基于SolidWorks實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的展望

摘要：探討機(jī)電一體化設(shè)計(jì)在當(dāng)今機(jī)電一體化設(shè)備設(shè)計(jì)領(lǐng)域的重要性，提出需求。分析國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀與不足，引出現(xiàn)階段設(shè)計(jì)中急需解決的問(wèn)題，進(jìn)而提出SolidWorks作為新的解決方案，提出未來(lái)的展望與期待。

關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化；SolidWorks；機(jī)電一體化設(shè)計(jì)

引言

伴隨著設(shè)備功能、自動(dòng)化程度、結(jié)構(gòu)的不斷提高，機(jī)械設(shè)備完全采用機(jī)械構(gòu)造的時(shí)代行將結(jié)束，進(jìn)入“機(jī)電一體化”時(shí)代。機(jī)電一體化是機(jī)械自動(dòng)化的發(fā)展和升華，機(jī)電一體化研究的開(kāi)展和應(yīng)用，才能有效保障機(jī)械工業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展，為其發(fā)展提供源源不斷的支撐和動(dòng)力。

1.機(jī)電一體化設(shè)計(jì)的意義及需求

自1971年首次提出機(jī)電一體化這一概念以來(lái)，機(jī)電一體化經(jīng)歷了四十多年的發(fā)展，其意義跟隨著科技的發(fā)展不斷更新，不斷豐富。特別是21世紀(jì)的到來(lái)，使得市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，消費(fèi)觀念不斷提升，機(jī)械產(chǎn)品呈現(xiàn)出智能化、模塊化、柔性化、自動(dòng)化等機(jī)電一體化特征。機(jī)電一體化技術(shù)將在未來(lái)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)中發(fā)揮著重要的作用。然而機(jī)電一體化系統(tǒng)所具有的學(xué)科交叉性、融合性、復(fù)雜性，給產(chǎn)品設(shè)計(jì)師提出了更高的要求[1]。如何針對(duì)不同學(xué)科領(lǐng)域的工作原理來(lái)更好地滿足產(chǎn)品的功能需求。這需要建立一種能夠與當(dāng)代技術(shù)發(fā)展相適應(yīng)的機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法并有一套完整的設(shè)計(jì)工具。

2.機(jī)電一體化設(shè)計(jì)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的發(fā)展目前還處于發(fā)展階段，在國(guó)外，德國(guó)Darmstadt大學(xué)對(duì)機(jī)電一體化的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法學(xué)上進(jìn)行了較深入的研究。他們的觀點(diǎn)認(rèn)為，機(jī)電一體化的驅(qū)動(dòng)器、傳感器及機(jī)械部分都是作為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的外界環(huán)境而存在的。在他們的設(shè)計(jì)中，僅考慮控制系統(tǒng)，并且沒(méi)有考慮到幾個(gè)部分之間的融合設(shè)計(jì)問(wèn)題。美國(guó)Analogy公司聲稱其開(kāi)發(fā)的Saber軟件是支持機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的智能化概念設(shè)計(jì)軟件，但其實(shí)質(zhì)還僅是一個(gè)機(jī)電一體化仿真軟件，不具備產(chǎn)生方案的功能。

上海交通大學(xué)，從現(xiàn)代機(jī)構(gòu)的角度出發(fā)，將機(jī)電一體化系統(tǒng)劃分為廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)、傳感檢測(cè)子系統(tǒng)、信息處理及控制子系統(tǒng)，稱為“三子系統(tǒng)論”[2]，提出了Process（工藝）—Action（動(dòng)作）—Mechanism（機(jī)構(gòu)）的PAM功能求解模型，更具有可操作性，更利于計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)[3]。在國(guó)內(nèi)的研究單位，一般在計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了研究，但對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面的問(wèn)題基本沒(méi)有進(jìn)行研究。

3.現(xiàn)存在問(wèn)題

上述研究，為機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)及其計(jì)算機(jī)化設(shè)計(jì)工具的研究奠定了一定的理論基礎(chǔ)。由于機(jī)電一體化系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜，所以設(shè)計(jì)人員需要綜合考慮機(jī)械與電子電氣之間的共同作用來(lái)實(shí)現(xiàn)功能。例如：斯達(dá)特公司所生產(chǎn)的運(yùn)輸帶式金屬檢查儀，需要無(wú)磁場(chǎng)干涉，而其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)恰能產(chǎn)生靜電運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)。最終通過(guò)機(jī)械與電氣設(shè)計(jì)師的聯(lián)手下，采用單端絕緣技術(shù)結(jié)構(gòu)解決了這一問(wèn)題。這個(gè)例子中還存在存在設(shè)計(jì)不協(xié)調(diào)的問(wèn)題，雙方使用的軟件無(wú)法對(duì)接，不能共享，不能整體建模，更不能整體仿真，其設(shè)計(jì)的工期及可靠性大打折扣，影響資源利用率及效率值。

4.基于SolidWorks軟件的解決問(wèn)題方案

現(xiàn)如今SolidWorks軟件正日漸成熟的成為機(jī)電一體化設(shè)計(jì)軟件而呈現(xiàn)在大家面前，Solidworks軟件功能強(qiáng)大，您可以使用熟悉的 3D 可視化界面來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)械零件和裝配體。其原有的插件已經(jīng)基本可以較完美的滿足機(jī)械設(shè)計(jì)及仿真所需的功能。

COSMOSMotion作為SolidWorks插件，它利用機(jī)械動(dòng)力學(xué)來(lái)模擬機(jī)械運(yùn)動(dòng)?？蓭椭O(shè)計(jì)人員了解其裝配體的運(yùn)動(dòng)性能，大大縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低制造物理樣機(jī)的成本。

使用 COSMOSWorks，您可以快速、方便地在各零件都添加了載荷的情況下對(duì)它們進(jìn)行分析，以驗(yàn)證零件的結(jié)構(gòu)完整性。COSMOSWorks Designer 還使您能夠研究不同裝配體零部件之間的交互作用。您可以輕松地比較備選設(shè)計(jì)方案，然后快速為最終生產(chǎn)選擇最佳設(shè)計(jì)方案。

最可喜的是，2013年新推出SolidWorks Electrical將2D、3D電氣設(shè)計(jì)與3D機(jī)械設(shè)計(jì)完美無(wú)縫集成，優(yōu)化項(xiàng)目設(shè)計(jì)。成功的解決了以往機(jī)械與電氣設(shè)計(jì)上的對(duì)接困難，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)。

SolidWorks Electrical新產(chǎn)品采用elecworks技術(shù)，它能幫助用戶將2D電氣設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與3D機(jī)械設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)直接集成。這種集成方式將大大提高機(jī)械與電氣團(tuán)隊(duì)間的協(xié)同工作效率，并會(huì)顯著縮短項(xiàng)目設(shè)計(jì)到生產(chǎn)完成的周期。機(jī)械與電氣設(shè)計(jì)能夠?qū)崟r(shí)同步的進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。3D模式的電氣裝配布局設(shè)計(jì)能夠在投入生產(chǎn)前盡早的模擬出設(shè)備的空間布局，更有效的利用空間。通過(guò)SolidWorks Electrical 3D自動(dòng)布線功能使現(xiàn)場(chǎng)布線更容易：3D自動(dòng)布線遵循最優(yōu)路徑原則，能夠真實(shí)的統(tǒng)計(jì)出電線和電纜的精細(xì)長(zhǎng)度清單。電氣設(shè)備的零部件及項(xiàng)目圖紙管理可以通過(guò)SolidWorks Enterprise PDM系統(tǒng)直接管理與集成[4]。

5.展望

SolidWorks Electrical的出現(xiàn)為機(jī)電一體化設(shè)計(jì)者們帶來(lái)了新的春天，現(xiàn)在設(shè)計(jì)者們完全可以采用SolidWorks這個(gè)功能強(qiáng)大的軟件實(shí)現(xiàn)，機(jī)電一體化整體設(shè)計(jì)、分析、仿真、投產(chǎn)，是真正的機(jī)電一化設(shè)計(jì)軟件。由于才剛剛投入市場(chǎng)，可能還稍微有一點(diǎn)未知的問(wèn)題，不過(guò)，我們已經(jīng)可以看到了機(jī)電一體化設(shè)計(jì)的美好未來(lái)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李瑞琴，鄒慧君.機(jī)電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)理論研究現(xiàn)狀與發(fā)展展望[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2003，19（3）：10～13

[2]鄒慧君，廖武，郭為忠，王石剛.機(jī)電一體化系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)的基本原理[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，1999，（3）：14～17.

[3]田志斌.現(xiàn)代機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)理論與應(yīng)用研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2001.

[4]http：//www.solidworks.com

作者簡(jiǎn)介：于興龍（1986.05-）男，遼寧營(yíng)口，沈陽(yáng)斯達(dá)特電子有限公司，助理工程師，機(jī)電一體化設(shè)計(jì)。