机械电子技术在现代机械设计的调查

文摘

对复杂系统的生产力增加要求,如制造机器和技术重要性稳步增长将需要新方法的应用在产品开发过程。智能机器可以做决定的过程与大量的实时自适应控制。本文显示了基于仿真的机电整合模型与更好的理解一个复杂的系统的动态行为和交互组件。这提供了改进的可能性的评估和优化整个自动化系统的动态运动性能在设计过程的早期阶段。另一个效应是日益增长的影响力机器组件实现机器动力学之间的相互作用和精度和质量的组件。引用本文的示例,演示通过密集集成机电整合系统的特色。案例研究还表明,它将不再足以只关注子系统的优化。相反,它将必须争取完成系统的优化。机器之间的交互组件、控制系统和加工过程的影响在设计过程中必须考虑和协调饲料驱动器和框架结构组件。

1。模拟复杂的结构

机电一体化是一个方法用于机电产品的优化设计。这个近40年前,1969年,当工程师Tetsuro Mori结合单词“机械”和“电子”来形容日本安川电气电力公司的电子控制系统是建筑机械工厂设备。机电一体化是一种设计理念,这是一个集工程设计方法,如图1。机电一体化的主要因素是这些领域的参与整个设计过程。通过一种机制模拟跨学科的思想和技术,机电一体化提供了理想的条件来提高协同,从而提供一个催化效果的新的解决方案技术上复杂的情况。机械电子设备和系统的一个重要特征是其内置的情报,结果通过结合精密机械和电气工程和实时编程集成设计过程。正确的组合的协同作用可以生成的参数;即最终产品可以比它各部分的总和。机械电子产品展览性能特征以前难以实现协同组合。最近,一些机械电子应用程序在微动,直升机和机械臂在不同的研究文章1- - - - - -5]。

一个典型的机电整合设计过程(6)如图2。从步骤5到9,软件工具可以帮助设计师创建和调试系统的数学模型。一些特别有用的工具允许设计师来表示系统通过创建一个系统框图等简单的积木集成商,获得阶段,总结连接,和非线性开关。这些工具是虚拟仪器的一些例子,仿真软件/ Matlab矩阵x, ACSL, SimPACK Hypersignal, VisSim。这些图形仿真工具在通用平台上运行,如桌面PC兼容Windows操作系统。使用这些工具,设计人员可以创建一个工厂模型,然后针对实际测量验证(步骤5)。植物模型进行验证后,设计师可以设计控制系统实现和优化,直到正确的响应(步骤6和7)。在某些情况下,完全准确的植物模型不能对此必须做出某些假设植物模型,无法验证。在这些情况下,最好能够测试控制系统在工厂环境中(步骤8)。这是自有时被称为半实物仿真的一些实际硬件(机电部分)用于系统控制回路(作为植物控制)。半实物仿真测试为设计师提供了保证,任何假设的模型是正确的。如果任何的假设是不正确的,但是,设计师有机会优化设计(步骤9)之前。

2。设计的智能机床使用机电一体化

研究人员机械电子技术用于不同的应用程序。其中一个应用程序是为智能机床设计(7]。它解释了集成的应用CAx工具建立一个虚拟样机,将允许评估和优化整个机床的运动动力学在开发过程的早期阶段。由于机器设计和驱动技术的发展,现代数控机床可以形容越来越程度特征的例子复杂的机电系统(8]。机械电子系统的特点是系统功能的实现通过密集集成机械电子和信息子功能的载体(9]。

在另一个研究中,刀具轨迹插补数控运动控制具有重要意义的获得运动动力学和由此产生的轮廓误差,特别是对于高度动态的机械运动。轮廓误差包含提要的跟踪误差引起的轴和变位的TCP的物理影响灵活机结构。为了减少轮廓误差,现代数控控制器利用两个主要技术方法(10]。

光学技术已纳入机械电子系统的速度越来越快,因此,大量的机器/系统与智能光学组件已经提出了介绍了基本概念,定义,特点的技术通过分析各种实际optomechatronic系统的特点(11]。光学元素日益整合速度加速到机电整合系统,反之亦然(12- - - - - -19]。

Optomechatronics起源于机电一体化技术的发展,光电。图3显示了这些发展的时间表(20.]。电子革命在1960年代,伴随着晶体管和其他半导体器件的集成到单片电路,而且,在1971年,半导体制造技术带来了巨大的影响广泛的技术领域。在1980年代,半导体技术也创造了微机电系统(MEMS),这带来了一个新维度的机器/系统,microsizing维度。

机械电子元素的主要功能和角色optomechatronic系统可以分为以下五个技术领域(21]:传感、驱动、信息反馈、运动/国家控制,与微处理器和嵌入式智能。

在过去的几年里的虚拟设计在几个制造业自动化机床一直得到广泛的研究和生产工程实验室的大学和研究机构。这种新技术主要是研究和应用为高速铣削加工中心(MCs) (HSM),制造复杂的模具,模具和航空航天部件目前生产工程的战略部门。近一百篇相关论文(7,22- - - - - -25)最近发表在这些主题主要工程期刊和在若干技术会议;这证实了重大利益,工业和学术,在虚拟设计。

对于数控制造商和MC用户来说,然而,虚拟机的完整开发工具技术仍然需要22)基本发展领域的主要切削过程模拟和完全集成的分析模块在一个用户友好的环境。两个模型的集成在一个模拟环境现在是可能的,从而能够研究之间的相互作用这些主动和被动机械结构的动力学(22,26]。性能的优化是一个基本前提条件确保生产力在车间级:快速的加工时间、所需的尺寸精度和工件的表面质量好。Gurbuz [27]介绍了桌面数控铣床的机械电子方法设计。

西门子介绍机电一体化概念设计用一个新的机械设计解决方案,开发和市场一体化机床和生产设备28]。机电一体化概念设计代表了一个范式转变为工业用新系统工程机械设计方法,抓住“客户”的声音输入,早期管理需求,并促进的同时定义和模拟复杂的机械,电气和自动化软件发现在当今日益复杂的机床。与一个易于使用的、交互式仿真能力基于突破性的“游戏”技术,机电一体化概念设计可以显著减少开发时间和全球机械设计行业提高产品质量。

3所示。在机电一体化集成设计问题

集成在一个机械电子系统可以通过组合执行硬件(组件)和软件(信息处理)。硬件集成结果设计的机电系统作为一个整体系统,结合传感器、致动器,微型计算机在机械系统。软件集成主要是基于先进的控制功能。图4说明了硬件和软件的集成。它还表明,一个额外的贡献知识和信息处理过程涉及在反馈过程。机械电子产品可以达到令人印象深刻的结果如果是有效地结合并行工程管理策略。好处,积累更大的生产力,更高的质量,公司生产可靠性的聪明,和自我修正的感官和反馈系统。从插图的基本方法是精确的基于计算机的动态模型和其他信息使用类比的方法。这种独特的方法结合了标准类比方法建模、方框图,主要区别是能够直接将非线性系统线性化。控制系统设计方法可以与几个常见的设计程序控制结构包括PID、滞后,铅、速度反馈,和纯收益。信号处理和数据解释也使用可视化编程方法处理。半实物仿真测试为设计师提供了保证,任何假设的模型是正确的。如果任何的假设是不正确的,然而,设计师并有机会优化设计之前真正的目标硬件平台。

目前主要有两种方法用于实现半实物仿真测试。一个利用桌面/工作站的图形用户界面(GUI)加上标准的数据采集和控制(DAC)接口电路板。一个主要的缺点,仿真软件和其他基于PC仿真系统遭受无法在系统工作循环需要快速的反应。因此一旦控制算法的设计和调试,算法必须被重新实现,测试,调试嵌入式平台。第二种方法为半实物测试包括交叉编译嵌入式实时控制算法目标处理器平台。嵌入式处理器平台通常是一个数字信号处理器(DSP)的I / O是专为嵌入式系统产品。嵌入式处理器平台是为降低成本和提高设计的速度,因此他们通常没有视频显示和标准桌面等投入全功能键盘和鼠标接口。图5显示了一个典型的设置DSP-based半实物测试。

机械电子的主要元素的方法如下(我)与语言无关的代码系统开发方法的演示。这是通过使用视觉模拟。(2)使用系统动力学和计算机模拟系统的开发。(3)建设智能传感器。(例子是DSP-based速度探测和加速度计)。

3.1。开放式体系结构与机械电子模型:速度和复杂性29日]

机电一体化的作用无论单个或多个微控制器处理机床的可能性或汽车装配线的多个机器人。模拟这样的复杂系统允许设计师开发系统硬件没有敲定。仿真过程可以为“如果”的场景时,硬件并不存在。有两个关键问题需要考虑:速度和复杂性。大系统涉及到更详细的仿真和具体的系统需求。仿真速度和精度水平之间的权衡是必要的,因为可用的系统资源。仿真变得更快,更快的处理器,但多核系统的使用有助于模拟。这是因为系统模拟的分布。图6显示了一个示例Stewart平台用于生产线和其他许多工业应用。Stewart平台是一种并行使用struts的八面体装配机械手。Stewart平台有6个自由度(x,y,z、俯仰、滚和偏航)。在这种情况下,实际上有两种模型:模拟物理模型和应用模型。物理模型的基于物理的模拟环境。应用程序模型与这个环境来模拟真实环境的应用程序。仿真软件和Matlab作为基于模型的开发工具,因此,应用程序是一个模型。在物理世界的代表的基本设计计算机辅助设计和制造工具(如CATIA、Autodesk, SolidWorks)拥有先进的仿真工具,尽管他们是面向物理建设而不是过程控制集成(29日]。

仿真平台可以检查在动态加载条件下压力。它还处理非线性分析像偏转和影响与灵活的材料如泡沫、橡胶和塑料。在许多情况下,模拟和分析的物理实体是有用的设计不包括一个基于计算机的控制器。国家仪器的贡献促进设计工程师的主要集成,促进引进机械元素,如齿轮、凸轮、和致动器,而程序员集中的反馈和控制算法处理系统中的发动机和传动装置。将各种不同的对象在一起,我们使模型进行交互。提供渲染允许模型的可视化操作。在创建大型模型,建模环境可以要求大量的计算能力。建立庞大的模型可能是一个挑战的计算。在这个阶段,开放式架构主机可以显著差异。

3.2。多核速度仿真(30.]

一些CAD和基于模型的设计系统采用界面软件,利用多核。新的正在努力开发和链接几个核心。利用大量的核心和集群系统的挑战先进的软件架构。主要的挑战是核之间的通信。机械电子模拟的基本要求是在分布式环境中不同对象之间的时间同步。模拟多个核心环境又是一个挑战,当共享内存不能处理同步。通常有一个物理空间的限制。机器人线装配仿真可以在该地区表现良好,但能力有限,如果与其他细胞。基于模型的图形编程可以协助连接多个单元(图7)。

3.3。交互式建模

图形环境的关键方面是系统分区和交互的可视化表示有助于机电整合应用。他们还减少系统的复杂性从开发人员的角度来看,允许浓度在应用程序的细节。例如,仿真工具如Simscape用作一种声明性语言,它定义了隐式组件之间的关系与显式编程规范语言如C和c++图形数据流语言如虚拟仪器。Simscape目标cosimulation编程和CAD相交的地方。这个多畴的工具联系在一起的电子、机械驱动元素,力学,液压工具。例如,Stewart平台模拟前面讨论可以包含电气、液压、机械、和信号流支持除了软件控制系统。

通过减少所需的专业知识开发机电整合应用程序,开发人员可以花时间和精力在其他领域有专长。同样,有一个模型环境允许更好的思想交流和产品。不同的是,这些天内的细节模型作为对象交换在机电整合应用程序变得更加先进。曾经只是维现在的东西可以用可编程中使用一个完整的模拟反馈,甚至应用程序接口,当一个模型包括应用程序代码。交互式建模设计过程是至关重要的,它可以发生在一个混合环境中,真实和虚拟对象的总和。真正的机器人手臂可以加上一个虚拟装配线,例如,如果当前的任务是确定机械臂上的手可以调整一个对象。的机械手臂可能涉及激光焊接端盘子。关键是把虚拟对象和控制同行与真正的对象进行交互和远程设备上运行的代码。机电控制系统一旦为工厂设计已成为无处不在。例如,一个设计师可能回答的问题振动通过添加一个加劲肋。 In an integrated mechatronic process, however, that small mechanical change may increase the mass of the part; it also may affect how fast the control system ramps up motor speed and how long the part holds in place before returning.

图8展示了如何设计验证器可以评估系统中一个对象是否正确使用。在这种情况下,仿真验证了可变荷载条件下正确的扭矩载荷。可用性的设计验证器,断言块能够被包括在一个模型系统可以确定一个物体在一个系统中使用的是正确的。

很多顶尖的机电整合表演者也使用软件,路线,追踪,和股票的工作。最常见的是工作流的工具,自动路由工作包,警告截止日期,并通知正确的人的变化。许多公司利用产品数据管理工具来管理多学科材料帐单。并行设计实现功能使用机电整合方法。例如,工程师对效率或多快的速度做出假设他们可以使用某些施工技术去除热量。原型决定他们打标记。

3.4。正确的第一次:虚拟机原型

硬件在回路促进替代传统的机械运动控制设备与数码设备。机械系统正越来越多地由先进的电机驱动控制,得到他们的数字智能嵌入式处理器上运行的软件。正确机电设计需要多学科团队和一流的团队成员之间的沟通。决定选择导螺杆传动装置的特征有一个连锁效应在整个设计和影响其他系统的性能。帮助促进一个更综合的设计过程中,我们需要添加运动仿真功能的CAD环境创建一个更加统一的机电一体化工作流程。将运动仿真与CAD简化设计,因为模拟使用CAD模型中已经存在的信息,如装配伴侣,联轴器,材料质量特性。添加一个高级编程语言功能块运动资料提供容易获得控制这些程序集。这个概念被称为“虚拟机原型”[31日]。它汇集了运动控制软件和仿真工具来创建一个虚拟模型的机电机操作。虚拟样机可以帮助设计师通过定位系统级问题,减少风险找到相互依赖关系,权衡和评估性能。这是显示在图9这显示了绿色突出显示的运动分析元素。

3.5。评估权衡

模拟使每个人都在开发第一个原型之前完成工作。工程师可以使用武力和扭矩数据模拟应力应变分析来验证机械部件是否足够硬处理负载在操作期间。他们还可以验证整个操作周期的机器通过驾驶模拟控制系统逻辑和时机。他们可以为周期计算一个现实的估计性能,这是典型的机械设计的最佳性能指标和比较力和扭矩数据与现实的传动部件和汽车的局限性。这些信息可以帮助识别缺陷和驱动设计迭代在CAD环境。模拟也简化评估工程之间的权衡不同的概念设计。例如,SCARA机器人会比四轴笛卡尔龙门系统?模拟运行速度更快,可以重新运行时进行设计更改。考虑一个扭转载荷的分析丝杠传动装置底部。如果你违反由制造商指定的限制,可能不会持续的机械传动部分的生命周期。 Using simulation software, you can find the mass of all the components mounted on the lead screw and determine the resulting center of mass by creating a reference coordinate system located at the center of the lead screw table and calculating the mass properties with respect to that coordinate system. With this information, you can calculate the static torque on the lead screw due to gravity caused by the overhanging load. Evaluating the dynamic torque induced by the motion is important because it tends to be much larger than the static torque load. Realistic motion profiles will help us to simulate inverse vehicle dynamics. This can provide more accurate torque and velocity requirements based on the motion profiles and the mass, friction, and gear ratio properties of the transmission.

3.6。电机设计动态康复沃克

沃克康复设备设计和实现作者与医院合作图所示10。这是一个设备开发的意图帮助医院的康复患者重新学习走路。这个装置和控制系统是工业质量和将重现全部使用现成的零件。康复沃克背后的想法是,它将缓解一定百分比的体重,病人在利用附加到一个葫芦。起重机是使用应变计传感器的反馈主动控制。随着患者的范围内走来走去房间大小龙门,吊车将跟着病人。龙门是机动的开销X和Y的方向。反馈的闭环运动控制反应multiaxis倾斜传感器在起重机行。如果病人降,绞车系统反应,消除病人的全负荷的重量。控制系统由一个国家的基础仪器紧凑里约热内卢(可重构输入输出)可编程自动化控制器。cRIO系统是基于FPGA底板和实时控制器。底板接受模块执行不同的I / O功能。模块选择与康复沃克传感器以及处理电机驱动输出信号。汽车是由工业放大器,而位置通过正交编码器反馈跟踪。虚拟仪器系统的所有编程完成(图11)。

3.7。以证据为基础的诊断

在医疗领域,网络系统可以帮助医生确定病人的症状可能的原因。一个这样的统计诊断助手,称为“伊莎贝尔,”是由父亲试图改变诊断系统,影响了他的女儿(伊莎贝尔)治疗。该系统基本上是一个直观的系统,该系统利用了以前所有的诊断和统计提供了最有可能疾病(断层)和治疗(修复)。状态维修信息系统的应用可以在军队和军事应用。系统有能力从车载传感器和集成信息诊断设备开发舰队广泛的物流和态势感知,实现状态维修服务,提高操作和战术和战斗车辆的有效性。

3.8。智能加工平台

国防和航空航天工业面临的挑战质量和生产效率。美国军方发起了一个项目叫做SMPI,分成三个模块。第一个模块包括开发智能测试台的集成、验证和演示SMPI技术领域。第二模块处理扩展测试床上发现两个或两个以上的推力之间协同作用的区域。第三个模块处理各种冲突领域的集成到一个完整的智能机器能正确第一部分。

3.9。E-Manufacturing

E-manufacturing是一个系统的方法,使得制造业务能够成功整合的功能目标企业通过使用互联网,tether-free(即。、无线、网络等),和预测技术(32,33]。E-manufacturing包括监控工厂资产的能力,预测变化,性能损失动态地重新安排生产和维护操作,和同步相关和后续行动来实现一个完整的集成制造系统和上层之间的企业应用程序。罗克韦尔自动化报告概述了一项声明所需能力的世界级公司。这些都是设计、操作、维护和同步。E-manufacturing应包括智能维护和性能评估系统提供可靠性、可靠性,和最小停机时间与设备平稳运行的最高性能。

4所示。结论

增加要求机床的生产率和不断增长的技术复杂性呼吁在未来的产品开发流程改进的方法。本文探讨了应用集成的工具建立一个虚拟样机在开发过程的早期阶段。从机电一体化设计过程,本文着眼于开放架构问题,交互式建模和虚拟原型。机电一体化也受到在线和实时监控的智能设备,包括诊断和控制的过程。最新进展的机电一体化智能制造、修改和改进传统的采用机电一体化设计方法进行了讨论。

产品将继续朝着更复杂和越来越机电一体化功能,包括不断增长的无处不在的计算和嵌入式系统的趋势。公司设计和制造产品的迅速发展和全球供应链的出现。越来越多的组件和子系统将从全球供应商采购,需要在组件一起无缝和最终装配操作。将会有更多的挑战,制造业的位置添加和取消满足合同的要求和降低进口关税全球新合同。同时,供应商和组件将越来越旋转的设计来满足全球供应链的挑战和降低成本的压力。制造业将会更多的流体和需要迅速调整到新的位置,零部件供应商和设计变更。由于所有这些原因,先进的机械电子工具必须保证高质量的生产从设计制造到生产过程的连续监测和修改。他们将是至关重要的,高质量和盈利能力。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突的存在。

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