機(jī)器人自動(dòng)化集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)(NX MCD) 課件 第3章 機(jī)電軟協(xié)同設(shè)計(jì)

第三章

機(jī)電軟協(xié)同設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)模塊化3.1.1模塊化設(shè)計(jì)思想3.1.2系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)3.1.3系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)3.2功能模塊化3.2.1機(jī)械模塊化3.2.2電氣模塊化3.2.3軟件模塊化3.3并行協(xié)同3.3.1系統(tǒng)化設(shè)計(jì)3.3.2并行設(shè)計(jì)3.3.3協(xié)同設(shè)計(jì)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動(dòng)了不同學(xué)科的交叉與滲透，導(dǎo)致了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命與改造。在機(jī)械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展及其向機(jī)械工業(yè)的滲透所形成的機(jī)電一體化技術(shù)，使機(jī)械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機(jī)構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產(chǎn)由“機(jī)械電氣化”邁入了以“機(jī)電一體化”為特征的發(fā)展階段。機(jī)電一體化綜合了自動(dòng)化技術(shù)、機(jī)械制造技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子電路等眾多知識(shí)，是一門綜合性、多學(xué)科交叉的新興技術(shù)，在各行各業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。機(jī)電一體化技術(shù)涉及精密機(jī)械、電氣伺服、傳感檢測(cè)和計(jì)算機(jī)控制等方面的理論和技術(shù)，目的是將“機(jī)械、電子、信息、控制”有機(jī)結(jié)合以實(shí)現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)品和生產(chǎn)過(guò)程整體最優(yōu)化與智能化。機(jī)電一體化技術(shù)是一個(gè)系統(tǒng)工程，“主體”是機(jī)械，“核心”是控制和計(jì)算機(jī)，已形成“機(jī)、電、軟”系統(tǒng)集成的實(shí)際格局。在自動(dòng)化集成設(shè)備上，應(yīng)該體現(xiàn)機(jī)電軟一體化。機(jī)電系統(tǒng)相互配合、協(xié)調(diào)和互補(bǔ)，軟件在機(jī)械設(shè)計(jì)、系統(tǒng)升級(jí)與優(yōu)化、機(jī)械生命周期管理中都起著核心作用。3.1系統(tǒng)模塊化3.1.3系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)033.1.2系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)023.1.1模塊化設(shè)計(jì)思想013.1

系統(tǒng)模塊化隨著社會(huì)發(fā)展，市場(chǎng)的需求呈現(xiàn)多樣化及個(gè)性化發(fā)展趨勢(shì)，不同客戶對(duì)同一類型產(chǎn)品會(huì)有不同的性能需求，這就要求企業(yè)將自己的產(chǎn)品進(jìn)行系列化設(shè)計(jì)，將同種功能的產(chǎn)品設(shè)計(jì)為一系列不同的規(guī)格供客戶選用。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及大規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)化批量生產(chǎn)使這一過(guò)程變得十分漫長(zhǎng)，在這種背景下便誕生了模塊化設(shè)計(jì)思想。復(fù)雜的自動(dòng)化系統(tǒng)是由相互作用和相互依賴的模塊組成，每個(gè)模塊都具有特定的功能，它們經(jīng)過(guò)有序組合、協(xié)調(diào)工作形成功能強(qiáng)大的系統(tǒng)整體。模塊是構(gòu)成產(chǎn)品的單元，它具有獨(dú)立功能，具有一致的幾何連接接口和一致的輸入、輸出接口。因?yàn)槟K是產(chǎn)品部分功能的封裝，設(shè)計(jì)人員使用具體模塊時(shí)不用關(guān)心內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，可以使研發(fā)人員更加關(guān)注頂層邏輯，提高產(chǎn)品工程管理質(zhì)量和產(chǎn)品的可靠性。3.1.1

模塊化設(shè)計(jì)思想3.1.1模塊化設(shè)計(jì)思想自動(dòng)化設(shè)備越來(lái)越復(fù)雜，設(shè)計(jì)時(shí)必須在不斷變化的環(huán)境中應(yīng)付越來(lái)越復(fù)雜的工程技術(shù)問(wèn)題。模塊化設(shè)計(jì)可以針對(duì)一個(gè)系統(tǒng)的每一個(gè)功能提供不同的解決方案，這些解決方案局部是標(biāo)準(zhǔn)化的。解決方案擁有統(tǒng)一的對(duì)外接口，能無(wú)縫連接周邊功能模塊。模塊化設(shè)計(jì)具有更好的重用性、可維護(hù)性、可靠性、易檢測(cè)性、易擴(kuò)展性。任何系統(tǒng)都由多個(gè)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的模塊加上少數(shù)專用模塊組成，從一個(gè)模塊集合中抽取不同的模塊組成子集，就可以搭建出不同類型產(chǎn)品，滿足不同客戶的個(gè)性化需求。模塊化是解決目前裝備制造業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化與定制化、柔性化之間矛盾的可行和有效方案。在自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)用模塊化的設(shè)計(jì)思想是建立在機(jī)電軟融合思想與系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想基礎(chǔ)之上的。整機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程是不同模塊化產(chǎn)品集成的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中只有運(yùn)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，充分考慮各模塊性能及與其他模塊的配合才能使系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)。在集成設(shè)計(jì)過(guò)程中，軟件起著極大的作用。3.1.1模塊化設(shè)計(jì)思想運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)思想要注意以下3個(gè)重要因素：①模塊化的系統(tǒng)架構(gòu)②軟件工程③知識(shí)重復(fù)利用模塊化是一項(xiàng)重要而艱巨的工程。由于自動(dòng)化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多，研制和開發(fā)具有標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口、電氣接口、動(dòng)力接口、環(huán)境接口的自動(dòng)化產(chǎn)品單元是一項(xiàng)十分復(fù)雜但又非常重要的事。這樣，可利用標(biāo)準(zhǔn)單元迅速開發(fā)出新產(chǎn)品，同時(shí)也可以擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。這需要制定各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，以便各部件、單元的匹配和連接?？梢钥隙?，無(wú)論是對(duì)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)化單元的企業(yè)還是對(duì)生產(chǎn)自動(dòng)化產(chǎn)品的企業(yè)，模塊化將給自動(dòng)化企業(yè)帶來(lái)美好的前景。3.1.1模塊化設(shè)計(jì)思想模塊化設(shè)計(jì)是將產(chǎn)品根據(jù)功能分解為若干模塊，將產(chǎn)品中同一功能的單元設(shè)計(jì)成具有不同性能、可以互換的模塊，選用不同模塊，就可組成不同類型、不同規(guī)格的產(chǎn)品。這就使得產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程好像搭積木一樣簡(jiǎn)單，從而縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的系列化，滿足市場(chǎng)的多樣化需求。另一方面，隨著經(jīng)濟(jì)全球化及生產(chǎn)分散化，越來(lái)越多的功能被專門的廠商進(jìn)行模塊化、系列化生產(chǎn)。這樣更有利于整機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)用模塊化的思想進(jìn)行設(shè)計(jì)與生產(chǎn)，并將精力更多地放在系統(tǒng)集成與整體性能提升等方面。3.1.2系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)3.1.2.1功能原理一個(gè)系統(tǒng)需要完成的任務(wù)稱為該系統(tǒng)的功能，而實(shí)現(xiàn)該功能的具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)稱為該功能的解。對(duì)于自動(dòng)化系統(tǒng)而言，系統(tǒng)整體所要完成的功能，稱為系統(tǒng)的總功能。功能原理設(shè)計(jì)的任務(wù)就是求得自動(dòng)化系統(tǒng)總功能的解。但在實(shí)際工作中，要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)往往比較復(fù)雜，難以直接求得總功能的解，因此必須采用一定方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分解，將總功能分解為多個(gè)功能單元，分別對(duì)這些較簡(jiǎn)單的功能單元進(jìn)行求解，然后將功能單元的解進(jìn)行合理組合，形成多個(gè)實(shí)現(xiàn)總功能的解，從而得到需要的功能原理方案。因此，功能原理設(shè)計(jì)可分為3個(gè)階段：1、總功能分解2、功能單元求解3、功能單元組合3.1.2系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)3.1.2.1功能原理在進(jìn)行總功能分解時(shí)需要注意系統(tǒng)眾多功能單元可以分為必要功能和非必要功能，其中必要功能又可分為基本功能和附加功能。基本功能指對(duì)于實(shí)現(xiàn)的總功能中最關(guān)鍵的、必須保證的功能，這些功能在設(shè)計(jì)中不能改變。附加功能是指對(duì)于完成總功能起到輔助作用的功能，這些功能可隨技術(shù)條件或結(jié)構(gòu)形式的改變而取舍或改變。非必要功能是指對(duì)于總功能的實(shí)現(xiàn)沒(méi)有貢獻(xiàn)，是設(shè)計(jì)者主觀加上去的，可有可無(wú)的功能，這些功能往往是為了制造、裝配、運(yùn)輸?shù)确巧a(chǎn)過(guò)程提供便利而存在的，雖是可有可無(wú)的，但依舊應(yīng)被設(shè)計(jì)者給予足夠關(guān)注。3.1.2系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)3.1.2.1功能原理在完成系統(tǒng)功能原理設(shè)計(jì)后，要用各種符號(hào)代表各子系統(tǒng)中功能單元，包括控制系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、傳感檢測(cè)系統(tǒng)、機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)等，根據(jù)總體方案的工作原理，畫出總體安排圖，形成機(jī)、電、控有機(jī)結(jié)合的自動(dòng)化系統(tǒng)簡(jiǎn)圖，提出采購(gòu)的技術(shù)要求（包括特殊的材料、元器件、外購(gòu)件）。3.1.2系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)3.1.2.2功能要素自動(dòng)化產(chǎn)品或設(shè)備設(shè)計(jì)由機(jī)械、電氣、檢測(cè)、控制等多個(gè)要素的功能部件組成，也可以設(shè)計(jì)成由若干功能子系統(tǒng)組成，而每個(gè)功能部件或功能子系統(tǒng)又包含若干組成要素。這些功能部件或功能子系統(tǒng)經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和系列化，就成為功能模塊。每一個(gè)功能模塊可視為一個(gè)獨(dú)立體，在設(shè)計(jì)時(shí)只需了解其性能規(guī)格，按其功能來(lái)選用，而無(wú)需了解其結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，可以把各種功能模塊組合起來(lái)，形成所需的新產(chǎn)品。采用這種方法可以縮短設(shè)計(jì)與研制周期，節(jié)約工裝設(shè)備費(fèi)用，從而降低生產(chǎn)成本，也便于生產(chǎn)管理。自動(dòng)化系統(tǒng)的功能要素是通過(guò)具體的技術(shù)物理效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。一個(gè)功能要素可能是一個(gè)或幾個(gè)功能模塊，或者是一個(gè)系統(tǒng)功能模塊，實(shí)現(xiàn)某一特定功能的具有標(biāo)準(zhǔn)化、通用化或系列化的技術(shù)物理效應(yīng)。功能模塊在形式上，對(duì)于硬件表現(xiàn)為具體的設(shè)備、裝置或電路板，對(duì)于軟件表現(xiàn)為具體的應(yīng)用子程序或軟件包。3.1.2系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)3.1.2.3模塊接口接口技術(shù)的總?cè)蝿?wù)是解決功能模塊間的匹配問(wèn)題。接口設(shè)計(jì)是對(duì)接口輸入輸出參數(shù)或機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)。（1）機(jī)械-電機(jī)接口（2）機(jī)械-傳感器接口（3）檢測(cè)接口（4）驅(qū)動(dòng)接口3.1.3系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)各子功能模塊及部件的具體尺寸、型號(hào)進(jìn)行設(shè)計(jì)或選擇，主要包括以下幾部分：（1）系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)（2）機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)（3）電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)（4）檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)（5）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（6）接口設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)開始時(shí)要先設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)，再設(shè)計(jì)電氣系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)，并考慮與控制系統(tǒng)的配合關(guān)系，確保安全、無(wú)漏洞，最后綜合機(jī)械與電氣是否合理、有無(wú)沖突。3.2功能模塊化3.2.3軟件模塊化033.2.2電氣模塊化023.2.1機(jī)械模塊化013.2功能模塊化裝備制造的核心是機(jī)械制造，關(guān)鍵在于力學(xué)性能和生產(chǎn)效率的提高，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。機(jī)電一體化概念的出現(xiàn)標(biāo)志著電氣系統(tǒng)在機(jī)械制造領(lǐng)域重要性的加強(qiáng)，機(jī)械和電氣在設(shè)計(jì)和運(yùn)行過(guò)程中相互配合、相互補(bǔ)償?shù)年P(guān)系越來(lái)越受到重視。僅僅是機(jī)電一體化已經(jīng)不能適應(yīng)裝備制造業(yè)的需求，軟件成為工業(yè)自動(dòng)化集成設(shè)計(jì)方案核心。自動(dòng)化裝備模塊化設(shè)計(jì)正呈現(xiàn)機(jī)械單元化、電氣標(biāo)準(zhǔn)化、軟件組件化的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。自動(dòng)化裝備模塊化設(shè)計(jì)分3個(gè)方面：機(jī)械模塊化、電氣模塊化和軟件模塊化。三者緊密關(guān)聯(lián)，電氣模塊化與機(jī)械模塊化進(jìn)行匹配，軟件模塊化與電氣模塊化進(jìn)行匹配，如圖3-1所示。圖3-1機(jī)械-電氣-軟件模塊化3.2.1機(jī)械模塊化任何事物的改變，都不會(huì)改變其根本原理，大型機(jī)械設(shè)備也是由微小型設(shè)備演變而來(lái)。要實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者可將大的零部件以微小零部件的視角去思考和設(shè)計(jì)，通過(guò)大變小的設(shè)計(jì)理念，將大的零部件設(shè)計(jì)成多種具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的多種規(guī)格的零部件，仿照小零件的批量化和規(guī)?；?，實(shí)行通用零部件，使其具備互換性。在復(fù)雜多變的機(jī)械行業(yè)實(shí)現(xiàn)非標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一化和規(guī)模化是模塊化設(shè)計(jì)首要解決的難題。機(jī)械產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，客戶需求逐漸向產(chǎn)品多樣化、個(gè)性化發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)部門愈來(lái)愈注重以多品種、多選裝的產(chǎn)品發(fā)展策略來(lái)應(yīng)對(duì)市場(chǎng)需求，應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，是提升產(chǎn)品研發(fā)水平的一條有效途徑。與傳統(tǒng)生產(chǎn)方式相比，模塊化技術(shù)很好地解決了機(jī)械元件種類多、同批次產(chǎn)量小、設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)以及產(chǎn)品質(zhì)量差等生產(chǎn)矛盾。3.2.1機(jī)械模塊化3.2.1.1模塊特征模塊化設(shè)計(jì)指在產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行功能分析，劃分類別并設(shè)計(jì)出一系列功能模塊，通過(guò)模塊的選擇和組合可構(gòu)成不同的產(chǎn)品組合，研發(fā)設(shè)計(jì)出滿足市場(chǎng)不同需求的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。在設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中，模塊具有以下特征：①單個(gè)模塊應(yīng)具有相對(duì)獨(dú)立性②模塊之間應(yīng)具備互換性③注重模塊通用性推進(jìn)模塊化設(shè)計(jì)的目的在于用盡量少的產(chǎn)品品種和規(guī)格來(lái)最大限度滿足用戶的差異化、個(gè)性化產(chǎn)品功能需求。因此，盡量以最少的模塊組裝成盡可能多的系列產(chǎn)品，并在滿足功能要求的基礎(chǔ)上使產(chǎn)品具有精度高、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。其中，模塊間的聯(lián)系盡可能簡(jiǎn)單，促進(jìn)模塊通用性、提高模塊重用率是模塊化設(shè)計(jì)的重要原則。3.2.1機(jī)械模塊化3.2.1.2模塊劃分在模塊化設(shè)計(jì)方法中，模塊劃分決定設(shè)計(jì)產(chǎn)品的質(zhì)量與效率，需要在保證產(chǎn)品性能的基礎(chǔ)上，最大限度地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。劃分過(guò)程中，需要注意以下幾點(diǎn)原則：①在模塊化過(guò)程中，需要保證整體的性能；②在模塊化的設(shè)計(jì)中，需要保證結(jié)構(gòu)的獨(dú)立性；③需要保證功能的完整性；④需要保證連接部分的合理性；⑤需要最大限度控制模塊的數(shù)量；⑥需要滿足精度、性能、成本及結(jié)構(gòu)等多樣化的形式；⑦需要保證機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)單特點(diǎn)。3.2.1機(jī)械模塊化3.2.1.3功能分析在模塊化的設(shè)計(jì)中，主要功能包括以下幾個(gè)部分：①基本功能是模塊中基礎(chǔ)的功能，不可或缺，必須要保障基本功能的完善性；②輔助功能是實(shí)現(xiàn)相應(yīng)設(shè)計(jì)模塊的功能，以此來(lái)提升機(jī)械設(shè)計(jì)的整體效率；③特殊功能是指某種產(chǎn)品的特殊功能，可針對(duì)這些特殊功能進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)；④適應(yīng)功能是為了生產(chǎn)的需求，調(diào)換相應(yīng)的零部件或模塊來(lái)適應(yīng)生產(chǎn)的需求。3.2.1機(jī)械模塊化3.2.1.4設(shè)計(jì)思想對(duì)一定范圍內(nèi)具有不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析，在此基礎(chǔ)上，創(chuàng)建并設(shè)計(jì)出一系列不同功能的模塊，對(duì)功能模塊進(jìn)行選擇和組合可產(chǎn)生多種類型的產(chǎn)品。根據(jù)產(chǎn)品內(nèi)部屬性與外部特征，進(jìn)行合理的分類與再次組合，這也是產(chǎn)品模塊化的基本思想。模塊化的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)前期合理的運(yùn)營(yíng)，有效降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，提升資源的利用效率。這種模塊化的設(shè)計(jì)思想在機(jī)械行業(yè)中極具應(yīng)用前景。機(jī)械行業(yè)的產(chǎn)品種類眾多，組合裝配過(guò)程復(fù)雜，生產(chǎn)密度與精度要求較高。按照傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，機(jī)械產(chǎn)品在產(chǎn)生巨大能源消耗的同時(shí)，難以保證機(jī)械元件的生產(chǎn)質(zhì)量。機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，從原材料選擇、加工工藝劃分、零件組合裝配等方面，按照一定準(zhǔn)則設(shè)置生產(chǎn)順序，調(diào)節(jié)組裝節(jié)奏，是模塊化思想在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的基本應(yīng)用。3.2.1機(jī)械模塊化3.2.1.5設(shè)計(jì)意義（1）提升機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量（2）縮短研發(fā)設(shè)計(jì)周期（3）降低機(jī)械結(jié)構(gòu)成本模塊化設(shè)計(jì)不僅能夠滿足人們對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的個(gè)性化、多樣化的配置需求，更能積極應(yīng)對(duì)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，在多品種、小批量的生產(chǎn)方式下，實(shí)現(xiàn)最佳的效益和質(zhì)量。3.2.2電氣模塊化電氣模塊化設(shè)計(jì)以產(chǎn)品最佳的獨(dú)立功能單元和元器件對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行拆分，定義特定的通用接口，使之能夠充分互換、拓展，以使機(jī)電設(shè)備變成可自由拓展的、有活力的“生命體”。電氣模塊化設(shè)計(jì)與工藝流程、功能分布、機(jī)械結(jié)構(gòu)相關(guān)，以部件易于標(biāo)準(zhǔn)化、提高柔性組裝、易于維護(hù)為目的。3.2.2電氣模塊化3.2.2.1設(shè)計(jì)原則電氣模塊化設(shè)計(jì)應(yīng)遵循如下原則：①標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化、系列化、集成化；②滿足RAMS（可靠性-可用性-可維修性-安全性）設(shè)計(jì)原則；③符合電磁兼容性（EMC）設(shè)計(jì)原則；④具有標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械和電氣接口，便于快速生產(chǎn)和裝配；⑤具有靈活性，可選擇性組合、替換和升級(jí)、維護(hù)、更換；⑥具有相對(duì)獨(dú)立性、完整性；⑦具有相對(duì)通用性和互換性；⑧滿足地面電氣準(zhǔn)備施工要求；⑨盡可能用現(xiàn)場(chǎng)總線，并分設(shè)本地站接入本地外設(shè)。3.2.2電氣模塊化3.2.2.2總線連接采用總線有利于實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)的低耦合原則，是電氣模塊化設(shè)計(jì)的一大利器?？偩€是模塊之間的紐帶，進(jìn)行能量輸送和信息傳遞，將各個(gè)系統(tǒng)連接起來(lái)。各子系統(tǒng)間的通信路徑經(jīng)過(guò)的節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡可能少，以提高通信效率、減少時(shí)間延時(shí)。電氣模塊化設(shè)計(jì)應(yīng)遵循就地解決、減少硬接線，盡量用現(xiàn)場(chǎng)總線，減少模塊間數(shù)據(jù)流量的原則。3.2.2電氣模塊化3.2.2.3分布式設(shè)計(jì)電氣系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)要求電氣系統(tǒng)采用分布式，即模塊與模塊之間只有現(xiàn)場(chǎng)總線、電源線的連接，而沒(méi)有信號(hào)線的連接，這符合模塊之間連線最少化原則。01采用分布式布置的優(yōu)點(diǎn)在于模塊接口更簡(jiǎn)潔，生產(chǎn)成本低，維護(hù)更容易。因?yàn)樾盘?hào)線就近接入，可減少線纜使用量和安裝工時(shí)，降低出錯(cuò)概率。02設(shè)計(jì)時(shí)要求每一個(gè)模塊相對(duì)獨(dú)立運(yùn)行，互為前提。模塊化設(shè)計(jì)中非常重要、必不可少的工作就是定義并規(guī)范各模塊的輸入/輸出硬件接口、數(shù)據(jù)接口。033.2.3軟件模塊化軟件模塊化設(shè)計(jì)是為了使軟件模塊在整合、測(cè)試中有更高的兼容性，避免后期修改帶來(lái)諸多不便與損失，因?yàn)楹笃诟膭?dòng)的代價(jià)高昂。軟件模塊化設(shè)計(jì)是把程序劃分為多個(gè)模塊，可以單獨(dú)或并行開發(fā)，每個(gè)模塊都是有著明確定義的輸入-輸出及特性的程序?qū)嶓w，把這些模塊匯集在一起成為一個(gè)整體，可以完成指定的功能。這樣設(shè)計(jì)有利于系統(tǒng)開發(fā)控制管理，有利于多人合作，有利于系統(tǒng)功能擴(kuò)充。軟件模塊化設(shè)計(jì)，在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要完成系統(tǒng)模塊分解，各模塊功能、接口以及交互數(shù)據(jù)應(yīng)定義準(zhǔn)確、規(guī)范，在詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)完成每個(gè)模塊內(nèi)部的控制算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。3.2.3軟件模塊化3.2.3.1設(shè)計(jì)特點(diǎn)軟件模塊化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)如下：①模塊功能單一、相對(duì)獨(dú)立。編寫相對(duì)簡(jiǎn)單，可以獨(dú)立編寫調(diào)試。②可并行開發(fā)，縮短開發(fā)周期。不同模塊由不同人員開發(fā)，最終合成為系統(tǒng)程序。③開發(fā)出的模塊，可在不同的應(yīng)用程序中多次使用，減少重復(fù)勞動(dòng)，提高開發(fā)效率。④測(cè)試、更新以模塊為單位進(jìn)行，不會(huì)影響其他模塊。需要從功能視角，按高內(nèi)聚、低耦合原則對(duì)控制軟件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。模塊化設(shè)計(jì)使得開發(fā)代碼能實(shí)現(xiàn)重用，從而提高開發(fā)效率。3.2.3軟件模塊化3.2.3.2分層式設(shè)計(jì)軟件分層式設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)如下：①個(gè)體開發(fā)人員可以只關(guān)注整個(gè)結(jié)構(gòu)中的某一層；②可以很容易地用新的實(shí)現(xiàn)來(lái)替換原有層次的實(shí)現(xiàn)；③可以降低層與層之間的依賴；④有利于標(biāo)準(zhǔn)化；⑤有利于各層邏輯的復(fù)用。分層式設(shè)計(jì)的目的是分散關(guān)注、松散耦合、邏輯復(fù)用、標(biāo)準(zhǔn)定義。一個(gè)好的軟件分層結(jié)構(gòu)，可以使開發(fā)人員的分工更加明確。分層式設(shè)計(jì)可以靈活應(yīng)對(duì)各種需求，而無(wú)須修改其他層的模塊。模塊化軟件編程的分層操作要點(diǎn)是：每一層直接對(duì)下一層操作，盡量避免交叉調(diào)用或越級(jí)調(diào)用，這樣的軟件架構(gòu)更易于維護(hù)、擴(kuò)展。3.2.3軟件模塊化3.2.3.3軟件設(shè)計(jì)規(guī)范好的分層式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化是必不可少的。只有在一定程度的標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)上，整個(gè)系統(tǒng)才是可擴(kuò)展、可替換的，層與層之間的通信也必然要求接口的標(biāo)準(zhǔn)化。高質(zhì)量軟件具備特征有：①易于使用；②易于維護(hù)；③易于移植。高質(zhì)量軟件實(shí)現(xiàn)需要注意的事項(xiàng)有：①清晰的軟件架構(gòu)；②良好的命名習(xí)慣；③國(guó)際化的表達(dá)語(yǔ)言；④規(guī)范的編程格式；⑤合理的排版顯示；⑥簡(jiǎn)練的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。3.2.3軟件模塊化3.2.3.4軟件模塊測(cè)試一旦編碼完成，進(jìn)行軟件集成工作前，必須進(jìn)行模塊測(cè)試。未經(jīng)過(guò)測(cè)試的軟件模塊組成的系統(tǒng)能夠正常工作的可能性是很小的，更多的情況是充滿了各式各樣的錯(cuò)誤（Bug）。測(cè)試前要審查架構(gòu)是否簡(jiǎn)潔、易于維護(hù)、易于移植，數(shù)據(jù)流向是否完整、有效，是否遵循規(guī)定編程規(guī)范。若不進(jìn)行充分的軟件模塊測(cè)試，模塊中可能會(huì)遺留錯(cuò)誤，這些錯(cuò)誤還會(huì)互相影響。當(dāng)后期這些錯(cuò)誤暴露出來(lái)時(shí)將會(huì)難于調(diào)試，必將大幅度提高后期測(cè)試和維護(hù)成本，也降低產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。進(jìn)行充分的模塊測(cè)試，是提高軟件質(zhì)量、降低開發(fā)成本的必由之路。最終，各個(gè)模塊測(cè)試通過(guò)后集成為完整的系統(tǒng)軟件，完整計(jì)劃下的模塊測(cè)試是對(duì)時(shí)間更高效的利用。軟件測(cè)試對(duì)軟件質(zhì)量極其重要，它可以確保程序的功能、性能與具體要求一致。自動(dòng)化集成系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，可以大大提高后續(xù)生產(chǎn)、維護(hù)的互換性。因此，必須要模塊化設(shè)計(jì)，但不要追求極致，恰到好處最重要，模塊化設(shè)計(jì)是方法而不是目的。3.3并行協(xié)同3.3.3協(xié)同設(shè)計(jì)033.3.2并行設(shè)計(jì)023.3.1系統(tǒng)化設(shè)計(jì)013.3.1系統(tǒng)化設(shè)計(jì)3.3.1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想是將產(chǎn)品看成一個(gè)完整的系統(tǒng)，從系統(tǒng)論觀點(diǎn)出發(fā)，分析各個(gè)部分的相互聯(lián)系及整個(gè)系統(tǒng)與外界的關(guān)系，從而站到一個(gè)全局、系統(tǒng)的高度進(jìn)行產(chǎn)品的分析與設(shè)計(jì)。系統(tǒng)論主要是處理整體與部分的關(guān)系，以及整體內(nèi)部的協(xié)調(diào)優(yōu)化。依據(jù)系統(tǒng)論的觀點(diǎn)，自動(dòng)化產(chǎn)品及各部件多被看作由輸入輸出關(guān)系描述的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)是尋找滿足要求輸入輸出關(guān)系的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)論中強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)中各部分的整體性、層次性、關(guān)聯(lián)性、統(tǒng)一性。1、整體性指系統(tǒng)是由若干要素構(gòu)成的有機(jī)整體，并且系統(tǒng)的整體性能大于各要素性能之和。2、層次性指一個(gè)系統(tǒng)由若干子系統(tǒng)組成，而該系統(tǒng)本身又可以看作是更大系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)。3、關(guān)聯(lián)性指系統(tǒng)與子系統(tǒng)間、各子系統(tǒng)間以及系統(tǒng)與環(huán)境間的相互作用、相互依存的關(guān)系。4、統(tǒng)一性指承認(rèn)客觀物質(zhì)的層次性和不同層次上系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的特殊性，主要表現(xiàn)在不同層次上系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的統(tǒng)一性。3.3.1系統(tǒng)化設(shè)計(jì)3.3.1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想對(duì)于自動(dòng)化系統(tǒng)，控制、驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)、機(jī)械各子系統(tǒng)構(gòu)成了產(chǎn)品內(nèi)部系統(tǒng)，包括操作員在內(nèi)的外部環(huán)境構(gòu)成了產(chǎn)品外部系統(tǒng)。采用系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想是設(shè)計(jì)時(shí)不能將各子系統(tǒng)彼此割裂，也不能將系統(tǒng)與環(huán)境割裂。這要求設(shè)計(jì)某個(gè)子系統(tǒng)時(shí)，不能僅以完成子系統(tǒng)功能為設(shè)計(jì)目標(biāo)，還要考慮各子系統(tǒng)間的相互影響，即要求在完成該子系統(tǒng)功能的同時(shí)也能為其他子系統(tǒng)的功能提供有益條件，此外還要考慮環(huán)境因素影響，特別是人對(duì)系統(tǒng)操作的影響。3.3.1系統(tǒng)化設(shè)計(jì)3.3.1.2系統(tǒng)化方式系統(tǒng)化體現(xiàn)在自動(dòng)化系統(tǒng)的開放化、標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化。（1）開放化（2）標(biāo)準(zhǔn)化（3）網(wǎng)絡(luò)化（4）集成化3.3.1

系統(tǒng)化設(shè)計(jì)3.3.1.3機(jī)電軟一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)在“工業(yè)4.0”背景下，現(xiàn)在的產(chǎn)品越來(lái)越多地由軟件組件和嵌入式電子產(chǎn)品組成。與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，它們具有不同的、多變的特征。結(jié)果就是，產(chǎn)品開發(fā)不可避免地變成了系統(tǒng)工程。系統(tǒng)工程是一致性的、跨學(xué)科的、文件驅(qū)動(dòng)的方法，它為復(fù)雜的、高度網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)提供建模和仿真支持。系統(tǒng)集成將來(lái)自各個(gè)領(lǐng)域的結(jié)果集成為一個(gè)整體系統(tǒng)，如圖3-2所示。圖3-2系統(tǒng)集成3.3.1系統(tǒng)化設(shè)計(jì)3.3.1.3機(jī)電軟一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)集成主要包括3個(gè)方面：①分布式組件集成。②模塊集成。③空間集成。機(jī)電軟一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3-3所示。圖3-3機(jī)電軟一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.3.1系統(tǒng)化設(shè)計(jì)3.3.1.3機(jī)電軟一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)各個(gè)領(lǐng)域的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：①機(jī)械設(shè)計(jì)②電氣/電子設(shè)計(jì)③軟件/控制設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)包括流程、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能映射，必須考慮系統(tǒng)和環(huán)境中的接口。這與控制系統(tǒng)之間的信息交流有關(guān)，也與模塊之間的其他物理對(duì)象流有關(guān)。3.3.2并行設(shè)計(jì)3.3.2.1設(shè)計(jì)思想傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)是按照一定順序進(jìn)行的，將產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程盡可能細(xì)地劃分為一系列串聯(lián)工作環(huán)節(jié)，由不同技術(shù)人員分別承擔(dān)不同環(huán)節(jié)的任務(wù)，依次執(zhí)行完成。自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)則采用并行設(shè)計(jì)方法，即在設(shè)計(jì)時(shí)各主要環(huán)節(jié)同步推進(jìn)，交互進(jìn)行。并行設(shè)計(jì)基本思想是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)階段以并行的方式綜合考慮生命周期中所有后續(xù)階段，包括工藝規(guī)劃、制造、裝配、試驗(yàn)、檢驗(yàn)、運(yùn)輸、使用、維修、保養(yǎng)直至回收處理等環(huán)節(jié)，從而提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造的一次成功率，并縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本，進(jìn)而達(dá)到增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的目的。并行設(shè)計(jì)方法站在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造全過(guò)程的高度，從而打破傳統(tǒng)的部門分割、封閉的組織模式，強(qiáng)調(diào)多功能團(tuán)隊(duì)的協(xié)同工作，重視產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程的重組和優(yōu)化。在并行設(shè)計(jì)中，產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程的各階段工作交叉進(jìn)行，能夠及早發(fā)現(xiàn)與其相關(guān)過(guò)程不相匹配的地方。3.3.2并行設(shè)計(jì)3.3.2.2多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)自動(dòng)化系統(tǒng)是由機(jī)械、電氣、傳感、控制等子系統(tǒng)組成的復(fù)雜系統(tǒng)。為了使系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠達(dá)到規(guī)定的性能，必須從選擇材料和設(shè)備開始，到分析、確定自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，最后確定自動(dòng)化系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)性能，這是一個(gè)高度綜合的系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程。設(shè)計(jì)人員要綜合利用結(jié)構(gòu)、機(jī)械、電氣、傳感、控制等各學(xué)科知識(shí)，才能夠完成自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。自動(dòng)化系統(tǒng)作為一個(gè)十分復(fù)雜的系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中存在著很多矛盾。設(shè)計(jì)問(wèn)題的矛盾性集中體現(xiàn)在自動(dòng)化系統(tǒng)不同技術(shù)性能之間、安全性和經(jīng)濟(jì)性之間，往往對(duì)設(shè)計(jì)的要求是相互矛盾的。在確定設(shè)計(jì)要素中，如果改變或調(diào)整某一項(xiàng)要素，常?？赡軙?huì)改善系統(tǒng)的某一項(xiàng)或者幾項(xiàng)性能，但又可能損害了其他性能。3.3.2并行設(shè)計(jì)3.3.2.2多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)多學(xué)科相互耦合的問(wèn)題，一般涉及機(jī)械子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電氣子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、傳感子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，在自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員隨著設(shè)計(jì)的不斷深入，會(huì)發(fā)現(xiàn)某個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)題或設(shè)計(jì)矛盾，這些常常不是單一學(xué)科的問(wèn)題，而是涉及多個(gè)學(xué)科的內(nèi)容。根本原因是自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并不是各子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單疊加和排列組合，各個(gè)子系統(tǒng)間存在著各種相互作用、相互制約的耦合關(guān)系。由于存在著這些復(fù)雜耦合，那么要從機(jī)械、電氣、傳感、控制等多個(gè)方面對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)就變得十分困難。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中要考慮各個(gè)學(xué)科之間的耦合作用，才能使整體的性能實(shí)現(xiàn)最有效的提升。多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)是根據(jù)現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)的要求，以傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與方法為基礎(chǔ)并結(jié)合信息技術(shù)發(fā)展起來(lái)的。顯著特點(diǎn)在于能夠綜合考慮所有學(xué)科，實(shí)現(xiàn)各個(gè)學(xué)科之間并行設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)優(yōu)化。這種方法與設(shè)計(jì)部門分工協(xié)調(diào)一致，可以充分發(fā)揮各個(gè)學(xué)科的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，獲得綜合性能更優(yōu)的設(shè)計(jì)。3.3.2并行設(shè)計(jì)3.3.2.2多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與方法是一種處理自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效優(yōu)化理論和方法，應(yīng)用多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與方法對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立自動(dòng)化系統(tǒng)各個(gè)學(xué)科分析計(jì)算的模型，明確各個(gè)學(xué)科的設(shè)計(jì)輸入和輸出，構(gòu)建自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，并探討多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在自動(dòng)化系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)和應(yīng)用效果。多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種通過(guò)充分深入探索和利用系統(tǒng)中相互作用的協(xié)同機(jī)制來(lái)設(shè)計(jì)復(fù)雜系統(tǒng)和子系統(tǒng)的方法論。主要思想是在復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程中，集成各個(gè)學(xué)科或子系統(tǒng)的知識(shí)，應(yīng)用有效的設(shè)計(jì)優(yōu)化策略和分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來(lái)組織和管理復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，通過(guò)充分利用各個(gè)學(xué)科之間的相互作用所產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)來(lái)獲得系統(tǒng)整體最優(yōu)解，通過(guò)并行設(shè)計(jì)來(lái)縮短設(shè)計(jì)周期，從而使研制出的產(chǎn)品更具有競(jìng)爭(zhēng)力。自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于并行方法，用系統(tǒng)工程方法進(jìn)行多學(xué)科交叉綜合設(shè)計(jì)，從而使產(chǎn)品具有更多的協(xié)同性以快速滿足客戶的需求。3.3.2并行設(shè)計(jì)3.3.2.3機(jī)電軟并行設(shè)計(jì)機(jī)械工程、電氣工程和信息技術(shù)3個(gè)學(xué)科之間有強(qiáng)大互動(dòng)。機(jī)械工程、電氣工程和信息技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)整合，導(dǎo)致開發(fā)過(guò)程日益復(fù)雜，因此需采用跨學(xué)科并行設(shè)計(jì)策略。

實(shí)現(xiàn)方法和設(shè)計(jì)工具：①機(jī)械工程②電子和電氣工程③信息技術(shù)④控制系統(tǒng)3.3.2并行設(shè)計(jì)3.3.2.3機(jī)電軟并行設(shè)計(jì)在德國(guó)工程師協(xié)會(huì)（VDI）準(zhǔn)則2206中，還考慮到了機(jī)械工程、電氣工程和信息技術(shù)3個(gè)學(xué)科同時(shí)進(jìn)行的方法，如圖3-4所示。圖3-4VDI2206V模型3.3.2并行設(shè)計(jì)3.3.2.3機(jī)電軟并行設(shè)計(jì)在機(jī)電軟并行設(shè)計(jì)中，3個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)（機(jī)械、電氣與控制）并行工作。在機(jī)械團(tuán)隊(duì)完成設(shè)計(jì)前，電氣與控制團(tuán)隊(duì)需要預(yù)先得到有關(guān)機(jī)械的信息。虛擬原型技術(shù)可以預(yù)先提供機(jī)械信息。虛擬原型技術(shù)包括兩種情況：一種是用戶與機(jī)器開發(fā)商之間的虛擬原型機(jī)器仿真；另一種是設(shè)計(jì)工具與設(shè)計(jì)工具之間、設(shè)計(jì)人員與設(shè)計(jì)人員之間的交互驗(yàn)證方式。此外，控制邏輯驗(yàn)證、軟件實(shí)現(xiàn)等也都可以應(yīng)用到虛擬原型技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)電軟并行設(shè)計(jì)的虛擬原型方式，需在統(tǒng)一開放的軟硬件平臺(tái)上，將機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)、控制設(shè)計(jì)的工具和功能相連接。3.3.2并行設(shè)計(jì)3.3.2.3機(jī)電軟并行設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)最初階段，機(jī)械設(shè)計(jì)與基本邏輯設(shè)計(jì)控制完全并行，控制工程師可以完成機(jī)器運(yùn)行的基本流程，然后將這些信息傳遞給機(jī)械工程師的三維CAD模型。當(dāng)采用軟件工具實(shí)現(xiàn)機(jī)械虛擬原型設(shè)計(jì)時(shí)，首先創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)控制的輪廓，然后對(duì)該運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行仿真，這樣可以可視化地看到通過(guò)CAD軟件設(shè)計(jì)的3D機(jī)械模型中執(zhí)行機(jī)構(gòu)在運(yùn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制方式。經(jīng)過(guò)虛擬原型驗(yàn)證的運(yùn)動(dòng)控制算法，可以直接利用運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)際控制電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在電氣設(shè)計(jì)部分，由于運(yùn)動(dòng)控制是系統(tǒng)最核心的部分，而根據(jù)特定要求選擇合適的電機(jī)類型和型號(hào)，則成為電氣設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程中最大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)方法中選型往往依靠開發(fā)人員長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)的積累或?qū)嶋H試用，極大地限制了可選范圍和效率，而利用虛擬原型仿真工具在機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中即可確定電機(jī)的扭矩和速度需求，可以通過(guò)仿真工具完成電機(jī)的虛擬原型匹配，從而優(yōu)化了電機(jī)定型的過(guò)程。3.3.2并行設(shè)計(jì)3.3.2.3機(jī)電軟并行設(shè)計(jì)通過(guò)虛擬原型技術(shù)可以將3DCAD系統(tǒng)與一個(gè)運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)分析工具，以及一個(gè)虛擬控制器相連接。虛擬機(jī)械是由“真實(shí)”代碼驅(qū)動(dòng)，機(jī)械工程師可以確定“真實(shí)”的力與轉(zhuǎn)矩，電氣工程師可以估計(jì)“真實(shí)”的電機(jī)與驅(qū)動(dòng)需求，控制工程師可以驅(qū)動(dòng)虛擬機(jī)械，微調(diào)控制代碼并實(shí)時(shí)觀察機(jī)械行為，以確保運(yùn)動(dòng)輪廓正確。使用這些并行設(shè)計(jì)工具，將機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中的繁重工作在整個(gè)設(shè)計(jì)周期中由所有設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)一起分擔(dān)。相對(duì)于傳統(tǒng)開發(fā)所采用的順序方式，機(jī)電軟并行設(shè)計(jì)是一種完全并行的設(shè)計(jì)開發(fā)流程。這一流程并不是簡(jiǎn)單地依靠任務(wù)間的同時(shí)開始與同步，關(guān)鍵是利用虛擬原型的技術(shù)打破各方之間的障礙，并在物理原型制造之前更好地完成各種分類功能的驗(yàn)證與優(yōu)化。結(jié)合虛擬原型技術(shù)的機(jī)電軟并行設(shè)計(jì)，使得設(shè)計(jì)開發(fā)周期大大縮短，同時(shí)將更多的功能間的驗(yàn)證融入設(shè)計(jì)過(guò)程中，從而降低系統(tǒng)開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，提高系統(tǒng)整體優(yōu)化程度。3.3.3

協(xié)同設(shè)計(jì)3.3.3.1機(jī)電軟融合自動(dòng)化技術(shù)所面對(duì)的問(wèn)題不是孤立的、單純的各個(gè)子領(lǐng)域的問(wèn)題：①系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題②機(jī)電部件接口問(wèn)題③軟硬件互補(bǔ)問(wèn)題實(shí)現(xiàn)機(jī)、電、軟有機(jī)融合主要包括以下幾種方法：①替代機(jī)械系統(tǒng)②簡(jiǎn)化機(jī)械系統(tǒng)③增強(qiáng)機(jī)械系統(tǒng)④綜合機(jī)械系統(tǒng)3.3.3

協(xié)同設(shè)計(jì)3.3.3.1機(jī)電軟融合自動(dòng)化系統(tǒng)均由機(jī)械、電氣、軟件三元素融合而成。其中，機(jī)械是基礎(chǔ)，電氣是關(guān)鍵，軟件是核心，它們前后關(guān)聯(lián)，首尾呼應(yīng)，渾然一體。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)，也決定了系統(tǒng)的技術(shù)性能上限；電氣傳感設(shè)計(jì)保證了系統(tǒng)的技術(shù)性能；軟件控制設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)技術(shù)性能；系統(tǒng)集成是各個(gè)環(huán)節(jié)及不同模塊間的精心設(shè)計(jì)和工藝制程的精益控制。機(jī)電軟一體化聯(lián)合仿真及數(shù)字化虛擬運(yùn)行測(cè)試為技術(shù)可行性提供了保證。軟件不僅承擔(dān)機(jī)械的動(dòng)作控制，還具有規(guī)劃管理、智能測(cè)算、工藝庫(kù)實(shí)施與集成、設(shè)備生命周期管理等功能。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，機(jī)電軟三元素融為一體，缺一不可。3.3.3

協(xié)同設(shè)計(jì)3.3.3.2數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)管理：隨著產(chǎn)品創(chuàng)新性及智能化要求的不斷提升，以及模塊化、并行化等管理模式的迫切