CN109799730A - 一种机电一体化仿真平台及其设计方法 - Google Patents

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杨浩
王永兴
邹鲲
王生泽
李姝佳
马勋勋
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Abstract

本发明提供了一种机电一体化仿真平台，包括：用于虚拟机械部件的机械虚拟样机；待仿真的控制***硬件及控制***软件；用于连接所述机械虚拟样机和所述待仿真的控制***硬件及控制***软件的仿真接口板。本发明还提供了机电一体化仿真平台的设计方法。本发明将控制***硬件、软件设计和调试与机械虚拟样机设计同步进行，不受工况、场地、安全性、时间等限制，设计工程师可通过本仿真平台将产品的机械、控制***硬件和软件潜在的问题消除在设计阶段，实现了机电虚实并行设计，同时相互修正及细化完善，极大缩短机电产品研发周期，提升了产品综合性能，对***设计具有重要意义。

Description

一种机电一体化仿真平台及其设计方法
技术领域
本发明涉及一种机电一体化仿真平台及其设计方法，属于机电仿真技术领域。
背景技术
机电一体化产品一般由机械部件、控制***硬件及软件组成，在进行机电产品研发的过程中，传统的研发流程是：在机械方案设计完成后，才引入电气控制设计；在机械部件制造装配成真实样机后，才联机进行控制***硬件及软件的调试。
上述机电产品的研发流程采用串行设计的工作特点，这种方式时间周期长，隔裂了机电一体化***在设计过程中的有机联系，并且实物调试存在受工况条件、场地条件、经济成本和安全性等限制的问题。这种先机械、后电气调试的研发模式，因考虑不完善，会导致对***设计的反复修改，造成产品的研发周期延长，且研发成本增加。因此，目前的机电产品串行设计的研发流程与创新型产品研发和快速市场反应的社会需求不相适应。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：如何将机电一体化产品的机械和电气控制并行设计，相互修正及细化完善，使产品的机械与控制***软硬件的潜在问题消除在设计阶段，从而极大缩短产品的研发周期。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种机电一体化仿真平台，其特征在于：包括
用于虚拟机械部件的机械虚拟样机；
待仿真的控制***硬件及控制***软件；
用于连接所述机械虚拟样机和所述待仿真的控制***硬件及控制***软件的仿真接口板。
优选地，所述待仿真的控制***硬件为真实硬件设备，包括但不限于控制柜、PLC、单片机件。
优选地，所述控制***软件为真实软件，包括但不限于运行于PC机、工控机或触摸屏上的上位机软件。
优选地，用机械虚拟样机来代替真实机械，用真实的控制***硬件及控制***软件来控制机械虚拟样机，将控制***硬件、软件设计及调试与机械虚拟样机设计同步进行，对机电产品进行实时仿真，实现机电虚实并行设计，同时相互修正及细化完善。
优选地，所述仿真接口板将控制***软件发送给控制***硬件的输出信号采集并传输到所述机械虚拟样机中，同时将所述机械虚拟样机的反馈信息采集并发送给所述控制***硬件和控制***软件。
更优选地，所述输出信号包括电机信号、I/O输出信号和I/O输入信号(如虚拟样机中的限位开关、接近开关等传感器反馈信号)。
优选地，所述仿真接口板采用NImyRIO 1900板卡。
本发明还提供了一种上述的机电一体化仿真平台的设计方法，其特征在于，步骤为：
步骤一：利用SolidWorks软件建立用于模拟机电产品机械部分的机械虚拟样机；
步骤二：在LabVIEW软件中添加SolidWorks软件里建立好的机械虚拟样机；
步骤三：使用LabVIEW软件中的NISoftMotion模块建立机械虚拟样机与LabVIEW软件之间的数据接口；
步骤四：使用LabVIEW软件中的NImyRIO模块建立仿真接口板与LabVIEW软件之间的数据接口；
步骤五：使用仿真接口板建立与控制***硬件、控制***软件之间的数据接口；
步骤六：用真实的控制***硬件和控制***软件来控制机械虚拟样机，对机械、控制***硬件和控制***软件进行三位一体的联合仿真，实现机电一体化产品融合设计。
相比现有技术，本发明提供的机电一体化仿真平台具有如下有益效果：
(1)采用本发明提供的机电一体化仿真平台，可在机械制造装配前，提前对控制***硬件和软件进行细化和完善，减少了现场调试的工作量，可以极大缩短机电产品研发周期和成本，节省人力；
(2)本发明提供的机电一体化仿真平台，与联合实体机械相比，具有不受场地、经济成本、安全条件、时间等条件限制，可以对任意工况下的机电产品提前对控制***硬件和软件联合虚拟样机进行调试，对***设计具有重要意义；
(3)本发明提供的机电一体化仿真平台可方便地对创新型产品进行研发，满足快速市场反应的社会需求；
(4)本发明提供的一种机电一体化仿真平台，机械工程师可以充分考虑控制***对设计造成的影响，硬件工程师和软件工程师在设计过程中可充分结合机械对软硬件设计进行细化和完善；
(5)本发明提供的机电一体化仿真平台，可对虚拟样机、控制***硬件和软件进行实时联合仿真，上位机发送命令给下位机硬件再到虚拟样机，他们之间的信号传递是实时的，与机械加工后现场联合调试一致；
(6)本发明提供的机电一体化仿真平台，在联合控制***调试过程中，由于机械是虚拟样机，故不考虑机器损伤，故不受速度限制，可更加高效的验证***的可靠性；
(7)本发明提供的机电一体化仿真平台，可在仿真电脑中，通过任意切换、放大观察视角，可实时、直观、全方位的观察虚拟样机联合电气硬件和软件调试过程中的运行状态，可及时发现联合调试盲区、死角等难以观察区域存在的问题。
附图说明
图1为本发明的机电一体化仿真平台原理图；
图2为本发明的机电一体化仿真平台设计流程图；
图3为本发明的机电一体化仿真平台开发模式图；
图4为本发明的机电一体化仿真平台设计方法的具体流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
本发明提供了一种机电一体化仿真平台，将虚拟样机技术拓展应用到机电产品的研发工作中，机械是虚拟样机，控制***电气硬件和软件是产品真实的硬件和软件部分，用真实的控制***电气硬件及软件来控制虚拟样机，将控制***硬件、软件设计及调试与机械虚拟样机设计同步进行，运用虚拟样机、LabVIEW编程、接口技术和实验测试等方法和手段，对机电产品进行实时仿真，实现了机电虚实并行设计，同时相互修正及细化完善，使产品的机械、控制***硬件和软件的潜在问题消除在设计阶段，从而极大的缩短了产品的研发周期。
图1所示为本发明的机电一体化仿真平台的原理图，机电一体化仿真平台包括仿真电脑、仿真接口板、用户控制***硬件和软件。仿真电脑集成机电产品的虚拟样机部分和仿真环境，并与仿真接口板进行数据交互。即联合用户控制***硬件和软件仿真时，用虚拟样机来代替真实机械，在仿真电脑进行仿真。仿真接口板采用NImyRIO 1900板卡，将上位机软件发送给下位机硬件的输出信号(包括电机信号和I/O输出信号)采集并传输到仿真电脑中的虚拟样机中，将虚拟样机的反馈信息采集并发送给下位机硬件和上位机软件。
仿真电脑由机械工程师通过SolidWorks软件绘制机电产品的虚拟样机，在绘制完成的虚拟样机添加运动控制轴、传感器等参数设置。仿真接口板通过LabVIEW软件建立项目将机电产品中的虚拟样机与外部软硬件相连。用户控制***硬件包括机电产品的硬件部分如控制柜、嵌入式设备、运动控制卡、PLC等。用户控制***软件包括机电产品的软件部分如PC机、工控机、触摸屏等人机交互界面。
具体地，如图2所示，机电产品包括机械部件和控制***两大部分，通过机电一体化仿真平台将用户控制***电气硬件和软件的设计及调试与机械虚拟样机的设计同步进行，在设计阶段实现机电虚实并行设计，通过机电一体化仿真平台可验证机械虚拟样机和控制***硬件及软件在设计过程中的合理性，可对机械和控制***在设计阶段的潜在问题进行修改，对控制***程序设计进行细化和完善，由于联合实物调试存在受场地、时间、经济成本和安全性等限制，故本发明可有效减少调试、改造及安装过程的经济费用，并且可以在办公室环境下对机电产品提前进行全面的综合调试，包括时序逻辑、控制参数和程序进行修改。能够解决大部分现场联机调试的问题，极大的缩短机电产品的研发周期，并设计出可靠的机电产品，对***设计具有重大意义。
在本发明中，机电一体化仿真平台的开发模式如图3所示，根据机电产品的设计需求和产品设计指标，对各个功能进行具体设计，包括机械虚拟样机设计、控制***电气设计及软件设计，运用接口技术将机械、控制***硬件和软件有机的融合到一起，实现机电一体化产品融合设计。
参见图4，其给出了根据本发明一种机电一体化仿真平台设计方法的具体流程。使用机电一体化仿真平台的方法包括下列步骤：
(1)利用SolidWorks软件建立用于模拟机电产品机械部分的虚拟样机；
(2)通过LabVIEW软件中的NISoftMotion模块建立SolidWorks软件与LabVIEW软件之间的数据接口；
(3)通过在LabVIEW软件中添加运动控制轴来实现对虚拟样机的运动控制；
(4)通过LabVIEW软件中的NImyRIO模块建立仿真接口板与LabVIEW软件之间的数据接口；
(5)通过仿真接口板建立与待仿真的用户控制***硬件和软件设备之间的数据接口。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种机电一体化仿真平台，其特征在于：包括
用于虚拟机械部件的机械虚拟样机；
待仿真的控制***硬件及控制***软件；
用于连接所述机械虚拟样机和所述待仿真的控制***硬件及控制***软件的仿真接口板。
2.如权利要求1所述的一种机电一体化仿真平台，其特征在于：所述待仿真的控制***硬件为真实硬件设备，包括但不限于控制柜、PLC、单片机件。
3.如权利要求1所述的一种机电一体化仿真平台，其特征在于：所述控制***软件为真实软件，包括但不限于运行于PC机、工控机或触摸屏上的上位机软件。
4.如权利要求1所述的一种机电一体化仿真平台，其特征在于：用机械虚拟样机来代替真实机械，用真实的控制***硬件及控制***软件来控制机械虚拟样机，将控制***硬件、软件设计及调试与机械虚拟样机设计同步进行，对机电产品进行实时仿真，实现机电虚实并行设计，同时相互修正及细化完善。
5.如权利要求1所述的一种机电一体化仿真平台，其特征在于：所述仿真接口板将控制***软件发送给控制***硬件的输出信号采集并传输到所述机械虚拟样机中，同时将所述机械虚拟样机的反馈信息采集并发送给所述控制***硬件和控制***软件。
6.如权利要求5所述的一种机电一体化仿真平台，其特征在于：所述输出信号包括电机信号和I/O信号。
7.如权利要求1所述的一种机电一体化仿真平台，其特征在于：所述仿真接口板采用NImyRIO 1900板卡。
8.一种如权利要求1～7任一项所述的机电一体化仿真平台的设计方法，其特征在于，步骤为：
步骤一：利用SolidWorks软件建立用于模拟机电产品机械部分的机械虚拟样机；
步骤二：在LabVIEW软件中添加SolidWorks软件里建立好的机械虚拟样机；
步骤三：使用LabVIEW软件中的NISoftMotion模块建立机械虚拟样机与LabVIEW软件之间的数据接口；
步骤四：使用LabVIEW软件中的NImyRIO模块建立仿真接口板与LabVIEW软件之间的数据接口；
步骤五：使用仿真接口板建立与控制***硬件、控制***软件之间的数据接口；
步骤六：用真实的控制***硬件和控制***软件来控制机械虚拟样机，对机械、控制***硬件和控制***软件进行三位一体的联合仿真，实现机电一体化产品融合设计。
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