機電一體化協(xié)同設(shè)計平臺研究

徐海衛(wèi)，曾瀟

XU Hai-wei , ZENG Xiao

（中國測試技術(shù)研究院，成都 610021）

機電一體化協(xié)同設(shè)計平臺研究

Research on cooperative design platform for mechatronics

徐海衛(wèi)，曾瀟

XU Hai-wei , ZENG Xiao

（中國測試技術(shù)研究院，成都 610021）

為了提高機電一體化產(chǎn)品設(shè)計中多學(xué)科多專業(yè)設(shè)計人員協(xié)同設(shè)計的效率，利用CAX軟件，基于Web的項目組級PDM，UML技術(shù)，虛擬現(xiàn)實樣機技術(shù)搭建機電一體化協(xié)同設(shè)計平臺，來滿足機電一體化多學(xué)科的高效協(xié)同設(shè)計。重點討論了組成該協(xié)同設(shè)計平臺的基于Web的項目組級PDM服務(wù)器和完成各種設(shè)計任務(wù)的工作站群，以及該平臺的運作過程。該平臺的試驗性運行結(jié)果表明，該機電一體化協(xié)同設(shè)計平臺能夠提高設(shè)計團(tuán)隊多學(xué)科多專業(yè)的設(shè)計人員協(xié)同設(shè)計效率，并且在設(shè)計過程中，設(shè)計人員進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計的比重有所增加。

機電一體化；協(xié)同設(shè)計；PDM系統(tǒng)；UML技術(shù)；虛擬樣機；CAX軟件

0 引言

機電一體化又稱機械電子工程，英語稱為Mechatronics，它是由英文機械學(xué)Mechanics的前半部分與電子學(xué) Electronics的后半部分組合而成。機電一體化技術(shù)是機械技術(shù)、電子電工技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、信息管理技術(shù)及其它一些相關(guān)技術(shù)的完美結(jié)合。機電一體化產(chǎn)品的設(shè)計則是由多個學(xué)科的設(shè)計人員圍繞一個設(shè)計對象來完成各自負(fù)責(zé)部分的設(shè)計，這不僅要求各專業(yè)的設(shè)計人員能快速、有效、富有創(chuàng)新性的設(shè)計出自己負(fù)責(zé)的部分，同時還必須跨專業(yè)進(jìn)行緊密的協(xié)作。

機電一體化協(xié)同設(shè)計就是以計算機網(wǎng)絡(luò)、虛擬現(xiàn)實、多媒體以及群件等技術(shù)為基礎(chǔ)，旨在克服地域和時間的障礙，組織機電領(lǐng)域多學(xué)科專家實現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的協(xié)同開發(fā)，以適應(yīng)21世紀(jì)“全球市場”與“全球制造”的需要。

本文利用現(xiàn)有的CAX軟件（CAX是計算機輔助設(shè)計、計算機輔助工程、計算機輔助制造、計算機輔助工藝計劃、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的統(tǒng)稱），基于WEB的項目級PDM，UML技術(shù)，虛擬現(xiàn)實樣機技術(shù)搭建機電一體化協(xié)同設(shè)計平臺，來滿足機電一體化多學(xué)科的高效協(xié)同設(shè)計。

1 平臺架構(gòu)

圖1 機電一體化協(xié)同設(shè)計平臺架構(gòu)

如圖1所示為該機電一體化協(xié)同設(shè)計平臺的架構(gòu)，由一個基于WEB的項目級PDM服務(wù)器和若干完成不同設(shè)計任務(wù)的工作站群通過局域網(wǎng)的方式進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，并通過設(shè)計部門的網(wǎng)關(guān)和企業(yè)級網(wǎng)關(guān)分別連入Intranet（企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)）和Internet。各工作站群通過基于Web的項目組級PDM服務(wù)器進(jìn)行設(shè)計數(shù)據(jù)交互，從而為協(xié)同設(shè)計打下基礎(chǔ)。圖1中的MCAD是指機械CAD軟件如Pro/E、UG等，ECAD是指電氣CAD軟件，如電氣版AutoCAD等，EDA是指電氣設(shè)計自動化軟件如Altium Designer、PADS等，CAE是指計算機輔助工程軟件如ADAMS、ANSYS、Matlab等。

2 基于Web的項目組級PDM

PDM是 Product Data Management（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）的縮寫，是指某一類軟件的總稱。PDM是一種幫助工程師和其他人員管理產(chǎn)品數(shù)據(jù)和產(chǎn)品研發(fā)過程的工具。PDM系統(tǒng)確保跟蹤那些設(shè)計、制造所需的大量數(shù)據(jù)和信息，并由此支持和維護(hù)產(chǎn)品。PDM軟件可以用來對文字檔案、圖形檔案以及數(shù)據(jù)庫記錄進(jìn)行系統(tǒng)的規(guī)劃和管理，這些具體的工作包括：產(chǎn)品形態(tài)管理、零組件定義以及其它設(shè)計信息、規(guī)格、CAD文件、幾何模型、圖像文件(掃描文件，照片等)、工程分析模型與分析結(jié)果、制造程序規(guī)劃、NC程序檔案、產(chǎn)品的軟件元件、有關(guān)文件、標(biāo)注以及關(guān)連性的電子形式的信息、聲音與影像、紙張形式的文件或是微縮片（索引目錄控制）、項目規(guī)劃等?？偠灾琍DM是依托IT技術(shù)實現(xiàn)企業(yè)最優(yōu)化管理的有效方法，是科學(xué)的管理框架與企業(yè)現(xiàn)實問題相結(jié)合的產(chǎn)物，是計算機技術(shù)與企業(yè)文化相結(jié)合的一種產(chǎn)品。PDM系統(tǒng)由于其功能性、系統(tǒng)獨立性、規(guī)模性、開放性等區(qū)別而大致分為兩類。一種是面向設(shè)計團(tuán)隊（項目組），針對具體開發(fā)項目，運行在局域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的PDM，稱其“項目組級PDM”。另一種PDM產(chǎn)品是高層次的“企業(yè)級PDM”系統(tǒng)。它可按用戶需求以任意規(guī)模組成多硬件平臺、多網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、多數(shù)據(jù)庫、多層分布式Server、多種應(yīng)用軟件一起集成的跨企業(yè)、跨地區(qū)的超大型PDM系統(tǒng)，為企業(yè)提供基于并行工程思想的完整解決方案。在這里，我們用到的是項目組級PDM。

傳統(tǒng)的PDM主要面向企業(yè)內(nèi)部的基于C/S（Client/Server即客戶/服務(wù)器）體系結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)管理，在企業(yè)間的信息協(xié)同交流、用戶友好性、維護(hù)復(fù)雜性等方面都存在不足，而基于B/S（Browsert/Server即瀏覽器/服務(wù)器）體系結(jié)構(gòu)則是利用不斷成熟的WWW瀏覽器技術(shù)，結(jié)合瀏覽器的多種腳本語言，不但解決了系統(tǒng)安裝、修改和維護(hù)的方便性，而且提供了異種機、異種網(wǎng)、異種應(yīng)用服務(wù)的聯(lián)機、聯(lián)網(wǎng)、統(tǒng)一服務(wù)等。所以，基于Web的項目組級PDM把大量的處理放在了服務(wù)器，減輕了客戶機的負(fù)荷，客戶機只要有瀏覽器便可以和該PDM進(jìn)行交互，帶來的好處便是維護(hù)和升級方便，成本低，選擇更多，更適合機電領(lǐng)域多學(xué)科設(shè)計人員交互的需要，如一個設(shè)計團(tuán)隊有的設(shè)計在Windows環(huán)境下進(jìn)行，同時存在Linux環(huán)境下的軟件開發(fā)，這樣基于B/S的交互就避免了操作系統(tǒng)不一樣帶來的問題。

3 工作站群

在機電一體化協(xié)同設(shè)計平臺中，包含若干執(zhí)行不同任務(wù)的工作站群，這是按照設(shè)計人員的專業(yè)知識背景劃分并加入設(shè)計管理工作站群。

機械設(shè)計工作站群完成機械設(shè)計方面的工作，這主要包括任務(wù)書獲取，按照產(chǎn)品方案和設(shè)計流程對所負(fù)責(zé)的機械部分進(jìn)行設(shè)計計算、用MCAD（機械CAD）建模，用相關(guān)CAE軟件如ADAMS等對模型進(jìn)行仿真、分析、優(yōu)化，然后修改模型，轉(zhuǎn)換為工程圖，提交給PDM。

電子電氣硬件設(shè)計工作站群中按照職能可劃分為電路原理設(shè)計、PCB設(shè)計和電氣系統(tǒng)設(shè)計。電路原理和PCB設(shè)計主要是對電氣系統(tǒng)中完成特定功能的控制設(shè)備、變送設(shè)備、通訊設(shè)備等進(jìn)行芯片級的設(shè)計，該設(shè)計利用EDA軟件如Altium Designer、PADS等，按照產(chǎn)品方案和設(shè)計流程對電路原理進(jìn)行設(shè)計和仿真，提交給PDM，負(fù)責(zé)PCB設(shè)計的人員從PDM獲取相關(guān)電路原理圖，相關(guān)的機械結(jié)構(gòu)圖，按照產(chǎn)品方案和設(shè)計流程，進(jìn)行PCB設(shè)計，并用相關(guān)軟件對EMC(電磁兼容)進(jìn)行仿真分析和評估。電氣設(shè)計利用ECAD(電氣CAD)及其它相關(guān)軟件來進(jìn)行電氣原理圖、電氣布置安裝圖和電氣安裝接線圖的設(shè)計，并提交給PDM。

控制算法及軟件設(shè)計工作站群的職能是按照產(chǎn)品方案和設(shè)計流程，以特定設(shè)備的硬件原理為參考，對其進(jìn)行控制算法和軟件的設(shè)計。控制算法（如PID、自適應(yīng)算法等）可使用CAE軟件如Matlab等進(jìn)行開發(fā)和仿真分析，然后利用特定的軟件開發(fā)工具（如嵌入式軟件開發(fā)工具ADS、Keil等）對設(shè)計好的控制算法及其它控制功能用計算機語言進(jìn)行描述及其調(diào)試，最后提交給PDM。

虛擬樣機構(gòu)建及評估工作站群通過PDM獲取機械裝配好的機械樣機模型和控制算法，按照產(chǎn)品方案和設(shè)計流程利用相關(guān)CAE軟件如ADAMS和CAE軟件如Matlab建立機電一體化樣機，并進(jìn)行機械和電控協(xié)同仿真，利用CAE軟件的強大功能對一些關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)優(yōu)化，并將結(jié)果提交給PDM，其它工作站群可以通過PDM獲取虛擬樣機運行結(jié)果，以此作為設(shè)計好壞的一個方向性的反饋，對需要優(yōu)化的地方進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，彌補不足之處。

文檔處理及維護(hù)工作站群主要負(fù)責(zé)產(chǎn)品技術(shù)文檔的整理及維護(hù)，產(chǎn)品說明書的編寫，產(chǎn)品圖片的處理，項目和專利申報等。

設(shè)計管理工作站可以單獨作為一個工作站在協(xié)同設(shè)計中存在也可以把它融入到某個完成特定設(shè)計任務(wù)的工作站中，圖1把它單獨列出，主要是出于功能性劃分的目的。設(shè)計管理工作站主要負(fù)責(zé)設(shè)計的審查、進(jìn)度的控制、進(jìn)一步協(xié)調(diào)設(shè)計人員之間的沖突。

4 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計平臺運作過程

紹完組成機電一體化協(xié)同設(shè)計平臺的基于Web的項目組級PDM和完成各設(shè)計任務(wù)的工作站群后，接下來的就是該協(xié)同設(shè)計平臺是如何工作的，如圖2為機電一體化協(xié)同設(shè)計平臺的運作過程，由產(chǎn)品概念性設(shè)計、具體設(shè)計與構(gòu)建、虛擬樣機評估、物理樣機制作與評估和后期處理五個階段組成。

圖2 機電一體化協(xié)同設(shè)計平臺運作過程示意

開發(fā)一種新的機電一體化產(chǎn)品首先是根據(jù)需求來制定實施方案，考慮到機電一體化產(chǎn)品所涉及的是多學(xué)科多專業(yè)的技術(shù)，這時就需要用一種各學(xué)科各專業(yè)都能很好溝通的一種語言來描述實施方案和開發(fā)流程，目前最好的描述語言就是UML（Unified Modeling Language）語言，即標(biāo)準(zhǔn)建模語言。UML采用了一整套成熟的建模技術(shù)，是一種可視化的圖形建模語言，它廣泛適用于各種應(yīng)用領(lǐng)域，得到了工業(yè)界的廣泛支持。所以用UML語言來對機電一體化產(chǎn)品的實施方案和設(shè)計流程進(jìn)行圖形化的描述，各學(xué)科各專業(yè)的設(shè)計人員便可以進(jìn)行溝通和協(xié)同，在制定開發(fā)流程的同時，制定每個設(shè)計人員的任務(wù)書，然后將它們其放入PDM系統(tǒng)，供設(shè)計人員在設(shè)計過程中實時地參考。用UML來建立產(chǎn)品實施方案及其設(shè)計流程完全可以通過PDM，可以把該過程看作產(chǎn)品概念性設(shè)計，而產(chǎn)品概念的設(shè)計是整個設(shè)計過程中的一個非常關(guān)鍵的階段，它直接決定著產(chǎn)品的創(chuàng)新程度，并且據(jù)統(tǒng)計，一個產(chǎn)品大約70%的成本是由產(chǎn)品概念設(shè)計階段所決定的。

完成產(chǎn)品概念性設(shè)計后，接下來是具體設(shè)計與構(gòu)建階段。在這個階段，所有設(shè)計人員根據(jù)概念性設(shè)計的結(jié)果，圍繞“樣機”這個主線，在互相協(xié)同的前提下，展開各自負(fù)責(zé)的設(shè)計工作?；赪eb的項目組級PDM在這個階段起到非常重要的作用，它會實時地跟蹤各個工作站的設(shè)計數(shù)據(jù)，并及時地去處理這些數(shù)據(jù)共享給整個設(shè)計團(tuán)隊，某個設(shè)計人員在完成自己負(fù)責(zé)的設(shè)計過程中，需要得到其他設(shè)計人員的相關(guān)數(shù)據(jù)時就可以去以Web頁的方式訪問PDM，獲取想要的數(shù)據(jù)。所以，一個設(shè)計人員可以通過PDM隨時了解在自己權(quán)限范圍最新的設(shè)計數(shù)據(jù)。有了這種快捷的交互方式，機械設(shè)計、電子電氣硬件設(shè)計、控制算法及軟件設(shè)計、虛擬樣機構(gòu)建可以同時進(jìn)行，一改傳統(tǒng)的串行模式，從而提高設(shè)計效率，避免由于不同專業(yè)設(shè)計人員由于溝通不夠而到設(shè)計后期帶來的巨大損失，哪怕是一個孔的尺寸變動也可能使一個產(chǎn)品不能按計劃上市，例如一個機械結(jié)構(gòu)設(shè)計人員設(shè)計的機箱裝不下一個硬件設(shè)計人員設(shè)計的電路板，一個軟件設(shè)計人員在設(shè)計過程中不知道另一個硬件設(shè)計人員變更了某個液晶模塊的型號，從而他設(shè)計的液晶模塊驅(qū)動程序不能用。那么在各設(shè)計人員完成各自任務(wù)的時候，最后得到的便是一臺虛擬樣機。在該機電一體化協(xié)同設(shè)計平臺中，采用ADAMS和Matlab來構(gòu)建虛擬樣機。ADAMS，即機械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，該軟件是美國MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)開發(fā)的虛擬樣機分析軟件。Matlab是Mathworks公司的產(chǎn)品，是一個為科學(xué)和工程計算而專門設(shè)計的高級交互式軟件包。Matlab環(huán)境集成了圖示和精確的數(shù)值計算，是一個可以完成各種計算和數(shù)據(jù)處理的可視化的、強有力的工具。Matlab可用于應(yīng)用數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、工程、醫(yī)藥、金融等領(lǐng)域。ADAMS提供Matlab接口，所以它們兩者可以進(jìn)行機械和我電控系統(tǒng)協(xié)同構(gòu)建虛擬樣機并做仿真分析，甚至優(yōu)化設(shè)計，所以機電領(lǐng)域的各專業(yè)人員的不同設(shè)計在虛擬樣機構(gòu)建這個環(huán)節(jié)中被融合到了一起，同時在虛擬樣機這個平臺上通過仿真可以讓各個領(lǐng)域的設(shè)計達(dá)到最佳的配合，這個過程就是對虛擬樣機評估，優(yōu)化參數(shù)，根據(jù)優(yōu)化得到的參數(shù)回過頭來更改設(shè)計，然后變更虛擬樣機，再做評估，再優(yōu)化，直到達(dá)到最優(yōu)設(shè)計，這個過程同時也可以比較各種設(shè)計方案的優(yōu)劣，避免了造多種物理樣機進(jìn)行評估花費時間和成本。虛擬樣機技術(shù)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的一個子集，虛擬和現(xiàn)實本生存在差別，所以當(dāng)一個虛擬樣機達(dá)到最優(yōu)的時候必須去做一個物理樣機來驗證。由于進(jìn)行過優(yōu)化設(shè)計，物理樣機將按照最優(yōu)方案進(jìn)行制造，在進(jìn)行評估的過程中，主要就是找出它和虛擬樣機的差別，考證這些差別是否符合設(shè)計要求，符合就意味著設(shè)計成功完成，不符合就根據(jù)實際情況更改設(shè)計，減少它和虛擬樣機之間的差別，直到符合設(shè)計要求為止。

在物理樣機滿足設(shè)計要求后，最后的階段便是一些技術(shù)文檔的處理，如說明書等。還有就是各個設(shè)計人員總結(jié)該產(chǎn)品的設(shè)計過程，把一些經(jīng)典設(shè)計保存到PDM的知識庫中，以便日后復(fù)用設(shè)計，提高設(shè)計效率。

5 結(jié)束語

通過作者所在單位研發(fā)團(tuán)隊對該機電一體化協(xié)同平臺的試驗性實施，得出了定性的結(jié)論，即由于UML技術(shù)的采用，整個研發(fā)團(tuán)隊不同學(xué)科設(shè)計人員在設(shè)計過程中溝通更加有效，整個設(shè)計工作以并發(fā)的方式進(jìn)行，極大地提高了設(shè)計效率，由于虛擬樣機技術(shù)的利用，設(shè)計質(zhì)量同時也得到了提升。由于該平臺的實施，避免了傳統(tǒng)串行設(shè)計過程中具體實施設(shè)計及協(xié)同占用大量時間狀況，從而整個研發(fā)團(tuán)隊有充足的時間和精力進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計。該機電一體化協(xié)同設(shè)計平臺在一些細(xì)節(jié)之處還有待改進(jìn)。

[1] 宋政君,黃克正,楊志宏,王艷東,高常青.協(xié)同概念設(shè)計中的版本管理[J]機電一體化,2004,(02),93-96.

[2] 張?；I.基于IT技術(shù)的現(xiàn)代機械設(shè)計方法[J].機械設(shè)計與制造,2005,(05),145-146.

[3] 陳景霞,陳樺,張鵬偉.基于Web的協(xié)同產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)的研究[J].中國制造業(yè)信息化,2005,(01),82-85.

[4] 胡偉,李彥,趙武,晏強.基于過程的分布式協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)研究[J].組合機床與自動化加工技術(shù),2004,(02),11-14.

[5] 康永平,吳卓.基于Web Services的PDM系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)[J].機電工程技術(shù),2007,(01),38-40.

[6] 陳慶貴,高志,劉向峰.基于網(wǎng)絡(luò)的機械設(shè)計平臺的研究與開發(fā)[J].機械設(shè)計與制造,2003,(05),24-26.

[7] 楊叔子,吳波,胡春華,程濤.網(wǎng)絡(luò)化制造與企業(yè)集成[J].中國機械工程, 2000,(Z1),54-57.

[8] 烏云,尚鳳武.基于PDM的應(yīng)用系統(tǒng)集成過程中BOM表的討論[J].工程圖學(xué)學(xué)報,2002,(01),37-42.

[9] 代穎,馬祖軍.基于PDM的企業(yè)CAx/ERP信息集成技術(shù)研究[J].機電一體化,2001,(06),16-19.

[10]吳小珍,張華.基于PDM的綠色生產(chǎn)過程控制技術(shù)研究[J].中國機械工程,2008,(18),2195-2198.

[11]賈展波.基于UML語言的工作流建模方法表達(dá)能力研究及相關(guān)對比分析[D].中國優(yōu)秀博碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 (碩士),2005,(06).

[12]葉勇.基于UML的中小制造企業(yè)的ERP設(shè)計建模[D].中國優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫,2007,(02).

[13]茹東生,姜茂仁.軟開關(guān)變換器的設(shè)計與仿真研究[J].中國測試技術(shù),2007,(4),65-66.

[14]劉曉嘉,田建軍,萬夫,唐棖浩,鄧勇剛.80/29采油井架有限元仿真分析[J].中國測試技術(shù),2007,(4),71-73.

TH39

A

1009-0134(2010)11(上)-0001-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.11(上).01

2010-02-27

四川省科技廳應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)項目（2008NZ0001）

徐海衛(wèi)（1960 -），男，四川成都人，高級工程師，MBA，主要從事三坐標(biāo)測量機研究發(fā)展工作。