机电一体化
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从西门子这个视频中，深入了解机电一体化
电气控制类 一路向前 2017-03-27 14:42 发表了文章
数字化工厂的处理系统相当于大脑，连接网络如同神经系统，驱动系统就像是肌肉，传感器则相当于眼睛和鼻子……
然而，工厂内部的不同系统之间、不同部门之间、不同产品之间，乃至不同工厂之间，如何用同一种“语言”交流，以提高效率呢？
关于这个问题，西门子提出机电一体化概念设计的解决方案（MCD），率先打破电子与机械之间“无沟通不协作”现象，实现让两者用同一种‘语言’交流，跨部门合作平台加快产品设计速度。
一位工程师熟练地把各种数据输入电脑，一条虚拟生产线马上就显示在大屏幕上。工程师只要看着系统的运转，就能马上看出要如何做调试。如果需要调整机器人和人工的配比或需要修改生产线的参数，只要敲敲键盘，就能迅速完成。
传统实物调试：
机电一体化后，变成了虚拟调试：
系统设计工程师还可以仿真和验证运动与力、一般机床动力学、运动学、致动器和伺服器的关系，并且检测其与工装和夹具之间的冲突和干涉。通过使用这些仿真工具，设计人员可以锁定特定部件对象，确定实际物理特性、行为以及实际运行参数（比如位置、速度和旋转）。是不是又直观又方便？
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然而，工厂内部的不同系统之间、不同部门之间、不同产品之间，乃至不同工厂之间，如何用同一种“语言”交流，以提高效率呢？
关于这个问题，西门子提出机电一体化概念设计的解决方案（MCD），率先打破电子与机械之间“无沟通不协作”现象，实现让两者用同一种‘语言’交流，跨部门合作平台加快产品设计速度。
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传统实物调试：
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系统设计工程师还可以仿真和验证运动与力、一般机床动力学、运动学、致动器和伺服器的关系，并且检测其与工装和夹具之间的冲突和干涉。通过使用这些仿真工具，设计人员可以锁定特定部件对象，确定实际物理特性、行为以及实际运行参数（比如位置、速度和旋转）。是不是又直观又方便？
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数字化工厂的处理系统相当于大脑，连接网络如同神经系统，驱动系统就像是肌肉，传感器则相当于眼睛和鼻子……
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然而，工厂内部的不同系统之间、不同部门之间、不同产品之间，乃至不同工厂之间，如何用同一种“语言”交流，以提高效率呢？
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大型轴齿轮专用机床设计
智能制造类 自动化 2016-11-21 09:57 发表了文章
结合机电一体化的需要，设计以单片机作为控制系统的X-Y型工作台。通过对X-Y型工作台机械结构设计和控制电路接口的设计，阐述了机电一体化设计中的共性和关键技术。这种工作台通常与整机设计成一个整体，其形状，尺寸，结构因机器类型不同而有较大差异，但其工作原理有着共同点。
来源：网络
链接：http://pan.baidu.com/s/1nv8na2H 密码：5jlg 查看全部
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结合机电一体化的需要，设计以单片机作为控制系统的X-Y型工作台。通过对X-Y型工作台机械结构设计和控制电路接口的设计，阐述了机电一体化设计中的共性和关键技术。这种工作台通常与整机设计成一个整体，其形状，尺寸，结构因机器类型不同而有较大差异，但其工作原理有着共同点。
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机电一体化连杆平行度测量仪
智能制造类 自动化 2016-11-11 19:43 发表了文章
当今的制造业基本技术日臻成熟，其市场处于以消费者为导向的市场环境下，产品品种、上市时间和用户满意度成为企业取得竞争优势的主要因素。制造业这种全球化的激烈竞争不断催生了各种先进制造技术和新的制造哲理，虚拟制造技术将会在本世纪涌向潮头，其朴素的思想和高新的技术手段都为研究领域和业界所推崇。
虚拟制造就是根据企业市场竞争的需求，在强调柔性和快速的前提下，美国80年代提出的，随着计算机技术和信息网络技术的发展，在90年代得到人们的重视，并获得迅速的发展。
来源：网络
链接：http://pan.baidu.com/s/1o7MN4aY 密码：bwa8 查看全部
虚拟制造就是根据企业市场竞争的需求，在强调柔性和快速的前提下，美国80年代提出的，随着计算机技术和信息网络技术的发展，在90年代得到人们的重视，并获得迅速的发展。
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当今的制造业基本技术日臻成熟，其市场处于以消费者为导向的市场环境下，产品品种、上市时间和用户满意度成为企业取得竞争优势的主要因素。制造业这种全球化的激烈竞争不断催生了各种先进制造技术和新的制造哲理，虚拟制造技术将会在本世纪涌向潮头，其朴素的思想和高新的技术手段都为研究领域和业界所推崇。
虚拟制造就是根据企业市场竞争的需求，在强调柔性和快速的前提下，美国80年代提出的，随着计算机技术和信息网络技术的发展，在90年代得到人们的重视，并获得迅速的发展。
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机电一体化T6113电气控制系统的设计
智能制造类 自动化 2016-11-11 19:43 发表了文章
随着机械工业的发展，作为工作母机的各类机床得到了广泛的应用，而这些机床的自动化和精密程度却有很大差异。在欧美、日本等国家里，他们的机床数控化程度都相对比较高，但在我国国内的机床大约有90%多还处于老式的继电器控制下。由于继电器控制的机床有耗材、耗能、故障率高的缺陷，从而浪费了很多的人力、物力和财力。如果说把这些机床全部都更新换代，那样会需要很大一笔资金，就目前情况上来说是不现实的，所以就有人开始尝试从控制部分的改造方面来下手，将它们的性能提升一个档次，更可以解决它的一些弊端。
基于以上情况，我选择了用PLC来完成T6113卧式镗床的电气控制部分这个题目，目的是使机床能快速响应动作，灵活可靠的完成生产任务，而故障率要相应降低。PLC以内部的逻辑触点代替了继电器的机械触点，来控制机床的动作，逻辑触点与机械触点相比动作时间大大缩短，连接快而可靠，还有就是它的寿命比机械触点有很大幅度的增长，可达到几百万次到千万次。
经过设计并作了实物的演示，结果证明了设计的成功。
来源：网络
链接：http://pan.baidu.com/s/1qYRJyc0 密码：y5xc 查看全部
基于以上情况，我选择了用PLC来完成T6113卧式镗床的电气控制部分这个题目，目的是使机床能快速响应动作，灵活可靠的完成生产任务，而故障率要相应降低。PLC以内部的逻辑触点代替了继电器的机械触点，来控制机床的动作，逻辑触点与机械触点相比动作时间大大缩短，连接快而可靠，还有就是它的寿命比机械触点有很大幅度的增长，可达到几百万次到千万次。
经过设计并作了实物的演示，结果证明了设计的成功。
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随着机械工业的发展，作为工作母机的各类机床得到了广泛的应用，而这些机床的自动化和精密程度却有很大差异。在欧美、日本等国家里，他们的机床数控化程度都相对比较高，但在我国国内的机床大约有90%多还处于老式的继电器控制下。由于继电器控制的机床有耗材、耗能、故障率高的缺陷，从而浪费了很多的人力、物力和财力。如果说把这些机床全部都更新换代，那样会需要很大一笔资金，就目前情况上来说是不现实的，所以就有人开始尝试从控制部分的改造方面来下手，将它们的性能提升一个档次，更可以解决它的一些弊端。
基于以上情况，我选择了用PLC来完成T6113卧式镗床的电气控制部分这个题目，目的是使机床能快速响应动作，灵活可靠的完成生产任务，而故障率要相应降低。PLC以内部的逻辑触点代替了继电器的机械触点，来控制机床的动作，逻辑触点与机械触点相比动作时间大大缩短，连接快而可靠，还有就是它的寿命比机械触点有很大幅度的增长，可达到几百万次到千万次。
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机电一体化PLC控制电梯
智能制造类 自动化 2016-11-11 19:43 发表了文章
随着人口的增加，科学技术日新月异地发展，人们物质文化生活水平的逐步提高，建筑业得以迅速发展，大批的高楼大厦拔地而起，十几层至几十层的宾馆、饭店、办公楼、住宅楼鳞次栉比。伴随建筑业的发展，为建筑内提供上下交通运输的电梯工业也在日新月异地发展着。电梯已不仅是一种生产环节中的重要设备，更是一种工作和生活中的必需设备，完全可以预想到，随着社会的发展，电梯产品在人们物质文化生活中的地位将和汽车一样，成为重要的运输设备之一。
来源：网络
链接：http://pan.baidu.com/s/1qYgwlbu 密码：whjf 查看全部
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随着人口的增加，科学技术日新月异地发展，人们物质文化生活水平的逐步提高，建筑业得以迅速发展，大批的高楼大厦拔地而起，十几层至几十层的宾馆、饭店、办公楼、住宅楼鳞次栉比。伴随建筑业的发展，为建筑内提供上下交通运输的电梯工业也在日新月异地发展着。电梯已不仅是一种生产环节中的重要设备，更是一种工作和生活中的必需设备，完全可以预想到，随着社会的发展，电梯产品在人们物质文化生活中的地位将和汽车一样，成为重要的运输设备之一。
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基于逆向工程的过程控制系统机电一体化设计
智能制造类 自动化 2016-11-11 19:43 发表了文章
“组态王”是运行于MicrosoftWindows 98/NT中文平台的全中文界面的组态软件，采用了多线程、COM组件等新技术，实现了实时多任务，软件运行稳定可靠。组态王具有一个集成开发环境“组态王工程浏览器”，在工程浏览器中您可以查看工程的各个组成部分，也可以完成构造数据库、定义外部设备等工作。画面的开发和运行由工程浏览器调用画面制作系统TOUCHMAK和画面运行系统TOUCHVEW来完成的。TOUCHMAK是应用程序的开发环境。您需要在这个环境中完成设计画面、动画连接等工作。
TOUCHMAK具有先进完善的图形生成功能；数据库中有多种数据类型，能合理地抽象控制对象的特性；对变量报警、趋势曲线、过程记录、安全防范等重要功能都有简单的操作办法。TOUCHVEW是“组态王”软件的实时运行环境，在TOUCHMAK中建立的图形画面只有在TOUCHVEW中才能运行。TOUCHVEW从工业控制对象中采集数据，并记录在实时数据库中。它还负责把数据的变化用动画的方式形象地表示出来，同时完成变量报警、操作记录、趋势曲线等监视功能，并生成历史数据文件。
来源：网络
链接：http://pan.baidu.com/s/1o8CUvSe 密码：r9fg 查看全部
TOUCHMAK具有先进完善的图形生成功能；数据库中有多种数据类型，能合理地抽象控制对象的特性；对变量报警、趋势曲线、过程记录、安全防范等重要功能都有简单的操作办法。TOUCHVEW是“组态王”软件的实时运行环境，在TOUCHMAK中建立的图形画面只有在TOUCHVEW中才能运行。TOUCHVEW从工业控制对象中采集数据，并记录在实时数据库中。它还负责把数据的变化用动画的方式形象地表示出来，同时完成变量报警、操作记录、趋势曲线等监视功能，并生成历史数据文件。
来源：网络
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“组态王”是运行于MicrosoftWindows 98/NT中文平台的全中文界面的组态软件，采用了多线程、COM组件等新技术，实现了实时多任务，软件运行稳定可靠。组态王具有一个集成开发环境“组态王工程浏览器”，在工程浏览器中您可以查看工程的各个组成部分，也可以完成构造数据库、定义外部设备等工作。画面的开发和运行由工程浏览器调用画面制作系统TOUCHMAK和画面运行系统TOUCHVEW来完成的。TOUCHMAK是应用程序的开发环境。您需要在这个环境中完成设计画面、动画连接等工作。
TOUCHMAK具有先进完善的图形生成功能；数据库中有多种数据类型，能合理地抽象控制对象的特性；对变量报警、趋势曲线、过程记录、安全防范等重要功能都有简单的操作办法。TOUCHVEW是“组态王”软件的实时运行环境，在TOUCHMAK中建立的图形画面只有在TOUCHVEW中才能运行。TOUCHVEW从工业控制对象中采集数据，并记录在实时数据库中。它还负责把数据的变化用动画的方式形象地表示出来，同时完成变量报警、操作记录、趋势曲线等监视功能，并生成历史数据文件。
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TOUCHMAK具有先进完善的图形生成功能；数据库中有多种数据类型，能合理地抽象控制对象的特性；对变量报警、趋势曲线、过程记录、安全防范等重要功能都有简单的操作办法。TOUCHVEW是“组态王”软件的实时运行环境，在TOUCHMAK中建立的图形画面只有在TOUCHVEW中才能运行。TOUCHVEW从工业控制对象中采集数据，并记录在实时数据库中。它还负责把数据的变化用动画的方式形象地表示出来，同时完成变量报警、操作记录、趋势曲线等监视功能，并生成历史数据文件。
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机电一体技术在挖掘机中的应用
智能制造类 妙莲华 2016-09-27 13:22 发表了文章
1、普遍采用电子节能技术的大中型液压挖掘机
美国市场在发动机排放上的要求非常严格，要求符合Tire 3标准的发动机才能在其国内市场上销售。所以进入美国市场的挖掘机多数都采用了高排放标准的发动机，尤其是中大型挖掘机，电喷发动机已经成为标准配置，该种发动机无论在可控性还是节能方面都较机械式发动机有很大的改善。
2、采用自动怠速功能的小型液压挖掘机
对比上面所提到的大中型液压挖掘机普遍采用电喷发动机的现状，由于成本问题，在10吨以下的小型挖掘机上，机械发动机还是被广泛采用；因此，在其节能方面，国外的挖掘机公司采用了不同的技术。
JCB小型挖掘机上采用的一种电控的油门执行机构，驱动器采用了一种液压缸，在结构上采用角度传感器实时反馈油门的位置，另外配合连接到液压缸上的一个电磁阀实现电子油门及自动怠速功能。
NewHolland小挖的自动怠速系统，其油门仍采用机械拉杆（软轴）的形式，只是设计了一个自动怠速结构，当系统监测到需要自动怠速的时候，电磁铁吸合，机构动作，发动机回到怠速状态。
3、采用电液比例控制技术的液压挖掘机
该类型产品是指在普通的液压先导式操作挖掘机的基础上，采用电液比例技术控制挖掘机，相应的运用电比例手柄取代液压先导手柄。其基本原理是采集电手柄的动作信号，利用控制器进行运算，输出相应的PWM值控制比例阀。结合布置于机器上的传感器，还可以实现某些自动或者半自动功能。现场展出的比较典型的电控挖掘机有：
（1）Leica公司研发的挖掘机工作平台，该平台是Leica公司为演示其电控挖掘机控制技术专门定制的，既采用电液比例技术，同时具有辅助挖掘操作装置，通过安装在平台上的显示屏及工作装置上的倾角传感器，可以实时的显示铲斗的轨迹。
（2）山河智能的SWEL55型挖掘装载机，该机型不同与平常的两头忙，其工作装置位于一端，从挖掘机切换成装载机时，只需将工作装置折叠即可完成，反之亦然。为了便于工作装置的模式转换，该机器采用了全电控技术，通过控制器可以轻松完成模式的转换及电手柄在不同模式下的不同功能。
（3）Doosan的主从式挖掘机，控制原理为：属于一种主从方式的控制形式，通过手指，手腕，大臂对应控制铲斗，斗杆与动臂；小臂的左右偏转来控制挖掘机的回转。在操作过程中，当操作者（主控制方）的相应关节动作后，计算机采集到该信号，并与安装在挖掘机（从控制方）上的角度传感器的信号进行比较，如果存在偏差；发出遥控信号控制挖掘机消除偏差，从而达到控制挖掘机的目的。其原理还是点到点控制，因此，在同步性上存在误差。
（4）采用Husco技术的液压挖掘机，其工作原理为：动臂和回转仍采用常用的液压先导式主阀，在系统中装有能量回收机构，回收动臂下降的能量，并储存起来，供给其他的工作装置；斗杆与铲斗采用特殊的电控阀，而且该阀分别布置在靠近工作装置液压缸的位置，而不是传统的所有主阀布置在一起的方式，该电控阀由四个插装阀构成，对阀的A口和B口分别进行控制；而不同于常用的单阀芯的形式；具研究者声称：采用该项技术后，挖掘机可以节能25%。
4、应用于液压挖掘机上的各种监控技术
为了方便操作手查看机器的重要参数，实时的了解整机的状态；仪表技术已经广泛的应用到液压挖掘机中，只是出于成本的考虑，不同吨位的挖掘机采用不同层次的仪表。一般说来，10吨以下的小型履带式挖掘机多采用机械式仪表或者黑白液晶显示屏。
在挖掘机上，尤其是20吨以上的挖掘机，高品质液晶彩色显示屏的采用，在国内外都得到广泛的认可。现以展会现场两款比较精美的仪表加以分析：Trimble公司为挖掘机开发的CB430型仪表，Komastu中挖仪表。其中Trimble以动画的形式实时显示挖掘机的运动轨迹，并提供坐标。显示屏的按钮可以提供视角的切换。
Komastu的仪表界面分为两部分：一部分显示整机的工作参数，另外还可以单屏和双屏的形式显示车体尾部安装的摄像头采集到的图像。两套操作仪表整体效果好，显示/监控系统界面直观，简洁；标识准确，易懂，便于进行操作。在仪表方面，国内厂家都均已采用；但国外产品仪表的高品质性，值得国内的挖掘机生产厂家学习。
5、GPS技术在液压挖掘机上的应用
（1）用于远程维护、信息管理的GPS技术。
该类技术的定位精度不高，一般为米级。主要利用GPS控制器采集远程维护所需的信号上传到服务器中，通过Internet可以查看机器的状态（通过采集传感器信息），历史工作记录等。现场JohnDeere、Hitachi、Hyandai、CAT、Komastu等纷纷展出自己的该项技术，其中JohnDeere更是可以现场操作，如图16所示。Hitachi展出了其GPS系统的构成，如图17所示。国内很多的工程机械主机厂家也采用了该项技术，但是目前多数厂家的GPS系统不够强大，需进一步完善。
（2）高精度GPS系统的应用。
该系统利用GPS差分技术，结合激光、全站仪、超声波及多传感器技术，通过软件界面的设计，可以在系统的虚拟仪表中提供施工工地的三维图形、机器的三维坐标等信息；而且精度可以达到厘米级。该项技术在大型的施工现场，尤其是多种机型的工程机械进行集群作业时；能够显示其优势，有利于施工管理方进行有序调度，提高集群的工作效率。
纵观近三年来的三次展会，在该技术方面，做的比较领先的几家企业分别为：Trimble、Topcon及Leica。这三家企业除了自己的展位之外，还专门布置了具有相当规模的产品应用展示区，所展示的产品无论从数量还是品种都远多于上两次展会。
其中Trimble的用户主要为：CAT、Komastu，Topcon；的主要用户为：CAT、JohnDeere及Volvo；Leica的用户主要为：JohnDeere。产品类型包括挖掘机、两头忙、推土机、平地机、压路机和农业机械等。如此多产品的展出，也显示了美国市场对于该项技术有着广泛的运用，而因成本及市场需求原因，该项技术在国内还处于实验室阶段。
6、具有辅助挖掘系统的液压挖掘机
为提高作业效率，近几年来，辅助操作系统逐步得到各主机厂的重视。在展会现场也展出了相关的产品。严格来说，高精度GPS技术的运用也属于辅助操作的范畴，因上面已经叙述，在此不加展开，仅对单机的辅助挖掘系统进行叙述。
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美国市场在发动机排放上的要求非常严格，要求符合Tire 3标准的发动机才能在其国内市场上销售。所以进入美国市场的挖掘机多数都采用了高排放标准的发动机，尤其是中大型挖掘机，电喷发动机已经成为标准配置，该种发动机无论在可控性还是节能方面都较机械式发动机有很大的改善。
2、采用自动怠速功能的小型液压挖掘机
对比上面所提到的大中型液压挖掘机普遍采用电喷发动机的现状，由于成本问题，在10吨以下的小型挖掘机上，机械发动机还是被广泛采用；因此，在其节能方面，国外的挖掘机公司采用了不同的技术。
JCB小型挖掘机上采用的一种电控的油门执行机构，驱动器采用了一种液压缸，在结构上采用角度传感器实时反馈油门的位置，另外配合连接到液压缸上的一个电磁阀实现电子油门及自动怠速功能。
NewHolland小挖的自动怠速系统，其油门仍采用机械拉杆（软轴）的形式，只是设计了一个自动怠速结构，当系统监测到需要自动怠速的时候，电磁铁吸合，机构动作，发动机回到怠速状态。
3、采用电液比例控制技术的液压挖掘机
该类型产品是指在普通的液压先导式操作挖掘机的基础上，采用电液比例技术控制挖掘机，相应的运用电比例手柄取代液压先导手柄。其基本原理是采集电手柄的动作信号，利用控制器进行运算，输出相应的PWM值控制比例阀。结合布置于机器上的传感器，还可以实现某些自动或者半自动功能。现场展出的比较典型的电控挖掘机有：
（1）Leica公司研发的挖掘机工作平台，该平台是Leica公司为演示其电控挖掘机控制技术专门定制的，既采用电液比例技术，同时具有辅助挖掘操作装置，通过安装在平台上的显示屏及工作装置上的倾角传感器，可以实时的显示铲斗的轨迹。
（2）山河智能的SWEL55型挖掘装载机，该机型不同与平常的两头忙，其工作装置位于一端，从挖掘机切换成装载机时，只需将工作装置折叠即可完成，反之亦然。为了便于工作装置的模式转换，该机器采用了全电控技术，通过控制器可以轻松完成模式的转换及电手柄在不同模式下的不同功能。
（3）Doosan的主从式挖掘机，控制原理为：属于一种主从方式的控制形式，通过手指，手腕，大臂对应控制铲斗，斗杆与动臂；小臂的左右偏转来控制挖掘机的回转。在操作过程中，当操作者（主控制方）的相应关节动作后，计算机采集到该信号，并与安装在挖掘机（从控制方）上的角度传感器的信号进行比较，如果存在偏差；发出遥控信号控制挖掘机消除偏差，从而达到控制挖掘机的目的。其原理还是点到点控制，因此，在同步性上存在误差。
（4）采用Husco技术的液压挖掘机，其工作原理为：动臂和回转仍采用常用的液压先导式主阀，在系统中装有能量回收机构，回收动臂下降的能量，并储存起来，供给其他的工作装置；斗杆与铲斗采用特殊的电控阀，而且该阀分别布置在靠近工作装置液压缸的位置，而不是传统的所有主阀布置在一起的方式，该电控阀由四个插装阀构成，对阀的A口和B口分别进行控制；而不同于常用的单阀芯的形式；具研究者声称：采用该项技术后，挖掘机可以节能25%。
4、应用于液压挖掘机上的各种监控技术
为了方便操作手查看机器的重要参数，实时的了解整机的状态；仪表技术已经广泛的应用到液压挖掘机中，只是出于成本的考虑，不同吨位的挖掘机采用不同层次的仪表。一般说来，10吨以下的小型履带式挖掘机多采用机械式仪表或者黑白液晶显示屏。
在挖掘机上，尤其是20吨以上的挖掘机，高品质液晶彩色显示屏的采用，在国内外都得到广泛的认可。现以展会现场两款比较精美的仪表加以分析：Trimble公司为挖掘机开发的CB430型仪表，Komastu中挖仪表。其中Trimble以动画的形式实时显示挖掘机的运动轨迹，并提供坐标。显示屏的按钮可以提供视角的切换。
Komastu的仪表界面分为两部分：一部分显示整机的工作参数，另外还可以单屏和双屏的形式显示车体尾部安装的摄像头采集到的图像。两套操作仪表整体效果好，显示/监控系统界面直观，简洁；标识准确，易懂，便于进行操作。在仪表方面，国内厂家都均已采用；但国外产品仪表的高品质性，值得国内的挖掘机生产厂家学习。
5、GPS技术在液压挖掘机上的应用
（1）用于远程维护、信息管理的GPS技术。
该类技术的定位精度不高，一般为米级。主要利用GPS控制器采集远程维护所需的信号上传到服务器中，通过Internet可以查看机器的状态（通过采集传感器信息），历史工作记录等。现场JohnDeere、Hitachi、Hyandai、CAT、Komastu等纷纷展出自己的该项技术，其中JohnDeere更是可以现场操作，如图16所示。Hitachi展出了其GPS系统的构成，如图17所示。国内很多的工程机械主机厂家也采用了该项技术，但是目前多数厂家的GPS系统不够强大，需进一步完善。
（2）高精度GPS系统的应用。
该系统利用GPS差分技术，结合激光、全站仪、超声波及多传感器技术，通过软件界面的设计，可以在系统的虚拟仪表中提供施工工地的三维图形、机器的三维坐标等信息；而且精度可以达到厘米级。该项技术在大型的施工现场，尤其是多种机型的工程机械进行集群作业时；能够显示其优势，有利于施工管理方进行有序调度，提高集群的工作效率。
纵观近三年来的三次展会，在该技术方面，做的比较领先的几家企业分别为：Trimble、Topcon及Leica。这三家企业除了自己的展位之外，还专门布置了具有相当规模的产品应用展示区，所展示的产品无论从数量还是品种都远多于上两次展会。
其中Trimble的用户主要为：CAT、Komastu，Topcon；的主要用户为：CAT、JohnDeere及Volvo；Leica的用户主要为：JohnDeere。产品类型包括挖掘机、两头忙、推土机、平地机、压路机和农业机械等。如此多产品的展出，也显示了美国市场对于该项技术有着广泛的运用，而因成本及市场需求原因，该项技术在国内还处于实验室阶段。
6、具有辅助挖掘系统的液压挖掘机
为提高作业效率，近几年来，辅助操作系统逐步得到各主机厂的重视。在展会现场也展出了相关的产品。严格来说，高精度GPS技术的运用也属于辅助操作的范畴，因上面已经叙述，在此不加展开，仅对单机的辅助挖掘系统进行叙述。
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1、普遍采用电子节能技术的大中型液压挖掘机
美国市场在发动机排放上的要求非常严格，要求符合Tire 3标准的发动机才能在其国内市场上销售。所以进入美国市场的挖掘机多数都采用了高排放标准的发动机，尤其是中大型挖掘机，电喷发动机已经成为标准配置，该种发动机无论在可控性还是节能方面都较机械式发动机有很大的改善。
2、采用自动怠速功能的小型液压挖掘机
对比上面所提到的大中型液压挖掘机普遍采用电喷发动机的现状，由于成本问题，在10吨以下的小型挖掘机上，机械发动机还是被广泛采用；因此，在其节能方面，国外的挖掘机公司采用了不同的技术。
JCB小型挖掘机上采用的一种电控的油门执行机构，驱动器采用了一种液压缸，在结构上采用角度传感器实时反馈油门的位置，另外配合连接到液压缸上的一个电磁阀实现电子油门及自动怠速功能。
NewHolland小挖的自动怠速系统，其油门仍采用机械拉杆（软轴）的形式，只是设计了一个自动怠速结构，当系统监测到需要自动怠速的时候，电磁铁吸合，机构动作，发动机回到怠速状态。
3、采用电液比例控制技术的液压挖掘机
该类型产品是指在普通的液压先导式操作挖掘机的基础上，采用电液比例技术控制挖掘机，相应的运用电比例手柄取代液压先导手柄。其基本原理是采集电手柄的动作信号，利用控制器进行运算，输出相应的PWM值控制比例阀。结合布置于机器上的传感器，还可以实现某些自动或者半自动功能。现场展出的比较典型的电控挖掘机有：
（1）Leica公司研发的挖掘机工作平台，该平台是Leica公司为演示其电控挖掘机控制技术专门定制的，既采用电液比例技术，同时具有辅助挖掘操作装置，通过安装在平台上的显示屏及工作装置上的倾角传感器，可以实时的显示铲斗的轨迹。
（2）山河智能的SWEL55型挖掘装载机，该机型不同与平常的两头忙，其工作装置位于一端，从挖掘机切换成装载机时，只需将工作装置折叠即可完成，反之亦然。为了便于工作装置的模式转换，该机器采用了全电控技术，通过控制器可以轻松完成模式的转换及电手柄在不同模式下的不同功能。
（3）Doosan的主从式挖掘机，控制原理为：属于一种主从方式的控制形式，通过手指，手腕，大臂对应控制铲斗，斗杆与动臂；小臂的左右偏转来控制挖掘机的回转。在操作过程中，当操作者（主控制方）的相应关节动作后，计算机采集到该信号，并与安装在挖掘机（从控制方）上的角度传感器的信号进行比较，如果存在偏差；发出遥控信号控制挖掘机消除偏差，从而达到控制挖掘机的目的。其原理还是点到点控制，因此，在同步性上存在误差。
（4）采用Husco技术的液压挖掘机，其工作原理为：动臂和回转仍采用常用的液压先导式主阀，在系统中装有能量回收机构，回收动臂下降的能量，并储存起来，供给其他的工作装置；斗杆与铲斗采用特殊的电控阀，而且该阀分别布置在靠近工作装置液压缸的位置，而不是传统的所有主阀布置在一起的方式，该电控阀由四个插装阀构成，对阀的A口和B口分别进行控制；而不同于常用的单阀芯的形式；具研究者声称：采用该项技术后，挖掘机可以节能25%。
4、应用于液压挖掘机上的各种监控技术
为了方便操作手查看机器的重要参数，实时的了解整机的状态；仪表技术已经广泛的应用到液压挖掘机中，只是出于成本的考虑，不同吨位的挖掘机采用不同层次的仪表。一般说来，10吨以下的小型履带式挖掘机多采用机械式仪表或者黑白液晶显示屏。
在挖掘机上，尤其是20吨以上的挖掘机，高品质液晶彩色显示屏的采用，在国内外都得到广泛的认可。现以展会现场两款比较精美的仪表加以分析：Trimble公司为挖掘机开发的CB430型仪表，Komastu中挖仪表。其中Trimble以动画的形式实时显示挖掘机的运动轨迹，并提供坐标。显示屏的按钮可以提供视角的切换。
Komastu的仪表界面分为两部分：一部分显示整机的工作参数，另外还可以单屏和双屏的形式显示车体尾部安装的摄像头采集到的图像。两套操作仪表整体效果好，显示/监控系统界面直观，简洁；标识准确，易懂，便于进行操作。在仪表方面，国内厂家都均已采用；但国外产品仪表的高品质性，值得国内的挖掘机生产厂家学习。
5、GPS技术在液压挖掘机上的应用
（1）用于远程维护、信息管理的GPS技术。
该类技术的定位精度不高，一般为米级。主要利用GPS控制器采集远程维护所需的信号上传到服务器中，通过Internet可以查看机器的状态（通过采集传感器信息），历史工作记录等。现场JohnDeere、Hitachi、Hyandai、CAT、Komastu等纷纷展出自己的该项技术，其中JohnDeere更是可以现场操作，如图16所示。Hitachi展出了其GPS系统的构成，如图17所示。国内很多的工程机械主机厂家也采用了该项技术，但是目前多数厂家的GPS系统不够强大，需进一步完善。
（2）高精度GPS系统的应用。
该系统利用GPS差分技术，结合激光、全站仪、超声波及多传感器技术，通过软件界面的设计，可以在系统的虚拟仪表中提供施工工地的三维图形、机器的三维坐标等信息；而且精度可以达到厘米级。该项技术在大型的施工现场，尤其是多种机型的工程机械进行集群作业时；能够显示其优势，有利于施工管理方进行有序调度，提高集群的工作效率。
纵观近三年来的三次展会，在该技术方面，做的比较领先的几家企业分别为：Trimble、Topcon及Leica。这三家企业除了自己的展位之外，还专门布置了具有相当规模的产品应用展示区，所展示的产品无论从数量还是品种都远多于上两次展会。
其中Trimble的用户主要为：CAT、Komastu，Topcon；的主要用户为：CAT、JohnDeere及Volvo；Leica的用户主要为：JohnDeere。产品类型包括挖掘机、两头忙、推土机、平地机、压路机和农业机械等。如此多产品的展出，也显示了美国市场对于该项技术有着广泛的运用，而因成本及市场需求原因，该项技术在国内还处于实验室阶段。
6、具有辅助挖掘系统的液压挖掘机
为提高作业效率，近几年来，辅助操作系统逐步得到各主机厂的重视。在展会现场也展出了相关的产品。严格来说，高精度GPS技术的运用也属于辅助操作的范畴，因上面已经叙述，在此不加展开，仅对单机的辅助挖掘系统进行叙述。
来源：网络
美国市场在发动机排放上的要求非常严格，要求符合Tire 3标准的发动机才能在其国内市场上销售。所以进入美国市场的挖掘机多数都采用了高排放标准的发动机，尤其是中大型挖掘机，电喷发动机已经成为标准配置，该种发动机无论在可控性还是节能方面都较机械式发动机有很大的改善。
2、采用自动怠速功能的小型液压挖掘机
对比上面所提到的大中型液压挖掘机普遍采用电喷发动机的现状，由于成本问题，在10吨以下的小型挖掘机上，机械发动机还是被广泛采用；因此，在其节能方面，国外的挖掘机公司采用了不同的技术。
JCB小型挖掘机上采用的一种电控的油门执行机构，驱动器采用了一种液压缸，在结构上采用角度传感器实时反馈油门的位置，另外配合连接到液压缸上的一个电磁阀实现电子油门及自动怠速功能。
NewHolland小挖的自动怠速系统，其油门仍采用机械拉杆（软轴）的形式，只是设计了一个自动怠速结构，当系统监测到需要自动怠速的时候，电磁铁吸合，机构动作，发动机回到怠速状态。
3、采用电液比例控制技术的液压挖掘机
该类型产品是指在普通的液压先导式操作挖掘机的基础上，采用电液比例技术控制挖掘机，相应的运用电比例手柄取代液压先导手柄。其基本原理是采集电手柄的动作信号，利用控制器进行运算，输出相应的PWM值控制比例阀。结合布置于机器上的传感器，还可以实现某些自动或者半自动功能。现场展出的比较典型的电控挖掘机有：
（1）Leica公司研发的挖掘机工作平台，该平台是Leica公司为演示其电控挖掘机控制技术专门定制的，既采用电液比例技术，同时具有辅助挖掘操作装置，通过安装在平台上的显示屏及工作装置上的倾角传感器，可以实时的显示铲斗的轨迹。
（2）山河智能的SWEL55型挖掘装载机，该机型不同与平常的两头忙，其工作装置位于一端，从挖掘机切换成装载机时，只需将工作装置折叠即可完成，反之亦然。为了便于工作装置的模式转换，该机器采用了全电控技术，通过控制器可以轻松完成模式的转换及电手柄在不同模式下的不同功能。
（3）Doosan的主从式挖掘机，控制原理为：属于一种主从方式的控制形式，通过手指，手腕，大臂对应控制铲斗，斗杆与动臂；小臂的左右偏转来控制挖掘机的回转。在操作过程中，当操作者（主控制方）的相应关节动作后，计算机采集到该信号，并与安装在挖掘机（从控制方）上的角度传感器的信号进行比较，如果存在偏差；发出遥控信号控制挖掘机消除偏差，从而达到控制挖掘机的目的。其原理还是点到点控制，因此，在同步性上存在误差。
（4）采用Husco技术的液压挖掘机，其工作原理为：动臂和回转仍采用常用的液压先导式主阀，在系统中装有能量回收机构，回收动臂下降的能量，并储存起来，供给其他的工作装置；斗杆与铲斗采用特殊的电控阀，而且该阀分别布置在靠近工作装置液压缸的位置，而不是传统的所有主阀布置在一起的方式，该电控阀由四个插装阀构成，对阀的A口和B口分别进行控制；而不同于常用的单阀芯的形式；具研究者声称：采用该项技术后，挖掘机可以节能25%。
4、应用于液压挖掘机上的各种监控技术
为了方便操作手查看机器的重要参数，实时的了解整机的状态；仪表技术已经广泛的应用到液压挖掘机中，只是出于成本的考虑，不同吨位的挖掘机采用不同层次的仪表。一般说来，10吨以下的小型履带式挖掘机多采用机械式仪表或者黑白液晶显示屏。
在挖掘机上，尤其是20吨以上的挖掘机，高品质液晶彩色显示屏的采用，在国内外都得到广泛的认可。现以展会现场两款比较精美的仪表加以分析：Trimble公司为挖掘机开发的CB430型仪表，Komastu中挖仪表。其中Trimble以动画的形式实时显示挖掘机的运动轨迹，并提供坐标。显示屏的按钮可以提供视角的切换。
Komastu的仪表界面分为两部分：一部分显示整机的工作参数，另外还可以单屏和双屏的形式显示车体尾部安装的摄像头采集到的图像。两套操作仪表整体效果好，显示/监控系统界面直观，简洁；标识准确，易懂，便于进行操作。在仪表方面，国内厂家都均已采用；但国外产品仪表的高品质性，值得国内的挖掘机生产厂家学习。
5、GPS技术在液压挖掘机上的应用
（1）用于远程维护、信息管理的GPS技术。
该类技术的定位精度不高，一般为米级。主要利用GPS控制器采集远程维护所需的信号上传到服务器中，通过Internet可以查看机器的状态（通过采集传感器信息），历史工作记录等。现场JohnDeere、Hitachi、Hyandai、CAT、Komastu等纷纷展出自己的该项技术，其中JohnDeere更是可以现场操作，如图16所示。Hitachi展出了其GPS系统的构成，如图17所示。国内很多的工程机械主机厂家也采用了该项技术，但是目前多数厂家的GPS系统不够强大，需进一步完善。
（2）高精度GPS系统的应用。
该系统利用GPS差分技术，结合激光、全站仪、超声波及多传感器技术，通过软件界面的设计，可以在系统的虚拟仪表中提供施工工地的三维图形、机器的三维坐标等信息；而且精度可以达到厘米级。该项技术在大型的施工现场，尤其是多种机型的工程机械进行集群作业时；能够显示其优势，有利于施工管理方进行有序调度，提高集群的工作效率。
纵观近三年来的三次展会，在该技术方面，做的比较领先的几家企业分别为：Trimble、Topcon及Leica。这三家企业除了自己的展位之外，还专门布置了具有相当规模的产品应用展示区，所展示的产品无论从数量还是品种都远多于上两次展会。
其中Trimble的用户主要为：CAT、Komastu，Topcon；的主要用户为：CAT、JohnDeere及Volvo；Leica的用户主要为：JohnDeere。产品类型包括挖掘机、两头忙、推土机、平地机、压路机和农业机械等。如此多产品的展出，也显示了美国市场对于该项技术有着广泛的运用，而因成本及市场需求原因，该项技术在国内还处于实验室阶段。
6、具有辅助挖掘系统的液压挖掘机
为提高作业效率，近几年来，辅助操作系统逐步得到各主机厂的重视。在展会现场也展出了相关的产品。严格来说，高精度GPS技术的运用也属于辅助操作的范畴，因上面已经叙述，在此不加展开，仅对单机的辅助挖掘系统进行叙述。
来源：网络
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NX在机电产品概念设计中应用与研究
机械自动化类 冲上云霄 2016-09-23 13:56 发表了文章
一方面，随着现代社会机电产品的普及，机电一体化系统的设计所涉及到的专业领域逐渐增多，导致机电一体化产品具有多学科融合的特点，从而增加了机械产品复杂性，同时也增加了设计难度给机电产品的设计者提出了更高的要求。另一方面，在经济快速发展的今天，市场竞争日益激烈，为了提高产品的竞争能力，必须缩短设计周期，加快产品的更新换代速度，以适应消费者的需求。同时，概念设计是产品设计中的关键阶段，它在很大程度上决定着最终产品的性能、创造性、价格、市场响应速度和效率等，且概念设计阶段实际投入的费用只占产品开发总成本的5%，却决定了产品总成本的70%。因此，随着计算机图形学、多媒体技术、虚拟现实技术的发展以及CAD/CAM应用的深入，并借助于计算机强大的存储与检索能力，开发机电产品计算机辅助概念设计工具，实现机电产品计算机辅助概念设计是机电产品设计的关键。MCD作为基于NX平台的机电产品计算机辅助概念设计工具，适用于机电一体化产品的概念设计，由于MCD能够实现多学科的协同工作，从而可加快涉及机械、电气和软件设计学科的产品的开发速度，因此能够提高设计速度、提升设计质量。同时MCD可实现创新性的设计技术，帮助机械设计人员满足日益提高的要求，不断提高机械的生产效率、缩短设计周期和降低成本。
1 机电一体化产品概念设计系统
1.1 传统机电产品概念设计系统
机电产品计算机辅助概念设计是近年新兴研究学科，目前，传统的机电产品概念设计系统并不多，且由设计系统时的侧重点不同，传统的机电产品概念设计系统存在着不同程度的不足与缺陷。有的偏重于控制部分，但对执行机构部分却不够深入不能体现出机械的主体地位；有的侧重于机械设计领域，对于控制系统的理论和应用研究不够，对于信息的处理等还有进一步的研究空间；有的较少考虑到机械部分、传感器及驱动器的特性，也没有考虑到几个部分之间的融合设计问题，从而不能全面反映以实现运动执行功能为主的机电一体化产品概念设计的实质；有的只具有对机电一体化系统建模、性能仿真、灵敏度分析等功能，而不具备产生方案的功能。且传统的机电产品概念设计都不能实现三维建模与三维的动态仿真效果。
以“三子系统论”为理论依据的MCD的机电产品概念设计，不仅突出了机电一体化系统中的机械主体地位。同时MCD能够实现功能设计方法，可集成上游和下游工程领域，包括需求管理、机械设计、电气设计以及软件自动化工程。从而能够实现多部门协同、缩短上市时间、重用现有知识，并且可以通过概念评估做出更好的决策。这是基于MCD与传统概念设计工具的本质区别。另外MCD实现了包含多物理场以及通常存在于机电一体化产品中的自动化相关行为的概念进行三维建模和仿真，从而能够得到更高质量的概念产品。
1.2 机电产品概念设计系统MCD的特点
基于MCD与传统的机电产品概念设计工具除了有上述的本质区别外，还有以下几个显著特点：
（1）集成式系统工程方法
MCD可以利用系统工程原则跟踪客户的要求，直至完成设计。功能模型使机械、电气和自动化部门能够通过共同的方式携手合作，有助于设计者更快交付设计、减少设计流程后期出现的集成问题。
（2）概念建模和基于物理场的仿真
MCD提供易于使用的建模和仿真，可在开发周期最初阶段迅速创建并验证备选概念。借助早期验证可帮助检测并纠正错误，此时解决错误成本最低。
（3）通过智能对象封装机电一体化数据实现重用
通过模块化和重用，MCD可帮助最大限度提高设计效率。借助该解决方案，您可获取智能对象中的机电一体化知识，并将这些知识存储在库中，供以后重用。在重用过程中，因为能够基于经验证的概念进行设计，所以可提高质量；并且可通过消除重新设计和返工加快开发速度。1.3在MCD中机电产品概念设计过程模型MCD与Siemens的产品生命周期管理软件Teamcenter结合使用，可支持机电一体化产品从需求定义到方案求解的概念设计全过程。具体的机械设计流程如图1所示：
2 应用实例
下面以圆形装载机的概念设计为例来说明基于NX平台中MCD的机电一体化产品概念设计的可操作性，并体现出基于MCD机电一体化产品概念设计与传统概念设计相比的优越性。具体步骤如下：
（1）设计需求的定义与管理
MCD能与Siemens的产品生命周期管理软件Teamcenter结合使用，以提供端到端的解决方案。在开发周期开始时，设计人员可以使用Teamcenter的需求管理和系统工程功能构建工程模型，体现出客户的意见。并通过分解功能部件，对各种变型进行描述，将它们与需求直接联系起来。这种功能模型可促进跨学科协同概念设计，从而确保在整个产品开发过程中满足客户期望，这是MCD相比于传统观念设计的一大优点，弥补了传统观念设计的不足。
圆形装载机的设计需求如表1所示：
表1 圆形装载机设计需求
（2）创建功能模型
在Teamcenter中根据设计需求创建的功能构建工程模型可以直接导入到MCD的功能导航器，且能与设计需求直接联系起来。
首先，定义机电一体化系统的基本功能：实现循环装载功能。
第二，在功能导航器中创建基于功能分解的功能树层次机构，如图2所示。
图2 功能树模型
第三，功能单元的重用：在机电一体化产品概念设计时，对于用在不同地方的同一功能，可以实现功能单元的重用。因此，可提高产品质量，并且可通过消除重新设计和返工加快开发速度。本例中的处理单元就是使用了功能单元的重用。
（3）定义机械概念
功能模型创建完成后，接下来首先就是要创建基于功能模型的粗糙3D模型，如图3所示。
图3 基于功能模型的粗糙三维模型图
其次，就是定义组件的机电属性和运动副联接类型，即从机械的角度来定义组件的行为。这也是基于MCD的机电产品概念设计与传统概念设计之间的重大区别。传统概念设计是需要建立一个机构库，然后从机构库中选择符合需求的运动机构；而在基于MCD机电一体化概念设计中，在建立好基于概念方案的粗糙三维模型后，就可以对模型中的组件随意定义所需要的机电属性以及运动副联接类型。机电属性包括刚体、碰撞体、传输面和碰撞材料等；运动副联接类型包括铰链联接、固定联接、滑动联接及球联接等。在MCD中包含了所有机械概念设计所需的机电属性和运动副联接类型。在本例中，定义组件的运动副联接类型如图4所示。
图4 运动特性
最后，为了能够将子功能与实现各子功能的部件链接起来，需要将完成各子功能的部件添加到功能导航器中功能树相对应的子功能中。
（4）添加抽象的执行机构
机械系统是机械运动来完成系统所需的功能，机械系统要实现运动光定义机电一体化系统的运动学特性是不够的，还需添加驱动运动副的执行机构。在MCD中添加的是广义执行机构系统，广义的执行机构没有几何体也没有特定的运动行为。MCD提供了两种类型的执行机构：速度控制和位置控制。在本例中定义的都是速度控制执行机构。
（5）定义基于时间的操作
定义完执行机构，就该定义执行机构是如何由操作控制的。每个执行机构都对应有一个基于时间的操作，且排列各个操作之间的顺序是基于时间概念的。圆形装载机的操作顺序首先是基座的旋转运动，接着是滑块的垂直运动，最后是握爪的线性运动。具体操作及顺序如图5所示。
图5 操作顺序
除了需要将实现子功能的组件与对应的子功能联系起来，同时还需要建立操作与功能之间的连接。因此，定义完基于时间的操作后，需要将操作添加到功能树对应的子功能中。
（6）添加传感器及定义
基于事件的操作要在机电一体化系统中定义一个基于事件的行为，就必须获得运行时的反馈信息。在MCD中提供了两种方法来访问运行时的数据。一是系统模型中的每个对象，如执行机构、运动副或传输面都提供了一个接口来访问它的特定的参数。另外就是使用传感器提供在机电一体化系统中刚体之间的相互作用产生的立即反馈。MCD中引入了一个新的对象称为碰撞传感器，这是一个提供了运行时参数的传感器对象。
定义基于事件的操作就是在机电一体化系统中定义由传感器或其他物体引发的事件操作。在本例中定义了两个碰撞传感器完成基于事件的操作。一个是用于提供滑块到达指定高度时停止继续滑动的信息；另一个提供是当握爪碰撞到工件台时停止运动的信息。定义基于事件的操作如图5所示。
（7）三维动态仿真
基于MCD机电一体化概念设计能够实现三维动态仿真，因此弥补了传统概念设计不能实现三维仿真的缺陷。MCD是基于NX平台的程序，因此借助优化的现实环境建模，并迅速定义机械概念和所需的机械行为后，接下来就是要对机电一体化系统进行仿真。MCD中的仿真技术基于游戏物理场引擎，可以基于简化数学模型将实际物理行为引入虚拟环境。该仿真技术易于使用。且仿真过程采用交互方式，因此可以通过鼠标指针施加作用力或移动对象。MCD可对一系列行为进行仿真，包括验证机械概念所需的一切，涉及运动学、动力学、碰撞、驱动器弹簧、凸轮、物料流等方面。
为了能够清楚的查看到仿真是各物体的运行时参数，MCD提供了一个实时观察器。使用实时观察器可以查看仿真时机电一体化系统中指定对象的运行时参数。通过对实时数据的分析，来评价所设计的方案是否满足设计需求，然后在进行概念设计方案的优化，直到得到满意的概念产品。
（8）用详细模型取代概念模型
基于MCD的机电一体化产品概念设计与传统概念设计相比的还有一显著特点就是能够将NX建模环境中创建详细三维模型取代基于概念方案的粗糙三维模型用，并将物理对象从粗糙几何模型移动到详细模型中。在基于详细三维模型的动态仿真中，可以更加真实的反应出机电一体化系统的运行情况是否满足设计需求，从而得出更理想的概念设计产品。用圆形装载机的详细模型取代概念模型后的效果如图6所示。
3 结束语
本文通过分析目前传统机电产品概念设计工具在机电产品概念设计中存在的不足与缺陷，从而提出了基于MCD的机电一体化产品概念设计。并通过实现圆形装载机的概念设计来说明基于NX平台中MCD的机电一体化产品概念设计的可操作性，以及与传统概念设计相比的优越性。由于能够轻松的定义和验证机电产品的设计，并能够实现功能单元的模块化和重用，从而能够提高产品质量加快产品开发速度。
图6 详细模型取代概念模型图 查看全部
1 机电一体化产品概念设计系统
1.1 传统机电产品概念设计系统
机电产品计算机辅助概念设计是近年新兴研究学科，目前，传统的机电产品概念设计系统并不多，且由设计系统时的侧重点不同，传统的机电产品概念设计系统存在着不同程度的不足与缺陷。有的偏重于控制部分，但对执行机构部分却不够深入不能体现出机械的主体地位；有的侧重于机械设计领域，对于控制系统的理论和应用研究不够，对于信息的处理等还有进一步的研究空间；有的较少考虑到机械部分、传感器及驱动器的特性，也没有考虑到几个部分之间的融合设计问题，从而不能全面反映以实现运动执行功能为主的机电一体化产品概念设计的实质；有的只具有对机电一体化系统建模、性能仿真、灵敏度分析等功能，而不具备产生方案的功能。且传统的机电产品概念设计都不能实现三维建模与三维的动态仿真效果。
以“三子系统论”为理论依据的MCD的机电产品概念设计，不仅突出了机电一体化系统中的机械主体地位。同时MCD能够实现功能设计方法，可集成上游和下游工程领域，包括需求管理、机械设计、电气设计以及软件自动化工程。从而能够实现多部门协同、缩短上市时间、重用现有知识，并且可以通过概念评估做出更好的决策。这是基于MCD与传统概念设计工具的本质区别。另外MCD实现了包含多物理场以及通常存在于机电一体化产品中的自动化相关行为的概念进行三维建模和仿真，从而能够得到更高质量的概念产品。
1.2 机电产品概念设计系统MCD的特点
基于MCD与传统的机电产品概念设计工具除了有上述的本质区别外，还有以下几个显著特点：
（1）集成式系统工程方法
MCD可以利用系统工程原则跟踪客户的要求，直至完成设计。功能模型使机械、电气和自动化部门能够通过共同的方式携手合作，有助于设计者更快交付设计、减少设计流程后期出现的集成问题。
（2）概念建模和基于物理场的仿真
MCD提供易于使用的建模和仿真，可在开发周期最初阶段迅速创建并验证备选概念。借助早期验证可帮助检测并纠正错误，此时解决错误成本最低。
（3）通过智能对象封装机电一体化数据实现重用
通过模块化和重用，MCD可帮助最大限度提高设计效率。借助该解决方案，您可获取智能对象中的机电一体化知识，并将这些知识存储在库中，供以后重用。在重用过程中，因为能够基于经验证的概念进行设计，所以可提高质量；并且可通过消除重新设计和返工加快开发速度。1.3在MCD中机电产品概念设计过程模型MCD与Siemens的产品生命周期管理软件Teamcenter结合使用，可支持机电一体化产品从需求定义到方案求解的概念设计全过程。具体的机械设计流程如图1所示：
2 应用实例
下面以圆形装载机的概念设计为例来说明基于NX平台中MCD的机电一体化产品概念设计的可操作性，并体现出基于MCD机电一体化产品概念设计与传统概念设计相比的优越性。具体步骤如下：
（1）设计需求的定义与管理
MCD能与Siemens的产品生命周期管理软件Teamcenter结合使用，以提供端到端的解决方案。在开发周期开始时，设计人员可以使用Teamcenter的需求管理和系统工程功能构建工程模型，体现出客户的意见。并通过分解功能部件，对各种变型进行描述，将它们与需求直接联系起来。这种功能模型可促进跨学科协同概念设计，从而确保在整个产品开发过程中满足客户期望，这是MCD相比于传统观念设计的一大优点，弥补了传统观念设计的不足。
圆形装载机的设计需求如表1所示：
表1 圆形装载机设计需求
（2）创建功能模型
在Teamcenter中根据设计需求创建的功能构建工程模型可以直接导入到MCD的功能导航器，且能与设计需求直接联系起来。
首先，定义机电一体化系统的基本功能：实现循环装载功能。
第二，在功能导航器中创建基于功能分解的功能树层次机构，如图2所示。
图2 功能树模型
第三，功能单元的重用：在机电一体化产品概念设计时，对于用在不同地方的同一功能，可以实现功能单元的重用。因此，可提高产品质量，并且可通过消除重新设计和返工加快开发速度。本例中的处理单元就是使用了功能单元的重用。
（3）定义机械概念
功能模型创建完成后，接下来首先就是要创建基于功能模型的粗糙3D模型，如图3所示。
图3 基于功能模型的粗糙三维模型图
其次，就是定义组件的机电属性和运动副联接类型，即从机械的角度来定义组件的行为。这也是基于MCD的机电产品概念设计与传统概念设计之间的重大区别。传统概念设计是需要建立一个机构库，然后从机构库中选择符合需求的运动机构；而在基于MCD机电一体化概念设计中，在建立好基于概念方案的粗糙三维模型后，就可以对模型中的组件随意定义所需要的机电属性以及运动副联接类型。机电属性包括刚体、碰撞体、传输面和碰撞材料等；运动副联接类型包括铰链联接、固定联接、滑动联接及球联接等。在MCD中包含了所有机械概念设计所需的机电属性和运动副联接类型。在本例中，定义组件的运动副联接类型如图4所示。
图4 运动特性
最后，为了能够将子功能与实现各子功能的部件链接起来，需要将完成各子功能的部件添加到功能导航器中功能树相对应的子功能中。
（4）添加抽象的执行机构
机械系统是机械运动来完成系统所需的功能，机械系统要实现运动光定义机电一体化系统的运动学特性是不够的，还需添加驱动运动副的执行机构。在MCD中添加的是广义执行机构系统，广义的执行机构没有几何体也没有特定的运动行为。MCD提供了两种类型的执行机构：速度控制和位置控制。在本例中定义的都是速度控制执行机构。
（5）定义基于时间的操作
定义完执行机构，就该定义执行机构是如何由操作控制的。每个执行机构都对应有一个基于时间的操作，且排列各个操作之间的顺序是基于时间概念的。圆形装载机的操作顺序首先是基座的旋转运动，接着是滑块的垂直运动，最后是握爪的线性运动。具体操作及顺序如图5所示。
图5 操作顺序
除了需要将实现子功能的组件与对应的子功能联系起来，同时还需要建立操作与功能之间的连接。因此，定义完基于时间的操作后，需要将操作添加到功能树对应的子功能中。
（6）添加传感器及定义
基于事件的操作要在机电一体化系统中定义一个基于事件的行为，就必须获得运行时的反馈信息。在MCD中提供了两种方法来访问运行时的数据。一是系统模型中的每个对象，如执行机构、运动副或传输面都提供了一个接口来访问它的特定的参数。另外就是使用传感器提供在机电一体化系统中刚体之间的相互作用产生的立即反馈。MCD中引入了一个新的对象称为碰撞传感器，这是一个提供了运行时参数的传感器对象。
定义基于事件的操作就是在机电一体化系统中定义由传感器或其他物体引发的事件操作。在本例中定义了两个碰撞传感器完成基于事件的操作。一个是用于提供滑块到达指定高度时停止继续滑动的信息；另一个提供是当握爪碰撞到工件台时停止运动的信息。定义基于事件的操作如图5所示。
（7）三维动态仿真
基于MCD机电一体化概念设计能够实现三维动态仿真，因此弥补了传统概念设计不能实现三维仿真的缺陷。MCD是基于NX平台的程序，因此借助优化的现实环境建模，并迅速定义机械概念和所需的机械行为后，接下来就是要对机电一体化系统进行仿真。MCD中的仿真技术基于游戏物理场引擎，可以基于简化数学模型将实际物理行为引入虚拟环境。该仿真技术易于使用。且仿真过程采用交互方式，因此可以通过鼠标指针施加作用力或移动对象。MCD可对一系列行为进行仿真，包括验证机械概念所需的一切，涉及运动学、动力学、碰撞、驱动器弹簧、凸轮、物料流等方面。
为了能够清楚的查看到仿真是各物体的运行时参数，MCD提供了一个实时观察器。使用实时观察器可以查看仿真时机电一体化系统中指定对象的运行时参数。通过对实时数据的分析，来评价所设计的方案是否满足设计需求，然后在进行概念设计方案的优化，直到得到满意的概念产品。
（8）用详细模型取代概念模型
基于MCD的机电一体化产品概念设计与传统概念设计相比的还有一显著特点就是能够将NX建模环境中创建详细三维模型取代基于概念方案的粗糙三维模型用，并将物理对象从粗糙几何模型移动到详细模型中。在基于详细三维模型的动态仿真中，可以更加真实的反应出机电一体化系统的运行情况是否满足设计需求，从而得出更理想的概念设计产品。用圆形装载机的详细模型取代概念模型后的效果如图6所示。
3 结束语
本文通过分析目前传统机电产品概念设计工具在机电产品概念设计中存在的不足与缺陷，从而提出了基于MCD的机电一体化产品概念设计。并通过实现圆形装载机的概念设计来说明基于NX平台中MCD的机电一体化产品概念设计的可操作性，以及与传统概念设计相比的优越性。由于能够轻松的定义和验证机电产品的设计，并能够实现功能单元的模块化和重用，从而能够提高产品质量加快产品开发速度。
图6 详细模型取代概念模型图 查看全部
一方面，随着现代社会机电产品的普及，机电一体化系统的设计所涉及到的专业领域逐渐增多，导致机电一体化产品具有多学科融合的特点，从而增加了机械产品复杂性，同时也增加了设计难度给机电产品的设计者提出了更高的要求。另一方面，在经济快速发展的今天，市场竞争日益激烈，为了提高产品的竞争能力，必须缩短设计周期，加快产品的更新换代速度，以适应消费者的需求。同时，概念设计是产品设计中的关键阶段，它在很大程度上决定着最终产品的性能、创造性、价格、市场响应速度和效率等，且概念设计阶段实际投入的费用只占产品开发总成本的5%，却决定了产品总成本的70%。因此，随着计算机图形学、多媒体技术、虚拟现实技术的发展以及CAD/CAM应用的深入，并借助于计算机强大的存储与检索能力，开发机电产品计算机辅助概念设计工具，实现机电产品计算机辅助概念设计是机电产品设计的关键。MCD作为基于NX平台的机电产品计算机辅助概念设计工具，适用于机电一体化产品的概念设计，由于MCD能够实现多学科的协同工作，从而可加快涉及机械、电气和软件设计学科的产品的开发速度，因此能够提高设计速度、提升设计质量。同时MCD可实现创新性的设计技术，帮助机械设计人员满足日益提高的要求，不断提高机械的生产效率、缩短设计周期和降低成本。
1 机电一体化产品概念设计系统
1.1 传统机电产品概念设计系统
机电产品计算机辅助概念设计是近年新兴研究学科，目前，传统的机电产品概念设计系统并不多，且由设计系统时的侧重点不同，传统的机电产品概念设计系统存在着不同程度的不足与缺陷。有的偏重于控制部分，但对执行机构部分却不够深入不能体现出机械的主体地位；有的侧重于机械设计领域，对于控制系统的理论和应用研究不够，对于信息的处理等还有进一步的研究空间；有的较少考虑到机械部分、传感器及驱动器的特性，也没有考虑到几个部分之间的融合设计问题，从而不能全面反映以实现运动执行功能为主的机电一体化产品概念设计的实质；有的只具有对机电一体化系统建模、性能仿真、灵敏度分析等功能，而不具备产生方案的功能。且传统的机电产品概念设计都不能实现三维建模与三维的动态仿真效果。
以“三子系统论”为理论依据的MCD的机电产品概念设计，不仅突出了机电一体化系统中的机械主体地位。同时MCD能够实现功能设计方法，可集成上游和下游工程领域，包括需求管理、机械设计、电气设计以及软件自动化工程。从而能够实现多部门协同、缩短上市时间、重用现有知识，并且可以通过概念评估做出更好的决策。这是基于MCD与传统概念设计工具的本质区别。另外MCD实现了包含多物理场以及通常存在于机电一体化产品中的自动化相关行为的概念进行三维建模和仿真，从而能够得到更高质量的概念产品。
1.2 机电产品概念设计系统MCD的特点
基于MCD与传统的机电产品概念设计工具除了有上述的本质区别外，还有以下几个显著特点：
（1）集成式系统工程方法
MCD可以利用系统工程原则跟踪客户的要求，直至完成设计。功能模型使机械、电气和自动化部门能够通过共同的方式携手合作，有助于设计者更快交付设计、减少设计流程后期出现的集成问题。
（2）概念建模和基于物理场的仿真
MCD提供易于使用的建模和仿真，可在开发周期最初阶段迅速创建并验证备选概念。借助早期验证可帮助检测并纠正错误，此时解决错误成本最低。
（3）通过智能对象封装机电一体化数据实现重用
通过模块化和重用，MCD可帮助最大限度提高设计效率。借助该解决方案，您可获取智能对象中的机电一体化知识，并将这些知识存储在库中，供以后重用。在重用过程中，因为能够基于经验证的概念进行设计，所以可提高质量；并且可通过消除重新设计和返工加快开发速度。1.3在MCD中机电产品概念设计过程模型MCD与Siemens的产品生命周期管理软件Teamcenter结合使用，可支持机电一体化产品从需求定义到方案求解的概念设计全过程。具体的机械设计流程如图1所示：
2 应用实例
下面以圆形装载机的概念设计为例来说明基于NX平台中MCD的机电一体化产品概念设计的可操作性，并体现出基于MCD机电一体化产品概念设计与传统概念设计相比的优越性。具体步骤如下：
（1）设计需求的定义与管理
MCD能与Siemens的产品生命周期管理软件Teamcenter结合使用，以提供端到端的解决方案。在开发周期开始时，设计人员可以使用Teamcenter的需求管理和系统工程功能构建工程模型，体现出客户的意见。并通过分解功能部件，对各种变型进行描述，将它们与需求直接联系起来。这种功能模型可促进跨学科协同概念设计，从而确保在整个产品开发过程中满足客户期望，这是MCD相比于传统观念设计的一大优点，弥补了传统观念设计的不足。
圆形装载机的设计需求如表1所示：
表1 圆形装载机设计需求
（2）创建功能模型
在Teamcenter中根据设计需求创建的功能构建工程模型可以直接导入到MCD的功能导航器，且能与设计需求直接联系起来。
首先，定义机电一体化系统的基本功能：实现循环装载功能。
第二，在功能导航器中创建基于功能分解的功能树层次机构，如图2所示。
图2 功能树模型
第三，功能单元的重用：在机电一体化产品概念设计时，对于用在不同地方的同一功能，可以实现功能单元的重用。因此，可提高产品质量，并且可通过消除重新设计和返工加快开发速度。本例中的处理单元就是使用了功能单元的重用。
（3）定义机械概念
功能模型创建完成后，接下来首先就是要创建基于功能模型的粗糙3D模型，如图3所示。
图3 基于功能模型的粗糙三维模型图
其次，就是定义组件的机电属性和运动副联接类型，即从机械的角度来定义组件的行为。这也是基于MCD的机电产品概念设计与传统概念设计之间的重大区别。传统概念设计是需要建立一个机构库，然后从机构库中选择符合需求的运动机构；而在基于MCD机电一体化概念设计中，在建立好基于概念方案的粗糙三维模型后，就可以对模型中的组件随意定义所需要的机电属性以及运动副联接类型。机电属性包括刚体、碰撞体、传输面和碰撞材料等；运动副联接类型包括铰链联接、固定联接、滑动联接及球联接等。在MCD中包含了所有机械概念设计所需的机电属性和运动副联接类型。在本例中，定义组件的运动副联接类型如图4所示。
图4 运动特性
最后，为了能够将子功能与实现各子功能的部件链接起来，需要将完成各子功能的部件添加到功能导航器中功能树相对应的子功能中。
（4）添加抽象的执行机构
机械系统是机械运动来完成系统所需的功能，机械系统要实现运动光定义机电一体化系统的运动学特性是不够的，还需添加驱动运动副的执行机构。在MCD中添加的是广义执行机构系统，广义的执行机构没有几何体也没有特定的运动行为。MCD提供了两种类型的执行机构：速度控制和位置控制。在本例中定义的都是速度控制执行机构。
（5）定义基于时间的操作
定义完执行机构，就该定义执行机构是如何由操作控制的。每个执行机构都对应有一个基于时间的操作，且排列各个操作之间的顺序是基于时间概念的。圆形装载机的操作顺序首先是基座的旋转运动，接着是滑块的垂直运动，最后是握爪的线性运动。具体操作及顺序如图5所示。
图5 操作顺序
除了需要将实现子功能的组件与对应的子功能联系起来，同时还需要建立操作与功能之间的连接。因此，定义完基于时间的操作后，需要将操作添加到功能树对应的子功能中。
（6）添加传感器及定义
基于事件的操作要在机电一体化系统中定义一个基于事件的行为，就必须获得运行时的反馈信息。在MCD中提供了两种方法来访问运行时的数据。一是系统模型中的每个对象，如执行机构、运动副或传输面都提供了一个接口来访问它的特定的参数。另外就是使用传感器提供在机电一体化系统中刚体之间的相互作用产生的立即反馈。MCD中引入了一个新的对象称为碰撞传感器，这是一个提供了运行时参数的传感器对象。
定义基于事件的操作就是在机电一体化系统中定义由传感器或其他物体引发的事件操作。在本例中定义了两个碰撞传感器完成基于事件的操作。一个是用于提供滑块到达指定高度时停止继续滑动的信息；另一个提供是当握爪碰撞到工件台时停止运动的信息。定义基于事件的操作如图5所示。
（7）三维动态仿真
基于MCD机电一体化概念设计能够实现三维动态仿真，因此弥补了传统概念设计不能实现三维仿真的缺陷。MCD是基于NX平台的程序，因此借助优化的现实环境建模，并迅速定义机械概念和所需的机械行为后，接下来就是要对机电一体化系统进行仿真。MCD中的仿真技术基于游戏物理场引擎，可以基于简化数学模型将实际物理行为引入虚拟环境。该仿真技术易于使用。且仿真过程采用交互方式，因此可以通过鼠标指针施加作用力或移动对象。MCD可对一系列行为进行仿真，包括验证机械概念所需的一切，涉及运动学、动力学、碰撞、驱动器弹簧、凸轮、物料流等方面。
为了能够清楚的查看到仿真是各物体的运行时参数，MCD提供了一个实时观察器。使用实时观察器可以查看仿真时机电一体化系统中指定对象的运行时参数。通过对实时数据的分析，来评价所设计的方案是否满足设计需求，然后在进行概念设计方案的优化，直到得到满意的概念产品。
（8）用详细模型取代概念模型
基于MCD的机电一体化产品概念设计与传统概念设计相比的还有一显著特点就是能够将NX建模环境中创建详细三维模型取代基于概念方案的粗糙三维模型用，并将物理对象从粗糙几何模型移动到详细模型中。在基于详细三维模型的动态仿真中，可以更加真实的反应出机电一体化系统的运行情况是否满足设计需求，从而得出更理想的概念设计产品。用圆形装载机的详细模型取代概念模型后的效果如图6所示。
3 结束语
本文通过分析目前传统机电产品概念设计工具在机电产品概念设计中存在的不足与缺陷，从而提出了基于MCD的机电一体化产品概念设计。并通过实现圆形装载机的概念设计来说明基于NX平台中MCD的机电一体化产品概念设计的可操作性，以及与传统概念设计相比的优越性。由于能够轻松的定义和验证机电产品的设计，并能够实现功能单元的模块化和重用，从而能够提高产品质量加快产品开发速度。
图6 详细模型取代概念模型图
1 机电一体化产品概念设计系统
1.1 传统机电产品概念设计系统
机电产品计算机辅助概念设计是近年新兴研究学科，目前，传统的机电产品概念设计系统并不多，且由设计系统时的侧重点不同，传统的机电产品概念设计系统存在着不同程度的不足与缺陷。有的偏重于控制部分，但对执行机构部分却不够深入不能体现出机械的主体地位；有的侧重于机械设计领域，对于控制系统的理论和应用研究不够，对于信息的处理等还有进一步的研究空间；有的较少考虑到机械部分、传感器及驱动器的特性，也没有考虑到几个部分之间的融合设计问题，从而不能全面反映以实现运动执行功能为主的机电一体化产品概念设计的实质；有的只具有对机电一体化系统建模、性能仿真、灵敏度分析等功能，而不具备产生方案的功能。且传统的机电产品概念设计都不能实现三维建模与三维的动态仿真效果。
以“三子系统论”为理论依据的MCD的机电产品概念设计，不仅突出了机电一体化系统中的机械主体地位。同时MCD能够实现功能设计方法，可集成上游和下游工程领域，包括需求管理、机械设计、电气设计以及软件自动化工程。从而能够实现多部门协同、缩短上市时间、重用现有知识，并且可以通过概念评估做出更好的决策。这是基于MCD与传统概念设计工具的本质区别。另外MCD实现了包含多物理场以及通常存在于机电一体化产品中的自动化相关行为的概念进行三维建模和仿真，从而能够得到更高质量的概念产品。
1.2 机电产品概念设计系统MCD的特点
基于MCD与传统的机电产品概念设计工具除了有上述的本质区别外，还有以下几个显著特点：
（1）集成式系统工程方法
MCD可以利用系统工程原则跟踪客户的要求，直至完成设计。功能模型使机械、电气和自动化部门能够通过共同的方式携手合作，有助于设计者更快交付设计、减少设计流程后期出现的集成问题。
（2）概念建模和基于物理场的仿真
MCD提供易于使用的建模和仿真，可在开发周期最初阶段迅速创建并验证备选概念。借助早期验证可帮助检测并纠正错误，此时解决错误成本最低。
（3）通过智能对象封装机电一体化数据实现重用
通过模块化和重用，MCD可帮助最大限度提高设计效率。借助该解决方案，您可获取智能对象中的机电一体化知识，并将这些知识存储在库中，供以后重用。在重用过程中，因为能够基于经验证的概念进行设计，所以可提高质量；并且可通过消除重新设计和返工加快开发速度。1.3在MCD中机电产品概念设计过程模型MCD与Siemens的产品生命周期管理软件Teamcenter结合使用，可支持机电一体化产品从需求定义到方案求解的概念设计全过程。具体的机械设计流程如图1所示：
2 应用实例
下面以圆形装载机的概念设计为例来说明基于NX平台中MCD的机电一体化产品概念设计的可操作性，并体现出基于MCD机电一体化产品概念设计与传统概念设计相比的优越性。具体步骤如下：
（1）设计需求的定义与管理
MCD能与Siemens的产品生命周期管理软件Teamcenter结合使用，以提供端到端的解决方案。在开发周期开始时，设计人员可以使用Teamcenter的需求管理和系统工程功能构建工程模型，体现出客户的意见。并通过分解功能部件，对各种变型进行描述，将它们与需求直接联系起来。这种功能模型可促进跨学科协同概念设计，从而确保在整个产品开发过程中满足客户期望，这是MCD相比于传统观念设计的一大优点，弥补了传统观念设计的不足。
圆形装载机的设计需求如表1所示：
表1 圆形装载机设计需求
（2）创建功能模型
在Teamcenter中根据设计需求创建的功能构建工程模型可以直接导入到MCD的功能导航器，且能与设计需求直接联系起来。
首先，定义机电一体化系统的基本功能：实现循环装载功能。
第二，在功能导航器中创建基于功能分解的功能树层次机构，如图2所示。
图2 功能树模型
第三，功能单元的重用：在机电一体化产品概念设计时，对于用在不同地方的同一功能，可以实现功能单元的重用。因此，可提高产品质量，并且可通过消除重新设计和返工加快开发速度。本例中的处理单元就是使用了功能单元的重用。
（3）定义机械概念
功能模型创建完成后，接下来首先就是要创建基于功能模型的粗糙3D模型，如图3所示。
图3 基于功能模型的粗糙三维模型图
其次，就是定义组件的机电属性和运动副联接类型，即从机械的角度来定义组件的行为。这也是基于MCD的机电产品概念设计与传统概念设计之间的重大区别。传统概念设计是需要建立一个机构库，然后从机构库中选择符合需求的运动机构；而在基于MCD机电一体化概念设计中，在建立好基于概念方案的粗糙三维模型后，就可以对模型中的组件随意定义所需要的机电属性以及运动副联接类型。机电属性包括刚体、碰撞体、传输面和碰撞材料等；运动副联接类型包括铰链联接、固定联接、滑动联接及球联接等。在MCD中包含了所有机械概念设计所需的机电属性和运动副联接类型。在本例中，定义组件的运动副联接类型如图4所示。
图4 运动特性
最后，为了能够将子功能与实现各子功能的部件链接起来，需要将完成各子功能的部件添加到功能导航器中功能树相对应的子功能中。
（4）添加抽象的执行机构
机械系统是机械运动来完成系统所需的功能，机械系统要实现运动光定义机电一体化系统的运动学特性是不够的，还需添加驱动运动副的执行机构。在MCD中添加的是广义执行机构系统，广义的执行机构没有几何体也没有特定的运动行为。MCD提供了两种类型的执行机构：速度控制和位置控制。在本例中定义的都是速度控制执行机构。
（5）定义基于时间的操作
定义完执行机构，就该定义执行机构是如何由操作控制的。每个执行机构都对应有一个基于时间的操作，且排列各个操作之间的顺序是基于时间概念的。圆形装载机的操作顺序首先是基座的旋转运动，接着是滑块的垂直运动，最后是握爪的线性运动。具体操作及顺序如图5所示。
图5 操作顺序
除了需要将实现子功能的组件与对应的子功能联系起来，同时还需要建立操作与功能之间的连接。因此，定义完基于时间的操作后，需要将操作添加到功能树对应的子功能中。
（6）添加传感器及定义
基于事件的操作要在机电一体化系统中定义一个基于事件的行为，就必须获得运行时的反馈信息。在MCD中提供了两种方法来访问运行时的数据。一是系统模型中的每个对象，如执行机构、运动副或传输面都提供了一个接口来访问它的特定的参数。另外就是使用传感器提供在机电一体化系统中刚体之间的相互作用产生的立即反馈。MCD中引入了一个新的对象称为碰撞传感器，这是一个提供了运行时参数的传感器对象。
定义基于事件的操作就是在机电一体化系统中定义由传感器或其他物体引发的事件操作。在本例中定义了两个碰撞传感器完成基于事件的操作。一个是用于提供滑块到达指定高度时停止继续滑动的信息；另一个提供是当握爪碰撞到工件台时停止运动的信息。定义基于事件的操作如图5所示。
（7）三维动态仿真
基于MCD机电一体化概念设计能够实现三维动态仿真，因此弥补了传统概念设计不能实现三维仿真的缺陷。MCD是基于NX平台的程序，因此借助优化的现实环境建模，并迅速定义机械概念和所需的机械行为后，接下来就是要对机电一体化系统进行仿真。MCD中的仿真技术基于游戏物理场引擎，可以基于简化数学模型将实际物理行为引入虚拟环境。该仿真技术易于使用。且仿真过程采用交互方式，因此可以通过鼠标指针施加作用力或移动对象。MCD可对一系列行为进行仿真，包括验证机械概念所需的一切，涉及运动学、动力学、碰撞、驱动器弹簧、凸轮、物料流等方面。
为了能够清楚的查看到仿真是各物体的运行时参数，MCD提供了一个实时观察器。使用实时观察器可以查看仿真时机电一体化系统中指定对象的运行时参数。通过对实时数据的分析，来评价所设计的方案是否满足设计需求，然后在进行概念设计方案的优化，直到得到满意的概念产品。
（8）用详细模型取代概念模型
基于MCD的机电一体化产品概念设计与传统概念设计相比的还有一显著特点就是能够将NX建模环境中创建详细三维模型取代基于概念方案的粗糙三维模型用，并将物理对象从粗糙几何模型移动到详细模型中。在基于详细三维模型的动态仿真中，可以更加真实的反应出机电一体化系统的运行情况是否满足设计需求，从而得出更理想的概念设计产品。用圆形装载机的详细模型取代概念模型后的效果如图6所示。
3 结束语
本文通过分析目前传统机电产品概念设计工具在机电产品概念设计中存在的不足与缺陷，从而提出了基于MCD的机电一体化产品概念设计。并通过实现圆形装载机的概念设计来说明基于NX平台中MCD的机电一体化产品概念设计的可操作性，以及与传统概念设计相比的优越性。由于能够轻松的定义和验证机电产品的设计，并能够实现功能单元的模块化和重用，从而能够提高产品质量加快产品开发速度。
图6 详细模型取代概念模型图
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从西门子这个视频中，深入了解机电一体化
电气控制类 一路向前 2017-03-27 14:42 发表了文章
数字化工厂的处理系统相当于大脑，连接网络如同神经系统，驱动系统就像是肌肉，传感器则相当于眼睛和鼻子……
然而，工厂内部的不同系统之间、不同部门之间、不同产品之间，乃至不同工厂之间，如何用同一种“语言”交流，以提高效率呢？
关于这个问题，西门子提出机电一体化概念设计的解决方案（MCD），率先打破电子与机械之间“无沟通不协作”现象，实现让两者用同一种‘语言’交流，跨部门合作平台加快产品设计速度。
一位工程师熟练地把各种数据输入电脑，一条虚拟生产线马上就显示在大屏幕上。工程师只要看着系统的运转，就能马上看出要如何做调试。如果需要调整机器人和人工的配比或需要修改生产线的参数，只要敲敲键盘，就能迅速完成。
传统实物调试：
机电一体化后，变成了虚拟调试：
系统设计工程师还可以仿真和验证运动与力、一般机床动力学、运动学、致动器和伺服器的关系，并且检测其与工装和夹具之间的冲突和干涉。通过使用这些仿真工具，设计人员可以锁定特定部件对象，确定实际物理特性、行为以及实际运行参数（比如位置、速度和旋转）。是不是又直观又方便？
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然而，工厂内部的不同系统之间、不同部门之间、不同产品之间，乃至不同工厂之间，如何用同一种“语言”交流，以提高效率呢？
关于这个问题，西门子提出机电一体化概念设计的解决方案（MCD），率先打破电子与机械之间“无沟通不协作”现象，实现让两者用同一种‘语言’交流，跨部门合作平台加快产品设计速度。
一位工程师熟练地把各种数据输入电脑，一条虚拟生产线马上就显示在大屏幕上。工程师只要看着系统的运转，就能马上看出要如何做调试。如果需要调整机器人和人工的配比或需要修改生产线的参数，只要敲敲键盘，就能迅速完成。
传统实物调试：
机电一体化后，变成了虚拟调试：
系统设计工程师还可以仿真和验证运动与力、一般机床动力学、运动学、致动器和伺服器的关系，并且检测其与工装和夹具之间的冲突和干涉。通过使用这些仿真工具，设计人员可以锁定特定部件对象，确定实际物理特性、行为以及实际运行参数（比如位置、速度和旋转）。是不是又直观又方便？
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数字化工厂的处理系统相当于大脑，连接网络如同神经系统，驱动系统就像是肌肉，传感器则相当于眼睛和鼻子……
然而，工厂内部的不同系统之间、不同部门之间、不同产品之间，乃至不同工厂之间，如何用同一种“语言”交流，以提高效率呢？
关于这个问题，西门子提出机电一体化概念设计的解决方案（MCD），率先打破电子与机械之间“无沟通不协作”现象，实现让两者用同一种‘语言’交流，跨部门合作平台加快产品设计速度。
一位工程师熟练地把各种数据输入电脑，一条虚拟生产线马上就显示在大屏幕上。工程师只要看着系统的运转，就能马上看出要如何做调试。如果需要调整机器人和人工的配比或需要修改生产线的参数，只要敲敲键盘，就能迅速完成。
传统实物调试：
机电一体化后，变成了虚拟调试：
系统设计工程师还可以仿真和验证运动与力、一般机床动力学、运动学、致动器和伺服器的关系，并且检测其与工装和夹具之间的冲突和干涉。通过使用这些仿真工具，设计人员可以锁定特定部件对象，确定实际物理特性、行为以及实际运行参数（比如位置、速度和旋转）。是不是又直观又方便？
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然而，工厂内部的不同系统之间、不同部门之间、不同产品之间，乃至不同工厂之间，如何用同一种“语言”交流，以提高效率呢？
关于这个问题，西门子提出机电一体化概念设计的解决方案（MCD），率先打破电子与机械之间“无沟通不协作”现象，实现让两者用同一种‘语言’交流，跨部门合作平台加快产品设计速度。
一位工程师熟练地把各种数据输入电脑，一条虚拟生产线马上就显示在大屏幕上。工程师只要看着系统的运转，就能马上看出要如何做调试。如果需要调整机器人和人工的配比或需要修改生产线的参数，只要敲敲键盘，就能迅速完成。
传统实物调试：
机电一体化后，变成了虚拟调试：
系统设计工程师还可以仿真和验证运动与力、一般机床动力学、运动学、致动器和伺服器的关系，并且检测其与工装和夹具之间的冲突和干涉。通过使用这些仿真工具，设计人员可以锁定特定部件对象，确定实际物理特性、行为以及实际运行参数（比如位置、速度和旋转）。是不是又直观又方便？
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大型轴齿轮专用机床设计
智能制造类 自动化 2016-11-21 09:57 发表了文章
结合机电一体化的需要，设计以单片机作为控制系统的X-Y型工作台。通过对X-Y型工作台机械结构设计和控制电路接口的设计，阐述了机电一体化设计中的共性和关键技术。这种工作台通常与整机设计成一个整体，其形状，尺寸，结构因机器类型不同而有较大差异，但其工作原理有着共同点。
来源：网络
链接：http://pan.baidu.com/s/1nv8na2H 密码：5jlg 查看全部
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结合机电一体化的需要，设计以单片机作为控制系统的X-Y型工作台。通过对X-Y型工作台机械结构设计和控制电路接口的设计，阐述了机电一体化设计中的共性和关键技术。这种工作台通常与整机设计成一个整体，其形状，尺寸，结构因机器类型不同而有较大差异，但其工作原理有着共同点。
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机电一体化连杆平行度测量仪
智能制造类 自动化 2016-11-11 19:43 发表了文章
当今的制造业基本技术日臻成熟，其市场处于以消费者为导向的市场环境下，产品品种、上市时间和用户满意度成为企业取得竞争优势的主要因素。制造业这种全球化的激烈竞争不断催生了各种先进制造技术和新的制造哲理，虚拟制造技术将会在本世纪涌向潮头，其朴素的思想和高新的技术手段都为研究领域和业界所推崇。
虚拟制造就是根据企业市场竞争的需求，在强调柔性和快速的前提下，美国80年代提出的，随着计算机技术和信息网络技术的发展，在90年代得到人们的重视，并获得迅速的发展。
来源：网络
链接：http://pan.baidu.com/s/1o7MN4aY 密码：bwa8 查看全部
虚拟制造就是根据企业市场竞争的需求，在强调柔性和快速的前提下，美国80年代提出的，随着计算机技术和信息网络技术的发展，在90年代得到人们的重视，并获得迅速的发展。
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当今的制造业基本技术日臻成熟，其市场处于以消费者为导向的市场环境下，产品品种、上市时间和用户满意度成为企业取得竞争优势的主要因素。制造业这种全球化的激烈竞争不断催生了各种先进制造技术和新的制造哲理，虚拟制造技术将会在本世纪涌向潮头，其朴素的思想和高新的技术手段都为研究领域和业界所推崇。
虚拟制造就是根据企业市场竞争的需求，在强调柔性和快速的前提下，美国80年代提出的，随着计算机技术和信息网络技术的发展，在90年代得到人们的重视，并获得迅速的发展。
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机电一体化T6113电气控制系统的设计
智能制造类 自动化 2016-11-11 19:43 发表了文章
随着机械工业的发展，作为工作母机的各类机床得到了广泛的应用，而这些机床的自动化和精密程度却有很大差异。在欧美、日本等国家里，他们的机床数控化程度都相对比较高，但在我国国内的机床大约有90%多还处于老式的继电器控制下。由于继电器控制的机床有耗材、耗能、故障率高的缺陷，从而浪费了很多的人力、物力和财力。如果说把这些机床全部都更新换代，那样会需要很大一笔资金，就目前情况上来说是不现实的，所以就有人开始尝试从控制部分的改造方面来下手，将它们的性能提升一个档次，更可以解决它的一些弊端。
基于以上情况，我选择了用PLC来完成T6113卧式镗床的电气控制部分这个题目，目的是使机床能快速响应动作，灵活可靠的完成生产任务，而故障率要相应降低。PLC以内部的逻辑触点代替了继电器的机械触点，来控制机床的动作，逻辑触点与机械触点相比动作时间大大缩短，连接快而可靠，还有就是它的寿命比机械触点有很大幅度的增长，可达到几百万次到千万次。
经过设计并作了实物的演示，结果证明了设计的成功。
来源：网络
链接：http://pan.baidu.com/s/1qYRJyc0 密码：y5xc 查看全部
基于以上情况，我选择了用PLC来完成T6113卧式镗床的电气控制部分这个题目，目的是使机床能快速响应动作，灵活可靠的完成生产任务，而故障率要相应降低。PLC以内部的逻辑触点代替了继电器的机械触点，来控制机床的动作，逻辑触点与机械触点相比动作时间大大缩短，连接快而可靠，还有就是它的寿命比机械触点有很大幅度的增长，可达到几百万次到千万次。
经过设计并作了实物的演示，结果证明了设计的成功。
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随着机械工业的发展，作为工作母机的各类机床得到了广泛的应用，而这些机床的自动化和精密程度却有很大差异。在欧美、日本等国家里，他们的机床数控化程度都相对比较高，但在我国国内的机床大约有90%多还处于老式的继电器控制下。由于继电器控制的机床有耗材、耗能、故障率高的缺陷，从而浪费了很多的人力、物力和财力。如果说把这些机床全部都更新换代，那样会需要很大一笔资金，就目前情况上来说是不现实的，所以就有人开始尝试从控制部分的改造方面来下手，将它们的性能提升一个档次，更可以解决它的一些弊端。
基于以上情况，我选择了用PLC来完成T6113卧式镗床的电气控制部分这个题目，目的是使机床能快速响应动作，灵活可靠的完成生产任务，而故障率要相应降低。PLC以内部的逻辑触点代替了继电器的机械触点，来控制机床的动作，逻辑触点与机械触点相比动作时间大大缩短，连接快而可靠，还有就是它的寿命比机械触点有很大幅度的增长，可达到几百万次到千万次。
经过设计并作了实物的演示，结果证明了设计的成功。
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机电一体化PLC控制电梯
智能制造类 自动化 2016-11-11 19:43 发表了文章
随着人口的增加，科学技术日新月异地发展，人们物质文化生活水平的逐步提高，建筑业得以迅速发展，大批的高楼大厦拔地而起，十几层至几十层的宾馆、饭店、办公楼、住宅楼鳞次栉比。伴随建筑业的发展，为建筑内提供上下交通运输的电梯工业也在日新月异地发展着。电梯已不仅是一种生产环节中的重要设备，更是一种工作和生活中的必需设备，完全可以预想到，随着社会的发展，电梯产品在人们物质文化生活中的地位将和汽车一样，成为重要的运输设备之一。
来源：网络
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随着人口的增加，科学技术日新月异地发展，人们物质文化生活水平的逐步提高，建筑业得以迅速发展，大批的高楼大厦拔地而起，十几层至几十层的宾馆、饭店、办公楼、住宅楼鳞次栉比。伴随建筑业的发展，为建筑内提供上下交通运输的电梯工业也在日新月异地发展着。电梯已不仅是一种生产环节中的重要设备，更是一种工作和生活中的必需设备，完全可以预想到，随着社会的发展，电梯产品在人们物质文化生活中的地位将和汽车一样，成为重要的运输设备之一。
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基于逆向工程的过程控制系统机电一体化设计
智能制造类 自动化 2016-11-11 19:43 发表了文章
“组态王”是运行于MicrosoftWindows 98/NT中文平台的全中文界面的组态软件，采用了多线程、COM组件等新技术，实现了实时多任务，软件运行稳定可靠。组态王具有一个集成开发环境“组态王工程浏览器”，在工程浏览器中您可以查看工程的各个组成部分，也可以完成构造数据库、定义外部设备等工作。画面的开发和运行由工程浏览器调用画面制作系统TOUCHMAK和画面运行系统TOUCHVEW来完成的。TOUCHMAK是应用程序的开发环境。您需要在这个环境中完成设计画面、动画连接等工作。
TOUCHMAK具有先进完善的图形生成功能；数据库中有多种数据类型，能合理地抽象控制对象的特性；对变量报警、趋势曲线、过程记录、安全防范等重要功能都有简单的操作办法。TOUCHVEW是“组态王”软件的实时运行环境，在TOUCHMAK中建立的图形画面只有在TOUCHVEW中才能运行。TOUCHVEW从工业控制对象中采集数据，并记录在实时数据库中。它还负责把数据的变化用动画的方式形象地表示出来，同时完成变量报警、操作记录、趋势曲线等监视功能，并生成历史数据文件。
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TOUCHMAK具有先进完善的图形生成功能；数据库中有多种数据类型，能合理地抽象控制对象的特性；对变量报警、趋势曲线、过程记录、安全防范等重要功能都有简单的操作办法。TOUCHVEW是“组态王”软件的实时运行环境，在TOUCHMAK中建立的图形画面只有在TOUCHVEW中才能运行。TOUCHVEW从工业控制对象中采集数据，并记录在实时数据库中。它还负责把数据的变化用动画的方式形象地表示出来，同时完成变量报警、操作记录、趋势曲线等监视功能，并生成历史数据文件。
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“组态王”是运行于MicrosoftWindows 98/NT中文平台的全中文界面的组态软件，采用了多线程、COM组件等新技术，实现了实时多任务，软件运行稳定可靠。组态王具有一个集成开发环境“组态王工程浏览器”，在工程浏览器中您可以查看工程的各个组成部分，也可以完成构造数据库、定义外部设备等工作。画面的开发和运行由工程浏览器调用画面制作系统TOUCHMAK和画面运行系统TOUCHVEW来完成的。TOUCHMAK是应用程序的开发环境。您需要在这个环境中完成设计画面、动画连接等工作。
TOUCHMAK具有先进完善的图形生成功能；数据库中有多种数据类型，能合理地抽象控制对象的特性；对变量报警、趋势曲线、过程记录、安全防范等重要功能都有简单的操作办法。TOUCHVEW是“组态王”软件的实时运行环境，在TOUCHMAK中建立的图形画面只有在TOUCHVEW中才能运行。TOUCHVEW从工业控制对象中采集数据，并记录在实时数据库中。它还负责把数据的变化用动画的方式形象地表示出来，同时完成变量报警、操作记录、趋势曲线等监视功能，并生成历史数据文件。
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TOUCHMAK具有先进完善的图形生成功能；数据库中有多种数据类型，能合理地抽象控制对象的特性；对变量报警、趋势曲线、过程记录、安全防范等重要功能都有简单的操作办法。TOUCHVEW是“组态王”软件的实时运行环境，在TOUCHMAK中建立的图形画面只有在TOUCHVEW中才能运行。TOUCHVEW从工业控制对象中采集数据，并记录在实时数据库中。它还负责把数据的变化用动画的方式形象地表示出来，同时完成变量报警、操作记录、趋势曲线等监视功能，并生成历史数据文件。
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机电一体技术在挖掘机中的应用
智能制造类 妙莲华 2016-09-27 13:22 发表了文章
1、普遍采用电子节能技术的大中型液压挖掘机
美国市场在发动机排放上的要求非常严格，要求符合Tire 3标准的发动机才能在其国内市场上销售。所以进入美国市场的挖掘机多数都采用了高排放标准的发动机，尤其是中大型挖掘机，电喷发动机已经成为标准配置，该种发动机无论在可控性还是节能方面都较机械式发动机有很大的改善。
2、采用自动怠速功能的小型液压挖掘机
对比上面所提到的大中型液压挖掘机普遍采用电喷发动机的现状，由于成本问题，在10吨以下的小型挖掘机上，机械发动机还是被广泛采用；因此，在其节能方面，国外的挖掘机公司采用了不同的技术。
JCB小型挖掘机上采用的一种电控的油门执行机构，驱动器采用了一种液压缸，在结构上采用角度传感器实时反馈油门的位置，另外配合连接到液压缸上的一个电磁阀实现电子油门及自动怠速功能。
NewHolland小挖的自动怠速系统，其油门仍采用机械拉杆（软轴）的形式，只是设计了一个自动怠速结构，当系统监测到需要自动怠速的时候，电磁铁吸合，机构动作，发动机回到怠速状态。
3、采用电液比例控制技术的液压挖掘机
该类型产品是指在普通的液压先导式操作挖掘机的基础上，采用电液比例技术控制挖掘机，相应的运用电比例手柄取代液压先导手柄。其基本原理是采集电手柄的动作信号，利用控制器进行运算，输出相应的PWM值控制比例阀。结合布置于机器上的传感器，还可以实现某些自动或者半自动功能。现场展出的比较典型的电控挖掘机有：
（1）Leica公司研发的挖掘机工作平台，该平台是Leica公司为演示其电控挖掘机控制技术专门定制的，既采用电液比例技术，同时具有辅助挖掘操作装置，通过安装在平台上的显示屏及工作装置上的倾角传感器，可以实时的显示铲斗的轨迹。
（2）山河智能的SWEL55型挖掘装载机，该机型不同与平常的两头忙，其工作装置位于一端，从挖掘机切换成装载机时，只需将工作装置折叠即可完成，反之亦然。为了便于工作装置的模式转换，该机器采用了全电控技术，通过控制器可以轻松完成模式的转换及电手柄在不同模式下的不同功能。
（3）Doosan的主从式挖掘机，控制原理为：属于一种主从方式的控制形式，通过手指，手腕，大臂对应控制铲斗，斗杆与动臂；小臂的左右偏转来控制挖掘机的回转。在操作过程中，当操作者（主控制方）的相应关节动作后，计算机采集到该信号，并与安装在挖掘机（从控制方）上的角度传感器的信号进行比较，如果存在偏差；发出遥控信号控制挖掘机消除偏差，从而达到控制挖掘机的目的。其原理还是点到点控制，因此，在同步性上存在误差。
（4）采用Husco技术的液压挖掘机，其工作原理为：动臂和回转仍采用常用的液压先导式主阀，在系统中装有能量回收机构，回收动臂下降的能量，并储存起来，供给其他的工作装置；斗杆与铲斗采用特殊的电控阀，而且该阀分别布置在靠近工作装置液压缸的位置，而不是传统的所有主阀布置在一起的方式，该电控阀由四个插装阀构成，对阀的A口和B口分别进行控制；而不同于常用的单阀芯的形式；具研究者声称：采用该项技术后，挖掘机可以节能25%。
4、应用于液压挖掘机上的各种监控技术
为了方便操作手查看机器的重要参数，实时的了解整机的状态；仪表技术已经广泛的应用到液压挖掘机中，只是出于成本的考虑，不同吨位的挖掘机采用不同层次的仪表。一般说来，10吨以下的小型履带式挖掘机多采用机械式仪表或者黑白液晶显示屏。
在挖掘机上，尤其是20吨以上的挖掘机，高品质液晶彩色显示屏的采用，在国内外都得到广泛的认可。现以展会现场两款比较精美的仪表加以分析：Trimble公司为挖掘机开发的CB430型仪表，Komastu中挖仪表。其中Trimble以动画的形式实时显示挖掘机的运动轨迹，并提供坐标。显示屏的按钮可以提供视角的切换。
Komastu的仪表界面分为两部分：一部分显示整机的工作参数，另外还可以单屏和双屏的形式显示车体尾部安装的摄像头采集到的图像。两套操作仪表整体效果好，显示/监控系统界面直观，简洁；标识准确，易懂，便于进行操作。在仪表方面，国内厂家都均已采用；但国外产品仪表的高品质性，值得国内的挖掘机生产厂家学习。
5、GPS技术在液压挖掘机上的应用
（1）用于远程维护、信息管理的GPS技术。
该类技术的定位精度不高，一般为米级。主要利用GPS控制器采集远程维护所需的信号上传到服务器中，通过Internet可以查看机器的状态（通过采集传感器信息），历史工作记录等。现场JohnDeere、Hitachi、Hyandai、CAT、Komastu等纷纷展出自己的该项技术，其中JohnDeere更是可以现场操作，如图16所示。Hitachi展出了其GPS系统的构成，如图17所示。国内很多的工程机械主机厂家也采用了该项技术，但是目前多数厂家的GPS系统不够强大，需进一步完善。
（2）高精度GPS系统的应用。
该系统利用GPS差分技术，结合激光、全站仪、超声波及多传感器技术，通过软件界面的设计，可以在系统的虚拟仪表中提供施工工地的三维图形、机器的三维坐标等信息；而且精度可以达到厘米级。该项技术在大型的施工现场，尤其是多种机型的工程机械进行集群作业时；能够显示其优势，有利于施工管理方进行有序调度，提高集群的工作效率。
纵观近三年来的三次展会，在该技术方面，做的比较领先的几家企业分别为：Trimble、Topcon及Leica。这三家企业除了自己的展位之外，还专门布置了具有相当规模的产品应用展示区，所展示的产品无论从数量还是品种都远多于上两次展会。
其中Trimble的用户主要为：CAT、Komastu，Topcon；的主要用户为：CAT、JohnDeere及Volvo；Leica的用户主要为：JohnDeere。产品类型包括挖掘机、两头忙、推土机、平地机、压路机和农业机械等。如此多产品的展出，也显示了美国市场对于该项技术有着广泛的运用，而因成本及市场需求原因，该项技术在国内还处于实验室阶段。
6、具有辅助挖掘系统的液压挖掘机
为提高作业效率，近几年来，辅助操作系统逐步得到各主机厂的重视。在展会现场也展出了相关的产品。严格来说，高精度GPS技术的运用也属于辅助操作的范畴，因上面已经叙述，在此不加展开，仅对单机的辅助挖掘系统进行叙述。
来源：网络 查看全部
美国市场在发动机排放上的要求非常严格，要求符合Tire 3标准的发动机才能在其国内市场上销售。所以进入美国市场的挖掘机多数都采用了高排放标准的发动机，尤其是中大型挖掘机，电喷发动机已经成为标准配置，该种发动机无论在可控性还是节能方面都较机械式发动机有很大的改善。
2、采用自动怠速功能的小型液压挖掘机
对比上面所提到的大中型液压挖掘机普遍采用电喷发动机的现状，由于成本问题，在10吨以下的小型挖掘机上，机械发动机还是被广泛采用；因此，在其节能方面，国外的挖掘机公司采用了不同的技术。
JCB小型挖掘机上采用的一种电控的油门执行机构，驱动器采用了一种液压缸，在结构上采用角度传感器实时反馈油门的位置，另外配合连接到液压缸上的一个电磁阀实现电子油门及自动怠速功能。
NewHolland小挖的自动怠速系统，其油门仍采用机械拉杆（软轴）的形式，只是设计了一个自动怠速结构，当系统监测到需要自动怠速的时候，电磁铁吸合，机构动作，发动机回到怠速状态。
3、采用电液比例控制技术的液压挖掘机
该类型产品是指在普通的液压先导式操作挖掘机的基础上，采用电液比例技术控制挖掘机，相应的运用电比例手柄取代液压先导手柄。其基本原理是采集电手柄的动作信号，利用控制器进行运算，输出相应的PWM值控制比例阀。结合布置于机器上的传感器，还可以实现某些自动或者半自动功能。现场展出的比较典型的电控挖掘机有：
（1）Leica公司研发的挖掘机工作平台，该平台是Leica公司为演示其电控挖掘机控制技术专门定制的，既采用电液比例技术，同时具有辅助挖掘操作装置，通过安装在平台上的显示屏及工作装置上的倾角传感器，可以实时的显示铲斗的轨迹。
（2）山河智能的SWEL55型挖掘装载机，该机型不同与平常的两头忙，其工作装置位于一端，从挖掘机切换成装载机时，只需将工作装置折叠即可完成，反之亦然。为了便于工作装置的模式转换，该机器采用了全电控技术，通过控制器可以轻松完成模式的转换及电手柄在不同模式下的不同功能。
（3）Doosan的主从式挖掘机，控制原理为：属于一种主从方式的控制形式，通过手指，手腕，大臂对应控制铲斗，斗杆与动臂；小臂的左右偏转来控制挖掘机的回转。在操作过程中，当操作者（主控制方）的相应关节动作后，计算机采集到该信号，并与安装在挖掘机（从控制方）上的角度传感器的信号进行比较，如果存在偏差；发出遥控信号控制挖掘机消除偏差，从而达到控制挖掘机的目的。其原理还是点到点控制，因此，在同步性上存在误差。
（4）采用Husco技术的液压挖掘机，其工作原理为：动臂和回转仍采用常用的液压先导式主阀，在系统中装有能量回收机构，回收动臂下降的能量，并储存起来，供给其他的工作装置；斗杆与铲斗采用特殊的电控阀，而且该阀分别布置在靠近工作装置液压缸的位置，而不是传统的所有主阀布置在一起的方式，该电控阀由四个插装阀构成，对阀的A口和B口分别进行控制；而不同于常用的单阀芯的形式；具研究者声称：采用该项技术后，挖掘机可以节能25%。
4、应用于液压挖掘机上的各种监控技术
为了方便操作手查看机器的重要参数，实时的了解整机的状态；仪表技术已经广泛的应用到液压挖掘机中，只是出于成本的考虑，不同吨位的挖掘机采用不同层次的仪表。一般说来，10吨以下的小型履带式挖掘机多采用机械式仪表或者黑白液晶显示屏。
在挖掘机上，尤其是20吨以上的挖掘机，高品质液晶彩色显示屏的采用，在国内外都得到广泛的认可。现以展会现场两款比较精美的仪表加以分析：Trimble公司为挖掘机开发的CB430型仪表，Komastu中挖仪表。其中Trimble以动画的形式实时显示挖掘机的运动轨迹，并提供坐标。显示屏的按钮可以提供视角的切换。
Komastu的仪表界面分为两部分：一部分显示整机的工作参数，另外还可以单屏和双屏的形式显示车体尾部安装的摄像头采集到的图像。两套操作仪表整体效果好，显示/监控系统界面直观，简洁；标识准确，易懂，便于进行操作。在仪表方面，国内厂家都均已采用；但国外产品仪表的高品质性，值得国内的挖掘机生产厂家学习。
5、GPS技术在液压挖掘机上的应用
（1）用于远程维护、信息管理的GPS技术。
该类技术的定位精度不高，一般为米级。主要利用GPS控制器采集远程维护所需的信号上传到服务器中，通过Internet可以查看机器的状态（通过采集传感器信息），历史工作记录等。现场JohnDeere、Hitachi、Hyandai、CAT、Komastu等纷纷展出自己的该项技术，其中JohnDeere更是可以现场操作，如图16所示。Hitachi展出了其GPS系统的构成，如图17所示。国内很多的工程机械主机厂家也采用了该项技术，但是目前多数厂家的GPS系统不够强大，需进一步完善。
（2）高精度GPS系统的应用。
该系统利用GPS差分技术，结合激光、全站仪、超声波及多传感器技术，通过软件界面的设计，可以在系统的虚拟仪表中提供施工工地的三维图形、机器的三维坐标等信息；而且精度可以达到厘米级。该项技术在大型的施工现场，尤其是多种机型的工程机械进行集群作业时；能够显示其优势，有利于施工管理方进行有序调度，提高集群的工作效率。
纵观近三年来的三次展会，在该技术方面，做的比较领先的几家企业分别为：Trimble、Topcon及Leica。这三家企业除了自己的展位之外，还专门布置了具有相当规模的产品应用展示区，所展示的产品无论从数量还是品种都远多于上两次展会。
其中Trimble的用户主要为：CAT、Komastu，Topcon；的主要用户为：CAT、JohnDeere及Volvo；Leica的用户主要为：JohnDeere。产品类型包括挖掘机、两头忙、推土机、平地机、压路机和农业机械等。如此多产品的展出，也显示了美国市场对于该项技术有着广泛的运用，而因成本及市场需求原因，该项技术在国内还处于实验室阶段。
6、具有辅助挖掘系统的液压挖掘机
为提高作业效率，近几年来，辅助操作系统逐步得到各主机厂的重视。在展会现场也展出了相关的产品。严格来说，高精度GPS技术的运用也属于辅助操作的范畴，因上面已经叙述，在此不加展开，仅对单机的辅助挖掘系统进行叙述。
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1、普遍采用电子节能技术的大中型液压挖掘机
美国市场在发动机排放上的要求非常严格，要求符合Tire 3标准的发动机才能在其国内市场上销售。所以进入美国市场的挖掘机多数都采用了高排放标准的发动机，尤其是中大型挖掘机，电喷发动机已经成为标准配置，该种发动机无论在可控性还是节能方面都较机械式发动机有很大的改善。
2、采用自动怠速功能的小型液压挖掘机
对比上面所提到的大中型液压挖掘机普遍采用电喷发动机的现状，由于成本问题，在10吨以下的小型挖掘机上，机械发动机还是被广泛采用；因此，在其节能方面，国外的挖掘机公司采用了不同的技术。
JCB小型挖掘机上采用的一种电控的油门执行机构，驱动器采用了一种液压缸，在结构上采用角度传感器实时反馈油门的位置，另外配合连接到液压缸上的一个电磁阀实现电子油门及自动怠速功能。
NewHolland小挖的自动怠速系统，其油门仍采用机械拉杆（软轴）的形式，只是设计了一个自动怠速结构，当系统监测到需要自动怠速的时候，电磁铁吸合，机构动作，发动机回到怠速状态。
3、采用电液比例控制技术的液压挖掘机
该类型产品是指在普通的液压先导式操作挖掘机的基础上，采用电液比例技术控制挖掘机，相应的运用电比例手柄取代液压先导手柄。其基本原理是采集电手柄的动作信号，利用控制器进行运算，输出相应的PWM值控制比例阀。结合布置于机器上的传感器，还可以实现某些自动或者半自动功能。现场展出的比较典型的电控挖掘机有：
（1）Leica公司研发的挖掘机工作平台，该平台是Leica公司为演示其电控挖掘机控制技术专门定制的，既采用电液比例技术，同时具有辅助挖掘操作装置，通过安装在平台上的显示屏及工作装置上的倾角传感器，可以实时的显示铲斗的轨迹。
（2）山河智能的SWEL55型挖掘装载机，该机型不同与平常的两头忙，其工作装置位于一端，从挖掘机切换成装载机时，只需将工作装置折叠即可完成，反之亦然。为了便于工作装置的模式转换，该机器采用了全电控技术，通过控制器可以轻松完成模式的转换及电手柄在不同模式下的不同功能。
（3）Doosan的主从式挖掘机，控制原理为：属于一种主从方式的控制形式，通过手指，手腕，大臂对应控制铲斗，斗杆与动臂；小臂的左右偏转来控制挖掘机的回转。在操作过程中，当操作者（主控制方）的相应关节动作后，计算机采集到该信号，并与安装在挖掘机（从控制方）上的角度传感器的信号进行比较，如果存在偏差；发出遥控信号控制挖掘机消除偏差，从而达到控制挖掘机的目的。其原理还是点到点控制，因此，在同步性上存在误差。
（4）采用Husco技术的液压挖掘机，其工作原理为：动臂和回转仍采用常用的液压先导式主阀，在系统中装有能量回收机构，回收动臂下降的能量，并储存起来，供给其他的工作装置；斗杆与铲斗采用特殊的电控阀，而且该阀分别布置在靠近工作装置液压缸的位置，而不是传统的所有主阀布置在一起的方式，该电控阀由四个插装阀构成，对阀的A口和B口分别进行控制；而不同于常用的单阀芯的形式；具研究者声称：采用该项技术后，挖掘机可以节能25%。
4、应用于液压挖掘机上的各种监控技术
为了方便操作手查看机器的重要参数，实时的了解整机的状态；仪表技术已经广泛的应用到液压挖掘机中，只是出于成本的考虑，不同吨位的挖掘机采用不同层次的仪表。一般说来，10吨以下的小型履带式挖掘机多采用机械式仪表或者黑白液晶显示屏。
在挖掘机上，尤其是20吨以上的挖掘机，高品质液晶彩色显示屏的采用，在国内外都得到广泛的认可。现以展会现场两款比较精美的仪表加以分析：Trimble公司为挖掘机开发的CB430型仪表，Komastu中挖仪表。其中Trimble以动画的形式实时显示挖掘机的运动轨迹，并提供坐标。显示屏的按钮可以提供视角的切换。
Komastu的仪表界面分为两部分：一部分显示整机的工作参数，另外还可以单屏和双屏的形式显示车体尾部安装的摄像头采集到的图像。两套操作仪表整体效果好，显示/监控系统界面直观，简洁；标识准确，易懂，便于进行操作。在仪表方面，国内厂家都均已采用；但国外产品仪表的高品质性，值得国内的挖掘机生产厂家学习。
5、GPS技术在液压挖掘机上的应用
（1）用于远程维护、信息管理的GPS技术。
该类技术的定位精度不高，一般为米级。主要利用GPS控制器采集远程维护所需的信号上传到服务器中，通过Internet可以查看机器的状态（通过采集传感器信息），历史工作记录等。现场JohnDeere、Hitachi、Hyandai、CAT、Komastu等纷纷展出自己的该项技术，其中JohnDeere更是可以现场操作，如图16所示。Hitachi展出了其GPS系统的构成，如图17所示。国内很多的工程机械主机厂家也采用了该项技术，但是目前多数厂家的GPS系统不够强大，需进一步完善。
（2）高精度GPS系统的应用。
该系统利用GPS差分技术，结合激光、全站仪、超声波及多传感器技术，通过软件界面的设计，可以在系统的虚拟仪表中提供施工工地的三维图形、机器的三维坐标等信息；而且精度可以达到厘米级。该项技术在大型的施工现场，尤其是多种机型的工程机械进行集群作业时；能够显示其优势，有利于施工管理方进行有序调度，提高集群的工作效率。
纵观近三年来的三次展会，在该技术方面，做的比较领先的几家企业分别为：Trimble、Topcon及Leica。这三家企业除了自己的展位之外，还专门布置了具有相当规模的产品应用展示区，所展示的产品无论从数量还是品种都远多于上两次展会。
其中Trimble的用户主要为：CAT、Komastu，Topcon；的主要用户为：CAT、JohnDeere及Volvo；Leica的用户主要为：JohnDeere。产品类型包括挖掘机、两头忙、推土机、平地机、压路机和农业机械等。如此多产品的展出，也显示了美国市场对于该项技术有着广泛的运用，而因成本及市场需求原因，该项技术在国内还处于实验室阶段。
6、具有辅助挖掘系统的液压挖掘机
为提高作业效率，近几年来，辅助操作系统逐步得到各主机厂的重视。在展会现场也展出了相关的产品。严格来说，高精度GPS技术的运用也属于辅助操作的范畴，因上面已经叙述，在此不加展开，仅对单机的辅助挖掘系统进行叙述。
来源：网络
美国市场在发动机排放上的要求非常严格，要求符合Tire 3标准的发动机才能在其国内市场上销售。所以进入美国市场的挖掘机多数都采用了高排放标准的发动机，尤其是中大型挖掘机，电喷发动机已经成为标准配置，该种发动机无论在可控性还是节能方面都较机械式发动机有很大的改善。
2、采用自动怠速功能的小型液压挖掘机
对比上面所提到的大中型液压挖掘机普遍采用电喷发动机的现状，由于成本问题，在10吨以下的小型挖掘机上，机械发动机还是被广泛采用；因此，在其节能方面，国外的挖掘机公司采用了不同的技术。
JCB小型挖掘机上采用的一种电控的油门执行机构，驱动器采用了一种液压缸，在结构上采用角度传感器实时反馈油门的位置，另外配合连接到液压缸上的一个电磁阀实现电子油门及自动怠速功能。
NewHolland小挖的自动怠速系统，其油门仍采用机械拉杆（软轴）的形式，只是设计了一个自动怠速结构，当系统监测到需要自动怠速的时候，电磁铁吸合，机构动作，发动机回到怠速状态。
3、采用电液比例控制技术的液压挖掘机
该类型产品是指在普通的液压先导式操作挖掘机的基础上，采用电液比例技术控制挖掘机，相应的运用电比例手柄取代液压先导手柄。其基本原理是采集电手柄的动作信号，利用控制器进行运算，输出相应的PWM值控制比例阀。结合布置于机器上的传感器，还可以实现某些自动或者半自动功能。现场展出的比较典型的电控挖掘机有：
（1）Leica公司研发的挖掘机工作平台，该平台是Leica公司为演示其电控挖掘机控制技术专门定制的，既采用电液比例技术，同时具有辅助挖掘操作装置，通过安装在平台上的显示屏及工作装置上的倾角传感器，可以实时的显示铲斗的轨迹。
（2）山河智能的SWEL55型挖掘装载机，该机型不同与平常的两头忙，其工作装置位于一端，从挖掘机切换成装载机时，只需将工作装置折叠即可完成，反之亦然。为了便于工作装置的模式转换，该机器采用了全电控技术，通过控制器可以轻松完成模式的转换及电手柄在不同模式下的不同功能。
（3）Doosan的主从式挖掘机，控制原理为：属于一种主从方式的控制形式，通过手指，手腕，大臂对应控制铲斗，斗杆与动臂；小臂的左右偏转来控制挖掘机的回转。在操作过程中，当操作者（主控制方）的相应关节动作后，计算机采集到该信号，并与安装在挖掘机（从控制方）上的角度传感器的信号进行比较，如果存在偏差；发出遥控信号控制挖掘机消除偏差，从而达到控制挖掘机的目的。其原理还是点到点控制，因此，在同步性上存在误差。
（4）采用Husco技术的液压挖掘机，其工作原理为：动臂和回转仍采用常用的液压先导式主阀，在系统中装有能量回收机构，回收动臂下降的能量，并储存起来，供给其他的工作装置；斗杆与铲斗采用特殊的电控阀，而且该阀分别布置在靠近工作装置液压缸的位置，而不是传统的所有主阀布置在一起的方式，该电控阀由四个插装阀构成，对阀的A口和B口分别进行控制；而不同于常用的单阀芯的形式；具研究者声称：采用该项技术后，挖掘机可以节能25%。
4、应用于液压挖掘机上的各种监控技术
为了方便操作手查看机器的重要参数，实时的了解整机的状态；仪表技术已经广泛的应用到液压挖掘机中，只是出于成本的考虑，不同吨位的挖掘机采用不同层次的仪表。一般说来，10吨以下的小型履带式挖掘机多采用机械式仪表或者黑白液晶显示屏。
在挖掘机上，尤其是20吨以上的挖掘机，高品质液晶彩色显示屏的采用，在国内外都得到广泛的认可。现以展会现场两款比较精美的仪表加以分析：Trimble公司为挖掘机开发的CB430型仪表，Komastu中挖仪表。其中Trimble以动画的形式实时显示挖掘机的运动轨迹，并提供坐标。显示屏的按钮可以提供视角的切换。
Komastu的仪表界面分为两部分：一部分显示整机的工作参数，另外还可以单屏和双屏的形式显示车体尾部安装的摄像头采集到的图像。两套操作仪表整体效果好，显示/监控系统界面直观，简洁；标识准确，易懂，便于进行操作。在仪表方面，国内厂家都均已采用；但国外产品仪表的高品质性，值得国内的挖掘机生产厂家学习。
5、GPS技术在液压挖掘机上的应用
（1）用于远程维护、信息管理的GPS技术。
该类技术的定位精度不高，一般为米级。主要利用GPS控制器采集远程维护所需的信号上传到服务器中，通过Internet可以查看机器的状态（通过采集传感器信息），历史工作记录等。现场JohnDeere、Hitachi、Hyandai、CAT、Komastu等纷纷展出自己的该项技术，其中JohnDeere更是可以现场操作，如图16所示。Hitachi展出了其GPS系统的构成，如图17所示。国内很多的工程机械主机厂家也采用了该项技术，但是目前多数厂家的GPS系统不够强大，需进一步完善。
（2）高精度GPS系统的应用。
该系统利用GPS差分技术，结合激光、全站仪、超声波及多传感器技术，通过软件界面的设计，可以在系统的虚拟仪表中提供施工工地的三维图形、机器的三维坐标等信息；而且精度可以达到厘米级。该项技术在大型的施工现场，尤其是多种机型的工程机械进行集群作业时；能够显示其优势，有利于施工管理方进行有序调度，提高集群的工作效率。
纵观近三年来的三次展会，在该技术方面，做的比较领先的几家企业分别为：Trimble、Topcon及Leica。这三家企业除了自己的展位之外，还专门布置了具有相当规模的产品应用展示区，所展示的产品无论从数量还是品种都远多于上两次展会。
其中Trimble的用户主要为：CAT、Komastu，Topcon；的主要用户为：CAT、JohnDeere及Volvo；Leica的用户主要为：JohnDeere。产品类型包括挖掘机、两头忙、推土机、平地机、压路机和农业机械等。如此多产品的展出，也显示了美国市场对于该项技术有着广泛的运用，而因成本及市场需求原因，该项技术在国内还处于实验室阶段。
6、具有辅助挖掘系统的液压挖掘机
为提高作业效率，近几年来，辅助操作系统逐步得到各主机厂的重视。在展会现场也展出了相关的产品。严格来说，高精度GPS技术的运用也属于辅助操作的范畴，因上面已经叙述，在此不加展开，仅对单机的辅助挖掘系统进行叙述。
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NX在机电产品概念设计中应用与研究
机械自动化类 冲上云霄 2016-09-23 13:56 发表了文章
一方面，随着现代社会机电产品的普及，机电一体化系统的设计所涉及到的专业领域逐渐增多，导致机电一体化产品具有多学科融合的特点，从而增加了机械产品复杂性，同时也增加了设计难度给机电产品的设计者提出了更高的要求。另一方面，在经济快速发展的今天，市场竞争日益激烈，为了提高产品的竞争能力，必须缩短设计周期，加快产品的更新换代速度，以适应消费者的需求。同时，概念设计是产品设计中的关键阶段，它在很大程度上决定着最终产品的性能、创造性、价格、市场响应速度和效率等，且概念设计阶段实际投入的费用只占产品开发总成本的5%，却决定了产品总成本的70%。因此，随着计算机图形学、多媒体技术、虚拟现实技术的发展以及CAD/CAM应用的深入，并借助于计算机强大的存储与检索能力，开发机电产品计算机辅助概念设计工具，实现机电产品计算机辅助概念设计是机电产品设计的关键。MCD作为基于NX平台的机电产品计算机辅助概念设计工具，适用于机电一体化产品的概念设计，由于MCD能够实现多学科的协同工作，从而可加快涉及机械、电气和软件设计学科的产品的开发速度，因此能够提高设计速度、提升设计质量。同时MCD可实现创新性的设计技术，帮助机械设计人员满足日益提高的要求，不断提高机械的生产效率、缩短设计周期和降低成本。
1 机电一体化产品概念设计系统
1.1 传统机电产品概念设计系统
机电产品计算机辅助概念设计是近年新兴研究学科，目前，传统的机电产品概念设计系统并不多，且由设计系统时的侧重点不同，传统的机电产品概念设计系统存在着不同程度的不足与缺陷。有的偏重于控制部分，但对执行机构部分却不够深入不能体现出机械的主体地位；有的侧重于机械设计领域，对于控制系统的理论和应用研究不够，对于信息的处理等还有进一步的研究空间；有的较少考虑到机械部分、传感器及驱动器的特性，也没有考虑到几个部分之间的融合设计问题，从而不能全面反映以实现运动执行功能为主的机电一体化产品概念设计的实质；有的只具有对机电一体化系统建模、性能仿真、灵敏度分析等功能，而不具备产生方案的功能。且传统的机电产品概念设计都不能实现三维建模与三维的动态仿真效果。
以“三子系统论”为理论依据的MCD的机电产品概念设计，不仅突出了机电一体化系统中的机械主体地位。同时MCD能够实现功能设计方法，可集成上游和下游工程领域，包括需求管理、机械设计、电气设计以及软件自动化工程。从而能够实现多部门协同、缩短上市时间、重用现有知识，并且可以通过概念评估做出更好的决策。这是基于MCD与传统概念设计工具的本质区别。另外MCD实现了包含多物理场以及通常存在于机电一体化产品中的自动化相关行为的概念进行三维建模和仿真，从而能够得到更高质量的概念产品。
1.2 机电产品概念设计系统MCD的特点
基于MCD与传统的机电产品概念设计工具除了有上述的本质区别外，还有以下几个显著特点：
（1）集成式系统工程方法
MCD可以利用系统工程原则跟踪客户的要求，直至完成设计。功能模型使机械、电气和自动化部门能够通过共同的方式携手合作，有助于设计者更快交付设计、减少设计流程后期出现的集成问题。
（2）概念建模和基于物理场的仿真
MCD提供易于使用的建模和仿真，可在开发周期最初阶段迅速创建并验证备选概念。借助早期验证可帮助检测并纠正错误，此时解决错误成本最低。
（3）通过智能对象封装机电一体化数据实现重用
通过模块化和重用，MCD可帮助最大限度提高设计效率。借助该解决方案，您可获取智能对象中的机电一体化知识，并将这些知识存储在库中，供以后重用。在重用过程中，因为能够基于经验证的概念进行设计，所以可提高质量；并且可通过消除重新设计和返工加快开发速度。1.3在MCD中机电产品概念设计过程模型MCD与Siemens的产品生命周期管理软件Teamcenter结合使用，可支持机电一体化产品从需求定义到方案求解的概念设计全过程。具体的机械设计流程如图1所示：
2 应用实例
下面以圆形装载机的概念设计为例来说明基于NX平台中MCD的机电一体化产品概念设计的可操作性，并体现出基于MCD机电一体化产品概念设计与传统概念设计相比的优越性。具体步骤如下：
（1）设计需求的定义与管理
MCD能与Siemens的产品生命周期管理软件Teamcenter结合使用，以提供端到端的解决方案。在开发周期开始时，设计人员可以使用Teamcenter的需求管理和系统工程功能构建工程模型，体现出客户的意见。并通过分解功能部件，对各种变型进行描述，将它们与需求直接联系起来。这种功能模型可促进跨学科协同概念设计，从而确保在整个产品开发过程中满足客户期望，这是MCD相比于传统观念设计的一大优点，弥补了传统观念设计的不足。
圆形装载机的设计需求如表1所示：
表1 圆形装载机设计需求
（2）创建功能模型
在Teamcenter中根据设计需求创建的功能构建工程模型可以直接导入到MCD的功能导航器，且能与设计需求直接联系起来。
首先，定义机电一体化系统的基本功能：实现循环装载功能。
第二，在功能导航器中创建基于功能分解的功能树层次机构，如图2所示。
图2 功能树模型
第三，功能单元的重用：在机电一体化产品概念设计时，对于用在不同地方的同一功能，可以实现功能单元的重用。因此，可提高产品质量，并且可通过消除重新设计和返工加快开发速度。本例中的处理单元就是使用了功能单元的重用。
（3）定义机械概念
功能模型创建完成后，接下来首先就是要创建基于功能模型的粗糙3D模型，如图3所示。
图3 基于功能模型的粗糙三维模型图
其次，就是定义组件的机电属性和运动副联接类型，即从机械的角度来定义组件的行为。这也是基于MCD的机电产品概念设计与传统概念设计之间的重大区别。传统概念设计是需要建立一个机构库，然后从机构库中选择符合需求的运动机构；而在基于MCD机电一体化概念设计中，在建立好基于概念方案的粗糙三维模型后，就可以对模型中的组件随意定义所需要的机电属性以及运动副联接类型。机电属性包括刚体、碰撞体、传输面和碰撞材料等；运动副联接类型包括铰链联接、固定联接、滑动联接及球联接等。在MCD中包含了所有机械概念设计所需的机电属性和运动副联接类型。在本例中，定义组件的运动副联接类型如图4所示。
图4 运动特性
最后，为了能够将子功能与实现各子功能的部件链接起来，需要将完成各子功能的部件添加到功能导航器中功能树相对应的子功能中。
（4）添加抽象的执行机构
机械系统是机械运动来完成系统所需的功能，机械系统要实现运动光定义机电一体化系统的运动学特性是不够的，还需添加驱动运动副的执行机构。在MCD中添加的是广义执行机构系统，广义的执行机构没有几何体也没有特定的运动行为。MCD提供了两种类型的执行机构：速度控制和位置控制。在本例中定义的都是速度控制执行机构。
（5）定义基于时间的操作
定义完执行机构，就该定义执行机构是如何由操作控制的。每个执行机构都对应有一个基于时间的操作，且排列各个操作之间的顺序是基于时间概念的。圆形装载机的操作顺序首先是基座的旋转运动，接着是滑块的垂直运动，最后是握爪的线性运动。具体操作及顺序如图5所示。
图5 操作顺序
除了需要将实现子功能的组件与对应的子功能联系起来，同时还需要建立操作与功能之间的连接。因此，定义完基于时间的操作后，需要将操作添加到功能树对应的子功能中。
（6）添加传感器及定义
基于事件的操作要在机电一体化系统中定义一个基于事件的行为，就必须获得运行时的反馈信息。在MCD中提供了两种方法来访问运行时的数据。一是系统模型中的每个对象，如执行机构、运动副或传输面都提供了一个接口来访问它的特定的参数。另外就是使用传感器提供在机电一体化系统中刚体之间的相互作用产生的立即反馈。MCD中引入了一个新的对象称为碰撞传感器，这是一个提供了运行时参数的传感器对象。
定义基于事件的操作就是在机电一体化系统中定义由传感器或其他物体引发的事件操作。在本例中定义了两个碰撞传感器完成基于事件的操作。一个是用于提供滑块到达指定高度时停止继续滑动的信息；另一个提供是当握爪碰撞到工件台时停止运动的信息。定义基于事件的操作如图5所示。
（7）三维动态仿真
基于MCD机电一体化概念设计能够实现三维动态仿真，因此弥补了传统概念设计不能实现三维仿真的缺陷。MCD是基于NX平台的程序，因此借助优化的现实环境建模，并迅速定义机械概念和所需的机械行为后，接下来就是要对机电一体化系统进行仿真。MCD中的仿真技术基于游戏物理场引擎，可以基于简化数学模型将实际物理行为引入虚拟环境。该仿真技术易于使用。且仿真过程采用交互方式，因此可以通过鼠标指针施加作用力或移动对象。MCD可对一系列行为进行仿真，包括验证机械概念所需的一切，涉及运动学、动力学、碰撞、驱动器弹簧、凸轮、物料流等方面。
为了能够清楚的查看到仿真是各物体的运行时参数，MCD提供了一个实时观察器。使用实时观察器可以查看仿真时机电一体化系统中指定对象的运行时参数。通过对实时数据的分析，来评价所设计的方案是否满足设计需求，然后在进行概念设计方案的优化，直到得到满意的概念产品。
（8）用详细模型取代概念模型
基于MCD的机电一体化产品概念设计与传统概念设计相比的还有一显著特点就是能够将NX建模环境中创建详细三维模型取代基于概念方案的粗糙三维模型用，并将物理对象从粗糙几何模型移动到详细模型中。在基于详细三维模型的动态仿真中，可以更加真实的反应出机电一体化系统的运行情况是否满足设计需求，从而得出更理想的概念设计产品。用圆形装载机的详细模型取代概念模型后的效果如图6所示。
3 结束语
本文通过分析目前传统机电产品概念设计工具在机电产品概念设计中存在的不足与缺陷，从而提出了基于MCD的机电一体化产品概念设计。并通过实现圆形装载机的概念设计来说明基于NX平台中MCD的机电一体化产品概念设计的可操作性，以及与传统概念设计相比的优越性。由于能够轻松的定义和验证机电产品的设计，并能够实现功能单元的模块化和重用，从而能够提高产品质量加快产品开发速度。
图6 详细模型取代概念模型图 查看全部
1 机电一体化产品概念设计系统
1.1 传统机电产品概念设计系统
机电产品计算机辅助概念设计是近年新兴研究学科，目前，传统的机电产品概念设计系统并不多，且由设计系统时的侧重点不同，传统的机电产品概念设计系统存在着不同程度的不足与缺陷。有的偏重于控制部分，但对执行机构部分却不够深入不能体现出机械的主体地位；有的侧重于机械设计领域，对于控制系统的理论和应用研究不够，对于信息的处理等还有进一步的研究空间；有的较少考虑到机械部分、传感器及驱动器的特性，也没有考虑到几个部分之间的融合设计问题，从而不能全面反映以实现运动执行功能为主的机电一体化产品概念设计的实质；有的只具有对机电一体化系统建模、性能仿真、灵敏度分析等功能，而不具备产生方案的功能。且传统的机电产品概念设计都不能实现三维建模与三维的动态仿真效果。
以“三子系统论”为理论依据的MCD的机电产品概念设计，不仅突出了机电一体化系统中的机械主体地位。同时MCD能够实现功能设计方法，可集成上游和下游工程领域，包括需求管理、机械设计、电气设计以及软件自动化工程。从而能够实现多部门协同、缩短上市时间、重用现有知识，并且可以通过概念评估做出更好的决策。这是基于MCD与传统概念设计工具的本质区别。另外MCD实现了包含多物理场以及通常存在于机电一体化产品中的自动化相关行为的概念进行三维建模和仿真，从而能够得到更高质量的概念产品。
1.2 机电产品概念设计系统MCD的特点
基于MCD与传统的机电产品概念设计工具除了有上述的本质区别外，还有以下几个显著特点：
（1）集成式系统工程方法
MCD可以利用系统工程原则跟踪客户的要求，直至完成设计。功能模型使机械、电气和自动化部门能够通过共同的方式携手合作，有助于设计者更快交付设计、减少设计流程后期出现的集成问题。
（2）概念建模和基于物理场的仿真
MCD提供易于使用的建模和仿真，可在开发周期最初阶段迅速创建并验证备选概念。借助早期验证可帮助检测并纠正错误，此时解决错误成本最低。
（3）通过智能对象封装机电一体化数据实现重用
通过模块化和重用，MCD可帮助最大限度提高设计效率。借助该解决方案，您可获取智能对象中的机电一体化知识，并将这些知识存储在库中，供以后重用。在重用过程中，因为能够基于经验证的概念进行设计，所以可提高质量；并且可通过消除重新设计和返工加快开发速度。1.3在MCD中机电产品概念设计过程模型MCD与Siemens的产品生命周期管理软件Teamcenter结合使用，可支持机电一体化产品从需求定义到方案求解的概念设计全过程。具体的机械设计流程如图1所示：
2 应用实例
下面以圆形装载机的概念设计为例来说明基于NX平台中MCD的机电一体化产品概念设计的可操作性，并体现出基于MCD机电一体化产品概念设计与传统概念设计相比的优越性。具体步骤如下：
（1）设计需求的定义与管理
MCD能与Siemens的产品生命周期管理软件Teamcenter结合使用，以提供端到端的解决方案。在开发周期开始时，设计人员可以使用Teamcenter的需求管理和系统工程功能构建工程模型，体现出客户的意见。并通过分解功能部件，对各种变型进行描述，将它们与需求直接联系起来。这种功能模型可促进跨学科协同概念设计，从而确保在整个产品开发过程中满足客户期望，这是MCD相比于传统观念设计的一大优点，弥补了传统观念设计的不足。
圆形装载机的设计需求如表1所示：
表1 圆形装载机设计需求
（2）创建功能模型
在Teamcenter中根据设计需求创建的功能构建工程模型可以直接导入到MCD的功能导航器，且能与设计需求直接联系起来。
首先，定义机电一体化系统的基本功能：实现循环装载功能。
第二，在功能导航器中创建基于功能分解的功能树层次机构，如图2所示。
图2 功能树模型
第三，功能单元的重用：在机电一体化产品概念设计时，对于用在不同地方的同一功能，可以实现功能单元的重用。因此，可提高产品质量，并且可通过消除重新设计和返工加快开发速度。本例中的处理单元就是使用了功能单元的重用。
（3）定义机械概念
功能模型创建完成后，接下来首先就是要创建基于功能模型的粗糙3D模型，如图3所示。
图3 基于功能模型的粗糙三维模型图
其次，就是定义组件的机电属性和运动副联接类型，即从机械的角度来定义组件的行为。这也是基于MCD的机电产品概念设计与传统概念设计之间的重大区别。传统概念设计是需要建立一个机构库，然后从机构库中选择符合需求的运动机构；而在基于MCD机电一体化概念设计中，在建立好基于概念方案的粗糙三维模型后，就可以对模型中的组件随意定义所需要的机电属性以及运动副联接类型。机电属性包括刚体、碰撞体、传输面和碰撞材料等；运动副联接类型包括铰链联接、固定联接、滑动联接及球联接等。在MCD中包含了所有机械概念设计所需的机电属性和运动副联接类型。在本例中，定义组件的运动副联接类型如图4所示。
图4 运动特性
最后，为了能够将子功能与实现各子功能的部件链接起来，需要将完成各子功能的部件添加到功能导航器中功能树相对应的子功能中。
（4）添加抽象的执行机构
机械系统是机械运动来完成系统所需的功能，机械系统要实现运动光定义机电一体化系统的运动学特性是不够的，还需添加驱动运动副的执行机构。在MCD中添加的是广义执行机构系统，广义的执行机构没有几何体也没有特定的运动行为。MCD提供了两种类型的执行机构：速度控制和位置控制。在本例中定义的都是速度控制执行机构。
（5）定义基于时间的操作
定义完执行机构，就该定义执行机构是如何由操作控制的。每个执行机构都对应有一个基于时间的操作，且排列各个操作之间的顺序是基于时间概念的。圆形装载机的操作顺序首先是基座的旋转运动，接着是滑块的垂直运动，最后是握爪的线性运动。具体操作及顺序如图5所示。
图5 操作顺序
除了需要将实现子功能的组件与对应的子功能联系起来，同时还需要建立操作与功能之间的连接。因此，定义完基于时间的操作后，需要将操作添加到功能树对应的子功能中。
（6）添加传感器及定义
基于事件的操作要在机电一体化系统中定义一个基于事件的行为，就必须获得运行时的反馈信息。在MCD中提供了两种方法来访问运行时的数据。一是系统模型中的每个对象，如执行机构、运动副或传输面都提供了一个接口来访问它的特定的参数。另外就是使用传感器提供在机电一体化系统中刚体之间的相互作用产生的立即反馈。MCD中引入了一个新的对象称为碰撞传感器，这是一个提供了运行时参数的传感器对象。
定义基于事件的操作就是在机电一体化系统中定义由传感器或其他物体引发的事件操作。在本例中定义了两个碰撞传感器完成基于事件的操作。一个是用于提供滑块到达指定高度时停止继续滑动的信息；另一个提供是当握爪碰撞到工件台时停止运动的信息。定义基于事件的操作如图5所示。
（7）三维动态仿真
基于MCD机电一体化概念设计能够实现三维动态仿真，因此弥补了传统概念设计不能实现三维仿真的缺陷。MCD是基于NX平台的程序，因此借助优化的现实环境建模，并迅速定义机械概念和所需的机械行为后，接下来就是要对机电一体化系统进行仿真。MCD中的仿真技术基于游戏物理场引擎，可以基于简化数学模型将实际物理行为引入虚拟环境。该仿真技术易于使用。且仿真过程采用交互方式，因此可以通过鼠标指针施加作用力或移动对象。MCD可对一系列行为进行仿真，包括验证机械概念所需的一切，涉及运动学、动力学、碰撞、驱动器弹簧、凸轮、物料流等方面。
为了能够清楚的查看到仿真是各物体的运行时参数，MCD提供了一个实时观察器。使用实时观察器可以查看仿真时机电一体化系统中指定对象的运行时参数。通过对实时数据的分析，来评价所设计的方案是否满足设计需求，然后在进行概念设计方案的优化，直到得到满意的概念产品。
（8）用详细模型取代概念模型
基于MCD的机电一体化产品概念设计与传统概念设计相比的还有一显著特点就是能够将NX建模环境中创建详细三维模型取代基于概念方案的粗糙三维模型用，并将物理对象从粗糙几何模型移动到详细模型中。在基于详细三维模型的动态仿真中，可以更加真实的反应出机电一体化系统的运行情况是否满足设计需求，从而得出更理想的概念设计产品。用圆形装载机的详细模型取代概念模型后的效果如图6所示。
3 结束语
本文通过分析目前传统机电产品概念设计工具在机电产品概念设计中存在的不足与缺陷，从而提出了基于MCD的机电一体化产品概念设计。并通过实现圆形装载机的概念设计来说明基于NX平台中MCD的机电一体化产品概念设计的可操作性，以及与传统概念设计相比的优越性。由于能够轻松的定义和验证机电产品的设计，并能够实现功能单元的模块化和重用，从而能够提高产品质量加快产品开发速度。
图6 详细模型取代概念模型图 查看全部
一方面，随着现代社会机电产品的普及，机电一体化系统的设计所涉及到的专业领域逐渐增多，导致机电一体化产品具有多学科融合的特点，从而增加了机械产品复杂性，同时也增加了设计难度给机电产品的设计者提出了更高的要求。另一方面，在经济快速发展的今天，市场竞争日益激烈，为了提高产品的竞争能力，必须缩短设计周期，加快产品的更新换代速度，以适应消费者的需求。同时，概念设计是产品设计中的关键阶段，它在很大程度上决定着最终产品的性能、创造性、价格、市场响应速度和效率等，且概念设计阶段实际投入的费用只占产品开发总成本的5%，却决定了产品总成本的70%。因此，随着计算机图形学、多媒体技术、虚拟现实技术的发展以及CAD/CAM应用的深入，并借助于计算机强大的存储与检索能力，开发机电产品计算机辅助概念设计工具，实现机电产品计算机辅助概念设计是机电产品设计的关键。MCD作为基于NX平台的机电产品计算机辅助概念设计工具，适用于机电一体化产品的概念设计，由于MCD能够实现多学科的协同工作，从而可加快涉及机械、电气和软件设计学科的产品的开发速度，因此能够提高设计速度、提升设计质量。同时MCD可实现创新性的设计技术，帮助机械设计人员满足日益提高的要求，不断提高机械的生产效率、缩短设计周期和降低成本。
1 机电一体化产品概念设计系统
1.1 传统机电产品概念设计系统
机电产品计算机辅助概念设计是近年新兴研究学科，目前，传统的机电产品概念设计系统并不多，且由设计系统时的侧重点不同，传统的机电产品概念设计系统存在着不同程度的不足与缺陷。有的偏重于控制部分，但对执行机构部分却不够深入不能体现出机械的主体地位；有的侧重于机械设计领域，对于控制系统的理论和应用研究不够，对于信息的处理等还有进一步的研究空间；有的较少考虑到机械部分、传感器及驱动器的特性，也没有考虑到几个部分之间的融合设计问题，从而不能全面反映以实现运动执行功能为主的机电一体化产品概念设计的实质；有的只具有对机电一体化系统建模、性能仿真、灵敏度分析等功能，而不具备产生方案的功能。且传统的机电产品概念设计都不能实现三维建模与三维的动态仿真效果。
以“三子系统论”为理论依据的MCD的机电产品概念设计，不仅突出了机电一体化系统中的机械主体地位。同时MCD能够实现功能设计方法，可集成上游和下游工程领域，包括需求管理、机械设计、电气设计以及软件自动化工程。从而能够实现多部门协同、缩短上市时间、重用现有知识，并且可以通过概念评估做出更好的决策。这是基于MCD与传统概念设计工具的本质区别。另外MCD实现了包含多物理场以及通常存在于机电一体化产品中的自动化相关行为的概念进行三维建模和仿真，从而能够得到更高质量的概念产品。
1.2 机电产品概念设计系统MCD的特点
基于MCD与传统的机电产品概念设计工具除了有上述的本质区别外，还有以下几个显著特点：
（1）集成式系统工程方法
MCD可以利用系统工程原则跟踪客户的要求，直至完成设计。功能模型使机械、电气和自动化部门能够通过共同的方式携手合作，有助于设计者更快交付设计、减少设计流程后期出现的集成问题。
（2）概念建模和基于物理场的仿真
MCD提供易于使用的建模和仿真，可在开发周期最初阶段迅速创建并验证备选概念。借助早期验证可帮助检测并纠正错误，此时解决错误成本最低。
（3）通过智能对象封装机电一体化数据实现重用
通过模块化和重用，MCD可帮助最大限度提高设计效率。借助该解决方案，您可获取智能对象中的机电一体化知识，并将这些知识存储在库中，供以后重用。在重用过程中，因为能够基于经验证的概念进行设计，所以可提高质量；并且可通过消除重新设计和返工加快开发速度。1.3在MCD中机电产品概念设计过程模型MCD与Siemens的产品生命周期管理软件Teamcenter结合使用，可支持机电一体化产品从需求定义到方案求解的概念设计全过程。具体的机械设计流程如图1所示：
2 应用实例
下面以圆形装载机的概念设计为例来说明基于NX平台中MCD的机电一体化产品概念设计的可操作性，并体现出基于MCD机电一体化产品概念设计与传统概念设计相比的优越性。具体步骤如下：
（1）设计需求的定义与管理
MCD能与Siemens的产品生命周期管理软件Teamcenter结合使用，以提供端到端的解决方案。在开发周期开始时，设计人员可以使用Teamcenter的需求管理和系统工程功能构建工程模型，体现出客户的意见。并通过分解功能部件，对各种变型进行描述，将它们与需求直接联系起来。这种功能模型可促进跨学科协同概念设计，从而确保在整个产品开发过程中满足客户期望，这是MCD相比于传统观念设计的一大优点，弥补了传统观念设计的不足。
圆形装载机的设计需求如表1所示：
表1 圆形装载机设计需求
（2）创建功能模型
在Teamcenter中根据设计需求创建的功能构建工程模型可以直接导入到MCD的功能导航器，且能与设计需求直接联系起来。
首先，定义机电一体化系统的基本功能：实现循环装载功能。
第二，在功能导航器中创建基于功能分解的功能树层次机构，如图2所示。
图2 功能树模型
第三，功能单元的重用：在机电一体化产品概念设计时，对于用在不同地方的同一功能，可以实现功能单元的重用。因此，可提高产品质量，并且可通过消除重新设计和返工加快开发速度。本例中的处理单元就是使用了功能单元的重用。
（3）定义机械概念
功能模型创建完成后，接下来首先就是要创建基于功能模型的粗糙3D模型，如图3所示。
图3 基于功能模型的粗糙三维模型图
其次，就是定义组件的机电属性和运动副联接类型，即从机械的角度来定义组件的行为。这也是基于MCD的机电产品概念设计与传统概念设计之间的重大区别。传统概念设计是需要建立一个机构库，然后从机构库中选择符合需求的运动机构；而在基于MCD机电一体化概念设计中，在建立好基于概念方案的粗糙三维模型后，就可以对模型中的组件随意定义所需要的机电属性以及运动副联接类型。机电属性包括刚体、碰撞体、传输面和碰撞材料等；运动副联接类型包括铰链联接、固定联接、滑动联接及球联接等。在MCD中包含了所有机械概念设计所需的机电属性和运动副联接类型。在本例中，定义组件的运动副联接类型如图4所示。
图4 运动特性
最后，为了能够将子功能与实现各子功能的部件链接起来，需要将完成各子功能的部件添加到功能导航器中功能树相对应的子功能中。
（4）添加抽象的执行机构
机械系统是机械运动来完成系统所需的功能，机械系统要实现运动光定义机电一体化系统的运动学特性是不够的，还需添加驱动运动副的执行机构。在MCD中添加的是广义执行机构系统，广义的执行机构没有几何体也没有特定的运动行为。MCD提供了两种类型的执行机构：速度控制和位置控制。在本例中定义的都是速度控制执行机构。
（5）定义基于时间的操作
定义完执行机构，就该定义执行机构是如何由操作控制的。每个执行机构都对应有一个基于时间的操作，且排列各个操作之间的顺序是基于时间概念的。圆形装载机的操作顺序首先是基座的旋转运动，接着是滑块的垂直运动，最后是握爪的线性运动。具体操作及顺序如图5所示。
图5 操作顺序
除了需要将实现子功能的组件与对应的子功能联系起来，同时还需要建立操作与功能之间的连接。因此，定义完基于时间的操作后，需要将操作添加到功能树对应的子功能中。
（6）添加传感器及定义
基于事件的操作要在机电一体化系统中定义一个基于事件的行为，就必须获得运行时的反馈信息。在MCD中提供了两种方法来访问运行时的数据。一是系统模型中的每个对象，如执行机构、运动副或传输面都提供了一个接口来访问它的特定的参数。另外就是使用传感器提供在机电一体化系统中刚体之间的相互作用产生的立即反馈。MCD中引入了一个新的对象称为碰撞传感器，这是一个提供了运行时参数的传感器对象。
定义基于事件的操作就是在机电一体化系统中定义由传感器或其他物体引发的事件操作。在本例中定义了两个碰撞传感器完成基于事件的操作。一个是用于提供滑块到达指定高度时停止继续滑动的信息；另一个提供是当握爪碰撞到工件台时停止运动的信息。定义基于事件的操作如图5所示。
（7）三维动态仿真
基于MCD机电一体化概念设计能够实现三维动态仿真，因此弥补了传统概念设计不能实现三维仿真的缺陷。MCD是基于NX平台的程序，因此借助优化的现实环境建模，并迅速定义机械概念和所需的机械行为后，接下来就是要对机电一体化系统进行仿真。MCD中的仿真技术基于游戏物理场引擎，可以基于简化数学模型将实际物理行为引入虚拟环境。该仿真技术易于使用。且仿真过程采用交互方式，因此可以通过鼠标指针施加作用力或移动对象。MCD可对一系列行为进行仿真，包括验证机械概念所需的一切，涉及运动学、动力学、碰撞、驱动器弹簧、凸轮、物料流等方面。
为了能够清楚的查看到仿真是各物体的运行时参数，MCD提供了一个实时观察器。使用实时观察器可以查看仿真时机电一体化系统中指定对象的运行时参数。通过对实时数据的分析，来评价所设计的方案是否满足设计需求，然后在进行概念设计方案的优化，直到得到满意的概念产品。
（8）用详细模型取代概念模型
基于MCD的机电一体化产品概念设计与传统概念设计相比的还有一显著特点就是能够将NX建模环境中创建详细三维模型取代基于概念方案的粗糙三维模型用，并将物理对象从粗糙几何模型移动到详细模型中。在基于详细三维模型的动态仿真中，可以更加真实的反应出机电一体化系统的运行情况是否满足设计需求，从而得出更理想的概念设计产品。用圆形装载机的详细模型取代概念模型后的效果如图6所示。
3 结束语
本文通过分析目前传统机电产品概念设计工具在机电产品概念设计中存在的不足与缺陷，从而提出了基于MCD的机电一体化产品概念设计。并通过实现圆形装载机的概念设计来说明基于NX平台中MCD的机电一体化产品概念设计的可操作性，以及与传统概念设计相比的优越性。由于能够轻松的定义和验证机电产品的设计，并能够实现功能单元的模块化和重用，从而能够提高产品质量加快产品开发速度。
图6 详细模型取代概念模型图
1 机电一体化产品概念设计系统
1.1 传统机电产品概念设计系统
机电产品计算机辅助概念设计是近年新兴研究学科，目前，传统的机电产品概念设计系统并不多，且由设计系统时的侧重点不同，传统的机电产品概念设计系统存在着不同程度的不足与缺陷。有的偏重于控制部分，但对执行机构部分却不够深入不能体现出机械的主体地位；有的侧重于机械设计领域，对于控制系统的理论和应用研究不够，对于信息的处理等还有进一步的研究空间；有的较少考虑到机械部分、传感器及驱动器的特性，也没有考虑到几个部分之间的融合设计问题，从而不能全面反映以实现运动执行功能为主的机电一体化产品概念设计的实质；有的只具有对机电一体化系统建模、性能仿真、灵敏度分析等功能，而不具备产生方案的功能。且传统的机电产品概念设计都不能实现三维建模与三维的动态仿真效果。
以“三子系统论”为理论依据的MCD的机电产品概念设计，不仅突出了机电一体化系统中的机械主体地位。同时MCD能够实现功能设计方法，可集成上游和下游工程领域，包括需求管理、机械设计、电气设计以及软件自动化工程。从而能够实现多部门协同、缩短上市时间、重用现有知识，并且可以通过概念评估做出更好的决策。这是基于MCD与传统概念设计工具的本质区别。另外MCD实现了包含多物理场以及通常存在于机电一体化产品中的自动化相关行为的概念进行三维建模和仿真，从而能够得到更高质量的概念产品。
1.2 机电产品概念设计系统MCD的特点
基于MCD与传统的机电产品概念设计工具除了有上述的本质区别外，还有以下几个显著特点：
（1）集成式系统工程方法
MCD可以利用系统工程原则跟踪客户的要求，直至完成设计。功能模型使机械、电气和自动化部门能够通过共同的方式携手合作，有助于设计者更快交付设计、减少设计流程后期出现的集成问题。
（2）概念建模和基于物理场的仿真
MCD提供易于使用的建模和仿真，可在开发周期最初阶段迅速创建并验证备选概念。借助早期验证可帮助检测并纠正错误，此时解决错误成本最低。
（3）通过智能对象封装机电一体化数据实现重用
通过模块化和重用，MCD可帮助最大限度提高设计效率。借助该解决方案，您可获取智能对象中的机电一体化知识，并将这些知识存储在库中，供以后重用。在重用过程中，因为能够基于经验证的概念进行设计，所以可提高质量；并且可通过消除重新设计和返工加快开发速度。1.3在MCD中机电产品概念设计过程模型MCD与Siemens的产品生命周期管理软件Teamcenter结合使用，可支持机电一体化产品从需求定义到方案求解的概念设计全过程。具体的机械设计流程如图1所示：
2 应用实例
下面以圆形装载机的概念设计为例来说明基于NX平台中MCD的机电一体化产品概念设计的可操作性，并体现出基于MCD机电一体化产品概念设计与传统概念设计相比的优越性。具体步骤如下：
（1）设计需求的定义与管理
MCD能与Siemens的产品生命周期管理软件Teamcenter结合使用，以提供端到端的解决方案。在开发周期开始时，设计人员可以使用Teamcenter的需求管理和系统工程功能构建工程模型，体现出客户的意见。并通过分解功能部件，对各种变型进行描述，将它们与需求直接联系起来。这种功能模型可促进跨学科协同概念设计，从而确保在整个产品开发过程中满足客户期望，这是MCD相比于传统观念设计的一大优点，弥补了传统观念设计的不足。
圆形装载机的设计需求如表1所示：
表1 圆形装载机设计需求
（2）创建功能模型
在Teamcenter中根据设计需求创建的功能构建工程模型可以直接导入到MCD的功能导航器，且能与设计需求直接联系起来。
首先，定义机电一体化系统的基本功能：实现循环装载功能。
第二，在功能导航器中创建基于功能分解的功能树层次机构，如图2所示。
图2 功能树模型
第三，功能单元的重用：在机电一体化产品概念设计时，对于用在不同地方的同一功能，可以实现功能单元的重用。因此，可提高产品质量，并且可通过消除重新设计和返工加快开发速度。本例中的处理单元就是使用了功能单元的重用。
（3）定义机械概念
功能模型创建完成后，接下来首先就是要创建基于功能模型的粗糙3D模型，如图3所示。
图3 基于功能模型的粗糙三维模型图
其次，就是定义组件的机电属性和运动副联接类型，即从机械的角度来定义组件的行为。这也是基于MCD的机电产品概念设计与传统概念设计之间的重大区别。传统概念设计是需要建立一个机构库，然后从机构库中选择符合需求的运动机构；而在基于MCD机电一体化概念设计中，在建立好基于概念方案的粗糙三维模型后，就可以对模型中的组件随意定义所需要的机电属性以及运动副联接类型。机电属性包括刚体、碰撞体、传输面和碰撞材料等；运动副联接类型包括铰链联接、固定联接、滑动联接及球联接等。在MCD中包含了所有机械概念设计所需的机电属性和运动副联接类型。在本例中，定义组件的运动副联接类型如图4所示。
图4 运动特性
最后，为了能够将子功能与实现各子功能的部件链接起来，需要将完成各子功能的部件添加到功能导航器中功能树相对应的子功能中。
（4）添加抽象的执行机构
机械系统是机械运动来完成系统所需的功能，机械系统要实现运动光定义机电一体化系统的运动学特性是不够的，还需添加驱动运动副的执行机构。在MCD中添加的是广义执行机构系统，广义的执行机构没有几何体也没有特定的运动行为。MCD提供了两种类型的执行机构：速度控制和位置控制。在本例中定义的都是速度控制执行机构。
（5）定义基于时间的操作
定义完执行机构，就该定义执行机构是如何由操作控制的。每个执行机构都对应有一个基于时间的操作，且排列各个操作之间的顺序是基于时间概念的。圆形装载机的操作顺序首先是基座的旋转运动，接着是滑块的垂直运动，最后是握爪的线性运动。具体操作及顺序如图5所示。
图5 操作顺序
除了需要将实现子功能的组件与对应的子功能联系起来，同时还需要建立操作与功能之间的连接。因此，定义完基于时间的操作后，需要将操作添加到功能树对应的子功能中。
（6）添加传感器及定义
基于事件的操作要在机电一体化系统中定义一个基于事件的行为，就必须获得运行时的反馈信息。在MCD中提供了两种方法来访问运行时的数据。一是系统模型中的每个对象，如执行机构、运动副或传输面都提供了一个接口来访问它的特定的参数。另外就是使用传感器提供在机电一体化系统中刚体之间的相互作用产生的立即反馈。MCD中引入了一个新的对象称为碰撞传感器，这是一个提供了运行时参数的传感器对象。
定义基于事件的操作就是在机电一体化系统中定义由传感器或其他物体引发的事件操作。在本例中定义了两个碰撞传感器完成基于事件的操作。一个是用于提供滑块到达指定高度时停止继续滑动的信息；另一个提供是当握爪碰撞到工件台时停止运动的信息。定义基于事件的操作如图5所示。
（7）三维动态仿真
基于MCD机电一体化概念设计能够实现三维动态仿真，因此弥补了传统概念设计不能实现三维仿真的缺陷。MCD是基于NX平台的程序，因此借助优化的现实环境建模，并迅速定义机械概念和所需的机械行为后，接下来就是要对机电一体化系统进行仿真。MCD中的仿真技术基于游戏物理场引擎，可以基于简化数学模型将实际物理行为引入虚拟环境。该仿真技术易于使用。且仿真过程采用交互方式，因此可以通过鼠标指针施加作用力或移动对象。MCD可对一系列行为进行仿真，包括验证机械概念所需的一切，涉及运动学、动力学、碰撞、驱动器弹簧、凸轮、物料流等方面。
为了能够清楚的查看到仿真是各物体的运行时参数，MCD提供了一个实时观察器。使用实时观察器可以查看仿真时机电一体化系统中指定对象的运行时参数。通过对实时数据的分析，来评价所设计的方案是否满足设计需求，然后在进行概念设计方案的优化，直到得到满意的概念产品。
（8）用详细模型取代概念模型
基于MCD的机电一体化产品概念设计与传统概念设计相比的还有一显著特点就是能够将NX建模环境中创建详细三维模型取代基于概念方案的粗糙三维模型用，并将物理对象从粗糙几何模型移动到详细模型中。在基于详细三维模型的动态仿真中，可以更加真实的反应出机电一体化系统的运行情况是否满足设计需求，从而得出更理想的概念设计产品。用圆形装载机的详细模型取代概念模型后的效果如图6所示。
3 结束语
本文通过分析目前传统机电产品概念设计工具在机电产品概念设计中存在的不足与缺陷，从而提出了基于MCD的机电一体化产品概念设计。并通过实现圆形装载机的概念设计来说明基于NX平台中MCD的机电一体化产品概念设计的可操作性，以及与传统概念设计相比的优越性。由于能够轻松的定义和验证机电产品的设计，并能够实现功能单元的模块化和重用，从而能够提高产品质量加快产品开发速度。
图6 详细模型取代概念模型图
