機電一體化協同設計平臺研究

徐海衛，曾瀟

XU Hai-wei , ZENG Xiao

（中國測試技術研究院，成都 610021）

機電一體化協同設計平臺研究

Research on cooperative design platform for mechatronics

徐海衛，曾瀟

XU Hai-wei , ZENG Xiao

（中國測試技術研究院，成都 610021）

為了提高機電一體化產品設計中多學科多專業設計人員協同設計的效率，利用CAX軟件，基于Web的項目組級PDM，UML技術，虛擬現實樣機技術搭建機電一體化協同設計平臺，來滿足機電一體化多學科的高效協同設計。重點討論了組成該協同設計平臺的基于Web的項目組級PDM服務器和完成各種設計任務的工作站群，以及該平臺的運作過程。該平臺的試驗性運行結果表明，該機電一體化協同設計平臺能夠提高設計團隊多學科多專業的設計人員協同設計效率，并且在設計過程中，設計人員進行創新性設計的比重有所增加。

機電一體化；協同設計；PDM系統；UML技術；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Mechanics的前半部分與電子學 Electronics的后半部分組合而成。機電一體化技術是機械技術、電子電工技術、計算機技術、自動控制技術、信息管理技術及其它一些相關技術的完美結合。機電一體化產品的設計則是由多個學科的設計人員圍繞一個設計對象來完成各自負責部分的設計，這不僅要求各專業的設計人員能快速、有效、富有創新性的設計出自己負責的部分，同時還必須跨專業進行緊密的協作。

機電一體化協同設計就是以計算機網絡、虛擬現實、多媒體以及群件等技術為基礎，旨在克服地域和時間的障礙，組織機電領域多學科專家實現復雜產品的協同開發，以適應21世紀“全球市場”與“全球制造”的需要。

本文利用現有的CAX軟件（CAX是計算機輔助設計、計算機輔助工程、計算機輔助制造、計算機輔助工藝計劃、產品數據管理的統稱），基于WEB的項目級PDM，UML技術，虛擬現實樣機技術搭建機電一體化協同設計平臺，來滿足機電一體化多學科的高效協同設計。

1 平臺架構

圖1 機電一體化協同設計平臺架構

如圖1所示為該機電一體化協同設計平臺的架構，由一個基于WEB的項目級PDM服務器和若干完成不同設計任務的工作站群通過局域網的方式進行聯網，并通過設計部門的網關和企業級網關分別連入Intranet（企業內部網）和Internet。各工作站群通過基于Web的項目組級PDM服務器進行設計數據交互，從而為協同設計打下基礎。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（產品數據管理）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品數據和產品研發過程的工具。PDM系統確保跟蹤那些設計、制造所需的大量數據和信息，并由此支持和維護產品。PDM軟件可以用來對文字檔案、圖形檔案以及數據庫記錄進行系統的規劃和管理，這些具體的工作包括：產品形態管理、零組件定義以及其它設計信息、規格、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果、制造程序規劃、NC程序檔案、產品的軟件元件、有關文件、標注以及關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）、項目規劃等?？偠灾?，PDM是依托IT技術實現企業最優化管理的有效方法，是科學的管理框架與企業現實問題相結合的產物，是計算機技術與企業文化相結合的一種產品。PDM系統由于其功能性、系統獨立性、規模性、開放性等區別而大致分為兩類。一種是面向設計團隊（項目組），針對具體開發項目，運行在局域網絡環境中的PDM，稱其“項目組級PDM”。另一種PDM產品是高層次的“企業級PDM”系統。它可按用戶需求以任意規模組成多硬件平臺、多網絡環境、多數據庫、多層分布式Server、多種應用軟件一起集成的跨企業、跨地區的超大型PDM系統，為企業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。

傳統的PDM主要面向企業內部的基于C/S（Client/Server即客戶/服務器）體系結構的數據管理，在企業間的信息協同交流、用戶友好性、維護復雜性等方面都存在不足，而基于B/S（Browsert/Server即瀏覽器/服務器）體系結構則是利用不斷成熟的WWW瀏覽器技術，結合瀏覽器的多種腳本語言，不但解決了系統安裝、修改和維護的方便性，而且提供了異種機、異種網、異種應用服務的聯機、聯網、統一服務等。所以，基于Web的項目組級PDM把大量的處理放在了服務器，減輕了客戶機的負荷，客戶機只要有瀏覽器便可以和該PDM進行交互，帶來的好處便是維護和升級方便，成本低，選擇更多，更適合機電領域多學科設計人員交互的需要，如一個設計團隊有的設計在Windows環境下進行，同時存在Linux環境下的軟件開發，這樣基于B/S的交互就避免了操作系統不一樣帶來的問題。

3 工作站群

在機電一體化協同設計平臺中，包含若干執行不同任務的工作站群，這是按照設計人員的專業知識背景劃分并加入設計管理工作站群。

機械設計工作站群完成機械設計方面的工作，這主要包括任務書獲取，按照產品方案和設計流程對所負責的機械部分進行設計計算、用MCAD（機械CAD）建模，用相關CAE軟件如ADAMS等對模型進行仿真、分析、優化，然后修改模型，轉換為工程圖，提交給PDM。

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

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

虛擬樣機構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，按照產品方案和設計流程利用相關CAE軟件如ADAMS和CAE軟件如Matlab建立機電一體化樣機，并進行機械和電控協同仿真，利用CAE軟件的強大功能對一些關鍵設計參數優化，并將結果提交給PDM，其它工作站群可以通過PDM獲取虛擬樣機運行結果，以此作為設計好壞的一個方向性的反饋，對需要優化的地方進行優化設計，彌補不足之處。

文檔處理及維護工作站群主要負責產品技術文檔的整理及維護，產品說明書的編寫，產品圖片的處理，項目和專利申報等。

設計管理工作站可以單獨作為一個工作站在協同設計中存在也可以把它融入到某個完成特定設計任務的工作站中，圖1把它單獨列出，主要是出于功能性劃分的目的。設計管理工作站主要負責設計的審查、進度的控制、進一步協調設計人員之間的沖突。

4 機電一體化系統設計平臺運作過程

紹完組成機電一體化協同設計平臺的基于Web的項目組級PDM和完成各設計任務的工作站群后，接下來的就是該協同設計平臺是如何工作的，如圖2為機電一體化協同設計平臺的運作過程，由產品概念性設計、具體設計與構建、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 機電一體化協同設計平臺運作過程示意

開發一種新的機電一體化產品首先是根據需求來制定實施方案，考慮到機電一體化產品所涉及的是多學科多專業的技術，這時就需要用一種各學科各專業都能很好溝通的一種語言來描述實施方案和開發流程，目前最好的描述語言就是UML（Unified Modeling Language）語言，即標準建模語言。UML采用了一整套成熟的建模技術，是一種可視化的圖形建模語言，它廣泛適用于各種應用領域，得到了工業界的廣泛支持。所以用UML語言來對機電一體化產品的實施方案和設計流程進行圖形化的描述，各學科各專業的設計人員便可以進行溝通和協同，在制定開發流程的同時，制定每個設計人員的任務書，然后將它們其放入PDM系統，供設計人員在設計過程中實時地參考。用UML來建立產品實施方案及其設計流程完全可以通過PDM，可以把該過程看作產品概念性設計，而產品概念的設計是整個設計過程中的一個非常關鍵的階段，它直接決定著產品的創新程度，并且據統計，一個產品大約70%的成本是由產品概念設計階段所決定的。

完成產品概念性設計后，接下來是具體設計與構建階段。在這個階段，所有設計人員根據概念性設計的結果，圍繞“樣機”這個主線，在互相協同的前提下，展開各自負責的設計工作?；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計數據，并及時地去處理這些數據共享給整個設計團隊，某個設計人員在完成自己負責的設計過程中，需要得到其他設計人員的相關數據時就可以去以Web頁的方式訪問PDM，獲取想要的數據。所以，一個設計人員可以通過PDM隨時了解在自己權限范圍最新的設計數據。有了這種快捷的交互方式，機械設計、電子電氣硬件設計、控制算法及軟件設計、虛擬樣機構建可以同時進行，一改傳統的串行模式，從而提高設計效率，避免由于不同專業設計人員由于溝通不夠而到設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品不能按計劃上市，例如一個機械結構設計人員設計的機箱裝不下一個硬件設計人員設計的電路板，一個軟件設計人員在設計過程中不知道另一個硬件設計人員變更了某個液晶模塊的型號，從而他設計的液晶模塊驅動程序不能用。那么在各設計人員完成各自任務的時候，最后得到的便是一臺虛擬樣機。在該機電一體化協同設計平臺中，采用ADAMS和Matlab來構建虛擬樣機。ADAMS，即機械系統動力學自動分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，該軟件是美國MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)開發的虛擬樣機分析軟件。Matlab是Mathworks公司的產品，是一個為科學和工程計算而專門設計的高級交互式軟件包。Matlab環境集成了圖示和精確的數值計算，是一個可以完成各種計算和數據處理的可視化的、強有力的工具。Matlab可用于應用數學、物理、化學、工程、醫藥、金融等領域。ADAMS提供Matlab接口，所以它們兩者可以進行機械和我電控系統協同構建虛擬樣機并做仿真分析，甚至優化設計，所以機電領域的各專業人員的不同設計在虛擬樣機構建這個環節中被融合到了一起，同時在虛擬樣機這個平臺上通過仿真可以讓各個領域的設計達到最佳的配合，這個過程就是對虛擬樣機評估，優化參數，根據優化得到的參數回過頭來更改設計，然后變更虛擬樣機，再做評估，再優化，直到達到最優設計，這個過程同時也可以比較各種設計方案的優劣，避免了造多種物理樣機進行評估花費時間和成本。虛擬樣機技術是虛擬現實技術的一個子集，虛擬和現實本生存在差別，所以當一個虛擬樣機達到最優的時候必須去做一個物理樣機來驗證。由于進行過優化設計，物理樣機將按照最優方案進行制造，在進行評估的過程中，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計要求，符合就意味著設計成功完成，不符合就根據實際情況更改設計，減少它和虛擬樣機之間的差別，直到符合設計要求為止。

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

5 結束語

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

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

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

[3] 陳景霞,陳樺,張鵬偉.基于Web的協同產品設計系統的研究[J].中國制造業信息化,2005,(01),82-85.

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

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

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

[7] 楊叔子,吳波,胡春華,程濤.網絡化制造與企業集成[J].中國機械工程, 2000,(Z1),54-57.

[8] 烏云,尚鳳武.基于PDM的應用系統集成過程中BOM表的討論[J].工程圖學學報,2002,(01),37-42.

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

[10]吳小珍,張華.基于PDM的綠色生產過程控制技術研究[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能力研究及相關對比分析[D].中國優秀博碩士學位論文全文數據庫 (碩士),2005,(06).

[12]葉勇.基于UML的中小制造企業的ERP設計建模[D].中國優秀碩士學位論文全文數據庫,2007,(02).

[13]茹東生,姜茂仁.軟開關變換器的設計與仿真研究[J].中國測試技術,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,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

四川省科技廳應用技術研究與開發項目（2008NZ0001）

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