系统设计工具使仿真更加接近现实

来源：controldesign WHEN A ROBOT slammed into a slide-mounted weld gun at Citation Global Manufacturing a few years ago, the now-defunct company’s mechanical engineer stared at the two devices for a few seconds, and said, “Well, that didn’t happen on paper.”The weld gun hadn’t completely returned to its home position before the robot tried to occupy the workspace, and so the robot didn’t have enough clearance to avoid a collision. Citation’s staff fixed their machine on the plant floor, but the real-world accident and resulting downtime could have been avoided if the weld gun and robot had been running earlier in a 3-D simulation. 从仿真（模拟）到基于web的诊断，系统设计工具正在将CAD和CAE制图推向现实世界，在个别机器制造以前，这些工具有时还可以预先模拟其操作。 当几年以前Citation Global Manufacturing公司机器人向滑块焊枪猛烈撞击时，这家现在已经倒闭的公司的机械工程师盯着两个设备看了几秒并且说，“喔，那件事在理论上是不会发生的。”在机器人到达工作区域之前，焊枪没有完全回到原位，所以机器人没有足够的空间去避免撞击。Citation公司的工作人员只好修理现场的机器，但是如果对焊枪和机器人的操作进行预先的3-D模拟，那么实际发生的事故及其导致的停工时间就可以避免。 “一个优秀的仿真和验证软件可以提前去掉这样的问题，并且可以确定逻辑转换是否正确或者是否需要延长周期。” 当时Global公司的控制工程经理Mark Taylor说，“然而，如果包括开关、接线和周期等所有这些参数在仿真过程中都不精确，那么用户将出现问题并且导致停工。当然，用户要知道，他们可以用仿真来设计过程以外的问题，利用动态数据流可以使仿真更接近实时。” 那么，什么时候图像才能转变为现实呢？仿真转变为实际操作的关键点是什么？理论上，和从行为判断人一样的道理，当图像显示的和真实事物发生相吻合的时候，它可以被定义为现实。当感觉图像所显示的内容能对其环境起作用的时候，便可以断定它属于现实世界的范围了。 当然，图像已经足够真实。但是石洞壁画毕竟不能捕获动物，一幅蓝图毕竟不能代表头上的屋顶，最优秀的、最详细的、最高分辨率的CAD/CAM制图也不能独立地表达每个机器独有特点和环境缺点，正如仿真不能操作机器的整个应用过程一样。难道它能吗？ 仿真正在不断地向现实世界近一步靠拢，一些以软件为基础的设计工具已经发展到足够复杂，在制造所需要的机器前，不仅可以模仿很复杂的设备，而且还可以融合特殊的测试、PLC和其它来自独特应用软件的数据。提前配置和提前测试和起来就是“试运行”。 事实上，CAD很久以前就有添加特定应用软件数据的功能了，但其设计水平需要增加和快速抑制，因为要对像重力和摩擦力这样的自然力进行仿真。然而，无论如何仿真都与现实有关联，仿真越接近原型的工作状态，越多的缺陷就会提前解决，实际制造期间或制造后的修正就会越少。在保持足够的计算能力达到有效的仿真的情况下，通常使用的办法是简化设计。 例如：当设计用来印制电路板的新型General Surface Mount (GSM1)贴片设备时，纽约Binghamton 市Universal Instruments公司必须改进系统轴头和Z轴的装配，并且设计可以支持轴头包括10毫秒建立时间在内的加速和减速特性的机械元件。Universal公司的运动控制工程师Jim York说，他的公司用仿真软件将屏幕上的预定功能块和GSM1伺服驱动器中特有的模型属性连在一起，这些属性包括位置，速度、电流控制以及影响索力的包括加速和减速特性、负载量、刚度特性和摩擦力等所有参数（见图1）。 图1 虚拟目标接线 Universal Instruments公司在制造GSM1贴片设备前采用仿真软件模拟其实际电流、负载位移、负载转矩和电缆轮廓 York说，“通过弹出的对话框在适当的模块中直接输入元件操作参数，仿真时，我们可以通过图像和实时曲线观察电缆张力的动态变化。输入已知的加速度、减速度和负载量时，我们可以立刻观察到其对张力的影响，这样就能调整刚度特性从而保持张力一直为正。” “与组装电路试验板和进行物理测试相比，应用仿真可以让我们以更快的速度设计GSM1。同样，GSM1仿真精度高，能够让我们分析在电路试验板中很难观察到的信号。因为可以看到整个机械负载的动态图像，所以我们就可以设计元件使其适合垂直轴上加速和减速特性，确保当负载上下移动时对它的严格控制。通过仿真验证设计方案，我们就可以在制造原型之前确定恰当的元件，这样就显著地缩短了设计周期。” 仿真是基本需要 在机床控制方面，仿真普遍用在校验零件程序、程序执行或机器计量应用中数据采集有效性。仿真人员同样在将新型电子和外围设备系统与实际的工作母机结合以前，要测试它们的结合状态。 例如，Wärtsilä公司以前使用手工C语言代码为共轨电子式燃料注入燃油式柴油机单元开发嵌入式控制系统，这样做虽然对船舶推进和发电装置应用的改进起到促进作用，但是这种比较老的程序成为了工程组人员制定明确规范和沟通的障碍。 “基于C语言的开发也是极其困难而且需要太多的引擎测试，”Wärtsilä公司自动化专家Ari Saikkonen说，“针对详细的软件模型，我们需要集成的动态仿真用来进行应用中的测试，要有足够的精确性以保证在实际引擎上第一次运行的时候不会出现问题。” Wärtsilä公司决定使用Math Works公司的Simulink软件来设计和模拟其系统模型，用Real-Time Workshop嵌入式编码器软件来从模型中自动生成产品代码。公司的工程师凭借这些工具利用分级结构图和状态机来描述复杂的函数和算法。他们进一步应用Simulink模拟这样的控制算法功能，比如PID控制、燃料限制和前馈控制。Wärtsilä公司还创建了元件库来帮助工作人员组装和处理大型应用，这也意味着重复性工作更容易完成，因为设计更加明确而且与提供的工具相匹配。 “对于RAM、ROM和执行速度来说，自动生成的代码比手工代码要强得多，”Saikkonen说，“我们预计已经将代码缩减到原来的百分之三十，将CPU执行时间减少了百分之二十。高度的提取、改进的结构和自动产品代码使生产力提高了两到三倍。” 由于用仿真软件模拟机床控制系统非常复杂，先前用户曾制造不能与实际机床相连接的独立控制系统模型，这样他们就可以测试控制系统，风险和难度也降低了很多。这些模型在后来尤其是在过去的两三年里越来越以软件为基础了。实际上，仿真软件目前可以模拟数控机床系统的精确控制。 “我们没有理由被仿真吓倒。”美国密歇根州Farmington Hill市系统集成商VI Engineerng公司首席营运官Dean Streck说，“这曾经是和复杂的，但是现在用起要比五年以前容易得多且成本更低。” 例如，GE Fanuc公司为其30i控制系统设计的仿真软件可以复现实际机床控制系统上所有的功能。其模型可以检查控制系统控制产品生产方式的部件程序所有的编排，而且还可以检查作为机器界面的梯形图程序。这样模型就可以测试这两种程序，开发和测试机器的应用，也可以进行更好的培训。“对部件程序和机床内部发生的实际动作进行仿真对于培训有很大的帮助，因为你可以观察到机器内部运行状况，不需要实际的机器，就可以在PC机上进行操作。”GE Fanuc公司数控机床产品经理Gary Highley说，“这样用户就可以看到模拟夹盘中的刀具，更换刀具，监视模拟切割过程。这就意味着用户可以在不必安装价值十万美元的机床的情况下进行机床操作培训。” 可靠的数据=高质量的仿真 与所有的控制和自动化分支以及许多其它领域类似，真正有用和具体的仿真依赖于输入数据的质量。 “通过仿真，我们可以完全模拟任何系统的非线性特性以及现实存在，通过测试用户应用中的数据来调节模型。”Math Works公司市场经理Tony Lennon说，“然而，仿真也依赖于用户对其应用的了解程度和他们对设计和建模的投入程度。这种设计以模型为基础，通过采用可用来同时产生后续控制系统的可执行规则，用户就能够进行仿真了。Math Works公司的Simulink软件也允许用户使用可以在实时应用中运行的C语言代码。” 使用仿真的每个人都知道无用输入与无用输出。“问题是：如何得到良好的数据，怎样使其成为设计环境的副产品或者设计过程的核心？”ePlan Software &Services公司当前的副总裁兼总经理Taylor说，“许多人仍然在CAD中手工采集电子图像和图表，从数据库中将其加入CAD环境中，这样可能导致连续性问题。真正的数据库环境能够使数据操作和到仿真的数据传递更加容易，因此，代替现有的图像采集进行仿真，我们使用动态的精确的系统数据来为仿真工具生成图像，可以减少无用输入和无用输出。” Taylor补充说，“低质量的数据是过去仿真没有更多发展动力的一个重要原因。过去，输入到传统系统的数据与实际不一致，导致了数据设置对于有用的仿真没有足够的代表性。现在，用户正开始理解并转向基于数据的设计，代替了通常的CAD设计。” 仿真物理环境 为了对实际的机器应用有所帮助，在其制造和安装以前，仿真可以再现对设备起作用的物理力和其运行时所表现出来的力。“所有的仿真都要归结为数学，”Visual Solution公司的销售经理Jim Webb说，“仿真是从数学基本原理上建立起来的，这些原理可以重新归纳出比如弹力等的一些性质。通过确定精确的反映现实事物的模型，仿真与现实世界就结合起来了。例如，如果在调整一个模拟过程时，其值在10到12之间变化，那么你就可以知道在实际中调整时，其值也应当在10到12之间。这与校正仪器是类似的。一旦确信模型正确，<