通過理順設(shè)計過程以及自動化更精巧的應用，快捷、優(yōu)質(zhì)和價格低廉成為機械設(shè)計競賽的主題。
激烈的全球競爭形勢給機械制造商帶來了極大的壓力，為了和競爭對手的產(chǎn)品有所區(qū)別，機械制造商致力于多方面機器性能的改善，像提高機器的生產(chǎn)力，降低操作成本，增加安全可靠性等等。因此，今天的機器制造商已經(jīng)從原來剛性的、單一功能的、單純依靠齒輪的設(shè)計，轉(zhuǎn)向柔性的、多功能的采用現(xiàn)代控制技術(shù)和伺服電機的設(shè)計。
除了設(shè)計機器的機械性能外，機械制造商現(xiàn)在還將邏輯控制、人機界面(HMIs)，網(wǎng)絡(luò)、機器狀態(tài)監(jiān)控和聯(lián)網(wǎng)報表系統(tǒng)都加進他們的設(shè)計中。雖說功能增加，使機器有了更好的適應性，但同時也使機械設(shè)計過程的復雜度大大增加。而復雜度的增加又會導致設(shè)計時間、花費和風險的增加。
要解決這個跨學科的工程學挑戰(zhàn)，需要在三個關(guān)鍵領(lǐng)域的發(fā)展：開發(fā)技術(shù)、設(shè)計工具和嵌入式控制技術(shù)。“機電一體化”這個名詞正在開始流行，用以描述這種發(fā)展。機電一體化是指：整合最優(yōu)秀的開發(fā)實踐和技術(shù)，理順機械設(shè)計、建造原型和配置，以改進機械設(shè)計過程。
機電一體化是一種系統(tǒng)級別的方法，它整合了機械，電子，控制系統(tǒng)和嵌入式軟件設(shè)計， 用于設(shè)計機械和電子系統(tǒng) 越來越多的機械制造商，正從采用機電一體化方法中受益。Design & Assembly Concepts是一家典型的機械設(shè)計公司，他們利用最新的機電一體化技術(shù)，來增加效益，提高生產(chǎn)力。“就像為客戶設(shè)計房子，我們必須在建造時就保證滿足所有的要求”，總經(jīng)理Mark Ganninger說。“之后設(shè)計方案中的任何變動，都意味著我們可能從贏利變成虧損。而機電一體化通過理順設(shè)計過程大大減少了這種風險”。
基于機電一體化的方法降低了與機械設(shè)計相關(guān)的風險，加速了設(shè)計過程，更加符合顧客的要求，并且理順了調(diào)試過程。
緩慢且循規(guī)蹈矩的機械設(shè)計
當今最典型的機械設(shè)計方法起始于工程師使用CAD來設(shè)計機器參數(shù)。一旦他們完成CAD模型并且做出一個原型機后，電子控制工程師開始為電氣系統(tǒng)布線，并對控制器進行編程。設(shè)計小組在這個原型機上進行整合機器的第一次試運行。在運行過程中，任何需要重新加工零件的問題，都會導致長時間的延遲和費用的增加，甚至可能會影響到機械制造者到底是盈利還是虧損。
在設(shè)計過程中，盡早從控制和電氣工程師那里得到輸入信息，可以極大的降低重復修改而導致的風險。機電一體化的方法結(jié)合各類機械設(shè)計工具在工程師建造物理實型之前建立一個虛擬機械原型，這樣可以很好地解決這個極具挑戰(zhàn)性的問題。
虛擬機原型是一個3D的CAD模型，它和機械控制仿真器相互作用，可以用來模擬并測試機械運動的性能和邏輯操作。有了虛擬機模型，設(shè)計團隊就可以在制造任何真實零件之前，在軟件中對原型進行測試并對機械設(shè)計上的不足進行改進。
建立虛擬機原型的關(guān)鍵是如何實現(xiàn)所有工具一體化——使機械，電氣和控制中的各設(shè)計工具能夠結(jié)合起來。例如，控制系統(tǒng)的軟硬件供貨商National Instruments和CAD軟件供貨商SolidWorks合作，連接NI的LabView圖形化編程語言和SolidWorks的CAD 3D機械模型，使他們的產(chǎn)品結(jié)合起來為虛擬機所用在這種集成環(huán)境下，機械制造商可以開發(fā)控制邏輯和動作程序，建立一個3D的CAD模型，以便在制造任何零件之前，在軟件中對機器運作進行測試。
同客戶溝通
了解客戶需求，開發(fā)出更好機器的機械性能和控制系統(tǒng)，是一個長期的過程且牽涉甚廣。在設(shè)計的時候，如果錯誤的理解了客戶的需求，很有可能導致機器設(shè)計不合理，設(shè)計成本也會相應的增加。通過使用3D CAD，機械制造商可以先提供機器制品的虛擬模型，加強與客戶的溝通。
通過建立模擬機，給3D的CAD模型增加邏輯控制進行仿真，可以讓顧客在對成型設(shè)備投資之前，看到設(shè)備的模擬運行狀態(tài)。此外，還可以在機器的設(shè)計的過程中盡早和設(shè)計小組的成員進行溝通，對設(shè)備的設(shè)計方案進行改進，最終以達到更好的效果。
“在競標過程中，虛擬模型機給我們帶來了極大的競爭優(yōu)勢，我們可以給客戶展示我們的概念設(shè)計方案，并為這種方案的結(jié)果進行最精確的預測”，Ganninger補充說。
在一臺實際的機器上進行調(diào)試是有風險的。如果系統(tǒng)崩潰，可能導致幾星期的停工，同時增加一大筆開支用于更換部件。通過設(shè)備的3D CAD模型和運行圖的結(jié)合，機械制造商在虛擬機模型中可以及早發(fā)現(xiàn)潛在的沖突，進行安全校正，優(yōu)化運行圖，以避免物理實體的損壞。
10x生產(chǎn)量增量
使用基于機電一體化的方法和開放式圖形系統(tǒng)設(shè)計工具，讓波士頓工程公司（Bostion Engineering）在開發(fā)自助數(shù)碼成像機的時候，大大減少了研究開發(fā)的時間和花費。而這個開發(fā)的結(jié)果，使得圖像打印更精確、質(zhì)量更好、更可靠，并且照片輸出速度比市場上同類產(chǎn)品快十倍左右。
該自助設(shè)備采用了最新的成像技術(shù)，允許顧客將存放在數(shù)字相機的文件夾中的照片立即打印出來。而這個技術(shù)的關(guān)鍵就在于要求打印高質(zhì)量的照片。這就必須做到精確控制膠卷的張力。張力控制器必須能夠每次刀頭的振動，每次成像的數(shù)量，以及電機的推進速度進行調(diào)整。
控制系統(tǒng)的發(fā)展需要交叉領(lǐng)域的工程師的共同努力，包括機械工程師、硬件設(shè)計工程師、軟件開發(fā)工程師以及那些對于應用的細節(jié)非常了解的人。建模和構(gòu)造原型對于一個成功的設(shè)計來說是非常重要的。波士頓工程公司采用先進的工具進行機電設(shè)計，包括對控制器進行建模和設(shè)計系統(tǒng)原型。
機械制造商傳統(tǒng)上使用順序設(shè)計的方法，會導致設(shè)計過程延長。采用機電一體化的方法，可
以理順機械設(shè)計過程、構(gòu)建虛擬模型、并進行配置，減少了設(shè)計的風險和費用。 波士頓工程部的機械工程師使用SolidWorks建立了機械系統(tǒng)的CAD模型。當顧客對子系統(tǒng)有更高的要求和容量時，這個機械模型必須經(jīng)過多次迭代。這個機械模型還要確定更加精確的控制系統(tǒng)參數(shù)，例如馬達大小，運動部分的運動慣量以及傳感器的選擇。
通過建模和反饋可以看出，一個簡單的PID控制器不能穩(wěn)定地提供閉環(huán)帶寬。所以，工程師采取傳統(tǒng)的六階相位控制器來解決20赫茲的閉環(huán)系統(tǒng)的帶寬。一旦仿真顯示系統(tǒng)符合設(shè)計規(guī)格，工程師就可以依此建立物理原型。
波士頓工程公司使用了LabView的可視化編程環(huán)境，和基于FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)硬件平臺的CompactRIO (可重新配置的I/O)。這兩個工具都是NI公司的產(chǎn)品。CompactRIO是一個可編程自控器(PAC)，它結(jié)合了小型開放式嵌入結(jié)構(gòu)、高強度和支持熱查拔的工業(yè)I/O模塊。LabView常用于編寫模塊中嵌入式微型處理器上的監(jiān)控程序，并在FPGA上執(zhí)行引擎控制的算法。關(guān)于系統(tǒng)原型和系統(tǒng)配置，在編程上還有不少的類似之處。PAC輸出脈寬調(diào)制器(PWM)控制兩個馬達；編碼器為馬達提供速度反饋；模擬輸入通道為霍爾效應傳感器配置探測器；數(shù)字線路用于收發(fā)信號；還有通道用于顯示和熱量及空氣有關(guān)的參數(shù)。
機電一體化的結(jié)合，設(shè)計出了更加精確、對于系統(tǒng)反饋的實時預測力更強、提供更廣的輸入范圍、更加滿足客戶需求的自助設(shè)備。通過理順設(shè)計過程，機電一體化的方法改進了客戶和設(shè)計團隊之間的溝通，有利于驗證運動曲線，降低機械設(shè)計的成本，并給機械制造者提供強有力的競爭優(yōu)勢。 |
