虚拟原型与3D CAD

由Brian Macclerery，National Instruments和Stephen Endersby，DassaultSystÃ这件QualWorks公司

设计故障可能是设计复杂运动控制机械方面取得成功的关键。早期失败，往往可能会导致快速的设计成功。你在早期发展的每一个错误都是潜在的避免灾难。

任何编程错误或机械设计缺陷，导致物理机会崩溃，振动，早期或表现不佳是一个非常严重的问题。如果那些小猴子扳手保持隐藏，直到你建造第一台机器，良好的项目可以打开它的头部。但是，今天可以提供新的虚拟原型工具，为您的设计仍然只是一个虚拟CAD模型，提供了一个简单，安全的环境，以测试您的设计和省略问题。

在机器设计中，每个决策都对设计的其他方面具有涟漪效应。

我们都知道，为了避免在机器开发过程结束时避免危机，很重要的是寻找和尽早解决缺陷。但是，最难点的问题往往是在工程学科之间介绍的那些 - 机械，电气，软件和嵌入式控制系统之间的无人土地。在现代机电机器，有很少的决定可以孤立，而没有影响其他学科的决定（或设计变更）。例如，在多轴运动控制架中选择用于带驱动致动器的皮带轮直径，看似机械决策，在电气和控制域中具有“纹波效应”。这一决定会影响电机尺寸的一切，以便图表指示了机器的定位精度和循环时间性能。

机电一体化方法
获得当今的机电机械设计右需要多学科的发展方法，通常被称为机电一体化方法，其中机械，电气和控制工程师在并行开发过程中并排工作。许多设计团队仍在使用传统的顺序“扔掉它的墙壁”方法，当工程域之间没有许多依赖性时，很有依赖性，这是令人惊讶的是，在建造物理机器之前，许多错误都保持着隐藏在一起？

新的虚拟原型工具的出现使多学科团队能够在CAD模型(虚拟机)创建后立即开始协作。控制工程师可以开始编写和测试控制软件，电气工程师可以做出明智的传感器放置和电机选择决策，机械工程师可以使用真实的力和扭矩数据优化机械设计。

采用虚拟原型方法有什么好处?阿伯丁集团(Aberdeen Group)最近对140多家设计公司进行的一项调查发现，以机电一体化为导向的公司的表现明显优于那些采用传统“领域细分”开发模式的公司。这些“一流的”设计公司使用虚拟原型模拟的可能性是落后的公司的7倍。这些模拟捕获多领域系统级别的行为，因此团队可以在构建物理原型之前迭代设计。顶级公司平均使用虚拟原型进行25次设计迭代，使用物理原型进行6次设计迭代。在实现开发成本目标、产品质量目标、发布日期等方面，这些公司的表现始终优于落后的公司。

顶部执行公司以多种方式使用多域虚拟原型设计模拟。首先，虚拟原型提供了一种改进跨工程学科的沟通和协作的方法。其次，他们有助于将团队的愿景提高到整个项目中的设计要求的程度。第三，他们增加了团队预测行为的能力系统在构建物理机器之前。

运动系统设计

运动控制系统的设计是一个经典的机电一体化挑战，并解决这一挑战新的虚拟原型工具正在出现，直接进入3D机械CAD环境。例如，SolidWorks的NI SoftMotion将NI LabVIEW，图形编程语言，SolidWorks 3D CAD环境连接，使设计人员能够通过控制具有现实工业控制软件的虚拟机来测试CAD模型。与简单的静态屏幕捕获或基本动画相比，这种类型的仿真在信息中更丰富。它提供了一种展示现实机器操作的方法，收集客户反馈，并在设计团队内传达设计意图。它还提供了丰富的速度，力量和扭矩数据，使多学科团队能够做出更好，更明智的设计决策。

激进工程有限责任公司的所有者Greg Radighieri解释了虚拟样机是如何改变他的机器设计过程的。“当你不得不等待物理机器时，需要很长时间才能进入测试和验证阶段。有了虚拟样机，你不用等很长时间，机器商店就可以完成机器并开始测试。这些工具提供了一个非常灵活的解决方案。让我们拿一台磨床。早期的问题包括，一个工具需要多快?应该是钻石工具吗?你的第一个设计需要告诉你它需要多少机械动力。电机尺寸和电气解决方案不属于这一范畴。”

所有的模型都是错误的，但有些是有用的

虚拟原型的目标不是拥有机器100%准确的模型，因为这是物理原型的目的;目标是快速测试您的设计，同时评估设计决策的“连锁反应”。如果获取结果花费的时间太长，那么信息的价值就会显著降低。您希望快速迭代和优化设计，而不是等待几个月的答复。为此，虚拟原型工具应该重用您在创建CAD模型时已经进行的投资。CAD模型中的惯性和配对信息被用来创建一个机械模拟，然后当它连接到运动控制软件时就会变得栩栩如生。当相同的代码部署到物理机器上时，团队为虚拟原型开发控制软件的投资也会被重用。所有这些虚拟测试意味着您可以进行更多的设计迭代，从而改进您的设计，同时确保物理机器按照预期工作。

使用模拟的机电一体化的公司的使用者比落后的项目管理目标更有可能。

机器设计是一个开放式过程，有许多可能的解决方案。不幸的是，许多人是糟糕的解决方案，只有几个是好的。许多高效的开发团队看起来像托马斯爱迪生所做的那样，一个消除的过程。着名的发明家一旦写道，“如果我发现10,000种方法不起作用，我没有失败。我没有沮丧，因为每一次错误的尝试都丢弃了另一步。“虚拟原型设计可以帮助您快速消除不良解决方案。

如何在运动控制系统的设计中使用虚拟样机?任何设计的出发点都是定义让客户满意的属性。对于大多数机器来说，经典的理想属性包括吞吐量(它能生产多快?)、停机时间(它能生产多可靠?)和产量(生产的质量是什么?)然而，这些都受到一个强大的约束——成本。虚拟原型可以帮助你在优化和添加设计时反复分析这些因素。

涉及三个运动轴和夹具臂的拾取机的虚拟原型。

当评估成本时，您真正想要分析生产价格（每小部件的美元）而不是仅仅是各个组件的价格。在某些情况下，选择更高价格的组件将增加机器的吞吐量，从而降低所产生的生产成本。这些复杂的商业权衡位于任何设计项目的最前沿。例如，提高机器的吞吐量可能需要更昂贵的电动机和控制系统，但是导致生产的成本净降低。

解决这些谜语仍然需要良好的老式工程灵活和经验。很快就没有计算机工具即可更换这些技能。然而，工具可以做的是用实体工程分析替换“信封后面”计算。虚拟原型的一些技术问题可以帮助回答如下图所示。

虚拟原型可以帮助您提出更好的知情决策。

法斯泰克国际有限公司的机械设计工程师Kent Wedeking开始使用虚拟样机技术来改进他的机器设计过程。“以前，我只是把机械设计扔到一边，然后说‘嘿，让它工作吧。他说，现在我们可以看看整个系统。我们可以做并行设计，包括机械和所有的运动控制代码，而不是顺序开发。在虚拟环境的桌面上进行更改和响应不同的内容要容易得多。(这可能会)将整个项目的时间表缩短一半。”