趙 林，吳 雙，張可義，萬英和，向 旺

（1.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120；2.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司，北京 100120；3.北自所（北京）科技發(fā)展有限公司，北京 100120）

0 引言

隨著工業(yè)4.0、中國制造2025等概念的不斷深化，制造業(yè)生產(chǎn)模式、商業(yè)模式和供需關(guān)系必將發(fā)生重大變革[1]。為了實(shí)現(xiàn)制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型并快速搶占“第四次工業(yè)革命”的市場份額，在新一輪的產(chǎn)業(yè)變革中占得先機(jī)，需要設(shè)備制造商最大限度的壓縮新產(chǎn)品的設(shè)備開發(fā)周期[2]。概念設(shè)計(jì)作為產(chǎn)品開發(fā)周期中的重要一環(huán)，它在很大程度上決定著產(chǎn)品最終的性能、價(jià)格和市場反應(yīng)[3]。目前，傳統(tǒng)的機(jī)電概念設(shè)計(jì)方式已經(jīng)愈來愈不能滿足現(xiàn)階段技術(shù)發(fā)展對(duì)設(shè)計(jì)效率日益增長的需求，NX MCD（Mechatronics Concept Designer）平臺(tái)（以下簡稱MCD平臺(tái)）是一款基于UG NX（Unigraphics Next generation）平臺(tái)的全新的適用于機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)及仿真工具，通過MCD平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)集成式工程方式，減少設(shè)計(jì)后期因跨學(xué)科集成問題造成的開發(fā)周期延長，且其提供的基于物理場的三維仿真，為設(shè)備開發(fā)后期的自動(dòng)化調(diào)試階段提供了一種虛擬調(diào)試方法，在虛擬環(huán)境中對(duì)數(shù)字化產(chǎn)品模型進(jìn)行調(diào)試，能夠縮短設(shè)備開發(fā)周期。

1 機(jī)電一體化產(chǎn)品開發(fā)過程

通常的機(jī)電一體化產(chǎn)品開發(fā)過程[4]都會(huì)經(jīng)歷6個(gè)階段：發(fā)現(xiàn)需求、項(xiàng)目規(guī)劃、產(chǎn)品定義、原理方案設(shè)計(jì)、產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品支持，這6個(gè)階段是串行、順序進(jìn)行的，如圖1所示。

圖1 一般機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)過程圖

本文的主要研究機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程，機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作集中在產(chǎn)品定義、原理方案設(shè)計(jì)、產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)三個(gè)階段，在這三個(gè)階段中的設(shè)計(jì)工作主要包含機(jī)械概念定義、機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)、自動(dòng)化工程及相關(guān)的校核驗(yàn)證。

1.1 傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程及特點(diǎn)

傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程如圖2所示，其中，概念設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)和自動(dòng)化工程是循序漸進(jìn)、依次進(jìn)行的：設(shè)計(jì)工作由不同學(xué)科的工程師在各自專業(yè)領(lǐng)域的軟件平臺(tái)上單獨(dú)完成，由于前期的概念設(shè)計(jì)方案缺少綜合有效的驗(yàn)證，設(shè)計(jì)問題通常在產(chǎn)品開發(fā)后期跨學(xué)科集成時(shí)才會(huì)被發(fā)現(xiàn)，在這個(gè)階段糾錯(cuò)流程復(fù)雜，可能需要向前序階段逐級(jí)返工，導(dǎo)致了產(chǎn)品開發(fā)周期長、成本高等問題。

圖2 兩種機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)過程圖

1.2 基于NX MCD的機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程及特點(diǎn)

MCD平臺(tái)以FBS（Function-Behavior-Structure）功能-行為-結(jié)構(gòu)模式的概念設(shè)計(jì)模型為基礎(chǔ)[5]，通過開發(fā)初期根據(jù)客戶需求分解功能部件建立產(chǎn)品機(jī)電概念模型的設(shè)計(jì)方法，使機(jī)械、電氣和自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)了并行設(shè)計(jì)，如圖2所示：不同學(xué)科的工程師可以基于統(tǒng)一的功能模型并行協(xié)同設(shè)計(jì)一個(gè)項(xiàng)目，為產(chǎn)品開發(fā)早期階段的跨學(xué)科概念設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證提供了快捷有效的途徑，減少了產(chǎn)品開發(fā)后期跨學(xué)科集成出現(xiàn)的問題。MCD平臺(tái)還提供了基于物理場的仿真，可在產(chǎn)品開發(fā)周期的最初階段快速創(chuàng)建并驗(yàn)證備選概念，借助早期驗(yàn)證能夠有效避免錯(cuò)誤的累積。

1.3 基于NX MCD的機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法較傳統(tǒng)機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法的優(yōu)勢

結(jié)合前述介紹，對(duì)分別采用兩種機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法的產(chǎn)品開發(fā)過程進(jìn)行圖形化的直觀對(duì)比，如圖2所示。從圖中可以看出，基于NX MCD的機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中具有以下幾個(gè)優(yōu)勢特點(diǎn)：

1）多學(xué)科協(xié)同的集成工程方式

通過開發(fā)初期根據(jù)客戶需求分解功能部件建立產(chǎn)品機(jī)電概念模型的設(shè)計(jì)方法，機(jī)械、電氣和自動(dòng)化部門能夠并行協(xié)同設(shè)計(jì)一個(gè)項(xiàng)目，在設(shè)計(jì)過程中相互驗(yàn)證，能夠有效減少產(chǎn)品開發(fā)后期因跨學(xué)科集成的問題導(dǎo)致開發(fā)周期的延長。

2）概念建模和基于物理場的仿真

MCD平臺(tái)提供易于使用的建模和仿真，可在開發(fā)周期的最初階段迅速創(chuàng)建概念模型并進(jìn)行概念方案驗(yàn)證，能夠避免錯(cuò)誤累積，有效降低糾錯(cuò)成本。

3）模塊化和模型重用

利用MCD平臺(tái)能夠通過智能對(duì)象封裝經(jīng)過驗(yàn)證的機(jī)電一體化數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)模型重用。通過模型重用進(jìn)行設(shè)計(jì)可以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少因經(jīng)驗(yàn)不足導(dǎo)致的重新設(shè)計(jì)和返工。

基于MCD平臺(tái)的機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)能夠在產(chǎn)品開發(fā)的早期階段通過仿真和測試驗(yàn)證概念設(shè)計(jì)方案，減少因跨學(xué)科集成問題和經(jīng)驗(yàn)不足導(dǎo)致開發(fā)周期的延長。

2 應(yīng)用實(shí)例

隨著智能物流相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，自動(dòng)化立體倉庫在企業(yè)中使用越來越廣泛。堆垛機(jī)是自動(dòng)化立體倉庫中的核心設(shè)備，而國內(nèi)目前仍采用傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法進(jìn)行堆垛機(jī)設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)方法無法實(shí)現(xiàn)對(duì)客戶需求的快速響應(yīng)，因此需要新的設(shè)計(jì)方法對(duì)其加以改進(jìn)。本文重點(diǎn)研究基于NX MCD的機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法在堆垛機(jī)概念設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用，具體過程如下：

1）需求分析與管理

在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)的初始階段，需要對(duì)用戶需求進(jìn)行明確定義和管理。利用與MCD平臺(tái)集成的PLM（Product Lifecycle Management）軟件Teamcenter實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求的開發(fā)。即從用戶對(duì)產(chǎn)品工藝、流程及操作等需求出發(fā)，通過全面的調(diào)研、分析將其轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求，包括產(chǎn)品系統(tǒng)組成、控制需求等，確定產(chǎn)品設(shè)計(jì)任務(wù)及設(shè)計(jì)流程。需求分析與管理作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)起始階段的計(jì)劃活動(dòng)之一，正確的需求表達(dá)保證是產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程順利進(jìn)行、產(chǎn)品功能表達(dá)能夠滿足客戶期望的重要前提。這是MCD平臺(tái)相比于傳統(tǒng)概念設(shè)計(jì)的一大優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)概念設(shè)計(jì)的不足。

堆垛機(jī)作為立體倉庫中的關(guān)鍵設(shè)備，其最根本的需求就是能實(shí)現(xiàn)在高層貨架中自動(dòng)完成貨物的入、出庫作業(yè)。根據(jù)根本需求可以分解出三個(gè)最基本的子需求，即：能在巷道內(nèi)進(jìn)行水平和垂直方向上的移動(dòng)，以到達(dá)貨架中的任意位置；能在貨架的貨位中放置、取出貨物；同時(shí)，要有相應(yīng)的位置檢測元件，用于對(duì)設(shè)備的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)作業(yè)的需求。除此之外，還能從用戶使用和設(shè)備運(yùn)行角度分解出一些額外的子需求，如：1）除具備自動(dòng)作業(yè)模式外，設(shè)備還有手動(dòng)操作的需求，以便在必要的情況下能人為操作設(shè)備完成作業(yè)或處理異常情況；2）能夠?qū)Σ缓细竦呢浳镞M(jìn)行識(shí)別，檢測出外形尺寸或總量不合格的貨物，并提示工作人員進(jìn)行處理，以避免不合格貨物導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行故障或貨物傾覆等情況造成財(cái)產(chǎn)和人身安全的損害；3）在水平和垂直運(yùn)行軌道的兩端要有相應(yīng)的限速保護(hù)裝置，防止設(shè)備失速?zèng)_出軌道；4）在各方向的運(yùn)行軌道末端要有相應(yīng)的行程限制保護(hù)裝置，使得在限速裝置失效或手動(dòng)操作失誤的情況下能夠使設(shè)備及時(shí)停車，避免安全事故的發(fā)生。建立堆垛機(jī)的設(shè)計(jì)需求如表1所示。

表1 堆垛機(jī)設(shè)計(jì)需求

2）創(chuàng)建功能模型

在需求分析完成后，需要根據(jù)設(shè)計(jì)需求，對(duì)產(chǎn)品的功能行為模型進(jìn)行設(shè)計(jì)建立，來解決產(chǎn)品“做什么”的問題。通過需求與功能的映射連接關(guān)系，可以在Teamcenter中建立與產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求直接對(duì)應(yīng)的功能模型，且MCD平臺(tái)集成的系統(tǒng)工程導(dǎo)航器可以直接以XML（Extensible Markup Language）數(shù)據(jù)的形式將功能模型導(dǎo)入到MCD平臺(tái)中，用于指導(dǎo)產(chǎn)品機(jī)構(gòu)部件的設(shè)計(jì)、選型。

通過產(chǎn)品需求樹的映射可知堆垛機(jī)要實(shí)現(xiàn)的最基本的功能為出庫和入庫功能，在實(shí)現(xiàn)基本功能的同時(shí)，針對(duì)設(shè)備位置反饋需求需要和不合格貨物判別需求增加了檢測功能，對(duì)于設(shè)備限速和行程限制等需求增加了安全保護(hù)功能，此外還需要具備一些輔助功能。采用分層法將以上五大功能分解可以得出基于功能分解的堆垛機(jī)功能樹層次結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 堆垛機(jī)功能模型樹

3）邏輯模型設(shè)計(jì)

在功能模型的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，利用產(chǎn)品邏輯模型設(shè)計(jì)來解決產(chǎn)品“怎么做”的問題，用以對(duì)產(chǎn)品動(dòng)作順序和行為邏輯的創(chuàng)建進(jìn)行指導(dǎo)。堆垛機(jī)的行為分為入庫和出庫兩種，兩種作業(yè)流程類似，建立其邏輯流程如圖4所示。

圖4 邏輯流程圖

在系統(tǒng)工程中創(chuàng)建產(chǎn)品的邏輯模型有利于使其行為動(dòng)作的設(shè)計(jì)及執(zhí)行層次分明，其具體的邏輯條目對(duì)應(yīng)了功能中相應(yīng)機(jī)構(gòu)部件的執(zhí)行動(dòng)作，并將產(chǎn)品組成部件的行為動(dòng)作有效連接和組織起來，引導(dǎo)建立產(chǎn)品的執(zhí)行時(shí)序。

4）機(jī)械概念及電氣屬性定義

在產(chǎn)品的需求、功能及邏輯模型都已建立且已相互映射完成后，根據(jù)以上模型樹開始對(duì)產(chǎn)品的機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)及電氣屬性的設(shè)計(jì)和定義。在UG NX軟件中導(dǎo)入或設(shè)計(jì)產(chǎn)品的三維機(jī)械概念模型后，開始在MCD平臺(tái)中對(duì)產(chǎn)品的機(jī)電屬性進(jìn)行定義：包含基本機(jī)電對(duì)象的定義、運(yùn)動(dòng)副連接類型的選擇、約束的定義、傳感器和執(zhí)行器的定義，經(jīng)過以上步驟建立堆垛機(jī)的數(shù)字化機(jī)電概念模型如圖5所示。

圖5 機(jī)械概念和機(jī)電屬性定義

5）定義仿真序列

在基本機(jī)電對(duì)象、傳感器和執(zhí)行器定義完成之后，就可以MCD平臺(tái)上對(duì)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)建立仿真序列，用于對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和動(dòng)作邏輯合理性進(jìn)行初步驗(yàn)證，對(duì)堆垛機(jī)添加基于時(shí)間的仿真序列，來模擬堆垛機(jī)單次入庫作業(yè)流程，具體操作及順序如圖6所示。

圖6 基于時(shí)間的仿真序列

通過建立仿真序列完成了對(duì)堆垛機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇及其行為邏輯合理性的單機(jī)驗(yàn)證，經(jīng)過驗(yàn)證的數(shù)字化模型可直接用于后續(xù)設(shè)備虛擬調(diào)試環(huán)節(jié)的自動(dòng)化程序驗(yàn)證。

3 結(jié)語

概念設(shè)計(jì)作為機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)周期中的重要環(huán)節(jié)，是決定產(chǎn)品性能和市場競爭力的關(guān)鍵。本文分析了傳統(tǒng)機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)中存在的不足和缺陷，引入了基于NX MCD的機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法。采用該方法在MCD平臺(tái)集成的系統(tǒng)工程模塊中建立了堆垛機(jī)的需求、功能及邏輯模型，以系統(tǒng)工程模型為指導(dǎo)完成了堆垛機(jī)機(jī)電概念模型的定義，并在MCD平臺(tái)中建立了基于時(shí)間的仿真序列，對(duì)堆垛機(jī)的結(jié)構(gòu)和動(dòng)作邏輯合理性進(jìn)行了單機(jī)驗(yàn)證。通過堆垛機(jī)的機(jī)電概念設(shè)計(jì)過程說明了基于NX MCD的機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法的可操作性，為設(shè)備開發(fā)后期的聯(lián)合仿真、虛擬調(diào)試階段提供了可用的數(shù)字化模型。