[发明专利]一种机电控一体化优化设计方法

说明书

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。