通過(guò)理順設(shè)計(jì)過(guò)程以及自動(dòng)化更精巧的應(yīng)用，快捷、優(yōu)質(zhì)和價(jià)格低廉成為機(jī)械設(shè)計(jì)競(jìng)賽的主題。
激烈的全球競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)給機(jī)械制造商帶來(lái)了極大的壓力，為了和競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的產(chǎn)品有所區(qū)別，機(jī)械制造商致力于多方面機(jī)器性能的改善，像提高機(jī)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(jī)器制造商已經(jīng)從原來(lái)剛性的、單一功能的、單純依靠齒輪的設(shè)計(jì)，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(jī)的設(shè)計(jì)。
除了設(shè)計(jì)機(jī)器的機(jī)械性能外，機(jī)械制造商現(xiàn)在還將邏輯控制、人機(jī)界面(HMIs)，網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器狀態(tài)監(jiān)控和聯(lián)網(wǎng)報(bào)表系統(tǒng)都加進(jìn)他們的設(shè)計(jì)中。雖說(shuō)功能增加，使機(jī)器有了更好的適應(yīng)性，但同時(shí)也使機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程的復(fù)雜度大大增加。而復(fù)雜度的增加又會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)時(shí)間、花費(fèi)和風(fēng)險(xiǎn)的增加。
要解決這個(gè)跨學(xué)科的工程學(xué)挑戰(zhàn)，需要在三個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域的發(fā)展：開(kāi)發(fā)技術(shù)、設(shè)計(jì)工具和嵌入式控制技術(shù)。“機(jī)電一體化”這個(gè)名詞正在開(kāi)始流行，用以描述這種發(fā)展。機(jī)電一體化是指：整合最優(yōu)秀的開(kāi)發(fā)實(shí)踐和技術(shù)，理順機(jī)械設(shè)計(jì)、建造原型和配置，以改進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程。
機(jī)電一體化是一種系統(tǒng)級(jí)別的方法，它整合了機(jī)械，電子，控制系統(tǒng)和嵌入式軟件設(shè)計(jì)， 用于設(shè)計(jì)機(jī)械和電子系統(tǒng) 越來(lái)越多的機(jī)械制造商，正從采用機(jī)電一體化方法中受益。Design & Assembly Concepts是一家典型的機(jī)械設(shè)計(jì)公司，他們利用最新的機(jī)電一體化技術(shù)，來(lái)增加效益，提高生產(chǎn)力。“就像為客戶(hù)設(shè)計(jì)房子，我們必須在建造時(shí)就保證滿(mǎn)足所有的要求”，總經(jīng)理Mark Ganninger說(shuō)。“之后設(shè)計(jì)方案中的任何變動(dòng)，都意味著我們可能從贏利變成虧損。而機(jī)電一體化通過(guò)理順設(shè)計(jì)過(guò)程大大減少了這種風(fēng)險(xiǎn)”。
基于機(jī)電一體化的方法降低了與機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)，加速了設(shè)計(jì)過(guò)程，更加符合顧客的要求，并且理順了調(diào)試過(guò)程。
緩慢且循規(guī)蹈矩的機(jī)械設(shè)計(jì)
當(dāng)今最典型的機(jī)械設(shè)計(jì)方法起始于工程師使用CAD來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)器參數(shù)。一旦他們完成CAD模型并且做出一個(gè)原型機(jī)后，電子控制工程師開(kāi)始為電氣系統(tǒng)布線，并對(duì)控制器進(jìn)行編程。設(shè)計(jì)小組在這個(gè)原型機(jī)上進(jìn)行整合機(jī)器的第一次試運(yùn)行。在運(yùn)行過(guò)程中，任何需要重新加工零件的問(wèn)題，都會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間的延遲和費(fèi)用的增加，甚至可能會(huì)影響到機(jī)械制造者到底是盈利還是虧損。
在設(shè)計(jì)過(guò)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(fù)修改而導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)。機(jī)電一體化的方法結(jié)合各類(lèi)機(jī)械設(shè)計(jì)工具在工程師建造物理實(shí)型之前建立一個(gè)虛擬機(jī)械原型，這樣可以很好地解決這個(gè)極具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。
虛擬機(jī)原型是一個(gè)3D的CAD模型，它和機(jī)械控制仿真器相互作用，可以用來(lái)模擬并測(cè)試機(jī)械運(yùn)動(dòng)的性能和邏輯操作。有了虛擬機(jī)模型，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)就可以在制造任何真實(shí)零件之前，在軟件中對(duì)原型進(jìn)行測(cè)試并對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)上的不足進(jìn)行改進(jìn)。
建立虛擬機(jī)原型的關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)所有工具一體化——使機(jī)械，電氣和控制中的各設(shè)計(jì)工具能夠結(jié)合起來(lái)。例如，控制系統(tǒng)的軟硬件供貨商N(yùn)ational Instruments和CAD軟件供貨商SolidWorks合作，連接NI的LabView圖形化編程語(yǔ)言和SolidWorks的CAD 3D機(jī)械模型，使他們的產(chǎn)品結(jié)合起來(lái)為虛擬機(jī)所用在這種集成環(huán)境下，機(jī)械制造商可以開(kāi)發(fā)控制邏輯和動(dòng)作程序，建立一個(gè)3D的CAD模型，以便在制造任何零件之前，在軟件中對(duì)機(jī)器運(yùn)作進(jìn)行測(cè)試。
同客戶(hù)溝通
了解客戶(hù)需求，開(kāi)發(fā)出更好機(jī)器的機(jī)械性能和控制系統(tǒng)，是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程且牽涉甚廣。在設(shè)計(jì)的時(shí)候，如果錯(cuò)誤的理解了客戶(hù)的需求，很有可能導(dǎo)致機(jī)器設(shè)計(jì)不合理，設(shè)計(jì)成本也會(huì)相應(yīng)的增加。通過(guò)使用3D CAD，機(jī)械制造商可以先提供機(jī)器制品的虛擬模型，加強(qiáng)與客戶(hù)的溝通。
通過(guò)建立模擬機(jī)，給3D的CAD模型增加邏輯控制進(jìn)行仿真，可以讓顧客在對(duì)成型設(shè)備投資之前，看到設(shè)備的模擬運(yùn)行狀態(tài)。此外，還可以在機(jī)器的設(shè)計(jì)的過(guò)程中盡早和設(shè)計(jì)小組的成員進(jìn)行溝通，對(duì)設(shè)備的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)，最終以達(dá)到更好的效果。
“在競(jìng)標(biāo)過(guò)程中，虛擬模型機(jī)給我們帶來(lái)了極大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，我們可以給客戶(hù)展示我們的概念設(shè)計(jì)方案，并為這種方案的結(jié)果進(jìn)行最精確的預(yù)測(cè)”，Ganninger補(bǔ)充說(shuō)。
在一臺(tái)實(shí)際的機(jī)器上進(jìn)行調(diào)試是有風(fēng)險(xiǎn)的。如果系統(tǒng)崩潰，可能導(dǎo)致幾星期的停工，同時(shí)增加一大筆開(kāi)支用于更換部件。通過(guò)設(shè)備的3D CAD模型和運(yùn)行圖的結(jié)合，機(jī)械制造商在虛擬機(jī)模型中可以及早發(fā)現(xiàn)潛在的沖突，進(jìn)行安全校正，優(yōu)化運(yùn)行圖，以避免物理實(shí)體的損壞。
10x生產(chǎn)量增量
使用基于機(jī)電一體化的方法和開(kāi)放式圖形系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具，讓波士頓工程公司（Bostion Engineering）在開(kāi)發(fā)自助數(shù)碼成像機(jī)的時(shí)候，大大減少了研究開(kāi)發(fā)的時(shí)間和花費(fèi)。而這個(gè)開(kāi)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(chǎng)上同類(lèi)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(jī)的文件夾中的照片立即打印出來(lái)。而這個(gè)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(dòng)，每次成像的數(shù)量，以及電機(jī)的推進(jìn)速度進(jìn)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(jī)械工程師、硬件設(shè)計(jì)工程師、軟件開(kāi)發(fā)工程師以及那些對(duì)于應(yīng)用的細(xì)節(jié)非常了解的人。建模和構(gòu)造原型對(duì)于一個(gè)成功的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是非常重要的。波士頓工程公司采用先進(jìn)的工具進(jìn)行機(jī)電設(shè)計(jì)，包括對(duì)控制器進(jìn)行建模和設(shè)計(jì)系統(tǒng)原型。
機(jī)械制造商傳統(tǒng)上使用順序設(shè)計(jì)的方法，會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)過(guò)程延長(zhǎng)。采用機(jī)電一體化的方法，可
以理順機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程、構(gòu)建虛擬模型、并進(jìn)行配置，減少了設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)和費(fèi)用。 波士頓工程部的機(jī)械工程師使用SolidWorks建立了機(jī)械系統(tǒng)的CAD模型。當(dāng)顧客對(duì)子系統(tǒng)有更高的要求和容量時(shí)，這個(gè)機(jī)械模型必須經(jīng)過(guò)多次迭代。這個(gè)機(jī)械模型還要確定更加精確的控制系統(tǒng)參數(shù)，例如馬達(dá)大小，運(yùn)動(dòng)部分的運(yùn)動(dòng)慣量以及傳感器的選擇。
通過(guò)建模和反饋可以看出，一個(gè)簡(jiǎn)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(lái)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(jì)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(chǎng)可編程門(mén)陣列)硬件平臺(tái)的CompactRIO (可重新配置的I/O)。這兩個(gè)工具都是NI公司的產(chǎn)品。CompactRIO是一個(gè)可編程自控器(PAC)，它結(jié)合了小型開(kāi)放式嵌入結(jié)構(gòu)、高強(qiáng)度和支持熱查拔的工業(yè)I/O模塊。LabView常用于編寫(xiě)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(lèi)似之處。PAC輸出脈寬調(diào)制器(PWM)控制兩個(gè)馬達(dá)；編碼器為馬達(dá)提供速度反饋；模擬輸入通道為霍爾效應(yīng)傳感器配置探測(cè)器；數(shù)字線路用于收發(fā)信號(hào)；還有通道用于顯示和熱量及空氣有關(guān)的參數(shù)。
機(jī)電一體化的結(jié)合，設(shè)計(jì)出了更加精確、對(duì)于系統(tǒng)反饋的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)力更強(qiáng)、提供更廣的輸入范圍、更加滿(mǎn)足客戶(hù)需求的自助設(shè)備。通過(guò)理順設(shè)計(jì)過(guò)程，機(jī)電一體化的方法改進(jìn)了客戶(hù)和設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)之間的溝通，有利于驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)曲線，降低機(jī)械設(shè)計(jì)的成本，并給機(jī)械制造者提供強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。 |
