概覽

      激烈的全球化競爭給機械制造商帶來壓力，他們制造出的機器需要能提高產量，同時降低成本，并滿足更多類似的要求，如：提高生產力，提升效率，從而在競爭中脫 穎而出。因此，當今的機械制造商已從僅制造單一功能的機器，轉變?yōu)樵O計靈活高效的多功能機器，他們通過采用現(xiàn)代化控制系統(tǒng)配合復雜的運算并將高端電子產品 集成到他們的機械產品中。

機電一體化

      機電一體化是一種綜合的工業(yè)技術，通過將最有效的開發(fā)實踐和技術融和到精簡設計、樣機研究和系統(tǒng)發(fā)布中，以此來提升整個設計過程。

      Kevin Craig博士是倫斯勒理工學院機械工程教授，他認為機電一體化作為工程的準則，是機械工程、電子、控制工程和計算機的協(xié)同組合，在設計過程中相互交融。 它涉及了在從復雜決策到物理系統(tǒng)運作等多方面應用。由于這些獨特的功能，機電一體化系統(tǒng)依賴于計算機軟件。這一規(guī)律導致了一個不斷發(fā)展的趨勢，由于設計變 得越加復雜，因此在不同設計團隊間的合作越來越必要。

機電一體化開發(fā)方式的成功之道

      機電一體化系統(tǒng)的發(fā)展趨勢使得設計的復雜度陡增，迫使不同的設計團隊一起工作。在一個機電一體化系統(tǒng)中，每個決策在整個設計中會產生連鎖反應。如果 機械團隊決定改變材料，意味著改變了機械零件的重量，為了機器有效的運行，會需要對電機的尺寸，甚至是電機的類型做相應的更改。將步進電機更換為伺服電機 會大大增加運算控制的復雜性和對嵌入式系統(tǒng)運算處理性能的要求。在機械、電氣和控制工程師間，提高團隊交流與和合作是十分重要的，而那些無縫合作工具，能 夠幫助工程師們在開發(fā)周期的各階段分享數(shù)據(jù)和信息，從而使合作和信息交流更為有效。

      那些工具實現(xiàn)了虛擬樣機（也被稱作數(shù)字樣機），能夠在從不同領域結合的仿真技術，即一個模型仿真完整的機器或設備。設計師可以在具化一個物理部件之 前，仿真其機械動力，其中包括質量和摩擦效應、循環(huán)次數(shù)和單個零件性能。在投入物理樣機的花費之前，一個虛擬機樣即可以預測和優(yōu)化設計，并且能評估不同設 計的研究和概念?；跈C電一體化的開發(fā)方式能降低機器設計的風險、加快設計節(jié)奏、提高對客戶需求的認知，并簡化調試排除故障的過程。因此機電一體化的方法 可以幫助機器制造商在第一時獲得最優(yōu)設計。

      從商業(yè)角度看，一個虛擬樣機不僅在設計階段增加了許多價值，而且對銷售部門在銷售過程中與潛在客戶溝通提供支持。一個虛擬樣機能夠幫助銷售贏得客戶并成功的執(zhí)行項目。

      在報價階段，一個虛擬機器可以幫助明確要求，確保銷售部門準確地理解客戶的需求。它提供多種可能，如展示設計特性、解釋價值、幫助揭開項目中的未 知，以及風險評估。甚至在售后，一個虛擬樣機能夠根據(jù)客戶的要求在已有機器的改進和升級測試中起到作用。另外，客戶可以用這個樣機來解決他們在運行過程中 遇到的問題。

NI LabVIEW和DS SolidWorks結合

      為降低機器設計的成本和風險，達索析統(tǒng)和美國國家儀器合作，為運動控制系統(tǒng)設計師提供機電一體化為核心的虛擬原型工具。

      采用LabVIEW和SolidWorks，機器設備制造商可以連接SolidWorks運動分析功能與LabVIEW工業(yè)級運動控制程序，創(chuàng)造出 真實的運動控制系統(tǒng)的仿真。采用這種集成的方式，機器制造商還可以開發(fā)控制邏輯、動作軌跡描述并將其應用于他們機器的三維CAD模型中，在支付昂貴的加工 成本和物理零件購置費之前，就能在軟件中測試機器的運行。采用這種集成的方式，機器設備制造商能在建造物理樣機前評估系統(tǒng)行為和性能。他們能夠在極端的操 作環(huán)境下測試部件的電氣性能和實時響應時間，而無須將其單獨取出。

      因此，一旦CAD模型被創(chuàng)建，機械工程師和控制工程師就能夠合力工作。它們能夠用虛擬原型工具創(chuàng)造出用于不同設計分析為目的的實際機器的仿真，例如：

• 可視化仿真機器操作
• 機器加工周期性能評估
• 完成精確的壓力/扭矩性能需求分析
• 運動控制程序及碰撞檢測的設計和驗證
• 物理樣機制造前設計優(yōu)化
• 機械/電氣相關設計問題確認

      使用SolidWorks和LabVIEW，工程師們可以在具化一個物理部件，同時將其連接至一個真實的控制算法之前，模擬其機械動力，其中包括聚 合摩擦力效果、循環(huán)次數(shù)和單個零件性能。在投入物理模型的花費之前，一個虛擬樣機可以預測和優(yōu)化設計，并且能評估不同設計概念。將運動仿真與CAD結合能 使設計簡化，因為仿真用到的信息早已在CAD模型中出現(xiàn)，如密合裝配、聯(lián)軸器、和材料的質量特性。LabVIEW提供了簡單易用的高級功能塊編程模式對運 動控制系統(tǒng)進行開發(fā)，那些只有一些或沒有運動控制程序使用經驗的使用者都能很容易上手。LabVIEW與SolidWorks的結合，幫助客戶開發(fā)他們的 運動控制算法，同時能在SolidWorks環(huán)境中使用3D CAD來評估系統(tǒng)行為和性能。通過真實的運動控制仿真，它能夠在設計時仿真實際的運行情景，以此來確認零件碰撞，輸出數(shù)據(jù)或者圖形結果，以此利用CAD模 型實現(xiàn)三維可視化。

      最后工程師們能輕松地將已開發(fā)的控制算法部署到嵌入式運動控制平臺中，例如NI CompactRIO，它是一個基于FPGA的硬件平臺。CompactRIO為獨立分散的確定性操作提供了實時嵌入式處理器，以及可以直接連接工業(yè)傳感 器，激勵器和電機的可熱插拔的工業(yè)I/O模塊。有了CompactRIO，工程師能夠重新利用在仿真中已測試開發(fā)的代碼，并將其實現(xiàn)在實際的I/O模塊和 電機上。