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MCD（Mechatronic concept design）機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計是NX設(shè)計平臺的應(yīng)用模塊。它創(chuàng)建的機(jī)電功能模型，實現(xiàn)了機(jī)械，電氣，自動化功能的集成，并以信號交互的方式對復(fù)雜機(jī)電裝備的運(yùn)行過程進(jìn)行設(shè)計和仿真。

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)的功能驗證，同時也是組成虛擬調(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)電對象定義——剛體，碰撞體等

基本機(jī)電對象主要包括剛體，碰撞體，對象源及對象收集器等。通過定義，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。在仿真過程中，機(jī)電對象會根據(jù)外部的條件進(jìn)行相應(yīng)的物理響應(yīng)，如重力下落，移動旋轉(zhuǎn)，碰撞停止等，而沒有進(jìn)行機(jī)電對象定義的幾何體，將始終保持靜止。

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

圖2-剛體定義

2．運(yùn)動副及約束/耦合副定義

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

a. 動力學(xué)：在仿真過程中使用機(jī)電求解器執(zhí)行精確的運(yùn)動副計算。

b．運(yùn)動學(xué)：執(zhí)行簡單的運(yùn)動學(xué)計算，不使用機(jī)電求解器，以提高仿真性能。

c．鉸接運(yùn)動：優(yōu)化運(yùn)動學(xué)計算，實現(xiàn)更精確、更快速的結(jié)果。

圖3-運(yùn)動副與約束

基本運(yùn)動副只定義一個運(yùn)動約束，耦合副則是對兩個具有約束關(guān)系的運(yùn)動副進(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)動副與約束定義完成后，可以添加執(zhí)行器以驅(qū)動運(yùn)動副。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/液壓控制，反算機(jī)構(gòu)驅(qū)動，傳輸面等功能。其中反算機(jī)構(gòu)驅(qū)動可用于工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動設(shè)計，實現(xiàn)對機(jī)器人的虛擬示教。

每個執(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)可以在定義時輸入，也可以在創(chuàng)建仿真序列時定義。在虛擬調(diào)試中，這些參數(shù)則作為MCD的輸入信號，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就是集成了電氣傳感器屬性，從而可以檢測設(shè)備的條件與狀態(tài)，并作為MCD的輸出信號，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關(guān)，檢測設(shè)備到位，零件在位等場景。同時MCD支持模擬量傳感器的創(chuàng)建，如速度檢測，位置檢測，加速度檢測等，從而在虛擬調(diào)試過程中可建立運(yùn)動控制的閉環(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)動作的執(zhí)行是基于時間或狀態(tài)變化，即動作的時序和條件。而仿真序列即可用來創(chuàng)建基于時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)中所有對象的控制單元，并可訪問所有對象的參數(shù)，如凸輪曲線、運(yùn)動副和約束。仿真序列可以控制執(zhí)行器的開始時間、持續(xù)時間和速度，或者在傳感器激活時更改動態(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)建條件語句以確定何時觸發(fā)參數(shù)更改。

b. 將對象參數(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)試過程中使用外部信號控制機(jī)電對象，則需要激活或停用對應(yīng)的仿真序列，避免對同一參數(shù)同時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

NX MCD通過定義機(jī)電對象，運(yùn)動副和約束，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)建與實際系統(tǒng)對應(yīng)的虛擬功能模型。利用仿真序列創(chuàng)建的時間/事件序列，可以按照自動化控制邏輯驅(qū)動功能模型中的機(jī)電對象，從而實現(xiàn)對機(jī)電系統(tǒng)復(fù)雜運(yùn)行過程的設(shè)計與仿真。