UG NX在機(jī)電產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)中應(yīng)用與研究*

肖祖東，柳和生，李 標(biāo)，饒錫新

(南昌大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，南昌 330031)

UG NX在機(jī)電產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)中應(yīng)用與研究*

肖祖東，柳和生，李 標(biāo)，饒錫新

(南昌大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，南昌 330031)

由于機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)的多學(xué)科融合性、復(fù)雜性及概念設(shè)計(jì)的重要性，利用機(jī)電產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)系統(tǒng)來完成機(jī)電產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)，是提高機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量、贏得市場競爭的重要途徑。論文首先闡述了在傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)中存在的不足，并提出了基于UG NX平臺中MCD(Mechatronics Concept Designer)的機(jī)電產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)；其次，簡單介紹了基于MCD的機(jī)電產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)過程模型；最后，以圓形裝載機(jī)的概念設(shè)計(jì)為例來說明基于MCD的機(jī)電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的可操作性以及與傳統(tǒng)概念設(shè)計(jì)相比的優(yōu)越性。

機(jī)電一體化；概念設(shè)計(jì)；計(jì)算機(jī)輔助；MCD

0 引言

一方面，隨著現(xiàn)代社會機(jī)電產(chǎn)品的普及，機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)所涉及到的專業(yè)領(lǐng)域逐漸增多，導(dǎo)致機(jī)電一體化產(chǎn)品具有多學(xué)科融合的特點(diǎn)，從而增加了機(jī)械產(chǎn)品復(fù)雜性，同時(shí)也增加了設(shè)計(jì)難度給機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)者提出了更高的要求。另一方面，在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的今天，市場競爭日益激烈，為了提高產(chǎn)品的競爭能力，必須縮短設(shè)計(jì)周期，加快產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度，以適應(yīng)消費(fèi)者的需求。同時(shí)，概念設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵階段，它在很大程度上決定著最終產(chǎn)品的性能、創(chuàng)造性、價(jià)格、市場響應(yīng)速度和效率等,且概念設(shè)計(jì)階段實(shí)際投入的費(fèi)用只占產(chǎn)品開發(fā)總成本的5%,卻決定了產(chǎn)品總成本的70%[1]。因此，隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[2]的發(fā)展以及CAD/CAM應(yīng)用的深入,并借助于計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的存儲與檢索能力，開發(fā)機(jī)電產(chǎn)品計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)工具，實(shí)現(xiàn)機(jī)電產(chǎn)品計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)是機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。MCD作為基于UG NX平臺的機(jī)電產(chǎn)品計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)工具，適用于機(jī)電一體化產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)，由于MCD能夠?qū)崿F(xiàn)多學(xué)科的協(xié)同工作，從而可加快涉及機(jī)械、電氣和軟件設(shè)計(jì)學(xué)科的產(chǎn)品的開發(fā)速度，因此能夠提高設(shè)計(jì)速度、提升設(shè)計(jì)質(zhì)量。同時(shí)MCD可實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)技術(shù)，幫助機(jī)械設(shè)計(jì)人員滿足日益提高的要求， 不斷提高機(jī)械的生產(chǎn)效率、縮短設(shè)計(jì)周期和降低成本。

1 機(jī)電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)系統(tǒng)

1.1 傳統(tǒng)機(jī)電產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)系統(tǒng)

機(jī)電產(chǎn)品計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)是近年新興研究學(xué)科，目前，傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)系統(tǒng)并不多，且由設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)的側(cè)重點(diǎn)不同，傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)系統(tǒng)存在著不同程度的不足與缺陷。有的偏重于控制部分，但對執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分卻不夠深入不能體現(xiàn)出機(jī)械的主體地位[3]；有的側(cè)重于機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域,對于控制系統(tǒng)的理論和應(yīng)用研究不夠,對于信息的處理等還有進(jìn)一步的研究空間[4]；有的較少考慮到機(jī)械部分、傳感器及驅(qū)動器的特性,也沒有考慮到幾個(gè)部分之間的融合設(shè)計(jì)問題，從而不能全面反映以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動執(zhí)行功能為主的機(jī)電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)[5]；有的只具有對機(jī)電一體化系統(tǒng)建模、性能仿真、靈敏度分析等功能,而不具備產(chǎn)生方案的功能[6]。且傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)都不能實(shí)現(xiàn)三維建模與三維的動態(tài)仿真效果[7]。

以“三子系統(tǒng)論”[8]為理論依據(jù)的MCD的機(jī)電產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)，不僅突出了機(jī)電一體化系統(tǒng)中的機(jī)械主體地位。同時(shí)MCD能夠?qū)崿F(xiàn)功能設(shè)計(jì)方法，可集成上游和下游工程領(lǐng)域，包括需求管理、機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)以及軟件自動化工程。從而能夠?qū)崿F(xiàn)多部門協(xié)同、縮短上市時(shí)間、重用現(xiàn)有知識，并且可以通過概念評估做出更好的決策。這是基于MCD與傳統(tǒng)概念設(shè)計(jì)工具的本質(zhì)區(qū)別。另外MCD實(shí)現(xiàn)了包含多物理場以及通常存在于機(jī)電一體化產(chǎn)品中的自動化相關(guān)行為的概念進(jìn)行三維建模和仿真，從而能夠得到更高質(zhì)量的概念產(chǎn)品。

1.2 機(jī)電產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)系統(tǒng)MCD的特點(diǎn)

基于MCD與傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)工具除了有上述的本質(zhì)區(qū)別外，還有以下幾個(gè)顯著特點(diǎn)：

(1)集成式系統(tǒng)工程方法

MCD可以利用系統(tǒng)工程原則跟蹤客戶的要求，直至完成設(shè)計(jì)。功能模型使機(jī)械、電氣和自動化部門能夠通過共同的方式攜手合作，有助于設(shè)計(jì)者更快交付設(shè)計(jì)、減少設(shè)計(jì)流程后期出現(xiàn)的集成問題。

(2)概念建模和基于物理場的仿真

MCD提供易于使用的建模和仿真，可在開發(fā)周期最初階段迅速創(chuàng)建并驗(yàn)證備選概念。借助早期驗(yàn)證可幫助檢測并糾正錯(cuò)誤，此時(shí)解決錯(cuò)誤成本最低。

(3)通過智能對象封裝機(jī)電一體化數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)重用

通過模塊化和重用，MCD可幫助最大限度提高設(shè)計(jì)效率。借助該解決方案，您可獲取智能對象中的機(jī)電一體化知識，并將這些知識存儲在庫中，供以后重用。在重用過程中，因?yàn)槟軌蚧诮?jīng)驗(yàn)證的概念進(jìn)行設(shè)計(jì)，所以可提高質(zhì)量；并且可通過消除重新設(shè)計(jì)和返工加快開發(fā)速度。

1.3 在MCD中機(jī)電產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)過程模型

MCD與Siemens的產(chǎn)品生命周期管理軟件Team- center結(jié)合使用，可支持機(jī)電一體化產(chǎn)品從需求定義到方案求解的概念設(shè)計(jì)全過程。具體的機(jī)械設(shè)計(jì)流程如圖1所示：

圖1 一般過程模型圖

2 應(yīng)用實(shí)例

下面以圓形裝載機(jī)的概念設(shè)計(jì)為例來說明基于UG NX平臺中MCD的機(jī)電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的可操作性，并體現(xiàn)出基于MCD機(jī)電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)概念設(shè)計(jì)相比的優(yōu)越性。具體步驟如下：

(1)設(shè)計(jì)需求的定義與管理

MCD能與Siemens的產(chǎn)品生命周期管理軟件Teamcenter結(jié)合使用，以提供端到端的解決方案。在開發(fā)周期開始時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以使用Teamcenter 的需求管理和系統(tǒng)工程功能構(gòu)建工程模型，體現(xiàn)出客戶的意見。并通過分解功能部件，對各種變型進(jìn)行描述，將它們與需求直接聯(lián)系起來。這種功能模型可促進(jìn)跨學(xué)科協(xié)同概念設(shè)計(jì)，從而確保在整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)過程中滿足客戶期望，這是MCD相比于傳統(tǒng)觀念設(shè)計(jì)的一大優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)觀念設(shè)計(jì)的不足。

圓形裝載機(jī)的設(shè)計(jì)需求如表1所示：

表1 圓形裝載機(jī)設(shè)計(jì)需求

(2)創(chuàng)建功能模型

在Teamcenter中根據(jù)設(shè)計(jì)需求創(chuàng)建的功能構(gòu)建工程模型可以直接導(dǎo)入到MCD的功能導(dǎo)航器，且能與設(shè)計(jì)需求直接聯(lián)系起來。

首先，定義機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本功能：實(shí)現(xiàn)循環(huán)裝載功能。

第二，在功能導(dǎo)航器中創(chuàng)建基于功能分解的功能樹層次機(jī)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 功能樹模型

第三，功能單元的重用：在機(jī)電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)時(shí)，對于用在不同地方的同一功能，可以實(shí)現(xiàn)功能單元的重用。因此，可提高產(chǎn)品質(zhì)量，并且可通過消除重新設(shè)計(jì)和返工加快開發(fā)速度。本例中的處理單元就是使用了功能單元的重用。

(3)定義機(jī)械概念

功能模型創(chuàng)建完成后，接下來首先就是要創(chuàng)建基于功能模型的粗糙3D模型，如圖3所示。

圖3 基于功能模型的粗糙三維模型圖

其次，就是定義組件的機(jī)電屬性和運(yùn)動副聯(lián)接類型，即從機(jī)械的角度來定義組件的行為。這也是基于MCD的機(jī)電產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)概念設(shè)計(jì)之間的重大區(qū)別。傳統(tǒng)概念設(shè)計(jì)是需要建立一個(gè)機(jī)構(gòu)庫，然后從機(jī)構(gòu)庫中選擇符合需求的運(yùn)動機(jī)構(gòu)[9]；而在基于MCD機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)中，在建立好基于概念方案的粗糙三維模型后，就可以對模型中的組件隨意定義所需要的機(jī)電屬性以及運(yùn)動副聯(lián)接類型。機(jī)電屬性包括剛體、碰撞體、傳輸面和碰撞材料等；運(yùn)動副聯(lián)接類型包括鉸鏈聯(lián)接、固定聯(lián)接、滑動聯(lián)接及球聯(lián)接等。在MCD中包含了所有機(jī)械概念設(shè)計(jì)所需的機(jī)電屬性和運(yùn)動副聯(lián)接類型。在本例中，定義組件的運(yùn)動副聯(lián)接類型如圖4所示。

圖4 運(yùn)動特性

最后，為了能夠?qū)⒆庸δ芘c實(shí)現(xiàn)各子功能的部件鏈接起來，需要將完成各子功能的部件添加到功能導(dǎo)航器中功能樹相對應(yīng)的子功能中。

(4)添加抽象的執(zhí)行機(jī)構(gòu)

機(jī)械系統(tǒng)是機(jī)械運(yùn)動來完成系統(tǒng)所需的功能，機(jī)械系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)運(yùn)動光定義機(jī)電一體化系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)特性是不夠的，還需添加驅(qū)動運(yùn)動副的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在MCD中添加的是廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，廣義的執(zhí)行機(jī)構(gòu)沒有幾何體也沒有特定的運(yùn)動行為。MCD提供了兩種類型的執(zhí)行機(jī)構(gòu)：速度控制和位置控制。在本例中定義的都是速度控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

(5)定義基于時(shí)間的操作

定義完執(zhí)行機(jī)構(gòu)，就該定義執(zhí)行機(jī)構(gòu)是如何由操作控制的。每個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)都對應(yīng)有一個(gè)基于時(shí)間的操作，且排列各個(gè)操作之間的順序是基于時(shí)間概念的。圓形裝載機(jī)的操作順序首先是基座的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，接著是滑塊的垂直運(yùn)動，最后是握爪的線性運(yùn)動。具體操作及順序如圖5所示。

圖5 操作順序

除了需要將實(shí)現(xiàn)子功能的組件與對應(yīng)的子功能聯(lián)系起來，同時(shí)還需要建立操作與功能之間的連接。因此，定義完基于時(shí)間的操作后，需要將操作添加到功能樹對應(yīng)的子功能中。

(6)添加傳感器及定義基于事件的操作

要在機(jī)電一體化系統(tǒng)中定義一個(gè)基于事件的行為，就必須獲得運(yùn)行時(shí)的反饋信息。在MCD中提供了兩種方法來訪問運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)。一是系統(tǒng)模型中的每個(gè)對象，如執(zhí)行機(jī)構(gòu)、運(yùn)動副或傳輸面都提供了一個(gè)接口來訪問它的特定的參數(shù)。另外就是使用傳感器提供在機(jī)電一體化系統(tǒng)中剛體之間的相互作用產(chǎn)生的立即反饋。MCD中引入了一個(gè)新的對象稱為碰撞傳感器，這是一個(gè)提供了運(yùn)行時(shí)參數(shù)的傳感器對象。

定義基于事件的操作就是在機(jī)電一體化系統(tǒng)中定義由傳感器或其他物體引發(fā)的事件操作。在本例中定義了兩個(gè)碰撞傳感器完成基于事件的操作。一個(gè)是用于提供滑塊到達(dá)指定高度時(shí)停止繼續(xù)滑動的信息；另一個(gè)提供是當(dāng)握爪碰撞到工件臺時(shí)停止運(yùn)動的信息。定義基于事件的操作如圖5所示。

(7)三維動態(tài)仿真

基于MCD機(jī)電一體化概念設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)三維動態(tài)仿真，因此彌補(bǔ)了傳統(tǒng)概念設(shè)計(jì)不能實(shí)現(xiàn)三維仿真的缺陷。MCD是基于UG NX平臺的程序，因此借助優(yōu)化的現(xiàn)實(shí)環(huán)境建模，并迅速定義機(jī)械概念和所需的機(jī)械行為后，接下來就是要對機(jī)電一體化系統(tǒng)進(jìn)行仿真。MCD中的仿真技術(shù)基于游戲物理場引擎，可以基于簡化數(shù)學(xué)模型將實(shí)際物理行為引入虛擬環(huán)境。該仿真技術(shù)易于使用。且仿真過程采用交互方式，因此可以通過鼠標(biāo)指針施加作用力或移動對象。MCD可對一系列行為進(jìn)行仿真，包括驗(yàn)證機(jī)械概念所需的一切，涉及運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、碰撞、驅(qū)動器彈簧、凸輪、物料流等方面。

為了能夠清楚的查看到仿真是各物體的運(yùn)行時(shí)參數(shù)，MCD提供了一個(gè)實(shí)時(shí)觀察器。使用實(shí)時(shí)觀察器可以查看仿真時(shí)機(jī)電一體化系統(tǒng)中指定對象的運(yùn)行時(shí)參數(shù)。通過對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析，來評價(jià)所設(shè)計(jì)的方案是否滿足設(shè)計(jì)需求，然后在進(jìn)行概念設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化，直到得到滿意的概念產(chǎn)品。

(8)用詳細(xì)模型取代概念模型

基于MCD的機(jī)電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)概念設(shè)計(jì)相比的還有一顯著特點(diǎn)就是能夠?qū)G NX建模環(huán)境中創(chuàng)建詳細(xì)三維模型取代基于概念方案的粗糙三維模型用，并將物理對象從粗糙幾何模型移動到詳細(xì)模型中。在基于詳細(xì)三維模型的動態(tài)仿真中，可以更加真實(shí)的反應(yīng)出機(jī)電一體化系統(tǒng)的運(yùn)行情況是否滿足設(shè)計(jì)需求，從而得出更理想的概念設(shè)計(jì)產(chǎn)品。用圓形裝載機(jī)的詳細(xì)模型取代概念模型后的效果如圖6所示。

3 結(jié)束語

本文通過分析目前傳統(tǒng)機(jī)電產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)工具在機(jī)電產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)中存在的不足與缺陷，從而提出了基于MCD的機(jī)電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)。并通過實(shí)現(xiàn)圓形裝載機(jī)的概念設(shè)計(jì)來說明基于UG NX平臺中MCD的機(jī)電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的可操作性，以及與傳統(tǒng)概念設(shè)計(jì)相比的優(yōu)越性。由于能夠輕松的定義和驗(yàn)證機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，并能夠?qū)崿F(xiàn)功能單元的模塊化和重用，從而能夠提高產(chǎn)品質(zhì)量加快產(chǎn)品開發(fā)速度。

圖6 詳細(xì)模型取代概念模型圖 [參考文獻(xiàn)]

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(編輯 李秀敏)

Application and Research of UG NX in the Conceptual Design of Mechatronic Products

XIAO Zu-dong, LIU He-sheng, LI Biao , RAO Xi-xin

(School of Mechatronic Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, China)

Due to the multidisciplinary integration, complexity and importance of conceptual design of mechatronic products design, the use of computer-aided conceptual design system of mechatronic products to complete the conceptual design of mechatronic products, is an important way to improve the design of mechatronic products quality and win the market competition. Paper elaborates on the traditional deficiencies in the conceptual design of mechatronic products, and made based on UG NX platform MCD (Mechatronics Concept Designer) conceptual design of mechatronic products; secondly, introduces characteristics of product mechatronic conceptual design based on MCD and the design process model; finally, With round loader concept as an example to illustrate the conceptual design of mechatronic products based on MCD maneuverability as well as compared with the traditional conceptual design of superiority.

mechatronics; conceptual design; computer aided; MCD

1001-2265(2014)07-0027-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.07.008

2013-09-13

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51065021)

肖祖東(1989—)，男，江西贛州人，南昌大學(xué)碩士研究生，從事數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、機(jī)電一體化產(chǎn)品計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)的研究，(E-mail)xzd08017@126.com。

TH122;TG506

A