一種機(jī)電控一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】一種機(jī)電控一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，首先建立包含機(jī)械結(jié)構(gòu)模型、電機(jī)模型和控制系統(tǒng)模型的機(jī)電控模型；然后優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)模型的每個(gè)物理參數(shù)以及控制系統(tǒng)模型的控制算法或控制參數(shù)至與工作條件相適應(yīng)，然后進(jìn)行仿真；同時(shí)根據(jù)優(yōu)化過程中獲得的電機(jī)響應(yīng)特性曲線建立電機(jī)模型；最后確定機(jī)械結(jié)構(gòu)模型的幾何參數(shù)，再根據(jù)優(yōu)化后的機(jī)械結(jié)構(gòu)模型及其幾何參數(shù)、電機(jī)模型和控制系統(tǒng)模型進(jìn)行樣機(jī)試制，重復(fù)步驟2）至得到試制樣機(jī)與機(jī)電控模型相一致的機(jī)械產(chǎn)品。本發(fā)明在產(chǎn)品投產(chǎn)之前直接對(duì)機(jī)、電、控優(yōu)化以獲得未來(lái)產(chǎn)品的性能，真正實(shí)現(xiàn)了機(jī)電控一體化和深度融合，對(duì)提高制造企業(yè)的整體技術(shù)水平、提升裝備質(zhì)量、節(jié)約成本及提高效率具有重要的作用。
【專利說明】一種機(jī)電控一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)械加工【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種機(jī)電控一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)在復(fù)雜機(jī)電裝備生產(chǎn)中，一方面，對(duì)于其加工精度及性能要求越來(lái)越高；另一方面，為了滿足客戶需求和提高效率，在較短時(shí)間內(nèi)完成設(shè)計(jì)、制造并達(dá)到客戶需求又帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題并及時(shí)改正就顯得至關(guān)重要。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法中，不同的設(shè)計(jì)人員分別對(duì)產(chǎn)品的機(jī)械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、調(diào)試與試驗(yàn)，若發(fā)現(xiàn)問題則需分別對(duì)機(jī)械系統(tǒng)及控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，這樣既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。如何對(duì)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)初期即發(fā)現(xiàn)其不足并改進(jìn)，即實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化一直沒有答案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種機(jī)電控一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其綜合三維建模、動(dòng)力學(xué)分析和系統(tǒng)控制軟件，解決了困擾企業(yè)的如何選電機(jī)的技術(shù)難題，對(duì)提高制造企業(yè)的整體技術(shù)水平、提升裝備質(zhì)量、節(jié)約成本以及提高效率具有重要的作用。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過如下方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的:
[0005]I)首先建立包含機(jī)械結(jié)構(gòu)模型、電機(jī)模型和控制系統(tǒng)模型的機(jī)電控模型；
[0006]2)然后優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)模型的每個(gè)物理參數(shù)以及控制系統(tǒng)模型的控制算法或控制參數(shù)至與工作條件相適應(yīng)，然后進(jìn)行仿真；同時(shí)根據(jù)優(yōu)化過程中獲得的電機(jī)響應(yīng)特性曲線建立電機(jī)模型；
[0007]3)最后基于步驟2)的機(jī)械結(jié)構(gòu)模型物理參數(shù)，確定機(jī)械結(jié)構(gòu)模型的幾何參數(shù)，再根據(jù)優(yōu)化后的機(jī)械結(jié)構(gòu)模型及其幾何參數(shù)、電機(jī)模型和控制系統(tǒng)模型進(jìn)行樣機(jī)試制，得到試制樣機(jī)，根據(jù)試制樣機(jī)與機(jī)電控模型的誤差，對(duì)試制樣機(jī)重復(fù)進(jìn)行步驟2)至得到與機(jī)電控模型相一致的機(jī)械產(chǎn)品。
[0008]所述步驟I)中建立包含機(jī)械結(jié)構(gòu)模型、電機(jī)模型和控制系統(tǒng)模型的機(jī)電控模型的具體方法為:通過Pro/E或Solidworks設(shè)計(jì)三維模型,然后將三維模型導(dǎo)入Admas軟件中，加上約束和驅(qū)動(dòng)后變?yōu)榭梢暬臋C(jī)械結(jié)構(gòu)模型的多體動(dòng)力學(xué)模型，同時(shí)在Simulink中設(shè)計(jì)控制算法，建立控制系統(tǒng)模型；根據(jù)電機(jī)響應(yīng)特性曲線建立電機(jī)模型。
[0009]所述步驟2)中若沒有與響應(yīng)特性曲線相對(duì)應(yīng)的電機(jī)則根據(jù)工作條件調(diào)整控制算法或控制參數(shù)并進(jìn)行仿真與優(yōu)化，以獲得與工作條件和機(jī)械結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的電機(jī)。
[0010]相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有的有益效果:
[0011]本發(fā)明在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期即把產(chǎn)品的機(jī)械與控制系統(tǒng)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，這樣不僅容易發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在機(jī)械與控制方面的缺陷與亟待改進(jìn)的地方，同時(shí)相比于機(jī)械與控制系統(tǒng)分別建模設(shè)計(jì)，這樣可以省去分別返回各自中重新建模、設(shè)計(jì)的時(shí)間與精力，而得到各方面參數(shù)都優(yōu)化了的產(chǎn)品模型。對(duì)電機(jī)的優(yōu)化則可以得到與實(shí)際需求最相匹配的電機(jī)，可以更好地利用能源，發(fā)揮電機(jī)最大的功效，最終得到的設(shè)計(jì)產(chǎn)品在機(jī)電控各方面都實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)化。[0012]本發(fā)明的機(jī)、電、控一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法比目前虛擬樣機(jī)技術(shù)更前進(jìn)一步，在產(chǎn)品投產(chǎn)之前直接對(duì)機(jī)、電、控優(yōu)化以獲得未來(lái)產(chǎn)品的性能，真正實(shí)現(xiàn)了機(jī)電控一體化和深度融合，同時(shí)還解決了之前長(zhǎng)期困擾企業(yè)的如何選電機(jī)的技術(shù)難題，對(duì)提高制造企業(yè)的整體技術(shù)水平、提升裝備質(zhì)量、節(jié)約成本以及提高效率具有重要的作用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是機(jī)、電、控一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程示意圖；
[0014]圖2是根據(jù)優(yōu)化結(jié)果生成試制樣機(jī)過程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)描述。
[0016]參照?qǐng)D1，本發(fā)明包括以下步驟:
[0017]I)首先建立包含機(jī)械結(jié)構(gòu)模型、電機(jī)模型和控制系統(tǒng)模型的機(jī)電控模型；建立機(jī)械結(jié)構(gòu)物理參數(shù)與控制算法聯(lián)合優(yōu)化方法為:首先通過Pro/E、Solidworks或其他三位建模軟件設(shè)計(jì)三維模型，然后將三維模型導(dǎo)入動(dòng)力學(xué)仿真軟件Adams中，加上約束和驅(qū)動(dòng)后變?yōu)榭梢暬亩囿w動(dòng)力學(xué)模型，再將該模型導(dǎo)入Simulink中，建立機(jī)械機(jī)構(gòu)模型與控制系統(tǒng)模型；同時(shí)采用Simulink設(shè)計(jì)控制算法,建立電機(jī)模型。
[0018]2)然后優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)模型的每個(gè)物理參數(shù)以及控制系統(tǒng)模型的控制算法或控制參數(shù)至與工作條件相適應(yīng)，然后進(jìn)行仿真；同時(shí)根據(jù)優(yōu)化過程中獲得的電機(jī)響應(yīng)特性曲線建立電機(jī)模型。
[0019]控制系統(tǒng)模型輸出控制變量，如力、轉(zhuǎn)矩、電壓等，驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)模型。機(jī)械結(jié)構(gòu)模型在控制系統(tǒng)輸出的指令下產(chǎn)生動(dòng)作，同時(shí)將其狀態(tài)變量，如位移、速度等作為反饋信息輸出到控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)結(jié)合反饋信息的當(dāng)前狀態(tài)與指令狀態(tài)進(jìn)行比較，對(duì)控制算法做出調(diào)整，輸出控制指令驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)模型對(duì)于其物理結(jié)構(gòu)做出調(diào)整并繼續(xù)依照指令動(dòng)作，同時(shí)機(jī)械結(jié)構(gòu)模型再次輸出反饋信息。如此反復(fù)調(diào)試，最終達(dá)到優(yōu)化的機(jī)械結(jié)構(gòu)模型的物理參數(shù)與控制算法或控制參數(shù)。
[0020]對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)物理參數(shù)、控制系統(tǒng)和電機(jī)參數(shù)采取單因素優(yōu)化與綜合優(yōu)化，得到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)物理參數(shù)、控制算法/參數(shù)和電機(jī)機(jī)械/電氣特性參數(shù)。
[0021]基于優(yōu)化的結(jié)構(gòu)物理參數(shù)，進(jìn)一步設(shè)計(jì)并優(yōu)化機(jī)械系統(tǒng)每個(gè)零部件的具體結(jié)構(gòu)，并最終形成圖紙。本發(fā)明提出的這種機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是依據(jù)結(jié)構(gòu)物理參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化，與傳統(tǒng)的基于強(qiáng)度剛度的輕量化設(shè)計(jì)完全不同，因?yàn)楦鶕?jù)結(jié)構(gòu)物理參數(shù)，有時(shí)輕量化可能會(huì)降低產(chǎn)品性能。
[0022]3)最后基于步驟2)的機(jī)械結(jié)構(gòu)模型物理參數(shù)，確定機(jī)械結(jié)構(gòu)模型的幾何參數(shù)，再根據(jù)優(yōu)化后的械結(jié)構(gòu)模型及其幾何參數(shù)、電機(jī)模型和控制系統(tǒng)模型進(jìn)行樣機(jī)試制，得到試制樣機(jī)，基于試制樣機(jī)的參數(shù)和機(jī)電控模型的參數(shù)的誤差，對(duì)試制樣機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)的每個(gè)物理參數(shù)以及控制系統(tǒng)的控制算法或控制參數(shù)以及電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，得到試制樣機(jī)與機(jī)電控模型相一致的機(jī)械產(chǎn)品。
[0023]參照?qǐng)D1，建立執(zhí)行部分電機(jī)與控制算法的優(yōu)化方法。根據(jù)物理參數(shù)優(yōu)化過程中的電機(jī)響應(yīng)特性曲線來(lái)選擇電機(jī)，如果沒有合適電機(jī)(即與響應(yīng)特性曲線相對(duì)應(yīng)的電機(jī))則根據(jù)工作條件在控制算法或控制參數(shù)與電機(jī)特性之間進(jìn)行仿真與優(yōu)化，從而獲得與工作條件和機(jī)械結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的電機(jī)。
[0024]參照?qǐng)D2，在由圖1流程獲得的滿足工藝要求的機(jī)、電、控機(jī)電控模型指導(dǎo)下進(jìn)行樣機(jī)試制，對(duì)于機(jī)械部分的幾何參數(shù)則根據(jù)優(yōu)化的物理參數(shù)確定，達(dá)到機(jī)械部分剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性等的最優(yōu)化，最終獲得滿足要求的機(jī)械產(chǎn)品。
[0025]本發(fā)明提供一種綜合三維建模、動(dòng)力學(xué)分析和系統(tǒng)控制軟件的機(jī)、電、控一體化設(shè)計(jì)與優(yōu)化的產(chǎn)品開發(fā)方法。在傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式中，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)是獨(dú)立進(jìn)行的，如此則無(wú)法在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期就發(fā)現(xiàn)機(jī)電不匹配問題，造成人力、物力、財(cái)力和時(shí)間成本的浪費(fèi)。本發(fā)明提出的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法則在產(chǎn)品投產(chǎn)之前先在計(jì)算機(jī)中構(gòu)建包括結(jié)構(gòu)部分、執(zhí)行部分和控制系統(tǒng)的完整的電子模型，并對(duì)結(jié)構(gòu)部分的物理參數(shù)、控制系統(tǒng)的控制算法以及執(zhí)行部分的電機(jī)進(jìn)行單因素優(yōu)化與綜合優(yōu)化，使得產(chǎn)品實(shí)物試制出來(lái)前就能夠?qū)ζ溥\(yùn)行性能進(jìn)行定量預(yù)估。而且不同于以往根據(jù)剛度、強(qiáng)度要求設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)，而是在滿足機(jī)械性能要求的理論指導(dǎo)下對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)進(jìn)行定性設(shè)計(jì)，如此得到機(jī)械動(dòng)力學(xué)性能以及剛度、強(qiáng)度都滿足要求的機(jī)械產(chǎn)品。
[0026]本發(fā)明的機(jī)、電、控一體化設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法比目前虛擬樣機(jī)技術(shù)更前進(jìn)一步，在產(chǎn)品投產(chǎn)之前直接對(duì)機(jī)、電、控優(yōu)化以獲得未來(lái)產(chǎn)品的性能，真正實(shí)現(xiàn)了機(jī)電控一體化和深度融合，同時(shí)還解決了之前長(zhǎng)期困擾企業(yè)的如何選電機(jī)的技術(shù)難題而且機(jī)械結(jié)構(gòu)部分在滿足機(jī)械動(dòng)力學(xué)性能要求前提下進(jìn)行定性設(shè)計(jì)。對(duì)提高制造企業(yè)的整體技術(shù)水平、提升裝備質(zhì)量、節(jié)約成本以及提高效率具有重要的作用。
【權(quán)利要求】
1.一種機(jī)電控一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)首先建立包含機(jī)械結(jié)構(gòu)模型、電機(jī)模型和控制系統(tǒng)模型的機(jī)電控模型； 2)然后優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)模型的每個(gè)物理參數(shù)以及控制系統(tǒng)模型的控制算法或控制參數(shù)至與工作條件相適應(yīng)，再進(jìn)行仿真；同時(shí)根據(jù)優(yōu)化過程中電機(jī)響應(yīng)特性曲線建立的電機(jī)模型選擇電機(jī)； 3)最后基于步驟2)的機(jī)械結(jié)構(gòu)模型物理參數(shù)，確定機(jī)械結(jié)構(gòu)模型的幾何參數(shù)，再根據(jù)優(yōu)化后的機(jī)械結(jié)構(gòu)模型及其幾何參數(shù)、電機(jī)模型和控制系統(tǒng)模型進(jìn)行樣機(jī)試制，得到試制樣機(jī)，根據(jù)試制樣機(jī)與機(jī)電控模型的誤差，對(duì)試制樣機(jī)重復(fù)進(jìn)行步驟2)至得到與機(jī)電控模型相一致的機(jī)械產(chǎn)品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機(jī)電控一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟O中建立包含機(jī)械結(jié)構(gòu)模型、電機(jī)模型和控制系統(tǒng)模型的機(jī)電控模型的具體方法為:通過Pro/E或Solidworks設(shè)計(jì)三維模型,然后將三維模型導(dǎo)入Admas軟件中，加上約束和驅(qū)動(dòng)后變?yōu)榭梢暬臋C(jī)械結(jié)構(gòu)模型的多體動(dòng)力學(xué)模型，同時(shí)在Simulink中設(shè)計(jì)控制算法，建立控制系統(tǒng)模型；根據(jù)電機(jī)響應(yīng)特性曲線建立電機(jī)模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機(jī)電控一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟2)中若沒有與響應(yīng)特性曲線相對(duì)應(yīng)的電機(jī)則根據(jù)工作條件調(diào)整控制算法或控制參數(shù)并進(jìn)行仿真與優(yōu)化，以獲得與工作條件和機(jī)械結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的電機(jī)。
【文檔編號(hào)】G05B17/02GK103744296SQ201310699940
【公開日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2013年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月18日
【發(fā)明者】張東升, 李澤州, 梅雪松, 田愛芬 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)