MCD(Mechatronic concept design)機電一體化系統(tǒng)設(shè)計是NX設(shè)計平臺的應用模塊。它創(chuàng)建的機電功能模型,實現(xiàn)了機械,電氣,自動化功能的集成,并以信號交互的方式對復雜機電裝備的運行過程進行設(shè)計和仿真。
MCD創(chuàng)建的機電集成的功能模型不僅可用于機電系統(tǒng)的功能驗證,同時也是組成虛擬調(diào)試關(guān)鍵環(huán)節(jié),本文將介紹使用MCD創(chuàng)建機電集成功能模型的流程,如下所示:
圖1-機電集成功能模型創(chuàng)建流程
1.機電對象定義——剛體,碰撞體等
基本機電對象主要包括剛體,碰撞體,對象源及對象收集器等。通過定義,可賦予幾何模型物理屬性,如質(zhì)量,摩擦力,恢復系數(shù)等。在仿真過程中,機電對象會根據(jù)外部的條件進行相應的物理響應,如重力下落,移動旋轉(zhuǎn),碰撞停止等,而沒有進行機電對象定義的幾何體,將始終保持靜止。
如果仿真過程中機電對象間還需要通過接觸力產(chǎn)生行為,則需要定義碰撞體,碰撞材料等,沒有定義碰撞的對象將相互穿過。
圖2-剛體定義
2.運動副及約束/耦合副定義
使用基本運動副可對仿真期間剛體運動方式進行定義,如平行運動或旋轉(zhuǎn)運動,同時也對運動的范圍進行限制。一個運動副由基本體與連接體組成,約束兩者之間的相對運動關(guān)系。為使仿真性能更加穩(wěn)定,在創(chuàng)建運動副時可選擇不同的運動計算方式,包括:
a. 動力學:在仿真過程中使用機電求解器執(zhí)行精確的運動副計算。
b.運動學:執(zhí)行簡單的運動學計算,不使用機電求解器,以提高仿真性能。
c.鉸接運動:優(yōu)化運動學計算,實現(xiàn)更精確、更快速的結(jié)果。
圖3-運動副與約束
基本運動副只定義一個運動約束,耦合副則是對兩個具有約束關(guān)系的運動副進行定義,兩者之間具有主從關(guān)系。主要有齒輪副,機械/電子凸輪,滑輪與帶,齒輪齒條等,如下所示。
圖4-耦合副定義
3.執(zhí)行器定義
機電系統(tǒng)的運動副與約束定義完成后,可以添加執(zhí)行器以驅(qū)動運動副。MCD中可用的執(zhí)行器包括速度控制,位置控制,力與扭矩控制,氣動/液壓控制,反算機構(gòu)驅(qū)動,傳輸面等功能。其中反算機構(gòu)驅(qū)動可用于工業(yè)機器人的運動設(shè)計,實現(xiàn)對機器人的虛擬示教。
每個執(zhí)行器具有相應的控制參數(shù),如速度,位置等。這些參數(shù)可以在定義時輸入,也可以在創(chuàng)建仿真序列時定義。在虛擬調(diào)試中,這些參數(shù)則作為MCD的輸入信號,由外部控制器進行控制。
圖5-位置控制
4.傳感器定義
MCD機電集成功能模型最重要的特點就是集成了電氣傳感器屬性,從而可以檢測設(shè)備的條件與狀態(tài),并作為MCD的輸出信號,由仿真序列或者外部控制器使用,創(chuàng)建邏輯程序。MCD支持數(shù)字量傳感器的創(chuàng)建,如碰撞傳感器可用作接近開關(guān),檢測設(shè)備到位,零件在位等場景。同時MCD支持模擬量傳感器的創(chuàng)建,如速度檢測,位置檢測,加速度檢測等,從而在虛擬調(diào)試過程中可建立運動控制的閉環(huán),半閉環(huán)等控制方式。
圖6-碰撞傳感器
5.仿真序列控制
機電系統(tǒng)動作的執(zhí)行是基于時間或狀態(tài)變化,即動作的時序和條件。而仿真序列即可用來創(chuàng)建基于時間和基于事件的行為,從而讓機電功能模型在序列的控制下實現(xiàn)系統(tǒng)連續(xù)有序的運行。
圖7-仿真序列
仿真序列可創(chuàng)建機電系統(tǒng)中所有對象的控制單元,并可訪問所有對象的參數(shù),如凸輪曲線、運動副和約束。仿真序列可以控制執(zhí)行器的開始時間、持續(xù)時間和速度,或者在傳感器激活時更改動態(tài)材料的大小等。一般使用仿真序列執(zhí)行以下操作:
a. 創(chuàng)建條件語句以確定何時觸發(fā)參數(shù)更改。
b. 將對象參數(shù)的值更改為仿真序列中設(shè)置的值。
c. 根據(jù)指定的事件暫停運行時仿真。
d. 使用仿真序列導出系統(tǒng)運行節(jié)拍表,用于系統(tǒng)分析和優(yōu)化。
需要注意的是,如果在虛擬調(diào)試過程中使用外部信號控制機電對象,則需要激活或停用對應的仿真序列,避免對同一參數(shù)同時被兩種不同的方式控制。
圖8-創(chuàng)建基于事件的仿真序列
6.結(jié)語
NX MCD通過定義機電對象,運動副和約束,傳感器與執(zhí)行器,將機械產(chǎn)品的幾何模型轉(zhuǎn)換為具有機電物理屬性的集成功能模型,即創(chuàng)建與實際系統(tǒng)對應的虛擬功能模型。利用仿真序列創(chuàng)建的時間/事件序列,可以按照自動化控制邏輯驅(qū)動功能模型中的機電對象,從而實現(xiàn)對機電系統(tǒng)復雜運行過程的設(shè)計與仿真。