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MCD（Mechatronic concept design）機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)是NX設(shè)計(jì)平臺(tái)的應(yīng)用模塊。它創(chuàng)建的機(jī)電功能模型，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械，電氣，自動(dòng)化功能的集成，并以信號(hào)交互的方式對(duì)復(fù)雜機(jī)電裝備的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真。

MCD創(chuàng)建的機(jī)電集成的功能模型不僅可用于機(jī)電系統(tǒng)的功能驗(yàn)證，同時(shí)也是組成虛擬調(diào)試關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本文將介紹使用MCD創(chuàng)建機(jī)電集成功能模型的流程，如下所示：

圖1-機(jī)電集成功能模型創(chuàng)建流程

1．機(jī)電對(duì)象定義——?jiǎng)傮w，碰撞體等

基本機(jī)電對(duì)象主要包括剛體，碰撞體，對(duì)象源及對(duì)象收集器等。通過(guò)定義，可賦予幾何模型物理屬性，如質(zhì)量，摩擦力，恢復(fù)系數(shù)等。在仿真過(guò)程中，機(jī)電對(duì)象會(huì)根據(jù)外部的條件進(jìn)行相應(yīng)的物理響應(yīng)，如重力下落，移動(dòng)旋轉(zhuǎn)，碰撞停止等，而沒(méi)有進(jìn)行機(jī)電對(duì)象定義的幾何體，將始終保持靜止。

如果仿真過(guò)程中機(jī)電對(duì)象間還需要通過(guò)接觸力產(chǎn)生行為，則需要定義碰撞體，碰撞材料等，沒(méi)有定義碰撞的對(duì)象將相互穿過(guò)。

圖2-剛體定義

2．運(yùn)動(dòng)副及約束/耦合副定義

使用基本運(yùn)動(dòng)副可對(duì)仿真期間剛體運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行定義，如平行運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也對(duì)運(yùn)動(dòng)的范圍進(jìn)行限制。一個(gè)運(yùn)動(dòng)副由基本體與連接體組成，約束兩者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系。為使仿真性能更加穩(wěn)定，在創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副時(shí)可選擇不同的運(yùn)動(dòng)計(jì)算方式，包括：

a. 動(dòng)力學(xué)：在仿真過(guò)程中使用機(jī)電求解器執(zhí)行精確的運(yùn)動(dòng)副計(jì)算。

b．運(yùn)動(dòng)學(xué)：執(zhí)行簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，不使用機(jī)電求解器，以提高仿真性能。

c．鉸接運(yùn)動(dòng)：優(yōu)化運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)更精確、更快速的結(jié)果。

圖3-運(yùn)動(dòng)副與約束

基本運(yùn)動(dòng)副只定義一個(gè)運(yùn)動(dòng)約束，耦合副則是對(duì)兩個(gè)具有約束關(guān)系的運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行定義，兩者之間具有主從關(guān)系。主要有齒輪副，機(jī)械/電子凸輪，滑輪與帶，齒輪齒條等，如下所示。

圖4-耦合副定義

3．執(zhí)行器定義

機(jī)電系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)副與約束定義完成后，可以添加執(zhí)行器以驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)副。MCD中可用的執(zhí)行器包括速度控制，位置控制，力與扭矩控制，氣動(dòng)/液壓控制，反算機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，傳輸面等功能。其中反算機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)可用于工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的虛擬示教。

每個(gè)執(zhí)行器具有相應(yīng)的控制參數(shù)，如速度，位置等。這些參數(shù)可以在定義時(shí)輸入，也可以在創(chuàng)建仿真序列時(shí)定義。在虛擬調(diào)試中，這些參數(shù)則作為MCD的輸入信號(hào)，由外部控制器進(jìn)行控制。

圖5-位置控制

4．傳感器定義

MCD機(jī)電集成功能模型最重要的特點(diǎn)就是集成了電氣傳感器屬性，從而可以檢測(cè)設(shè)備的條件與狀態(tài)，并作為MCD的輸出信號(hào)，由仿真序列或者外部控制器使用，創(chuàng)建邏輯程序。MCD支持?jǐn)?shù)字量傳感器的創(chuàng)建，如碰撞傳感器可用作接近開(kāi)關(guān)，檢測(cè)設(shè)備到位，零件在位等場(chǎng)景。同時(shí)MCD支持模擬量傳感器的創(chuàng)建，如速度檢測(cè)，位置檢測(cè)，加速度檢測(cè)等，從而在虛擬調(diào)試過(guò)程中可建立運(yùn)動(dòng)控制的閉環(huán)，半閉環(huán)等控制方式。

圖6-碰撞傳感器

5．仿真序列控制

機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)作的執(zhí)行是基于時(shí)間或狀態(tài)變化，即動(dòng)作的時(shí)序和條件。而仿真序列即可用來(lái)創(chuàng)建基于時(shí)間和基于事件的行為，從而讓機(jī)電功能模型在序列的控制下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)連續(xù)有序的運(yùn)行。

圖7-仿真序列

仿真序列可創(chuàng)建機(jī)電系統(tǒng)中所有對(duì)象的控制單元，并可訪問(wèn)所有對(duì)象的參數(shù)，如凸輪曲線、運(yùn)動(dòng)副和約束。仿真序列可以控制執(zhí)行器的開(kāi)始時(shí)間、持續(xù)時(shí)間和速度，或者在傳感器激活時(shí)更改動(dòng)態(tài)材料的大小等。一般使用仿真序列執(zhí)行以下操作：

a. 創(chuàng)建條件語(yǔ)句以確定何時(shí)觸發(fā)參數(shù)更改。

b. 將對(duì)象參數(shù)的值更改為仿真序列中設(shè)置的值。

c. 根據(jù)指定的事件暫停運(yùn)行時(shí)仿真。

d. 使用仿真序列導(dǎo)出系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)拍表，用于系統(tǒng)分析和優(yōu)化。

需要注意的是，如果在虛擬調(diào)試過(guò)程中使用外部信號(hào)控制機(jī)電對(duì)象，則需要激活或停用對(duì)應(yīng)的仿真序列，避免對(duì)同一參數(shù)同時(shí)被兩種不同的方式控制。

圖8-創(chuàng)建基于事件的仿真序列

6．結(jié)語(yǔ)

NX MCD通過(guò)定義機(jī)電對(duì)象，運(yùn)動(dòng)副和約束，傳感器與執(zhí)行器，將機(jī)械產(chǎn)品的幾何模型轉(zhuǎn)換為具有機(jī)電物理屬性的集成功能模型，即創(chuàng)建與實(shí)際系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的虛擬功能模型。利用仿真序列創(chuàng)建的時(shí)間/事件序列，可以按照自動(dòng)化控制邏輯驅(qū)動(dòng)功能模型中的機(jī)電對(duì)象，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電系統(tǒng)復(fù)雜運(yùn)行過(guò)程的設(shè)計(jì)與仿真。