激烈的全球竞争形势给机械制造商带来了极大的压力，为了和竞争对手的产品有所区别，机械制造商致力于多方面机器性能的改善，像提高机器的生产力，降低操作成本，增加安全可靠性等等。因此，今天的机器制造商已经从原来刚性的、单一功能的、单纯依靠齿轮的设计，转向柔性的、多功能的采用现代控制技术和伺服电机的设计。
除了设计机器的机械性能外，机械制造商现在还将逻辑控制、人机界面(HMIs)，网络、机器状态监控和联网报表系统都加进他们的设计中。虽说功能增加，使机器有了更好的适应性，但同时也使机械设计过程的复杂度大大增加。而复杂度的增加又会导致设计时间、花费和风险的增加。
要解决这个跨学科的工程学挑战，需要在三个关键领域的发展：开发技术、设计工具和嵌入式控制技术。“机电一体化”这个名词正在开始流行，用以描述这种发展。机电一体化是指：整合最优秀的开发实践和技术，理顺机械设计、建造原型和配置，以改进机械设计过程。
机电一体化是一种系统级别的方法，它整合了机械，电子，控制系统和
嵌入式软件设计， 用于设计机械和电子系
统
基于机电一体化的方法降低了与机械设计相关的风险，加速了设计过程，更加符合顾客的要求，并且理顺了调试过程。
缓慢且循规蹈矩的机械设计
当今最典型的机械设计方法起始于工程师使用CAD来设计机器参数。一旦他们完成CAD模型并且做出一个原型机后，电子控制工程师开始为电气系统布线，并对控制器进行编程。设计小组在这个原型机上进行整合机器的第一次试运行。在运行过程中，任何需要重新加工零件的问题，都会导致长时间的延迟和费用的增加，甚至可能会影响到机械制造者到底是盈利还是亏损。
在设计过程中，尽早从控制和电气工程师那里得到输入信息，可以极大的降低重复修改而导致的风险。机电一体化的方法结合各类机械设计工具在工程师建造物理实型之前建立一个虚拟机械原型，这样可以很好地解决这个极具挑战性的问题。
虚拟机原型是一个3D的CAD模型，它和机械控制仿真器相互作用，可以用来模拟并测试机械运动的性能和逻辑操作。有了虚拟机模型，设计团队就可以在制造任何真实零件之前，在软件中对原型进行测试并对机械设计上的不足进行改进。
建立虚拟机原型的关键是如何实现所有工具一体化——使机械，电气和控制中的各设计工具能够结合起来。例如，控制系统的软硬件供货商National Instruments和CAD软件供货商SolidWorks合作，连接NI的LabView图形化编程语言和SolidWorks的CAD 3D机械模型，使他们的产品结合起来为虚拟机所用在这种集成环境下，机械制造商可以开发控制逻辑和动作程序，建立一个3D的CAD模型，以便在制造任何零件之前，在软件中对机器运作进行测试。
同客户沟通
了解客户需求，开发出更好机器的机械性能和控制系统，是一个长期的过程且牵涉甚广。在设计的时候，如果错误的理解了客户的需求，很有可能导致机器设计不合理，设计成本也会相应的增加。通过使用3D CAD，机械制造商可以先提供机器制品的虚拟模型，加强与客户的沟通。
通过建立模拟机，给3D的CAD模型增加逻辑控制进行仿真，可以让顾客在对成型设备投资之前，看到设备的模拟运行状态。此外，还可以在机器的设计的过程中尽早和设计小组的成员进行沟通，对设备的设计方案进行改进，最终以达到更好的效果。
“在竞标过程中，虚拟模型机给我们带来了极大的竞争优势，我们可以给客户展示我们的概念设计方案，并为这种方案的结果进行最精确的预测”，Ganninger补充说。
在一台实际的机器上进行调试是有风险的。如果系统崩溃，可能导致几星期的停工，同时增加一大笔开支用于更换部件。通过设备的3D CAD模型和运行图的结合，机械制造商在虚拟机模型中可以及早发现潜在的冲突，进行安全校正，优化运行图，以避免物理实体的损坏。
10x生产量增量
使用基于机电一体化的方法和开放式图形系统设计工具，让波士顿工程公司（Bostion Engineering）在开发自助数码成像机的时候，大大减少了研究开发的时间和花费。而这个开发的结果，使得图像打印更精确、质量更好、更可靠，并且照片输出速度比市场上同类产品快十倍左右。
该自助设备采用了最新的成像技术 ，允许顾客将存放在数字相机的文件夹中的照片立即打印出来。而这个技术的关键就在于要求打印高质量的照片。这就必须做到精确控制胶卷的张力。张力控制器必须能够每次刀头的振动，每次成像的数量，以及电机的推进速度进行调整。
控制系统的发展需要交叉领域的工程师的共同努力，包括机械工程师、硬件设计工程师、软件开发工程师以及那些对于应用的细节非常了解的人。建模和构造原型对于一个成功的设计来说是非常重要的。波士顿工程公司采用先进的工具进行机电设计，包括对控制器进行建模和设计系统原型。
机械制造商传统上使用顺序设计的方法，会导致设计过程延长。采用机电一体化的方法，可
以理顺机械设计过程、构建虚拟模型、并进行配置，减少了设计的风险和费用。
波士顿工程部的机械工程师使用SolidWorks建立了机械系统的CAD模型。当顾客对子系统有更高的要求和容量时，这个机械模型必须经过多次迭代。这个机械模型还要确定更加精确的控制系统参数，例如马达大小，运动部分的运动惯量以及传感器的选择。
通过建模和反馈可以看出，一个简单的PID控制器不能稳定地提供闭环带宽。所以，工程师采取传统的六阶相位控制器来解决20赫兹的闭
波士顿工程公司使用了LabView的可视化编程环境，和基于FPGA(现场可编程门阵列)硬件平台的CompactRIO (可重新配置的I/O)。这两个工具都是NI公司的产品。CompactRIO是一个可编程自控器(PAC)，它结合了小型开放式嵌入结构、高强度和支持热查拔的工业I/O模块。LabView常用于编写模块中嵌入式微型处理器上的监控程序，并在FPGA上执行引擎控制的算法。关于系统原型和系统配置，在编程上还有不少的类似之处。PAC输出脉宽调制器(PWM)控制两个马达；编码器为马达提供速度反馈；模拟输入通道为霍尔效应传感器配置探测器；数字线路用于收发信号；还有通道用于显示和热量及空气有关的参数。
机电一体化的结合，设计出了更加精确、对于系统反馈的实时预测力更强、提供更广的输入范围、更加满足客户需求的自助设备。通过理顺设计过程，机电一体化的方法改进了客户和设计团队之间的沟通，有利于验证运动曲线，降低机械设计的成本，并给机械制造者提供强有力的竞争优势。
翻译：常嘉佳
想了解更多信息，请登陆以下网站：
www.boston-engineering.com
www.ni.com
www.solidworks.com
文章编号：070808
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