CN103744296B - 一种机电控一体化优化设计方法 - Google Patents

Abstract

一种机电控一体化优化设计方法，首先建立包含机械结构模型、电机模型和控制系统模型的机电控模型；然后优化机械结构模型的每个物理参数以及控制系统模型的控制算法或控制参数至与工作条件相适应，然后进行仿真；同时根据优化过程中获得的电机响应特性曲线建立电机模型；最后确定机械结构模型的几何参数，再根据优化后的机械结构模型及其几何参数、电机模型和控制系统模型进行样机试制，重复步骤2）至得到试制样机与机电控模型相一致的机械产品。本发明在产品投产之前直接对机、电、控优化以获得未来产品的性能，真正实现了机电控一体化和深度融合，对提高制造企业的整体技术水平、提升装备质量、节约成本及提高效率具有重要的作用。

Description

一种机电控一体化优化设计方法

技术领域

本发明属于机械加工技术领域，具体涉及一种机电控一体化优化设计方法。

背景技术

现在复杂机电装备生产中，一方面，对于其加工精度及性能要求越来越高；另一方面，为了满足客户需求和提高效率，在较短时间内完成设计、制造并达到客户需求又带来严峻挑战。及早发现设计中存在的问题并及时改正就显得至关重要。传统的设计方法中，不同的设计人员分别对产品的机械系统与控制系统进行设计、调试与试验，若发现问题则需分别对机械系统及控制系统进行改进，这样既费时又费力。如何对产品在设计初期即发现其不足并改进，即实现机电一体化一直没有答案。

发明内容

本发明的目的是提供一种机电控一体化优化设计方法，其综合三维建模、动力学分析和系统控制软件，解决了困扰企业的如何选电机的技术难题，对提高制造企业的整体技术水平、提升装备质量、节约成本以及提高效率具有重要的作用。

为实现上述目的，本发明是通过如下方案来实现的：

1）首先建立包含机械结构模型、电机模型和控制系统模型的机电控模型；

2）然后优化机械结构模型的每个物理参数以及控制系统模型的控制算法或控制参数至与工作条件相适应，然后进行仿真；同时根据优化过程中获得的电机响应特性曲线建立电机模型；

3）最后基于步骤2）的机械结构模型物理参数，确定机械结构模型的几何参数，再根据优化后的机械结构模型及其几何参数、电机模型和控制系统模型进行样机试制，得到试制样机，根据试制样机与机电控模型的误差，对试制样机重复进行步骤2）至得到与机电控模型相一致的机械产品。

所述步骤1）中建立包含机械结构模型、电机模型和控制系统模型的机电控模型的具体方法为：通过Pro/E或Solidworks设计三维模型，然后将三维模型导入Admas软件中，加上约束和驱动后变为可视化的机械结构模型的多体动力学模型，同时在Simulink中设计控制算法，建立控制系统模型；根据电机响应特性曲线建立电机模型。

所述步骤2）中若没有与响应特性曲线相对应的电机则根据工作条件调整控制算法或控制参数并进行仿真与优化，以获得与工作条件和机械结构相适应的电机。

相对于现有技术，本发明具有的有益效果：

本发明在产品设计初期即把产品的机械与控制系统进行一体化设计，这样不仅容易发现产品在机械与控制方面的缺陷与亟待改进的地方，同时相比于机械与控制系统分别建模设计，这样可以省去分别返回各自中重新建模、设计的时间与精力，而得到各方面参数都优化了的产品模型。对电机的优化则可以得到与实际需求最相匹配的电机，可以更好地利用能源，发挥电机最大的功效，最终得到的设计产品在机电控各方面都实现了最优化。

本发明的机、电、控一体化优化设计方法比目前虚拟样机技术更前进一步，在产品投产之前直接对机、电、控优化以获得未来产品的性能，真正实现了机电控一体化和深度融合，同时还解决了之前长期困扰企业的如何选电机的技术难题，对提高制造企业的整体技术水平、提升装备质量、节约成本以及提高效率具有重要的作用。

附图说明

图1是机、电、控一体化优化设计的过程示意图；

图2是根据优化结果生成试制样机过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

参照图1，本发明包括以下步骤：

1）首先建立包含机械结构模型、电机模型和控制系统模型的机电控模型；建立机械结构物理参数与控制算法联合优化方法为：首先通过Pro/E、Solidworks或其他三位建模软件设计三维模型，然后将三维模型导入动力学仿真软件Adams中，加上约束和驱动后变为可视化的多体动力学模型，再将该模型导入Simulink中，建立机械机构模型与控制系统模型；同时采用Simulink设计控制算法，建立电机模型。

2）然后优化机械结构模型的每个物理参数以及控制系统模型的控制算法或控制参数至与工作条件相适应，然后进行仿真；同时根据优化过程中获得的电机响应特性曲线建立电机模型。

控制系统模型输出控制变量，如力、转矩、电压等，驱动机械结构模型。机械结构模型在控制系统输出的指令下产生动作，同时将其状态变量，如位移、速度等作为反馈信息输出到控制系统。控制系统结合反馈信息的当前状态与指令状态进行比较，对控制算法做出调整，输出控制指令驱动机械结构模型对于其物理结构做出调整并继续依照指令动作，同时机械结构模型再次输出反馈信息。如此反复调试，最终达到优化的机械结构模型的物理参数与控制算法或控制参数。

对机械结构物理参数、控制系统和电机参数采取单因素优化与综合优化，得到最优的结构物理参数、控制算法/参数和电机机械/电气特性参数。

基于优化的结构物理参数，进一步设计并优化机械系统每个零部件的具体结构，并最终形成图纸。本发明提出的这种机械系统设计方法是依据结构物理参数进行设计与优化，与传统的基于强度刚度的轻量化设计完全不同，因为根据结构物理参数，有时轻量化可能会降低产品性能。

3）最后基于步骤2）的机械结构模型物理参数，确定机械结构模型的几何参数，再根据优化后的械结构模型及其几何参数、电机模型和控制系统模型进行样机试制，得到试制样机，基于试制样机的参数和机电控模型的参数的误差，对试制样机的机械结构的每个物理参数以及控制系统的控制算法或控制参数以及电机进行优化，得到试制样机与机电控模型相一致的机械产品。

参照图1，建立执行部分电机与控制算法的优化方法。根据物理参数优化过程中的电机响应特性曲线来选择电机，如果没有合适电机（即与响应特性曲线相对应的电机）则根据工作条件在控制算法或控制参数与电机特性之间进行仿真与优化，从而获得与工作条件和机械结构相适应的电机。

参照图2，在由图1流程获得的满足工艺要求的机、电、控机电控模型指导下进行样机试制，对于机械部分的几何参数则根据优化的物理参数确定，达到机械部分刚度、强度、稳定性等的最优化，最终获得满足要求的机械产品。

本发明提供一种综合三维建模、动力学分析和系统控制软件的机、电、控一体化设计与优化的产品开发方法。在传统机械产品设计模式中，控制系统设计和机械系统设计是独立进行的，如此则无法在产品设计初期就发现机电不匹配问题，造成人力、物力、财力和时间成本的浪费。本发明提出的设计优化方法则在产品投产之前先在计算机中构建包括结构部分、执行部分和控制系统的完整的电子模型，并对结构部分的物理参数、控制系统的控制算法以及执行部分的电机进行单因素优化与综合优化，使得产品实物试制出来前就能够对其运行性能进行定量预估。而且不同于以往根据刚度、强度要求设计机械结构，而是在满足机械性能要求的理论指导下对机械结构几何参数进行定性设计，如此得到机械动力学性能以及刚度、强度都满足要求的机械产品。

本发明的机、电、控一体化设计与优化方法比目前虚拟样机技术更前进一步，在产品投产之前直接对机、电、控优化以获得未来产品的性能，真正实现了机电控一体化和深度融合，同时还解决了之前长期困扰企业的如何选电机的技术难题而且机械结构部分在满足机械动力学性能要求前提下进行定性设计。对提高制造企业的整体技术水平、提升装备质量、节约成本以及提高效率具有重要的作用。

Claims (2)

1.一种机电控一体化优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)首先建立包含机械结构模型、电机模型和控制系统模型的机电控模型；

2)然后控制系统模型输出控制变量，驱动机械结构模型，机械结构模型在控制系统输出的指令下产生动作，将反馈信息输出到控制系统，控制系统结合反馈信息的当前状态与指令状态进行比较，对控制算法做出调整，输出控制指令驱动机械结构模型对于其物理结构再次修改物理参数并继续依照指令动作，同时机械结构模型再次输出反馈信息，如此反复调试，最终达到优化的机械结构模型的物理参数与控制算法或控制参数；优化机械结构模型的每个物理参数以及控制系统模型的控制算法或控制参数至与工作条件相适应，再进行仿真；同时根据优化过程中电机响应特性曲线建立的电机模型选择电机；若没有与响应特性曲线相对应的电机则根据工作条件调整控制算法或控制参数并进行仿真与优化，以获得与工作条件和机械结构相适应的参数；

3)最后基于步骤2)的机械结构模型物理参数，确定机械结构模型的几何参数，再根据优化后的机械结构模型及其几何参数、电机模型和控制系统模型进行样机试制，得到试制样机，根据试制样机与机电控模型的误差，对试制样机重复进行步骤2)至得到与机电控模型相一致的机械产品；

所述设计方法是在产品投产之前，先在计算机中构建包括结构部分、执行部分和控制系统的完整的电子模型，并对所述结构部分的物理参数、所述控制系统的控制算法以及所述执行部分的电机进行单因素优化与综合优化，使得产品实物试制出来前就能够对产品运行性能进行定量预估；而且不同于以往根据刚度、强度要求设计机械结构，而是在满足机械性能要求的理论指导下对机械结构几何参数进行定性设计。

2.根据权利要求1所述的一种机电控一体化优化设计方法，其特征在于，所述步骤1)中建立包含机械结构模型、电机模型和控制系统模型的机电控模型的具体方法为：通过Pro/E或Solidworks设计三维模型，然后将三维模型导入Admas软件中，加上约束和驱动后变为可视化的机械结构模型的多体动力学模型，同时在Simulink中设计控制算法，建立控制系统模型；根据电机响应特性曲线建立电机模型。