处理前5名设计挑战

多年来，更快、更好、更便宜一直是机器设计工程师的信条。能源效率和更小的足迹最近也榜上有名。解决这些问题的方法通常是采用高端控制系统、复杂算法和多种电子元件等新技术，将机器变成机电一体化系统。

因此，设计复杂性随着设计团队的大小而增加，不同的设计群体被迫在一起工作。在机电系统中，在整个设计项目中所做的每一个决策都有一个涟漪效应。如果机械团队决定改变所用钢的类型，因此可以影响电机尺寸。从步进电机切换到伺服电机显着提高了控制算法的复杂性和关于处理算法的嵌入式系统的系统性能的要求。

“虚拟机器原型”的概念将运动控制软件和仿真工具连接起来，以创建运行中的机电机器的虚拟模型。虚拟原型通过定位系统级问题、发现相互依赖关系和评估性能权衡，帮助您降低风险并解决机电系统的设计挑战。

挑战1:选择机械部件
您的设计通常从创建一个3D CAD模型并选择正确的机械部件开始。在工业机器中，最常见的任务之一就是使用电动机将一个物体从一个位置移动到另一个位置。将标准电机的旋转运动转变为有用的直线运动的一种常见方法是将电机连接到舞台上，并使用丝杠机构移动负载。在选择台阶时需要考虑的一些关键因素包括分辨率、行程距离、有效载荷和传动比。

虽然其中一些参数主要是由机械设计定义的，但确定变速器齿轮传动比(Nr)需要与控制团队合作。从机械的角度来看，Nr指定了电机每旋转一圈时舞台的直线移动距离。看看设计的控制方面，Nr对反映到电机上的有效载荷惯性有重大影响，这对控制算法有巨大影响。作为一个经验法则，应选择齿轮传动比Nr，以便反射惯量和电机轴惯量之间的比率小于10:1用于速度控制，5:1用于适度定位，2:1用于快速定位。否则，可能会出现稳定性和调优问题。此外传动比还决定了电机转速要求与负载转速的关系。

设计并验证您的运动配置文件使用干扰检测功能。

线性级沿直线运动，通常相互堆叠以实现多个方向的运动。带有X, Y和Z分量的三轴系统是用于在3D空间中定位对象的常见设置。线性级用于在空间中定位物体，旋转级用于在空间中定位物体，并调整物体的俯仰和偏航。许多应用，如高精度对准，都需要位置和方向。由于在操作过程中产生的惯量、力和扭矩难以计算，因此要指定组合线性和旋转部件的堆叠系统就更加复杂。

最先进的3D CAD工具的仿真功能可以帮助收集所需信息。结合来自运动控制软件的现实世界轨迹，您可以模拟实际行为并获取信息而不执行PHD级数学计算。

挑战2:运动轮廓设计和验证
通常，机器制造商已经从单一用途的机器转向制造灵活的多用途机器，其中机械和气动部件被基于电机的解决方案取代。一个这样的替换的例子是机械轴，执行凸轮。在现代机器中，它们通常被多个驱动器和电机的组合所取代，需要控制软件来提供凸轮功能。虽然这使得机器更容易维护，占地面积更小，具有显著的效率优势，但随着每增加一个电机和运动部件，为这些系统设计运动轮廓变得更加复杂。

可视化合规问题比如由于共振而产生的马达铃声。

开发运动配置文件需要专门的软件工具。通常，控制工程师不想创建算法，该算法控制电机的线圈内的能量流动。相反，他们希望根据执行标准移动类型，如直线，电弧或轮廓移动的功能来设计它们的系统。此外，它们需要先进的功能来通过传动和凸轮功能同步多个电机。

在传统的设计流程中，控制工程师通常不能在建立第一个物理原型之前开始实现算法。现在，LabVIEW NI SoftMotion和SolidWorks的集成允许控制工程师设计和验证他们的运动轮廓，只要3D CAD模型可用，允许工程师和科学家创建他们的笛卡尔运动系统的虚拟原型。通过将由高级功能块开发的运动轮廓应用到可模拟的三维CAD模型中，他们可以评估和验证运动部件的操作，并确定运动轮廓是否如预期的那样执行。

挑战3:电机选型/力转矩
电机尺寸似乎非常简单 - 只需挑选最佳电机，以匹配速度，惯性和扭矩要求您的应用。然而，DOE估计美国中使用的大约80％的电机都是超大的。虽然适度的超大尺寸补偿了机器寿命的摩擦上升，但由于惯性越高，电动机运行效率较高，能量成本较高，速度降低。当电动机是有效载荷的一部分时，这更重要，如在许多多轴运动控制系统中。大约96％的电机的终身成本来自它消耗的能量，而不是购买电机本身的成本。

定义电机规格根据你的运动模拟结果。

旨在通过数千个选择来帮助排序几个基于Web的电机尺寸的工具，其中一些包括来自多个供应商的电机数据。但是，这些工具只与您提供的输入一样好。您可以使用CAD包内置的功能增强工具，以便更准确地估计您的速度，惯性和扭矩要求。

使用现实的，多轴运动轮廓驱动您的模拟可以提供更准确的扭矩和速度要求，这取决于您的运动轮廓的加速度特性和变速器的质量，摩擦和传动比特性。在评估仿真结果时，将转矩和速度的均方根值与电机的额定性能曲线进行比较，并将峰值值与最大速度和间歇转矩限制进行比较。

适当的电机必须与机械系统配对，以提供所需的性能。有四种主要的电机技术可用：

挑战4:机械依从性
导致意外振动的机械合规性问题是机器行业问题最常见的原因之一。物理现象，如灵活性和反弹可以在闭环PID控制系统上肆虐，使其难以或不可能调谐，或者使系统在操作期间嗡嗡声。修复控制软件中的问题是不可能的。因此，处理合规通常需要重新设计机械部件。

线性柔顺问题是由机械装配的灵活性引起的，例如拾取和放置机器中的夹持臂。力矩臂的长度，有效载荷的重量和运动轮廓的速度都起作用。由于标准的传动部件，如丝杠，如果你保持在制造商的规格范围内，往往是相当坚硬的，线性符合问题通常表现在客户设计的机械组件，你附加到执行器。大多数情况下，机械团队在设计组件时都会考虑合规性问题，但对操作力和扭矩的错误假设可能会导致问题。

最常见的控制系统解决方法是将额外的死区时间添加到每个移动操作的末尾，以便等待振动来解决。在某些情况下，通过将运动轨迹的激励频率转换在机械系统的自然频率之上的激励频率转换，运行更快的运动曲线实际上可以减少症状。如果通过减少PID增益来解决系统以避免问题，则循环时间性能可能受到影响。因此，解决问题的最佳方法通常是机械变化。

你可以使用不同的机制来避免共振。首先要考虑的是机械变化。通过改变电机或负载惯性或增加传动刚度，可以移动频率共振，使其在机器运行范围内不出现。再次强调，虚拟原型工具可以测试设计并解决问题，而机器仍然只是一个虚拟的CAD模型。您可以将真实的运动轨迹应用到机械模型中，并在构建昂贵的物理原型之前，模拟整个系统来评估不同的设计概念。

挑战5：直流电机系统调整
一旦先前的元素固定了一个具有挑战性的时间 - 使机器工作，平衡了机器性能等不同方面，并且放置在电机上的压力增加，以增加寿命并减少所需的服务旅行的数量。虽然所使用的电机是低成本的暑头或高端伺服电机无关紧要的，但调整是将使机器平稳，有效地运行的关键过程之一，同时避免了像机械顺应性等不期望的行为。

严重调谐的电机可以真正降低机器性能和寿命。当电动机未正确调整时，将暴露不良行为，例如电机过热和损坏，最终产品质量差，以及强调超出原始规范的组件的机械混蛋。在增加电机的规格时，调整控制器的较低性能并不罕见，使其在更安全区域中操作。一旦这是一种有效的方法，因为它增加了机器重量和成本，因此今天往往不太可接受。

在工程交流中讨论:

国家仪器
ni.com

Dassaultsystèmessolidworks corp
solidworks.com

要查看虚拟原型制作演示视频，并了解更多信息，请访问www.ni.com/virtualprototyping．

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