机电一体化协同设计平台研究

机电一体化协同设计平台研究

摘要

为了提高机电一体化产品设计中多学科多专业设计人员协同设计的效率，利用OAX软件，基于Web的项目组级PDM，UML技术，虚拟现实样机技术搭建机电一体化协同设计平台，来满足机电一体化多学科的高效协同设计。重点讨论了组成该协同设计平台的基于Web的项目组级PDM服务器和完成各种设计任务的工作站群，以及该平台的运作过程。该平台的试验性运行。结果表明，该机电一体化协同设计平台能够提高设计团队多学科多专业的设计人员协同设计效率，并且在设计过程中，设计人员进行创新性设计的比重有所增加。

关键词：机电一体化；协同设计；PDM系统；UML技术；虚拟样机；OAX 软件

1 引言

机电一体化又称机械电子工程，英语称为Mechatronics，它是由英文机械学Mechanics的前半部分与电子学Electronics的后半部分组合而成。机电一体化技术是机械技术、电子电工技术、计算机技术、自动控制技术、信息管理技术及其它一些相关技术的完美结合。机电一体化产品的设计则是由多个学科的设计人员围绕一个设计对象来完成各自负责部分的设计，这不仅要求各专业的设计人员能快速、有效、富有创新性的设计出自己负责的部分，同时还必须跨专业进行紧密的协作。

机电一体化协同设计就是以计算机网络、虚拟现实、多媒体以及群件等技术为基础，旨在克服地域和时间的障碍，组织机电领域多学科专家实现复杂产品的协同开发，以适应2l世纪“全球市场”与“全球制造”的需要。

本文利用现有的CAX软件(CAX是计算机辅助设计、计算机辅助工程、计算机辅助制造、计算机辅助工艺计划、产品数据管理的统称)，基于WEB的项目级PDM，切ⅥL技术，虚拟现实样机技术搭建机电一体化协同设计。

2 平台架构

图l机电一体化协同设计平台架构

如图l所示为该机电一体化协同设计平台的架构，由一个基于WEB的项目级PDM服务器和若干完成不同设计任务的工作站群通过局域网的方式进行联网，并通过设计部门的网关和企业级网关分别连入Intranet(企业内部网)和Internet。各工作站群通过基于Web的项目组级PDM服务器进行设计数据交互，从而为协同设计打下基础。图1中的MCAD是指机械CAD软件如Pro／E、UG 等，ECAD是指电气CAD软件，如电气版AutoCAD等，EDA是指电气设计自动化软件如Altium Designer、PADS等，CAE是指计算机辅助工程软件如ADAMS、ANSYS、Matlab等。

3 基于Web的项目组级PDM

PDM是Product Data Management(产品数据管理)的缩写，是指某一类软件的总称。PDM是一种帮助工程师和其他人员管理产品数据和产品研发过程的工具。PDM系统确保跟踪那些设计、制造所需的大量数据和信息，并由此支持和维护产品。PDM软件可以用来对文字档案、图形档案以及数据库记录进行系统的规划和管理，这些具体的工作包括：产品形态管理、零组件定义以及其它设计信息、规格、CAD文件、几何模型、图像文件(扫描文件，照片等)、工程分析模型与分析结果、制造程序规划、NC程序档案、产品的软件元件、有关文件、标注以及

关联性的电子形式的信息、声音与影像、纸张形式的文件或是微缩片(索引目录控制)、项目规划等。总而言之，PDM是依托IT技术实现企业最优化管理的有效方法，是科学的管理框架与企业现实问题相结合的产物，是计算机技术与企业文化相结合的一种产品。PDM系统由于其功能性、系统独立性、规模性、开放性等区别而大致分为两类。一种是面向设计团队(项目组)，针对具体开发项目，运行在局域网络环境中的PDM，称其“项目组级PDM”。另一种PDM产品是高层次的“企业级PDM”系统。它可按用户需求以任意规模组成多硬件平台、多网络环境、多数据库、多层分布式Server、多种应用软件一起集成的跨企业、跨地区的超大型PDM系统，为企业提供基于并行工程思想的完整解决方案。在这里，我们用到的是项目组级PDM。

传统的PDM主要面向企业内部的基于C／S(Client／Server即客户／服务器)体系结构的数据管理，在企业间的信息协同交流、用户友好性、维护复杂性等方面都存在不足，而基于B／S(Browsert／Server即浏览器／服务器)体系结构则是利用不断成熟的WWW浏览器技术，结合浏览器的多种脚本语言，不但解决了系统安装、修改和维护的方便性，而且提供了异种机、异种网、异种应用服务的联机、联网、统一服务等。所以，基于Web的项目组级PDM把大量的处理放在了服务器，减轻了客户机的负荷，客户机只要有浏览器便可以和该PDM进行交互，带来的好处便是维护和升级方便，成本低，选择更多，更适合机电领域多学科设计人员交互的需要，如一个设计团队有的设计在Windows环境下进行，同时存在Linux环境下的软件开发，这样基于B／S的交互就避免了操作系统不一样带来的问题。

4 工作站群

在机电一体化协同设计平台中，包含若干执行不同任务的工作站群，这是按照设计人员的专业知识背景划分并加入设计管理工作站群。机械设计工作站群完成机械设计方面的工作，这主要包括任务书获取，按照产品方案和设计流程对所负责的机械部分进行设计计算、用MCAD(机械CAD)建模，用相关CAE软件如ADAMS等对模型进行仿真、分析、优化，然后修改模型，转换为工程图，提交

给PDM。电子电气硬件设计工作站群中按照职能可划分为电路原理设计、PCB 设计和电气系统设计。电路原理和PCB设计主要是对电气系统中完成特定功能的控制设备、变送设备、通讯设备等进行芯片级的设计，该设计利用EDA软件如AItium Designer、PADS等，按照产品方案和设计流程对电路原理进行设计和仿真，提交给PDM，负责PCB设计的人员从PDM获取相关电路原理图，相关的机械结构图，按照产品方案和设计流程，进行PCB设计，并用相关软件对EMC(电磁兼容)进行仿真分析和评估。电气设计利用ECAD(电气CAD)及其它相关软件来进行电气原理图、电气布置安装图和电气安装接线图的设计，并提交给PDM。

控制算法及软件设计工作站群的职能是按照产品方案和设计流程，以特定设备的硬件原理为参考，对其进行控制算法和软件的设计。控制算法(如PID、自适应算法等)可使用CAE软件如Matlab等进行开发和仿真分析，然后利用特定的软件开发工具(如嵌入式软件开发工具ADS、Keil等)对设计好的控制算法及其它控制功能用计算机语言进行描述及其调试，最后提交给PDM。

虚拟样机构建及评估工作站群通过PDM获取机械装配好的机械样机模型和控制算法，按照产品方案和设计流程利用相关CAE软件如ADAMS和CAE软件如Matlab建立机电一体化样机，并进行机械和电控协同仿真，利用CAE软件的强大功能对一些关键设计参数优化，并将结果提交给PDM，其它工作站群可以通过PDM获取虚拟样机运行结果，以此作为设计好坏的一个方向性的反馈，对需要优化的地方进行优化设计，弥补不足之处。

文档处理及维护工作站群主要负责产品技术文档的整理及维护，产品说明书的编写，产品图片的处理，项目和专利申报等。

设计管理工作站可以单独作为一个工作站在协同设计中存在也可以把它融入到某个完成特定设计任务的工作站中，图l把它单独列出，主要是出于功能性划分的目的。设计管理工作站主要负责设计的审查、进度的控制、进一步协调设计人员之间的冲突。