肖祖東，柳和生，李 標，饒錫新

(南昌大學 機電工程學院，南昌 330031)

UG NX在機電產(chǎn)品概念設計中應用與研究*

肖祖東，柳和生，李 標，饒錫新

(南昌大學 機電工程學院，南昌 330031)

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

機電一體化；概念設計；計算機輔助；MCD

0 引言

一方面，隨著現(xiàn)代社會機電產(chǎn)品的普及，機電一體化系統(tǒng)的設計所涉及到的專業(yè)領域逐漸增多，導致機電一體化產(chǎn)品具有多學科融合的特點，從而增加了機械產(chǎn)品復雜性，同時也增加了設計難度給機電產(chǎn)品的設計者提出了更高的要求。另一方面，在經(jīng)濟快速發(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，必須縮短設計周期，加快產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度，以適應消費者的需求。同時，概念設計是產(chǎn)品設計中的關鍵階段，它在很大程度上決定著最終產(chǎn)品的性能、創(chuàng)造性、價格、市場響應速度和效率等,且概念設計階段實際投入的費用只占產(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，隨著計算機圖形學、多媒體技術、虛擬現(xiàn)實技術[2]的發(fā)展以及CAD/CAM應用的深入,并借助于計算機強大的存儲與檢索能力，開發(fā)機電產(chǎn)品計算機輔助概念設計工具，實現(xiàn)機電產(chǎn)品計算機輔助概念設計是機電產(chǎn)品設計的關鍵。MCD作為基于UG NX平臺的機電產(chǎn)品計算機輔助概念設計工具，適用于機電一體化產(chǎn)品的概念設計，由于MCD能夠實現(xiàn)多學科的協(xié)同工作，從而可加快涉及機械、電氣和軟件設計學科的產(chǎn)品的開發(fā)速度，因此能夠提高設計速度、提升設計質量。同時MCD可實現(xiàn)創(chuàng)新性的設計技術，幫助機械設計人員滿足日益提高的要求， 不斷提高機械的生產(chǎn)效率、縮短設計周期和降低成本。

1 機電一體化產(chǎn)品概念設計系統(tǒng)

1.1 傳統(tǒng)機電產(chǎn)品概念設計系統(tǒng)

機電產(chǎn)品計算機輔助概念設計是近年新興研究學科，目前，傳統(tǒng)的機電產(chǎn)品概念設計系統(tǒng)并不多，且由設計系統(tǒng)時的側重點不同，傳統(tǒng)的機電產(chǎn)品概念設計系統(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)行機構部分卻不夠深入不能體現(xiàn)出機械的主體地位[3]；有的側重于機械設計領域,對于控制系統(tǒng)的理論和應用研究不夠,對于信息的處理等還有進一步的研究空間[4]；有的較少考慮到機械部分、傳感器及驅動器的特性,也沒有考慮到幾個部分之間的融合設計問題，從而不能全面反映以實現(xiàn)運動執(zhí)行功能為主的機電一體化產(chǎn)品概念設計的實質[5]；有的只具有對機電一體化系統(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)的機電產(chǎn)品概念設計都不能實現(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的機電產(chǎn)品概念設計，不僅突出了機電一體化系統(tǒng)中的機械主體地位。同時MCD能夠實現(xiàn)功能設計方法，可集成上游和下游工程領域，包括需求管理、機械設計、電氣設計以及軟件自動化工程。從而能夠實現(xiàn)多部門協(xié)同、縮短上市時間、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)概念設計工具的本質區(qū)別。另外MCD實現(xiàn)了包含多物理場以及通常存在于機電一體化產(chǎn)品中的自動化相關行為的概念進行三維建模和仿真，從而能夠得到更高質量的概念產(chǎn)品。

1.2 機電產(chǎn)品概念設計系統(tǒng)MCD的特點

基于MCD與傳統(tǒng)的機電產(chǎn)品概念設計工具除了有上述的本質區(qū)別外，還有以下幾個顯著特點：

(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，直至完成設計。功能模型使機械、電氣和自動化部門能夠通過共同的方式攜手合作，有助于設計者更快交付設計、減少設計流程后期出現(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)建并驗證備選概念。借助早期驗證可幫助檢測并糾正錯誤，此時解決錯誤成本最低。

(3)通過智能對象封裝機電一體化數(shù)據(jù)實現(xiàn)重用

通過模塊化和重用，MCD可幫助最大限度提高設計效率。借助該解決方案，您可獲取智能對象中的機電一體化知識，并將這些知識存儲在庫中，供以后重用。在重用過程中，因為能夠基于經(jīng)驗證的概念進行設計，所以可提高質量；并且可通過消除重新設計和返工加快開發(fā)速度。

1.3 在MCD中機電產(chǎn)品概念設計過程模型

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

圖1 一般過程模型圖

2 應用實例

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

(1)設計需求的定義與管理

MCD能與Siemens的產(chǎn)品生命周期管理軟件Teamcenter結合使用，以提供端到端的解決方案。在開發(fā)周期開始時，設計人員可以使用Teamcenter 的需求管理和系統(tǒng)工程功能構建工程模型，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跨學科協(xié)同概念設計，從而確保在整個產(chǎn)品開發(fā)過程中滿足客戶期望，這是MCD相比于傳統(tǒng)觀念設計的一大優(yōu)點，彌補了傳統(tǒng)觀念設計的不足。

圓形裝載機的設計需求如表1所示：

表1 圓形裝載機設計需求

(2)創(chuàng)建功能模型

在Teamcenter中根據(jù)設計需求創(chuàng)建的功能構建工程模型可以直接導入到MCD的功能導航器，且能與設計需求直接聯(lián)系起來。

首先，定義機電一體化系統(tǒng)的基本功能：實現(xiàn)循環(huán)裝載功能。

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

圖2 功能樹模型

第三，功能單元的重用：在機電一體化產(chǎn)品概念設計時，對于用在不同地方的同一功能，可以實現(xiàn)功能單元的重用。因此，可提高產(chǎn)品質量，并且可通過消除重新設計和返工加快開發(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，就是定義組件的機電屬性和運動副聯(lián)接類型，即從機械的角度來定義組件的行為。這也是基于MCD的機電產(chǎn)品概念設計與傳統(tǒng)概念設計之間的重大區(qū)別。傳統(tǒng)概念設計是需要建立一個機構庫，然后從機構庫中選擇符合需求的運動機構[9]；而在基于MCD機電一體化概念設計中，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電屬性以及運動副聯(lián)接類型。機電屬性包括剛體、碰撞體、傳輸面和碰撞材料等；運動副聯(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中包含了所有機械概念設計所需的機電屬性和運動副聯(lián)接類型。在本例中，定義組件的運動副聯(lián)接類型如圖4所示。

圖4 運動特性

最后，為了能夠將子功能與實現(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航器中功能樹相對應的子功能中。

(4)添加抽象的執(zhí)行機構

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

(5)定義基于時間的操作

定義完執(zhí)行機構，就該定義執(zhí)行機構是如何由操作控制的。每個執(zhí)行機構都對應有一個基于時間的操作，且排列各個操作之間的順序是基于時間概念的。圓形裝載機的操作順序首先是基座的旋轉運動，接著是滑塊的垂直運動，最后是握爪的線性運動。具體操作及順序如圖5所示。

圖5 操作順序

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

(6)添加傳感器及定義基于事件的操作

要在機電一體化系統(tǒng)中定義一個基于事件的行為，就必須獲得運行時的反饋信息。在MCD中提供了兩種方法來訪問運行時的數(shù)據(jù)。一是系統(tǒng)模型中的每個對象，如執(zhí)行機構、運動副或傳輸面都提供了一個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中引入了一個新的對象稱為碰撞傳感器，這是一個提供了運行時參數(shù)的傳感器對象。

定義基于事件的操作就是在機電一體化系統(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碰撞傳感器完成基于事件的操作。一個是用于提供滑塊到達指定高度時停止繼續(xù)滑動的信息；另一個提供是當握爪碰撞到工件臺時停止運動的信息。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機電一體化概念設計能夠實現(xiàn)三維動態(tài)仿真，因此彌補了傳統(tǒng)概念設計不能實現(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)實環(huán)境建模，并迅速定義機械概念和所需的機械行為后，接下來就是要對機電一體化系統(tǒng)進行仿真。MCD中的仿真技術基于游戲物理場引擎，可以基于簡化數(shù)學模型將實際物理行為引入虛擬環(huán)境。該仿真技術易于使用。且仿真過程采用交互方式，因此可以通過鼠標指針施加作用力或移動對象。MCD可對一系列行為進行仿真，包括驗證機械概念所需的一切，涉及運動學、動力學、碰撞、驅動器彈簧、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行時參數(shù)，MCD提供了一個實時觀察器。使用實時觀察器可以查看仿真時機電一體化系統(tǒng)中指定對象的運行時參數(shù)。通過對實時數(shù)據(jù)的分析，來評價所設計的方案是否滿足設計需求，然后在進行概念設計方案的優(yōu)化，直到得到滿意的概念產(chǎn)品。

(8)用詳細模型取代概念模型

基于MCD的機電一體化產(chǎn)品概念設計與傳統(tǒng)概念設計相比的還有一顯著特點就是能夠將UG NX建模環(huán)境中創(chuàng)建詳細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模型中。在基于詳細三維模型的動態(tài)仿真中，可以更加真實的反應出機電一體化系統(tǒng)的運行情況是否滿足設計需求，從而得出更理想的概念設計產(chǎn)品。用圓形裝載機的詳細模型取代概念模型后的效果如圖6所示。

3 結束語

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

圖6 詳細模型取代概念模型圖 [參考文獻]

[1] 程志剛, 李瑞琴, 董亞峰, 等. 機電一體化產(chǎn)品概念設計理論現(xiàn)狀與展望[J]. 中北大學學報(自然科學版), 2006(1): 18-22.

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[3] Dawson JCIPD, Duffy M. Schemebuilder: computer aided knowledge based design of mechatronic systems[J]. Assembly Automation, 1999,19(2): 129-138.

[4] 李沛剛. 基于功構模式的產(chǎn)品概念設計理論和方法研究[D]:濟南： 山東大學, 2010.

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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

國家自然科學基金項目(51065021)

肖祖東(1989—)，男，江西贛州人，南昌大學碩士研究生，從事數(shù)字化產(chǎn)品設計、機電一體化產(chǎn)品計算機輔助概念設計的研究，(E-mail)xzd08017@126.com。

TH122;TG506

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