考虑一下我们在做什么，然后以基于模型的方式来做。’”

机电一体化可以让团队在投资物理原型之前就发现机械问题，而不是在投资物理原型之后(见图1)。“机电一体化的好处基本上包括从可视化到获得有关机械动态行为的信息，”at高级机器控制与机器人高级产品经理Christian Fritz说国家仪器(德克萨斯州奥斯汀)。

以机器人和定位设计公司Square One design Inc.为例，该公司是美国国家仪器公司(National Instruments)的客户，为各种市场提供定制自动化解决方案。厌倦了每个项目都从头开始，该公司决定开发一个灵活的平台，他们可以轻松地修改以满足客户的需求，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，要么需要大量猜测，要么需要大量的物理原型。”弗里茨说。相反，他们选择将虚拟原型工具与CAD模型相结合，以实验虚拟空间中物理系统的行为(参见图2)。

他们的努力产生了一个易于定制的平台。现在，他们可以预先向客户展示产品的详细模型，确信任何主要的机械问题都已经解决了。在客户更改订单的情况下，工程师可以运行一个模拟，以确保控制软件将工作，不会出现意外的机械问题，如碰撞或由修改引入的过度遵从性引起的共振振动。

虚拟原型的应用
NI的另一个客户Biorep Technologies生产分离人类胰腺细胞的分析仪器。这是一个复杂的过程，导致第一代仪器有20个不同的子系统，包括5个有多个运动轴。控制器需要不同于人机界面的平台和编程语言，人机界面需要不同于伺服和步进电机的设置。

当Biorep开始开发下一代产品时，设计团队决定从头开始使用基于模型的设计开发模块化平台。这种方法使Biorep可以方便地为不同的用户定制仪器，同时简化他们的供应链，将培训从学习四种硬件/软件平台简化为一个，并降低维护成本。

新平台具有多轴协调运动的特点。该公司使用CAD程序和建模软件开发和测试了许多虚拟原型，模拟系统对各种运动轮廓的响应。他们不仅能够避免代价高昂的错误，而且能够在使用现成的控制软件和驱动程序时将开发时间缩短一半。

“他们的目标是并行化设计过程，”弗里茨说。“虚拟原型技术基本上允许控制工程师在物理原型出现之前就开始进行控制设计。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。而不是机械工程师把原型的图片扔给控制工程师，他们可以从一开始就让控制工程师参与进来。最初的CAD设计甚至不需要携带大量的细节，只需要主要的质量和惯性。全球OEM技术顾问adriano da Silva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(Mequon,威斯康辛州)。在最终设计阶段之前，控制工程师就已经有了足够的数据，可以开始研究控制结构和代码。如果他们发现机械系统的动态性能问题，他们可以在原型制作之前向整个项目团队提出(见图3)。“机械、电气和控制设计可以以一种综合的方式并行开发，而不是传统的机械设计方法的串联开发，”他补充道。结果是研发速度更快，成本更低。

一旦运动剖面存在，设计团队就会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，查找合规问题。当第一个物理原型被构建出来时，它很有可能会按照预期运行，而不会出现大问题。

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。它不会说明如何阻尼振动，但它可以用来模拟阻尼的效果，以便工程师可以确定他们的响应是否有效。通常情况下，基于模型的设计有助于防止在物理原型启动时出现糟糕的意外。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的后端对实际的物理系统进行微调，并对其进行优化以获得更高的性能。

重新开始的自由
机电一体化也为创新开辟了道路。由于涉及到成本损失，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。虚拟原型允许他们探索新概念，而无需花费大量资金在一系列可能有效也可能无效的原型上。弗里茨说:“他们可以做出改变，并运行模拟来感受它是否真的是一个好主意，或者它是否只是一个周五下午的好主意。”

弗里茨指着另一个生产液体分配机的医疗客户。他们的基本设计是使用高速丝杠在紧密间隔的小瓶之间移动灌装头。丝杠完成了工作没有任何合规性问题但是那种类型致动器它不仅重而且昂贵，还需要定期润滑，这可能会造成制药工业所不赞成的污染问题。该公司试图更新他们的设计，采用更轻、更便宜、更清洁、更健壮的执行器技术，如带传动。

这不是一个渐进的更新，而是一个重大的设计转变。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。通过虚拟原型，他们能够分析振动，并确保如果由皮带传动驱动，例如，灌装头仍然能够将液体分配到他们想要的容器中——而不是振动过大，导致溢出而错误地灌满了相邻的小瓶。

虚拟原型并不能完全消除建立物理原型的需要，但它大大减少了获得最终版本所需的数量。更重要的是，它帮助原始设备制造商避免增加成本和破坏进度的设计错误。“做出错误的设计决策，直到机器的最终验证测试才意识到这一点?这可能是无法量化的，”弗里茨说。“如果你不得不在开发过程的晚期重新设计，那么你所需要投入的资金将非常可观。”

一旦有了粗略的设计和控制结构，下一步就是为每个轴指定电机和驱动器。仿真软件已经足够好，它可以同时模拟多个轴的相互作用，这对机器人手臂的设计很有用，例如。在包装机的情况下，坐标轴通常可以独立建模。该软件从控制配置文件开始，并确定该运动所需的扭矩量。有了转矩信息，其他软件选择正确的电机和驱动提供所需的运动就足够简单了。

这就把我们带到了机器制造过程中曾经让工程人员出一身冷汗的部分:测试。他们投入了如此多时间和金钱的原型，在他们按下开关后是否能正常运行?还是会出现一些意想不到的事情?通过机电一体化仿真，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，一个轴在慢动作时可能相当稳定，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。一个小直径的轴可以充当弹簧。利用机电一体化技术，设计师可以发现并确定这些问题的解决方案。

通过模拟多个协调轴，工程团队可以确定设计的机械特性是否满足机器规格。电机和驱动器能在转矩和速度方面运行应用吗?这是一个稳定的解决方案，还是需要不同的传动比或更高的转子惯性?模拟甚至可以帮助确定调整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:“驱动器的初步调谐优化可以通过模拟得到，以避免在已经制造的机器上确定这些设置时不必要的能源、时间和材料成本。”

它的一个缺点是这个过程需要大量的计算。例如，美国国家仪器公司的软件利用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可能还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的高速处理器和处理3d可视化的独立高速显卡是正确响应的必要条件。

机电一体化的好处是不可否认的，设计界正在逐渐接受。今天，建模和仿真的使用很常见，但是从项目开始到实现的机器和日常维护都应用仿真仍然是早期采用者的领域。尽管如此，考虑到这种方法的好处，这只是一个时间问题。克雷格就是其中之一，他预测这项技术将带来巨大的成果。“如果你有这样的建模环境，并充分利用它，每个人都参与其中，那么你选择电机和设计系统的方式应该会发生巨大变化。”