|
概覽 功能原型設(shè)計(jì)系列 是一本有關(guān)原型設(shè)計(jì)過(guò)程的文章集。從中您可以閱讀相關(guān)的重要概念、原型設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)、產(chǎn)品選擇研討和其他技術(shù)資料。 什么是虛擬原型設(shè)計(jì)？ 虛擬原型設(shè)計(jì)是一種將機(jī)械建模和控制設(shè)計(jì)仿真相結(jié)合的創(chuàng)新方法，以提高對(duì)嵌入式控制系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)和原型設(shè)計(jì)的效率。利用虛擬原型設(shè)計(jì)技術(shù)，你甚至可以在建立你的第一個(gè)物理原型設(shè)計(jì)之前，將你的軟件設(shè)計(jì)和控制算法連接到你的3D CAD機(jī)械模型上，以測(cè)試你所建立系統(tǒng)的機(jī)械特性。 
圖1. 虛擬原型設(shè)計(jì)的方法 虛擬原型設(shè)計(jì)的需求 虛擬原型設(shè)計(jì)通過(guò)提高用戶對(duì)需求的理解，加快設(shè)計(jì)進(jìn)程及簡(jiǎn)化調(diào)試，以降低與機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。如果沒(méi)有虛擬原型設(shè)計(jì)，在你能得到客戶對(duì)產(chǎn)品運(yùn)行的實(shí)際反饋之前，傳統(tǒng)上需要工程師建立整個(gè)物理原型。通過(guò)使用虛擬原型技術(shù)，在實(shí)際建立機(jī)器之前，你可以向客戶顯示有關(guān)機(jī)器機(jī)械性能的數(shù)字顯示，并更迅速、更容易地獲得客戶的反饋意見(jiàn)。這就確保了客戶可以更多地參與到設(shè)計(jì)過(guò)程中，避免你直到原型設(shè)計(jì)中才能獲得客戶的反饋意見(jiàn)。這就太遲了。 此外，通過(guò)創(chuàng)建虛擬原型，你可以縮短產(chǎn)品上市的時(shí)間。這種原型有助于你在虛擬設(shè)計(jì)上構(gòu)思并反復(fù)修改，因此當(dāng)你開(kāi)始建立一個(gè)物理原型時(shí)，你會(huì)在第一時(shí)間得到其原型設(shè)計(jì)。通過(guò)將控制軟件連接到3D CAD模型上，你可以更容易地發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題，而這些問(wèn)題通常在你建立物理原型之前，一般不會(huì)被發(fā)現(xiàn)的。你可以編寫(xiě)運(yùn)動(dòng)控制代碼，如有關(guān)2D和3D運(yùn)動(dòng)輪廓的代碼，查看基于3D模型的代碼運(yùn)行結(jié)果。因此，如果部件太大以致會(huì)引起碰撞或如果你想觀察輪廓移動(dòng)和線性移動(dòng)間的區(qū)別，你可以利用虛擬原型設(shè)計(jì)來(lái)解決該問(wèn)題并觀察其區(qū)別。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，虛擬原型設(shè)計(jì)有助于你在設(shè)計(jì)過(guò)程早期作出關(guān)鍵設(shè)計(jì)決策。
圖 2. 使用虛擬原型設(shè)計(jì)Fastek國(guó)際公司的Kent Wedeking 虛擬原型設(shè)計(jì)還可以通過(guò)減小你所需要建立的物理原型數(shù)來(lái)節(jié)省時(shí)間和資金。傳統(tǒng)上，你必須建立多個(gè)物理原型，因?yàn)槟銦o(wú)法預(yù)見(jiàn)未來(lái)機(jī)械的挑戰(zhàn)。CAD和仿真軟件的出現(xiàn)改變了游戲規(guī)則，在設(shè)計(jì)過(guò)程中大大提高了可視化。現(xiàn)在你可以基于軟件工具建立、測(cè)試和驗(yàn)證設(shè)計(jì)，以前這些都需要建立物理原型才可以實(shí)現(xiàn)。當(dāng)你進(jìn)行數(shù)字仿真和驗(yàn)證你產(chǎn)品機(jī)械設(shè)計(jì)的真實(shí)性能時(shí)，通過(guò)大大減小物理原型數(shù)，為你節(jié)省了時(shí)間和資金。 最后，虛擬原型設(shè)計(jì)有助于提高機(jī)器或設(shè)備的質(zhì)量和效率。過(guò)去，你通常必須基于有限的信息來(lái)選擇電動(dòng)機(jī)及潛在的大量工程設(shè)計(jì)來(lái)增加安全系數(shù)。隨著虛擬原型設(shè)計(jì)工具的發(fā)展，你可以提前對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行仿真，包括電動(dòng)機(jī)，控制算法和物理結(jié)構(gòu)，并收集所有必要的信息，提出切實(shí)有效的設(shè)計(jì)方案。 NI公司虛擬原型設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì) 你可以使用NI公司的LabVIEW圖形化編程工具和SolidWorks運(yùn)動(dòng)工具來(lái)幫助你快速建立一個(gè)有關(guān)你機(jī)器的虛擬原型設(shè)計(jì)。此外，NI 公司還提供了多種先進(jìn)的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)仿真和建模的解決方案。 利用NI LabVIEW和SoildWorks軟件進(jìn)行原型設(shè)計(jì) 利用LabVIEW軟件，你可以直接連接到SoildWorks機(jī)械模型上，建立一個(gè)關(guān)于你系統(tǒng)的虛擬原型設(shè)計(jì)。通過(guò)將SolidWorks運(yùn)動(dòng)分析性能與LabVIEW 2009 NI SoftMotion 模塊相結(jié)合，并使用運(yùn)動(dòng)控制編程函數(shù)在SolidWorks軟件中驅(qū)動(dòng)仿真，你就可以創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的真實(shí)模擬情況。為了精確，協(xié)調(diào)一致的運(yùn)動(dòng)分析，利用LabVIEW NI公司SoftMotion模塊， 你可以建立運(yùn)動(dòng)控制代碼，并將其直接連到SolidWorks 3D 機(jī)械模型上。
圖3. LabVIEW NI SoftMotion 模塊和 SolidWorks集成 利用LabVIEW 2009，你可以添加SolidWorks 3D CAD 模型到你的LabVIEW項(xiàng)目中。這將自動(dòng)填充定義在3D CAD模型中的電動(dòng)機(jī)和傳感器模塊，因此你可以更容易地將你的模型連接到LabVIEW和NI SoftMotion圖形控制代碼中。 從虛擬原型設(shè)計(jì)到物理原型設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變 最后，基于嵌入式運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)如NI CompactRIO硬件，其包括了一個(gè)實(shí)時(shí)處理器和一個(gè)可編程門(mén)陣列（FPGA），利用LabVIEW NI SoftMotion 和 SolidWorks 3D CAD模型，你就可以很容易地部署你開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用程序。使用CompactRIO和NI公司的運(yùn)動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)器接口，通過(guò)運(yùn)動(dòng)模塊、數(shù)以百計(jì)的步進(jìn)器、伺服驅(qū)動(dòng)器和電動(dòng)機(jī)兩兩之間的直接連接，你可以很容易地將算法應(yīng)用到物理原型上或終端機(jī)器上。正因?yàn)槿绱耍憧梢灾匦吕瞄_(kāi)放的代碼，在仿真環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，使用NI硬件可以將軟件代碼快速地連接到物理I/O和電動(dòng)機(jī)上。
圖 4. 從你的虛擬原型到物理原型的轉(zhuǎn)變 NI高級(jí)仿真工具 除了能使用LabVIEW和 SolidWorks工具建立虛擬原型外，你還可以使用LabVIEW軟件對(duì)任何機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行仿真。利用LabVIEW控制設(shè)計(jì)和仿真模塊，你可以分析開(kāi)環(huán)模型行為、設(shè)計(jì)閉環(huán)控制器、仿真在線與脫機(jī)系統(tǒng)以及進(jìn)行物理實(shí)現(xiàn)。
圖5. NI LabVIEW控制設(shè)計(jì)與仿真工具 你可以使用轉(zhuǎn)換函數(shù)，狀態(tài)空間或零極點(diǎn)增益顯示，并根據(jù)第一原理來(lái)創(chuàng)建模型。除此之外，你還可以利用時(shí)頻分析工具，如時(shí)間階躍響應(yīng)或波特圖，交互分析這些模型的開(kāi)環(huán)和閉環(huán)行為。對(duì)于多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)和單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng)，使用內(nèi)置工具，并利用仿真特性來(lái)驗(yàn)證線性與非線性系統(tǒng)動(dòng)力特性。你還可以使用內(nèi)置工具，將MathWorks公司的Simulink®軟件開(kāi)發(fā)的模型轉(zhuǎn)換為與LabVIEW軟件協(xié)同工作。 下一步 虛擬原型設(shè)計(jì)技術(shù)在設(shè)計(jì)工程中對(duì)于提高可視化是極有用的工具。在不同的情況下，通過(guò)對(duì)所有系統(tǒng)組件的相互作用和行為的更深入理解，有助于你節(jié)省時(shí)間和資金。 欲了解更多關(guān)于虛擬原型設(shè)計(jì)技術(shù)方面的信息，請(qǐng)參閱以下相關(guān)資源。了解原型設(shè)計(jì)過(guò)程中的下一步驟，請(qǐng)返回到功能原型設(shè)計(jì)系列 。 NI公司供稿 |
