功能原型设计系列：在虚拟原型设计中将机械仿真与控制设计相结合

概览

功能原型设计系列 是一本有关原型设计过程的文章集。从中您可以阅读相关的重要概念、原型设计的优势、产品选择研讨和其他技术资料。

什么是虚拟原型设计？

虚拟原型设计是一种将机械建模和控制设计仿真相结合的创新方法，以提高对嵌入式控制系统和设备进行设计和原型设计的效率。利用虚拟原型设计技术，你甚至可以在建立你的第一个物理原型设计之前，将你的软件设计和控制算法连接到你的3D CAD机械模型上，以测试你所建立系统的机械特性。


图1.  虚拟原型设计的方法

虚拟原型设计的需求

虚拟原型设计通过提高用户对需求的理解，加快设计进程及简化调试，以降低与机械设计相关的风险。如果没有虚拟原型设计，在你能得到客户对产品运行的实际反馈之前，传统上需要工程师建立整个物理原型。通过使用虚拟原型技术，在实际建立机器之前，你可以向客户显示有关机器机械性能的数字显示，并更迅速、更容易地获得客户的反馈意见。这就确保了客户可以更多地参与到设计过程中，避免你直到原型设计中才能获得客户的反馈意见。这就太迟了。

此外，通过创建虚拟原型，你可以缩短产品上市的时间。这种原型有助于你在虚拟设计上构思并反复修改，因此当你开始建立一个物理原型时，你会在第一时间得到其原型设计。通过将控制软件连接到3D CAD模型上，你可以更容易地发现和解决问题，而这些问题通常在你建立物理原型之前，一般不会被发现的。你可以编写运动控制代码，如有关2D和3D运动轮廓的代码，查看基于3D模型的代码运行结果。因此，如果部件太大以致会引起碰撞或如果你想观察轮廓移动和线性移动间的区别，你可以利用虚拟原型设计来解决该问题并观察其区别。与传统设计方法相比，虚拟原型设计有助于你在设计过程早期作出关键设计决策。


图 2. 使用虚拟原型设计Fastek国际公司的Kent Wedeking

虚拟原型设计还可以通过减小你所需要建立的物理原型数来节省时间和资金。传统上，你必须建立多个物理原型，因为你无法预见未来机械的挑战。CAD和仿真软件的出现改变了游戏规则，在设计过程中大大提高了可视化。现在你可以基于软件工具建立、测试和验证设计，以前这些都需要建立物理原型才可以实现。当你进行数字仿真和验证你产品机械设计的真实性能时，通过大大减小物理原型数，为你节省了时间和资金。

最后，虚拟原型设计有助于提高机器或设备的质量和效率。过去，你通常必须基于有限的信息来选择电动机及潜在的大量工程设计来增加安全系数。随着虚拟原型设计工具的发展，你可以提前对整个系统的动态行为进行仿真，包括电动机，控制算法和物理结构，并收集所有必要的信息，提出切实有效的设计方案。

NI公司虚拟原型设计的优势

你可以使用NI公司的LabVIEW图形化编程工具和SolidWorks运动工具来帮助你快速建立一个有关你机器的虚拟原型设计。此外，NI 公司还提供了多种先进的复杂机械系统仿真和建模的解决方案。

利用NI LabVIEW和SoildWorks软件进行原型设计

利用LabVIEW软件，你可以直接连接到SoildWorks机械模型上，建立一个关于你系统的虚拟原型设计。通过将SolidWorks运动分析性能与LabVIEW 2009 NI SoftMotion 模块相结合，并使用运动控制编程函数在SolidWorks软件中驱动仿真，你就可以创建运动控制系统的真实模拟情况。为了精确，协调一致的运动分析，利用LabVIEW NI公司SoftMotion模块， 你可以建立运动控制代码，并将其直接连到SolidWorks 3D 机械模型上。


图3.  LabVIEW NI SoftMotion 模块和 SolidWorks集成

利用LabVIEW 2009，你可以添加SolidWorks 3D CAD 模型到你的LabVIEW项目中。这将自动填充定义在3D CAD模型中的电动机和传感器模块，因此你可以更容易地将你的模型连接到LabVIEW和NI SoftMotion图形控制代码中。

从虚拟原型设计到物理原型设计的转变

最后，基于嵌入式运动控制平台如NI CompactRIO硬件，其包括了一个实时处理器和一个可编程门阵列（FPGA），利用LabVIEW NI SoftMotion 和 SolidWorks 3D CAD模型，你就可以很容易地部署你开发和验证的运动控制应用程序。使用CompactRIO和NI公司的运动控制驱动器接口，通过运动模块、数以百计的步进器、伺服驱动器和电动机两两之间的直接连接，你可以很容易地将算法应用到物理原型上或终端机器上。正因为如此，你可以重新利用开放的代码，在仿真环境中进行测试，使用NI硬件可以将软件代码快速地连接到物理I/O和电动机上。


图 4. 从你的虚拟原型到物理原型的转变

NI高级仿真工具

除了能使用LabVIEW和 SolidWorks工具建立虚拟原型外，你还可以使用LabVIEW软件对任何机械系统进行仿真。利用LabVIEW控制设计和仿真模块，你可以分析开环模型行为、设计闭环控制器、仿真在线与脱机系统以及进行物理实现。


图5. NI LabVIEW控制设计与仿真工具

你可以使用转换函数，状态空间或零极点增益显示，并根据第一原理来创建模型。除此之外，你还可以利用时频分析工具，如时间阶跃响应或波特图，交互分析这些模型的开环和闭环行为。对于多输入多输出（MIMO）系统和单输入单输出（SISO）系统，使用内置工具，并利用仿真特性来验证线性与非线性系统动力特性。你还可以使用内置工具，将MathWorks公司的Simulink®软件开发的模型转换为与LabVIEW软件协同工作。   
         
下一步

虚拟原型设计技术在设计工程中对于提高可视化是极有用的工具。在不同的情况下，通过对所有系统组件的相互作用和行为的更深入理解，有助于你节省时间和资金。

欲了解更多关于虚拟原型设计技术方面的信息，请参阅以下相关资源。了解原型设计过程中的下一步骤，请返回到功能原型设计系列 。

NI公司供稿