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NX机电一体化概念设计系统的研究与应用

2017/12/14    来源:互联网    作者:熊雪平  戴春祥  史桂蓉      
关键字:MCD  机电一体化  计算机辅助  
论文首先简要阐述了传统机电一体化概念设计的现状,并对NX机电一体化概念设计系统(Mechatmnics Concept designer,MCD)进行详细研究,分析其概念设计原理与功能创新性;其次,探索MCD系统在“工业4.0”和“中国制造2025”背景下机电一体化产品设计领域的应用优势,展示其不断完善的系统集成功能以及应用方法;最后,结合具体的机电一体化产品提出解决方案,探讨MCD系统在机电一体化产品仿真中的应用价值,为机电一体化概念设计系统的应用提供理论基础。

0 引言

    1971年,机电一体化(Mechatronics)在日本学术期刊中提出,经过四十多年的发展,机电一体化系统的应用已逐渐走向正轨,国内上海交通大学邹慧君课题组对机电一体化概念设计理论研究相对比较完善。现阶段对机电一体化系统组成的划分可列为如图1所示的三大块,广义执行机构子系统、智能检测与控制子系统以及网络与信息处理子系统,系统组成的划分对系统的设计与规划是一个关键的指导因素。随着计算机辅助技术的飞速发展,新型的计算机辅助设计工具集成了传统的绘图、设计、工艺、制造以及调试等技术,并结合网络与接口技术,创造出了各种虚拟或者实物协同的新型辅助设计与仿真工具。

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    图1 机电一体化系统组成(三子系统)

1 机电一体化概念设计系统

1.1 机电一体化概念设计系统的介绍

    机电一体化概念设计的研究主要集中在欧洲和美国,经过多年的发展,也产生了不同的研究成果,如英国Lancaster大学的Schemebuilder系统,德国Heinz Nixdorf大学构建的机电一体化系统V型模型,法国PSA的机电一体化组成元件的模型的开放库,美国Analogy公司Saber软件系统,以及CATIACreo、SolidWorks、ADAMS等系统,都在一定程度上能够实现机电一体化产品的仿真设计,然而都还不能完全支持从需求分析、概念设计、详细设计、建模与仿真、数据管理、工业自动化协同设计以及虚拟(或实物)调试验证这样一个系统的机电一体化概念设计过程。

    本文研究的机电一体化概念设计系统(Mechatronics Concept Designer,MCD),是西门子PLM(Product Lifecycle Management)工业软件NX中集成的一个子系统。MCD融合了需求管理、系统工程、仿真建模、机械设计、电气设计、工业自动化、智能重用以及调试验证等模块,并完了各模块之间的接口,通过与TC(Teamcenter)管理系统的结合,使其能够整合从机电产品概念设计到产品制造完成所有信息,从而可对将要开发的产品做一套全新的解决方案,以满足在“工业4.0”背景下机电一体化产品的智能设计与验证。基于MCD这个平台可将各个工程部门的工作整合在一起,促进协同开发,这些工程部门包括需求管理、概念设计、机械设计、电气设计、软件开发及自动化工程,使其能完成从概念设计到系统仿真验证的过程。

1.2 NX机电一体化概念设计原理

    机电产品在MCD系统下的设计原理如图2所示,首先,可使用需求管理和系统工程对要设计的产品提出需求和开发前期的建议,同时可在PLM管理系统TC中对早期的需求模型数据进行管理。其次,进入方案没计阶段,可以根据管理系统的需求进行分模块设计,由于MCD系统与其相关的电气设计、机械设计、以及控制自动化软件或者系统已经做好了接口,设计完之后再集成到MCD系统进行调试与验证。最后,对调试的方案进行评估,不能达到标准则重新修改,直到方案评估通过,则一套机电一体化概念设计方案就完成了,这为后续的优化和详细设计打下了坚实的基础,在这个过程中并不需要做出实物来验证,所以往时间和成本上占了优势,也为产品更早地抢占市场提供了基础,官方数据显示最高可将上市时间缩短30% 。

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    图2 NX机电一体化概念设计原理图

1.3 基于功能的机电一体化概念设计过程

    机电一体化概念设计解决方案是基于功能开发的解决方案,设计过程如图3所示,在概念设计阶段,通过TC来管理和分解该模型功能的需求,在MCD系统中需要创建机电一体化功能模型 ,同时也要与需求建立互相对应的关系。将MCD中建立各功能单元模型分解到不同的软件工具中进行机械、运动、电气控制等多方面的设计,分开没计后通过系统在集成在一起进行调试验证,实现协同设计。

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    图3 基于功能的机电一体化概念设计示意图

1.4 NX机电一体化概念设计系统的调试功能

    MCD的虚拟调试功能:能让使用者直观可视的虚拟维模型的动态仿真,通过MCD连接自动化控制软件,如SIMIT,MATLAB,LMS或OPC(OLE for Process Control,用于过程控制的OLE)servers,通过OPC或者内存共享,来实现MCD与自动化控制软件的数据交换,从而在MCD系统下显示仿真模型的运动和行为。虚拟调试的功能在现阶段的各大工业设计或仿真软件都有涉足,所以可以归纳为比较成熟的技术,只是各个软件所偏向的领域有所差别,基本以公司的客户为对象来扩展功能。

责任编辑:张纯子
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