UG NX在机电产品概念设计中应用与研究*

肖祖东，柳和生，李 标，饶锡新

(南昌大学 机电工程学院，南昌 330031)

UG NX在机电产品概念设计中应用与研究*

肖祖东，柳和生，李 标，饶锡新

(南昌大学 机电工程学院，南昌 330031)

由于机电产品设计的多学科融合性、复杂性及概念设计的重要性，利用机电产品的计算机辅助概念设计系统来完成机电产品的概念设计，是提高机电产品设计质量、赢得市场竞争的重要途径。论文首先阐述了在传统的机电产品概念设计中存在的不足，并提出了基于UG NX平台中MCD(Mechatronics Concept Designer)的机电产品概念设计；其次，简单介绍了基于MCD的机电产品概念设计的特点和设计过程模型；最后，以圆形装载机的概念设计为例来说明基于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。

机电一体化；概念设计；计算机辅助；MCD

0 引言

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%[1]。因此，随着计算机图形学、多媒体技术、虚拟现实技术[2]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UG 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[3]；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[4]；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[5]；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[6]。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[7]。

以“三子系统论”[8]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Team- center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：

图1 一般过程模型图

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UG 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[9]；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UG 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UG 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UG 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 [参考文献]

[1] 程志刚, 李瑞琴, 董亚峰, 等. 机电一体化产品概念设计理论现状与展望[J]. 中北大学学报(自然科学版), 2006(1): 18-22.

[2] 梁艳霞, 聂如春. 基于虚拟现实技术的计算机辅助概念设计[J]. 机械工程师, 2002(4): 8-10.

[3] Dawson JCIPD, Duffy M. Schemebuilder: computer aided knowledge based design of mechatronic systems[J]. Assembly Automation, 1999,19(2): 129-138.

[4] 李沛刚. 基于功构模式的产品概念设计理论和方法研究[D]:济南： 山东大学, 2010.

[5] Isermann R. Modeling and design methodology for mechatronic systems[J]. Mechatronics, IEEE/ASME Transactions on, 1996,1(1): 16-28.

[6] 李瑞琴, 邹慧君. 机电一体化产品概念设计理论研究现状与发展展望[J]. 机械设计与研究, 2003(3): 10-13，16.

[7] 赵雪峰. 基于运动的机械产品概念设计研究及应用[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学, 2007.

[8] 邹慧君, 廖武, 郭为忠, 等. 机电一体化系统概念设计的基本原理[J]. 机械设计与研究, 1999(3): 14-17.

[9] 王军. 基于功能的机电产品概念设计方法研究与应用[D].武汉：武汉理工大学, 2009.

(编辑 李秀敏)

Application and Research of UG NX in the Conceptual Design of Mechatronic Products

XIAO Zu-dong, LIU He-sheng, LI Biao , RAO Xi-xin

(School of Mechatronic Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, China)

Due to the multidisciplinary integration, complexity and importance of conceptual design of mechatronic products design, the use of computer-aided conceptual design system of mechatronic products to complete the conceptual design of mechatronic products, is an important way to improve the design of mechatronic products quality and win the market competition. Paper elaborates on the traditional deficiencies in the conceptual design of mechatronic products, and made based on UG NX platform MCD (Mechatronics Concept Designer) conceptual design of mechatronic products; secondly, introduces characteristics of product mechatronic conceptual design based on MCD and the design process model; finally, With round loader concept as an example to illustrate the conceptual design of mechatronic products based on MCD maneuverability as well as compared with the traditional conceptual design of superiority.

mechatronics; conceptual design; computer aided; MCD

1001-2265(2014)07-0027-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.07.008

2013-09-13

国家自然科学基金项目(51065021)

肖祖东(1989—)，男，江西赣州人，南昌大学硕士研究生，从事数字化产品设计、机电一体化产品计算机辅助概念设计的研究，(E-mail)xzd08017@126.com。

TH122;TG506

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