趙 林，吳 雙，張可義，萬英和，向 旺

（1.北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120；2.北京機械工業(yè)自動化研究所有限公司，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)模式和供需關系必將發(fā)生重大變革[1]。為了實現(xiàn)制造業(yè)數(shù)字化轉型并快速搶占“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，需要設備制造商最大限度的壓縮新產(chǎn)品的設備開發(fā)周期[2]。概念設計作為產(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、價格和市場反應[3]。目前，傳統(tǒng)的機電概念設計方式已經(jīng)愈來愈不能滿足現(xiàn)階段技術發(fā)展對設計效率日益增長的需求，NX MCD（Mechatronics Concept Designer）平臺（以下簡稱MCD平臺）是一款基于UG NX（Unigraphics Next generation）平臺的全新的適用于機電一體化產(chǎn)品設計及仿真工具，通過MCD平臺可以實現(xiàn)集成式工程方式，減少設計后期因跨學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，為設備開發(fā)后期的自動化調試階段提供了一種虛擬調試方法，在虛擬環(huán)境中對數(shù)字化產(chǎn)品模型進行調試，能夠縮短設備開發(fā)周期。

1 機電一體化產(chǎn)品開發(fā)過程

通常的機電一體化產(chǎn)品開發(fā)過程[4]都會經(jīng)歷6個階段：發(fā)現(xiàn)需求、項目規(guī)劃、產(chǎn)品定義、原理方案設計、產(chǎn)品詳細設計和產(chǎn)品支持，這6個階段是串行、順序進行的，如圖1所示。

圖1 一般機電產(chǎn)品開發(fā)過程圖

本文的主要研究機電產(chǎn)品的設計過程，機電產(chǎn)品的設計工作集中在產(chǎn)品定義、原理方案設計、產(chǎn)品詳細設計三個階段，在這三個階段中的設計工作主要包含機械概念定義、機械設計、電氣設計、自動化工程及相關的校核驗證。

1.1 傳統(tǒng)的機電產(chǎn)品設計過程及特點

傳統(tǒng)的機電產(chǎn)品設計過程如圖2所示，其中，概念設計、機械設計、電氣設計和自動化工程是循序漸進、依次進行的：設計工作由不同學科的工程師在各自專業(yè)領域的軟件平臺上單獨完成，由于前期的概念設計方案缺少綜合有效的驗證，設計問題通常在產(chǎn)品開發(fā)后期跨學科集成時才會被發(fā)現(xiàn)，在這個階段糾錯流程復雜，可能需要向前序階段逐級返工，導致了產(chǎn)品開發(fā)周期長、成本高等問題。

圖2 兩種機電產(chǎn)品開發(fā)過程圖

1.2 基于NX MCD的機電產(chǎn)品設計過程及特點

MCD平臺以FBS（Function-Behavior-Structure）功能-行為-結構模式的概念設計模型為基礎[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)品機電概念模型的設計方法，使機械、電氣和自動化實現(xiàn)了并行設計，如圖2所示：不同學科的工程師可以基于統(tǒng)一的功能模型并行協(xié)同設計一個項目，為產(chǎn)品開發(fā)早期階段的跨學科概念設計方案驗證提供了快捷有效的途徑，減少了產(chǎn)品開發(fā)后期跨學科集成出現(xiàn)的問題。MCD平臺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)建并驗證備選概念，借助早期驗證能夠有效避免錯誤的累積。

1.3 基于NX MCD的機電產(chǎn)品設計方法較傳統(tǒng)機電產(chǎn)品設計方法的優(yōu)勢

結合前述介紹，對分別采用兩種機電產(chǎn)品設計方法的產(chǎn)品開發(fā)過程進行圖形化的直觀對比，如圖2所示。從圖中可以看出，基于NX MCD的機電產(chǎn)品設計方法在產(chǎn)品設計過程中具有以下幾個優(yōu)勢特點：

1）多學科協(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)品機電概念模型的設計方法，機械、電氣和自動化部門能夠并行協(xié)同設計一個項目，在設計過程中相互驗證，能夠有效減少產(chǎn)品開發(fā)后期因跨學科集成的問題導致開發(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)建概念模型并進行概念方案驗證，能夠避免錯誤累積，有效降低糾錯成本。

3）模塊化和模型重用

利用MCD平臺能夠通過智能對象封裝經(jīng)過驗證的機電一體化數(shù)據(jù)，實現(xiàn)模型重用。通過模型重用進行設計可以提高設計質量，減少因經(jīng)驗不足導致的重新設計和返工。

基于MCD平臺的機電產(chǎn)品設計能夠在產(chǎn)品開發(fā)的早期階段通過仿真和測試驗證概念設計方案，減少因跨學科集成問題和經(jīng)驗不足導致開發(fā)周期的延長。

2 應用實例

隨著智能物流相關技術的快速發(fā)展，自動化立體倉庫在企業(yè)中使用越來越廣泛。堆垛機是自動化立體倉庫中的核心設備，而國內目前仍采用傳統(tǒng)的機電產(chǎn)品設計方法進行堆垛機設計，這種設計方法無法實現(xiàn)對客戶需求的快速響應，因此需要新的設計方法對其加以改進。本文重點研究基于NX MCD的機電產(chǎn)品設計方法在堆垛機概念設計過程中的應用，具體過程如下：

1）需求分析與管理

在產(chǎn)品開發(fā)設計的初始階段，需要對用戶需求進行明確定義和管理。利用與MCD平臺集成的PLM（Product Lifecycle Management）軟件Teamcenter實現(xiàn)產(chǎn)品設計需求的開發(fā)。即從用戶對產(chǎn)品工藝、流程及操作等需求出發(fā)，通過全面的調研、分析將其轉化為產(chǎn)品設計需求，包括產(chǎn)品系統(tǒng)組成、控制需求等，確定產(chǎn)品設計任務及設計流程。需求分析與管理作為產(chǎn)品設計起始階段的計劃活動之一，正確的需求表達保證是產(chǎn)品設計過程順利進行、產(chǎn)品功能表達能夠滿足客戶期望的重要前提。這是MCD平臺相比于傳統(tǒng)概念設計的一大優(yōu)點，彌補了傳統(tǒng)概念設計的不足。

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

表1 堆垛機設計需求

2）創(chuàng)建功能模型

在需求分析完成后，需要根據(jù)設計需求，對產(chǎn)品的功能行為模型進行設計建立，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系，可以在Teamcenter中建立與產(chǎn)品設計需求直接對應的功能模型，且MCD平臺集成的系統(tǒng)工程導航器可以直接以XML（Extensible Markup Language）數(shù)據(jù)的形式將功能模型導入到MCD平臺中，用于指導產(chǎn)品機構部件的設計、選型。

通過產(chǎn)品需求樹的映射可知堆垛機要實現(xiàn)的最基本的功能為出庫和入庫功能，在實現(xiàn)基本功能的同時，針對設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，對于設備限速和行程限制等需求增加了安全保護功能，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功能樹層次結構，如圖3所示。

圖3 堆垛機功能模型樹

3）邏輯模型設計

在功能模型的設計基礎上，利用產(chǎn)品邏輯模型設計來解決產(chǎn)品“怎么做”的問題，用以對產(chǎn)品動作順序和行為邏輯的創(chuàng)建進行指導。堆垛機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作的設計及執(zhí)行層次分明，其具體的邏輯條目對應了功能中相應機構部件的執(zhí)行動作，并將產(chǎn)品組成部件的行為動作有效連接和組織起來，引導建立產(chǎn)品的執(zhí)行時序。

4）機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)以上模型樹開始對產(chǎn)品的機構、結構及電氣屬性的設計和定義。在UG NX軟件中導入或設計產(chǎn)品的三維機械概念模型后，開始在MCD平臺中對產(chǎn)品的機電屬性進行定義：包含基本機電對象的定義、運動副連接類型的選擇、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的數(shù)字化機電概念模型如圖5所示。

圖5 機械概念和機電屬性定義

5）定義仿真序列

在基本機電對象、傳感器和執(zhí)行器定義完成之后，就可以MCD平臺上對各執(zhí)行機構建立仿真序列，用于對產(chǎn)品結構和動作邏輯合理性進行初步驗證，對堆垛機添加基于時間的仿真序列，來模擬堆垛機單次入庫作業(yè)流程，具體操作及順序如圖6所示。

圖6 基于時間的仿真序列

通過建立仿真序列完成了對堆垛機機械結構的設計、執(zhí)行機構的選擇及其行為邏輯合理性的單機驗證，經(jīng)過驗證的數(shù)字化模型可直接用于后續(xù)設備虛擬調試環(huán)節(jié)的自動化程序驗證。

3 結語

概念設計作為機電產(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鍵。本文分析了傳統(tǒng)機電產(chǎn)品設計中存在的不足和缺陷，引入了基于NX MCD的機電產(chǎn)品設計方法。采用該方法在MCD平臺集成的系統(tǒng)工程模塊中建立了堆垛機的需求、功能及邏輯模型，以系統(tǒng)工程模型為指導完成了堆垛機機電概念模型的定義，并在MCD平臺中建立了基于時間的仿真序列，對堆垛機的結構和動作邏輯合理性進行了單機驗證。通過堆垛機的機電概念設計過程說明了基于NX MCD的機電產(chǎn)品設計方法的可操作性，為設備開發(fā)后期的聯(lián)合仿真、虛擬調試階段提供了可用的數(shù)字化模型。