系统样机范文

系统样机范文（精选9篇）

系统样机 第1篇

关键词：样机跟踪,样机管理,电子标签,射频识别,射频读卡器,GPRS

0 引言

检测、检定部门检测的样机种类多, 数量大, 而且外形大小不一。由于检测流程一般比较复杂, 样机需要流经多个测试部门, 因此对样机的定位和管理十分困难。笔者采用电子标签和GPRS这两种无线技术, 设计了一种样机自动跟踪管理系统。该系统可自动跟踪各个区域的样机并对其进行详细定位, 使得检测、管理人员可以快速查找所需样机, 并实时掌握这些样机的情况, 有效防止了样机的流失, 降低了漏检或重复检测概率, 大大提高了样机管理效率。

1 系统组成及工作原理

样机自动跟踪管理系统主要由数据采集模块、数据传输模块、数据管理模块三部分组成。数据采集模块包括电子标签和射频读卡器;传输模块为GPRS模块;数据管理模块包括数据服务器、数据接收和数据统计发布前置主机。系统构架如图1所示。

系统工作流程:首先在检测流程中的每个环节点设置射频读卡器及GPRS模块, 这些环节点可以是不同检测部门或检测区域的入口, 也可以是大型检测试验箱体的箱体门口。登记人员为每台送检样机发放电子标签, 并将电子标签信息和产品信息通过系统管理平台录入数据库。当样机进入检测流程时, 各个环节点的射频读卡器读出电子标签的信息数据, 并将数据传送给GPRS模块。GPRS模块通过自身数据业务传输功能将数据发送到前置主机。前置主机通过Socket通信方式接收数据, 并将数据写入数据服务器进行存储。最后由数据管理模块的数据发布程序对数据进行统计并以Web方式发布, 供管理者实时查询样机信息。

2 系统模块设计

2.1 数据采集模块

数据采集模块是样机自动跟踪管理系统的核心。该模块采用电子标签技术实现对样机的分类识别功能。电子标签基于射频识别 (RFID) 技术设计。射频识别是一种非接触式自动识别技术, 通过射频信号自动识别目标并获取相关数据, 操作快捷方便。

电子标签的核心器件为电子标签芯片。该芯片包括谐振回路、射频接口电路、数字控制电路和数据存储体四部分。目前电子标签芯片种类较多, 常用的高频[3] (依据ISO/IECl5693, 频率为13.56 MHz) 电子标签芯片有EM4100系列微型低功耗电子标签、BL75R02射频识别芯片等。本系统选用BL75R02射频识别芯片。

样机自动跟踪管理系统要求在检测流程的每一个环节点上设置射频读卡器, 因此, 可将射频读卡器的天线线圈埋设在检测部门门口、集中检测区域入口以及大型试验设备旁边。射频读卡器通过天线不断向四周发射电磁波问讯信号, 然后进入接收状态, 等待电子标签应答。电子标签自身不含电源, 当携带有电子标签的样机进入天线覆盖区域时, 电子标签自带的天线耦合射频读卡器发射出读信号 (电磁波) , 再经过其内部整流滤波后为IC控制器件供电, 控制电路启动并从存储区域将载有电子标签信息的数据通过天线发出应答信号给射频读卡器[2]。通过射频读卡器与电子标签之间的不断问讯和应答, 射频读卡器就可以将电子标签的内容全部读出, 并按照一定的格式输出。读卡器与电子标签之间的联络信息是经过加密的, 保证了数据传输的安全性。

2.2 数据传输模块

数据传输模块采用GPRS技术实现。GPRS是在现有GSM系统上发展起来的一种新的分组数据承载业务, 可更有效利用无线网络信道资源, 特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输, 也适用于偶尔的大数据量传输。

GPRS模块选用朗睿MGTC-3020模块, 其采用先进的嵌入式技术、高性能的微处理器设计而成。将GPRS模块与射频读卡器就近安装, 通过标准RS232串行口与射频读卡器相连。GPRS模块通过串行口接收到来自射频读卡器的数据, 自动将数据传送至前置主机。由于GPRS以IP包的形式进行数据传输, 当GPRS无线终端进入GPRS网络时会自动附着在Internet上, 所以前置主机只需申请一个静态IP地址即可与GPRS模块通信[6]。

2.3 数据管理模块

数据管理模块中的前置主机申请一个静态IP地址 (系统中每个GPRS模块均设置通信对象为该静态IP地址) , 通过数据监听方式接收各个GPRS模块发送来的数据并将数据写入SQL Server 2005数据库。安装于前置主机的数据发布程序从数据库读出数据, 并将数据统计结果通过浏览器发布。

前置主机的人机界面可实现的功能: (1) 样机信息录入。将电子标签和样机对应信息录入数据库, 以保证样机进入检验检测流程后从电子标签获取的信息与样机对应。 (2) 样机信息查询。管理员登录后可查询样机的当前状态及所在位置等信息。 (3) 报表及打印。可将查询到的数据以Excel形式导出, 方便打印及后期数据处理或存档。 (4) 管理权限设置。系统管理员可给不同的用户设置不同权限, 每个用户通过用户名和密码登录系统后仅能处理自己权限范围内的信息, 确保系统安全。

3 结语

样机自动跟踪管理系统采用电子标签和GPRS技术设计, 具有实时性强、可操作性好、运行成本低、安全性高、数据传输速率高等优点。测试结果表明, 该系统能够帮助管理者迅速找到所需样机, 大大提高了样机管理效率。

该系统还具有一定的可扩展性, 如可将前置主机数据发布软件设计成网站形式, 将样机信息通过Internet发布, 以便提供样机的客户通过网络了解样机的检验检测情况。

参考文献

[1]饶运涛, 邹继军.电子标签技术[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2011.

[2]张忠志, 胡建国.无源RFID标签天线接口电路研究与实现[J].通信技术, 2008 (12) :22-24.

[3]希玉九.电子标签 (RFID) 技术及其使用的频率[J].中国无线电, 2004 (12) :51-56.

[4]杨秀清.移动通信技术[M].北京:人民邮电出版社, 2008.

[5]文志成.通用无线分组业务———GPRS[M].北京:电子工业出版社, 2002.

系统样机 第2篇

摘 要：在自动加样机系统的运行中，移液嘴从样品瓶中吸取样品，再移动到多孔板的每一个试管孔中。移液嘴的三维移动和吸取/释放样品动作都是由步进电机来驱动。因此，文章所研究的自动加样机控制系统需要控制四个步进电机，在运动过程中要求每一个动作快速、可靠，而且精度高。采用低成本的Cyclone II器件系列的 FPGA芯片作为控制芯片，实现四个步进电机的驱动。经过调试，该FPGA芯片能够很好的实现加样系统对电机的驱动需求，减少了控制系统的外围电路，减小了体积。

关键词：FPGA；加样机；自动控制系统

中图书分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2012）32-0032-02

FPGA（Field Programmable Gate Array）即现场可编程门阵列，相比于其他的可编程逻辑器件，一片FPGA可以集成几十万到上百万逻辑门，并且其逻辑功能单元不仅限于逻辑门而可以具有较为复杂的逻辑功能，使得芯片功能大幅度加强。FPGA基于SRAM架构，主要由六个基本部分组成，即基本可编程逻辑单元CLB（Configurable Logic Block），可编程输入输出单元lOB（I/O Block），嵌入式RAM，丰富的布线资源，底层嵌入功能单元和内嵌专用硬核。

Cyclone II器件系列的FPGA芯片是电子市场上大批量应用最优的低成本方案，包括消费电子、电信和无线、计算机外设、工业控制和汽车。Cyclone II器件包含了诸如嵌入存储器、嵌入乘法器、PLL和低成本的封装，这些都为诸如视频显示、数字电视、电机驱动、等批量应用进行了优化。其采用硬件描述语言，其大大简化外围电路，减少了硬件的体积，节省了空间。在需要重复精确定位的控制系统中，常采用低成本的步进电机作为执行元件。步进电机又称脉冲马达，是将电脉冲信号转换为线位移或角位移的电动机，它输出的角位移与输入的脉冲数成正比，控制输入脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序，就可以得到各种需要的运行特性。由于它没有累积误差，故可用于本文的高精度的加样系统中。

1 多孔板自动加样机控制系统的实现

多孔板自动加样机的功能是将样品从样品瓶吸取后移至多孔板的每一个孔中。它可以广泛的应用与医药实验、医药化验、临床检验、生化实验等研究领域中。本多孔板加样机是采用柱坐标的形式实现移液嘴三维移动，即水平面的定位结构见图1所示，由一个大臂围绕固定基座旋转，小臂的一端安装移液嘴，另一端可围绕大臂轴旋转。样品的吸取和释放通过驱动注射式加样器的活塞杆前后运动来实现。移液嘴通过软管与加样器连接，实现吸液与释放液体。故整个加样系统需要对四个电机进行驱动控制，即大臂驱动电机、小臂驱动电机、上下运动驱动电机和加样驱动电机。在吸取样品后，大臂电机和小臂电机需要同时驱动，可加快整个加样的速度。本文选用Cyclone II器件系列的FPGA芯片通过硬件描述语言的编程，可实现四个电机同时控制的功能，还可大大减少外围硬件电路的设计，节省了空间，提高了其可靠性。

1.1 自动控制系统的组成

本文选用的是Cyclone II器件系列型号为EP2C5Q208C8N的芯片作为控制芯片。采用L298的芯片驱动步进电机。控制芯片与驱动芯片的信号采用光电耦合。

1.2 自动加样机的控制要求

多孔板自动加样机的控制要求如下：首先将样品瓶固定在台面上一端，将移液嘴对准样品瓶，调为零点。按下开始按钮后，其工作流程为：Z向电机正转，移液嘴下移至样品瓶底停止→加样电机正转，注射式加样器活塞杆拉出，吸取规定量停止→Z向电机反转，移液嘴上升至零点停止→大臂电机和小臂电机同时转动，使移液嘴移至目标试管孔上方停止→加样电机反转，将液体加入试管孔后停止→大臂电机和小臂电机同时归零，使移液嘴重新回到样品瓶上方后停止。一次循环结束。在控制系统中设有紧急停止按钮，在出现意外情况时可紧急停止。

1.3 自动加样机控制系统的精确定位控制

本文以加样电机的控制为例来进行说明。现如今步进电机的制造工艺已经非常成熟，其输出的步距角精度一般控制在3%～5%以内，而且不会累积。在本文所述的多孔板自动加样机的加样装置的结构中，步进电机的输出通过同步带带动滚珠丝杆旋转，使得滚珠螺母连着加样器的活塞杆实现直线运动。同步带的传动比为0.4，滚珠丝杆的导程为2.5 mm。选用的加样器的满量程为

2 控制系统的软件设计

FPGA的编程软件用的Quartus II 软件，可以用VHDL语言、Verilog HDL语言、原理图输入等编程方式。本文采用VHDL硬件描述语言来编程。在此芯片中的时钟频率为20 MHz。以控制加样电机为例，主要可分为分频器控制模块和环形分配器模块。通过对时钟频率的分频设计，可以得到20 MHz以下的任意频率。通过改变分频器的计数值，就可以更改输出频率，进而改变步进电机的转速。环形分配器模块的功能是将分频器发送来的脉冲分配给步进电机的各个绕组，实现电机的转动。

步进电机的正反转及停止状态取决于大臂、小臂和Z向电机的位置。当Z向电机正转，使用计数器开始计算发送的脉冲，脉冲数到预定值，Z向电机停止，此时移液嘴下降到样品瓶底，加样电机起动正转，并用计数器计算发送的脉冲数，分段控制其输出频率，实现加减速控制，防止过冲。当大臂和小臂移动到试管孔上方预定位置时，加样电机反转，同时进行发送的脉冲计数，并分段控制其输出频率，实现加减速控制。其他三个电机的控制方式类似。

3 结 语

本自动加样机的自动控制系统使用低成本的FPGA控制芯片，控制整个加样机的动作流程，实现了加样的自动化，简化了外围电路的设计，节省了空间，大大提高了可靠性和精确性，达到了预期的效果。

参考文献：

[1] 孙冠群，于少娟.控制电机与特种电机及其控制系统[M].北京：北京大学出版社，2011.

自动泊车系统模拟样机的设计与制作 第3篇

经济的发展提高了人们的生活水平, 汽车的普及在为出行提供便利的同时也遇到了诸如停车位不足、停车位空间紧凑、泊车困难等问题, 泊车操作过程中出现的事故频繁发生。据2006年密歇根大学交通研究所的交通事故调查报告统计:因泊车操作引起的交通事故, 占所调查全部交通事故的44%, 其中进入车位事故发生率为34%, 驶离车位事故发生率为10%[1]。为提高汽车使用的安全性和舒适性, 满足消费者对泊车系统的需求, 自动泊车系统已成为国内外研究的热点。

20世纪40年代开始了对自动泊车辅助系统的研究, 通过泊车辅助装置引导驾驶员转向操作, 辅助驾驶员完成泊车。20世纪80年代后期, 电动助力转向系统的产生推动了自动泊车系统的研究, 电控转向技术的日趋成熟使泊车系统研究取得了较大进展。目前, 国外已经有多家公司为高端豪华车型配备了自动泊车功能, 但国内对于自动泊车系统的研究起步较晚, 与国外公司仍存在较大差距。

自动泊车系统的关键技术问题主要包括全车位检测、路径规划、路径跟踪等三大问题。自动泊车实际系统体积大、造价高、场地要求高、实验存在较大安风险, 不利于学校实验室研究和教学工作, 基于以上问题, 此文设计制作了一套自动泊车系统的模拟样机。

1 模拟样机硬件电路设计

自动泊车模拟样机以全国大学生智能车竞赛专用A车模作为控制对象, 该车模采用7.8V充电电池供电, 便于传感器、电路板的安装。根据自动泊车系统的功能要求, 系统硬件主要包括车位检测、转向控制、路径测量、车速控制、人机交互接口、电源管理等部分, 自动泊车系统的整体硬件框图如图1所示。

1.1 自动泊车控制系统

自动泊车系统不仅要采集车位、车速等信息, 还要进行复杂的路径规划和转向、车速控制[2], 综合以上因素, 选择飞思卡尔公司生产的Kinetis K60型号单片机为自动泊车系统的控制芯片。K60为基于ARM Cortex M4内核的混合信号为处理器, 采用32位处理器内核, 总线频率可达200MHz, 合了最新的低功耗革新技术, 具有高性能、高精度的混合信号能力, 并且具备PWM、DMA、ADC、DAC等丰富的外设资源, 可满足自动泊车系统的控制需要。

1.2 车位检测与转向控制

1.2.1 测距传感器选择与布置

常用的测距模块包括红外测距、激光测距、摄像头测距、超声波测距等, 表1为几种测距方式的对比分。综合探测距离、响应时间、成本等因素考虑, 最终确定本系统采用型号为HC-SR04的超声波传感器进行距离检测。

为实现对车位的准确检测, 本模拟样机共采用8只超声波传感器, 空间布置如图2所示。

转向控制采用型号为Futaba S3010舵机伺服器, 该舵机6V时扭力可达6.5kg.cm, 动作速度0.16±0.02sec/60°, 可满足模拟样机的转向控制。

1.3 路径测量与车速控制

自动泊车系统运行中, 需要根据路径确定转向、速度, 因此需要实时获取车模的位置, 本设计中采用欧姆龙E6A2-CW3C型200线增量式编码器进行转速的检测, 通过对转速的积分获取路径信息。

泊车过程中, 需要对车模运行速度进行控制, 模拟样机是通过一直流电机带动车模运行, 因此需要设计直流电机的驱动电路。本模拟样机中采用了由两片BTS7970驱动芯片组成的H桥式直流电机驱动电路, 电路图如图3所示。

1.4 电源管理电路

模拟样机采用7.8V电池提供电能, 而单片机最小系统需要3.3V供电, 超声波模块和直流电机驱动模块需要5V供电, 舵机转向系统需要6V供电, 因此在向各个模块提供电能时, 需要进行电压的转换, 已确保系统的正常稳定工作, 图4给出了系统电源管理电路的框图。

2 车位检测与路径规划

2.1 自动泊车最小转弯半径计算

最小转弯半径指的是当转向机构转到极限位置时, 车辆以能使车辆稳定的最低车速转向行驶时, 其外侧转向轮中心平面在地面上滚动的轨迹圆半径。它所表征的是车辆能够通过弯曲狭窄地带或者能够绕过不可越过障碍物能力。转弯的半径越小, 车辆的机动性能就越好。

根据图2所示的车模参数, 其中, La表示车长, Wa表示车宽, 不包含后视镜、转向灯等部位;轴距用Lb表示;前悬长用Lc表示;后悬长设为Ld。结合图5所示的最小转弯半径轨迹可得:

车道内边沿所在的圆的半径:

车辆外轮廓运动轨迹所在圆的最外沿半径:

以最小半径转弯时车道安全宽度:

2.2 超声波测距与车位检测

当超声波从空气垂直入射到固体表面时, 产生全反射, 反射回来的回波具有足够的能量被接收探头收到, 实现距离测量。单片机实现超声波测距的计算公式如式 (5) 所示。

其中:v表示超声波在空气介质中的传播速度, Ts表示单片机中设定的中断周期, M表示在一个脉冲读取周期内进入中断的次数。

以水平式车位自动泊车为例说明车位检测的原理。当自动泊车功能启动后, 位于车模右侧的传感器器实时车模右侧距离是否大于车模宽度, 同时, 编码器路径测量模块记录车位长度。当车位宽度和长度均大于设定值时, 表明该车位可停车, 实现车位的检测。

2.3 自动泊车路径规划

当车位通过可行性验证后, 自动泊车系统开始规划路径进行泊车。此文针对两种最常见的水平式、垂直式泊车位阐述路径规划原理和泊车过程。

2.3.1 水平式泊车位路径规划

结合图6阐述水平式泊车位路径规划过程:

(a) 寻找空闲车位:找到最小转弯半径圆所指的圆心。 (b) 进入第一个最小圆轨迹:确定车位水平距离。 (c) 进入第一个最小圆与第二个最小圆轨迹的交点。 (d) 车辆到达预定位置, 车辆进行局部调整。

2.3.2 垂直式泊车位路径规划

结合图7阐述垂直式泊车位路径规划过程:

(a) 四分之一圆轨迹路径。 (b) 车辆泊车后期的局部调整。

3 自动泊车系统软件设计与测试

需要泊车时, 通过功能按键启动自动泊车功能, 选择车位类型, 控制系统通过车位检测单元检测车位数据并进行泊车路径规划并进行可行性分析。只有当可行性验证通过后, 路径测量模块实时检测汽车位置, 并调整汽车运行速度, 并将汽车位置在液晶显示器输出显示。整个系统的程序流程图如图8所示。

编写自动泊车系统的程序, 并在实验室搭建简易停车位进行水平式、垂直式两种停车位的自动泊车实验, 自动泊车过程如图9、10所示。实验结果表明, 所研究的车位检测、路径规划及转向、转速控制实现了模拟样机的自动泊车功能, 达到了预期目标。

4结语

此文设计制作了一种自动泊车系统模拟样机, 通过8只超声波传感器器获取车位数据, 采用最小转弯半径原理对自动泊车路径进行了规划, 实现了水平式、垂直式两种车位的自动泊车功能。

摘要：随着汽车数量的飞速增加, 城市停车空间日趋紧张, 泊车环境越来越复杂, 车辆泊车入位困难问题日益突出, 自动泊车系统已成为国内外研究的热点问题。针对实际系统体积大、成本高、系统复杂等问题, 设计制作了适用于实验室研究的模拟样机, 对自动泊车路线进行了规划设计和程序设计, 并在模拟样机上实现水平式、垂直式两种车位的自动泊车功能。

关键词：自动泊车,模拟样机,路径规划,最小转弯半径

参考文献

[1]李红.自动泊车系统路径规划与跟踪控制研究[D].长沙:湖南大学, 2014.

[2]王芳成.自动平行泊车系统的研究[D].合肥:中国科学技术大学, 2010.

[3]高航.自动垂直泊车方法研究[D].合肥:中国科学技术大学, 2011.

[4]姜辉.自动平行泊车系统转向控制策略的研究[D].吉林:吉林大学, 2010.

系统样机 第4篇

数字样机 (Digital Mock-up) 技术是一种用数字样机代替原型样机进行产品的结构和功能展示、性能仿真、测试和评估的数字化设计技术。基于数字样机的绝大部分设计过程是在计算机上实现的, 具有综合集成、快速灵活和协同合作的特点, 设计人员根据数字样机可以在原型样机制造之前掌握产品的综合性能和潜在的问题, 提出设计变更和设计反馈, 减少设计失误和大量的实物试验验证, 从而达到缩短研制周期, 降低研究成本和提高产品质量的目的 [1]。数字样机系统作为数字样机技术实现的基础环境, 它提供了其实现的软硬件支撑环境, 通过人机交互输入、多通道立体显示等多种方式, 实现对复杂产品更加真实的模拟。

数字样机技术在一些工程设计与制造技术较发达国家, 如美国、德国、日本等已得到广泛的应用, 应用领域从汽车制造业、航空航天业、国防工业到人机工程学、医学以及工程咨询等很多方面。所涉及的产品从庞大的卡车到照相机的快门、火箭到轮船的锚链。在各个领域里, 针对各种产品, 数字样机技术都为用户节约了开支、时间, 并提供了满意的设计方案。采用虚拟现实技术, 基于数字样机软件, 借助VR外设工具可对产品的不同层面 (零部件级、组件级、系统级) 进行数字化样机装配和维护, 实现具有沉浸感的

产品装配与维护, 对产品装配性能、装配工艺性和维护性进行评估和优化, 在设计阶段验证产品的装配和维护性能。如在宝马汽车公司, 虚拟装配被用于验证整车装配, 在整车总计806个装配操作中, 有494个操作得到评估, 并且据此制定了标准的操作规程。该公司为车门的装配操作设计了一个虚拟装配系统。该系统能够识别语言输入, 完成相应的操作, 当发生干涉碰撞时, 能够发出声音报警 [2]。

2 数字样机应用分析

复杂产品属于产品组成复杂、产品技术复杂、运行维护复杂的复杂系统, 其功能和结构复杂程度高, 给工程设计带来了巨大的挑战 [3]。针对复杂产品设计需求, 基于数字样机的应用特点, 初步分析了数字样机技术在复杂产品研制的论证阶段、方案阶段、工程研制阶段的应用, 如图1所示。

传统的产品设计方法完全依赖于生产模拟件, 开展模拟试验来优化设计, 检验布局性、装配性、维修性等产品性能的成本相当高, 周期非常长。通过构建以数字样机为核心的数字样机系统, 可对复杂产品全生命周期的装配性、环境适应性、维修性等性能进行分析验证, 支持设计改进;通过对系统的各种参数 (如设备布局、资源分配和各种工艺流程等) 进行虚拟验证, 评价设计方案对以后使用和维护阶段的效率和成本的影响, 通过数字样机技术在设计阶段对产品布局合理性进行评估和验证, 寻求优化的产品总体布局和资源分配策略, 减少后期的验证试验和设计更改。

3 数字样机系统

数字样机技术的应用离不开数字样机系统的支撑, 数字样机系统是支撑复杂产品工程设计的基础环境。

3.1 总体框架

基于虚拟现实技术的应用特点, 面向复杂产品设计的数字样机系统能够支撑设计验证与优化、设计协同和维护支持等应用, 实现信息共享、集成和传递, 复杂产品数字样机系统的总体框架见图2。

图2所示, 复杂产品数字样机系统总体框架分为三个层次:

(1) 底层为计算机支撑环境, 包括网络和数据库等为数字样机仿真应用提供基础环境;

(2) 中间层为功能层, 该层是支持复杂产品数字样机仿真应用的核心及功能实现。通过定制功能组件实现对各类基于数字样机技术的仿真活动数据、任务、流程等管理, 通过配备专用仿真软件及二次开发实现基于数字样机的仿真应用功能;

(3) 顶层为业务应用层, 根据数字样机仿真任务的应用需求, 在功能层的支持下, 基于相应的仿真应用工具完成各种仿真任务, 并形成复杂产品数字样机仿真应用规范。

3.2 功能分析

在设计阶段就考虑产品的布局性、装配性、维修性等性能对装配、拆卸、使用和维护等后续阶段的影响, 把在后续阶段活动中可能存在的问题在设计过程中尽可能早发现并解决。在设计阶段就能对产品的布局性、装配性、维修性进行评估、优化与验证, 从装配和维修的角度改进产品功能和结构设计, 不必等到物理样机制造出来后才进行产品布局合理性、装配可行性和维护可行性验证。为了改善产品研制过程中的技术协调手段, 通过虚拟现实技术展示产品结构与布局、力学分析结果和工作过程, 促进产品设计、分析人员、管理人员之间更好的沟通与协调 [4]。基于虚拟维护技术, 辅助维护方案的制定, 同时装配和维护人员在装配和维护实际操作之前进行仿真, 这种方式不仅能减少消耗成本, 而且能使被培训人员通过操作虚拟设备模拟真实操作的效果, 以最直观、最有效的方式完成装配和维护等培训任务。通过对国内外复杂产品开展的数字样机技术应用的跟踪分析, 结合复杂产品的设计特点, 数字样机系统应具有设计验证与优化、设计协同、维护支持功能, 系统功能组成见图3。

3.3 逻辑架构

数字样机系统是一种支持多用户的虚拟设计环境, 能够提供给用户交互式输入、大范围视野的高分辨率、高质量的立体影像。典型数字样机系统的逻辑架构见图4, 数字样机系统包括仿真管理系统、仿真应用系统和虚拟现实系统。仿真管理系统为复杂产品数字样机仿真应用提供数据管理及协同管理, 仿真应用系统通过配置高性能图形工作站和专用的数字样机软件, 支撑数字样机系统的各项功能。虚拟系现实系统主要包括投影显示系统、图形发生器、中控/系统和VR外设 [5], 支撑需具有沉浸式的人机交互式仿真应用。

3.4 功能实现

3.4.1 设计验证与优化

基于数字样机软件的集成与开发, 建立数字样机系统的设计验证与优化功能模块, 其功能分析如图5所示。

基于数字样机系统, 在应用工作站上开展数字样机建模、装配性分析与验证、维护可行性分析与验证、布局合理性验证等仿真应用工作, 然后把这些工作转移到图形发生器, 基于虚拟现实技术, 在数字样机系统上完成设计虚拟验证, 并将分析结果反馈于设计, 设计人员基此改进设计。

(1) 装配性验证与优化:通过在数字样机系统中建立与实物样机相似的数字样机 [6], 研究人员在虚拟环境中对虚拟产品进行装配, 获得产品装配性的相关数据, 并对产品的装配性进行分析和评估, 验证产品的装配性能, 据此指导或改进产品设计和装配流程;

(2) 布局合理性验证与优化:以产品为对象, 在结构模型的基础上, 建立相应的VR模型, 通过跟踪器、立体眼镜等VR设备将设计/决策人员融入到VR模型中, 沉浸地观察产品结构的布局情况, 验证资源、人员流动的可行性, 进而判断布局的合理性, 并反馈于设计;

(3) 维护性验证与优化:针对产品的结构模型, 建立相应的VR模型, 同时建立维修人员的人体模型, 维修设备的资源模型, 研究同时考虑这三类模型时对产品系统中可维修/更换设备进行虚拟维修操作, 交互、真实地模拟设备维修过程、验证维护活动中操作空间可行性、维护流程的可行性、维修方案合理性;设计人员基此改进设计。

3.4.2 设计协同

基于数字样机仿真软件及二次开发, 建立数字样机系统的设计协同功能模块, 实现结果展示、场景漫游、运行体验和综合评审功能[5]。

(1) 产品总体布局与结构可视化:以虚拟现实方式展示的产品总体布局、结构模型, 观察者通过佩戴立体眼镜、使用Neowand等VR外设对产品总体布局、结构和功能进行浏览, 尽早发现设计的问题并进行改进;

(2) 产品CAE结果可视化:通过FEA模型、分析结果的云布图、动画过程、等值面/线等方式, 向设计者、分析者和决策者沉浸式展示产品的性能, 为性能改进、方案决策提供参考;

(3) 运行体验:基于数字样机仿真软件, 根据产品工作原理、工作过程, 开发产品可视化系统, 展示工作原理, 再现工作过程、便于各类人员的理解与交流;

(4) 综合评审:通过结果展示、场景漫游、运行体验、设计验证与优化和维护支持等功能, 为方案评审、综合决策等活动提供支撑。

3.4.3 维护支持

基于数字样机仿真软件的二次开发, 建立数字样机系统的维护支持功能模块, 可实现系统培训和维护支持。

(1) 系统培训:基于产品数字样机系统, 基于数字样机仿真软件开发产品装配、安装和维护培训系统。通过装配、安装和维护培训系统, 装配人员、安装人员和维护人员可在装配、安装和维护实际操作之前进行培训;

(2) 维护支持:基于产品的故障树, 采用维修序列规划方法建立维修任务生成方法。依据生成的维修任务, 通过交互式维修仿真对生成的维修任务有效性进行验证。

4 应用示例

4.1 虚拟维护

虚拟现实环境采用BARCO Galaxy DLP投影仪和Power Wall显示屏幕, 支持三通道立体显示, 图形发生器是惠普Z820工作站+Quadro Plex可视化图形服务器, VR外设包括Crystal Eyes液晶眼镜、六自由度FOB跟踪器和Neowand六自由度三维交互设备等。利用FOB跟踪Neowand的位姿数据, Neowand作为输入控制设备实现直接操作和系统控制, 实现虚拟维修仿真 [7]。虚拟维修系统应用示例是以一个镜框组件的维护为例。图6是开启门的仿真, 仿真过程中发现采用旋转方式开门会发生门与维修工具、维修环境发生干涉, 从而造成维修障碍问题, 如图6 (b) 所示, 维修障碍I就是门与维修工具发生干涉造成维修障碍。因此提出新增一种开门方式:拆掉方式来打开门, 对设计提出了要求:在设计门的连接时, 需考虑门的连接方式, 同时满足旋转方式、拆掉方式两种开门的需求。维修人员可根据反射镜组件所在位置, 选择其中的一种开门方式, 即能保证开门的方便性, 又能满足维修任务的可行性。

图7是松开防跌螺栓的维修过程仿真中的人机工效评估, 图7 (a) 说明某仿真时刻防跌螺栓满足可视性要求, 图7 (b) 说明某仿真时刻防跌螺栓满足可达性要求, 图7 (c) 说明某仿真时刻防跌螺栓满足可操作性要求, 通过对松开防跌螺栓整个维修过程的仿真, 没有发现碰撞与干涉问题, 没有发现任何维修故障, 该维修任务可行。

4.2 虚拟实验

基于数字样机技术开发了破片战斗部威力仿真系统, 不仅能够给出破片场中每个破片特征参数和威力参数, 以及对特定靶的毁伤情况, 而且利用数字样机技术可沉浸式再现破片战斗部威力仿真的宏观过程, 即破片场形成、破片飞散、破片作用目标的全过程仿真。图8是破片战斗部威力仿真系统的应用示例 [8]。

5 结论

面向复杂产品设计的数字样机系统已经在产品设计与验证、设计协同和维护支持方面得到一定应用, 考虑现阶段虚拟现实技术和数字样机技术工业应用的特点, 数字样机还不能完全取代物理样机。为了把数字样机技术更加深入应用于工程设计中, 还需开展如下研究工作:

(1) 虚拟装配关键技术研究:为了真实模拟实际装配过程, 必须考虑人机交互控制、公差、人机功效和零部件的物理特性等因素对装配过程的影响, 更加真实的模拟实际装配过程, 实现对装配性更加精确的评估与虚拟验证;

(2) 虚拟维修/虚拟培训技术研究:在产品的全生命周期都必须考虑产品维修和使用性能, 虚拟维修/虚拟培训技术是解决产品维修性/使用性的设计、评估与培训问题的最有效的技术手段;

(3) 多领域设计工具集成研究:开展CAD软件、CAE软件和虚拟现实软件等不同领域工具软件集成研究, 建立集成方法, 为数字样机技术应用奠定基础。

摘要：简要介绍了数字样机技术的特点和应用现状, 结合复杂产品工程设计的特点, 分析了数字样机技术在复杂产品设计阶段的应用。基于此分析了数字样机系统的总体框架和逻辑架构, 给出了数字样机系统功能分析。重点分析了设计验证与优化、设计协同、维护支持的实现方法, 给出了数字样机系统的部分应用示例。结合已开展的研究工作和存在的问题, 探讨了下一步急需开展的研究工作。

关键词：虚拟装配,虚拟维修,虚拟现实,数字样机

参考文献

[1]谭建荣, 刘振宇著, 数字样机:关键技术与产品应用[M], 北京:机械工业出版社, 2007

[2]Antonino Gomes de Sa, Gabriel Zachmann.Virtual Reality as a Tool for Verification of Assembly and Maintenance Processes[J].Computer and Graphics, 1999, No.23:389-403

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[4]Yang Yunbin, Qian Lixin, Sun Chuanjie.Study on Virtual Prototyping Design Method for Conventional Warhead[C].24th International Symposium on Ballistics, 2008.1052-1059

[5]杨云斌, 王峰军.数字样机平台在战斗部研究中的应用[J].系统仿真技术及其应用, 2009, 11:843-846

[6]杨云斌, 韦力凡, 何良莉等.基于装配任务集的装配过程建模研究[J].中国机械工程, 2011, 23 (11) :1308-1312

[7]何良莉, 魏发远, 王峰军.虚拟布局/装配环境下的人机交互技术研究[J].机械设计, 2010, 27 (5) :86-89

系统样机 第5篇

目前, 对BEV的研究主要集中在能源存储、控制策略等方面。由于驱动电动机具有较好的牵引特性, 因此BEV的传动系统不需要离合器和变速器, 取而代之的是电驱动传动系统 (EDU) , 又称双级减速器。B E V的车速控制由电动机控制器通过调速系统改变驱动电动机的转速即可实现。因此, BEV的动力系统由驱动电动机和EDU两部分组成, 二者之间的匹配对整车的动力性、经济性、续航里程有显著影响。本文针对纯电动汽车, 根据整车性能指标而设计开发一款EDU产品, 并通过虚拟样机技术校核了EDU总成及关键零部件设计的合理性。

BEV系统结构和工作原理

本文是基于某款轿车而开发的纯电动驱动系统, 该动力系统方案由动力电池、驱动电动机、控制系统、EDU等组成。驱动电动机与控制系统是电动汽车的关键部件, 驱动电动机具有调速范围宽、转速高、起动转矩大、效率高且有动态制动强和能量回馈等特性, 当纯电动汽车减速或制动时, 电动机可作为发电机将动能转化为电能存储到动力电池中;控制系统结构相对简单, 只要根据蓄电池充电状态决定其运行或停止, 系统结构原理如图1所示。

BEV传动系统设计

纯电动汽车原则上不需要任何种类速比的变速器, 因为驱动电动机具有广域高效、高功率密度的独特优势, 能够满足车辆低速恒转矩、高速恒功率以及宽调速范围的复杂动力需求, 从而使车辆实现从静止到运动的过程。但为提高电动机的效率, 未来电动车的EDU产品会配备2、3挡速比或是一个简单的无级变速器。就目前而言, 国内外批产的主流EDU产品均为一个挡位。本文介绍的EDU设计方案同样采用两轴式、单速比的传动方案, 并具备机械式驻车机构。EDU的设计开发应基于整车的开发目标, 利用Cruise软件评价整车的动力性、经济性和爬坡能力, 从图2中可以看出, 当EDU的总速比为9～9.5时, 整车的经济性较好, 且可以满足整车动力性和爬坡性能的设计指标。BEV变速器内部结构如图3所示。

1.差速器分总成2.机械式驻车制动系统3.输出轴分总成4.输入轴分总成

BEV传动系统仿真分析

EDU仿真模型的建立与分析基于RomaxDesigner和Hypermesh软件, RomaxDesigner是一个虚拟产品开发与模拟工作平台, 可用于整个变速器系统的设计与分析, 包括箱体、轴承与传动系统。

1. EDU仿真模型的建立

首先在RomaxDesigner软件中建立齿轴系、轴承、花键的仿真模型, 在Hypermesh软件中建立箱体的有限元模型, 并用RomaxDesigner有限元求解器进行缩聚, 用于分析壳体柔性对系统的影响, 并定义所有的系统属性与连接参数, 从而建立完整的EDU仿真分析模型 (见图4) 。在分析过程中, 与驱动电动机连接的壳体端面被约束六个自由度, 将驱动电动机的功率转矩曲线作为输入功率载荷应用于Romax模型中, 即可进行总成耐久性分析 (包括齿轴系和轴承的可靠性分析、齿轮啮合错位量分析) 、齿轮传递误差分析、壳体静强度分析和壳体模态分析。

2. 齿轮的可靠性分析

在设定好的载荷工况下运行载荷谱分析计算, 得到每个齿轮的损伤率和应力分析结果 (见图5和附表) 。

完整的齿轮分析报告不但提供了强度校核结果, 而且详细列出了载荷谱中每种工况下的弯曲应力、接触应力、损伤率和安全系数。从分析结果可以看出, 各齿轮的损伤率均低于70%, 且在Romax中定义的载荷谱要比实车工况条件更加苛刻, 因此各齿轮均满足强度要求, 安全系数如图6所示。

以上安全系数的计算结果均是未进行微观修形的前提下计算得出, 后续通过合理的微观修形各齿轮的传递误差, 安全系数将进一步得到提升。

3. 轴承的可靠性分析

轴通过轴承支撑在EDU内, 轴承寿命分析要充分考虑系统变形、轴承预紧、错位及滚子修形。该EDU产品所选择的轴承均为标准轴承, 可以直接调出Romax Designer中的轴承数据, 运行载荷谱, 得到损伤率和寿命计算结果 (见图7) 。

4. 齿轮啮合错位量分析

传统变速器噪声主要包括敲齿和啸叫, 因驱动电动机工作平稳、转矩波动小、无非承载齿轮啮合, 所以EDU的工作噪声主要表现在啸叫。啸叫 (Gear W h i n e) 是由于齿轮系统啮合过程中齿对的传动误差而产生, 其特点是由工作齿轮产生, 具有明显的阶次特征, 与齿数等相关。当壳体的固有模态被激励共振后, 啸叫噪声变得更加严重。产生传递误差的因数主要有两方面, 一是齿轮本身, 包括齿轮宏观参数, 齿轮的啮合刚度 (由于在啮合过程中接触线长度及齿厚的变化, 导致啮合刚度发生变化) ;二是齿轮的啮合错位, 啮合错位是由壳体、轴承、轴的变形以及轴承游隙等系统综合因数产生的。

本文首先分析了各载荷工况下齿轮的啮合错位, 得到齿轮沿啮合线的位移, 其主要是由于系统变形导致的, 将位移组合便可得到齿轮副的组合变形, 最大的张开量即为齿轮副的啮合错位量。利用Romax的微观几何分析模块得出齿轮传动误差, 并分析了EDU系统综合变形引起的齿轮啮合错位对齿轮齿面载荷分布情况的影响, 通过齿轮修形降低齿轮传递误差, 改善齿轮啮合状况, 优化前后效果如图8所示。

5. 壳体静强度和模态分析

壳体有限元模型是在Hypermesh软件中建立的, 随后将壳体有限元模型导入Romax中, 并将有限元模型与轴承中心点进行连接, 然后缩聚壳体有限元模型, 并检查壳体缩聚的刚度矩阵, 刚度矩阵缩聚计算结束后不再需要导入刚度矩阵等方面的操作, Romax会将刚度矩阵自动导入到EDU模型中。随后即可进行EDU系统计算, 系统计算结果将提供壳体变形计算的边界条件, 在完成EDU系统计算后即可开始对壳体进行有限元应力计算、变形计算和模态振型分析。壳体的静态分析结果如图9和图10所示, 根据ADC10材料的100次循环的S-N曲线, 许用应力为190MPa, 本次计算最大应力为124MPa, 安全系数为1.53, EDU的壳体静强度满足设计要求。

EDU的固有特性 (固有频率、固有振型) 对整车的振动和噪声有较大的影响, 为了求解EDU的固有频率, 要进行模态分析, 以判断其在工作时是否会产生共振。物体理论上有无穷阶模态, 振动是这无穷阶模态的叠加, 但一般的工程结构模态计算中, 引起EDU共振的主要是较低阶次频率, 因为高阶频率的振动由于阻尼的影响而衰减非常快, 所以在实际振动中难以出现高阶共振。因此, 本文对EDU壳体进行了约束状态下的模态分析, 得出其前20阶的固有频率和固有振型, 壳体前四阶的模态振型分析结果如图11所示。

分析结果表明, EDU壳体前四阶的频率分布范围为852.87～2028.84Hz, 一阶频率为沿Z轴的扭转振动, 出现弯曲扭转变形, 壳体后顶部的振幅最大;二阶频率为绕Y轴的扭转振动, 同样是壳体后顶部的振幅最大, 出现弯曲扭转变形;三阶频率为沿Y轴的平移振动, 离壳的局部振动剧烈;四阶频率为绕Y轴的扭转振动, 壳体顶部振幅最大。由于驱动电动机的转速范围为0～10000r/min, 基频0～167Hz, 在车辆行驶过程中, 道路产生的激振一般不会超过100Hz, 悬置产生的激振7!15Hz。经计算分析表明, EDU壳体各阶固有频率均在传动系统共振区之外, 说明该EDU壳体满足动态特性要求。

结语

本文对纯电动汽车搭载的传动系统进行结构设计、虚拟仿真分析和优化设计, 为EDU的设计开发提供一定依据, 并得出以下结论:

1) 根据整车开发指标确定了传动系统的速比, 满足了整车动力性、经济性、爬坡性能的要求。

2) 完成了对电驱动变速器的全部开发工作, 包括壳体设计、齿轮宏微观参数的确定、P挡机构设计和润滑系统设计等。

3) 对电驱动变速器的齿轴系、轴承、壳体等部件进行了仿真分析, 并进行了优化设计, 改善齿轮啮合状况, 降低了传动误差, 达到了较好的效果。

系统样机 第6篇

典型的DCS样机的体系结构分为3层:电厂模型层 (DCS 0层) 、过程控制层 (DCS 1层) 和操作监控层[2]  (DCS 2层) , 层级之间通过数据的流动完成DCS系统的闭环控制。DCS 0层模拟了核电机组真实设备的模拟量和数字量信号, 它通过DCS 0-1层通信接口软件和DCS 1层进行信号数据交互。DCS 1层主要负责生产过程的数据采集, 控制逻辑计算等功能, 它通过DCS 1-2层通信接口软件和DCS 2层进行过程数据和指令的交互。DCS 2层主要面向现场操纵员。它收集DCS 1层的输出数据, 进行工艺流程图的显示、重要参数的趋势监测, 并根据操纵员的指令进行系统控制。DCS 2层的操作指令则按照上述过程的反向反馈进DCS 0层, 由此形成整个DCS系统的信息闭环。

由此可知, DCS样机是数据驱动型系统, 数据相当于系统的血液, 而通信接口软件则类似于系统血管。设计实现高性能、高可靠性的数据通信接口软件是保证DCS样机系统稳定、高效运行的关键环节之一。

1 DCS样机通信接口软件的系统架构

在DCS样机系统中, 电厂模型层 (DCS 0层) 一般作为独立的整体运行在服务器中, 它通过单一的通信接口向过程控制层的推送数据。过程控制层 (DCS 1层) 的控制系统工程非常复杂, 一般采用分系统的方式对控制工程进行划分, 并下装至不同控制器中。因此一个核电控制过程一般包含多台控制器, 控制器之间通过局域网络完成站间数据通信;而且, 各个控制器作为独立的个体向操作监控层推送数据。操作监控层 (DCS 2层) 作为面向操纵员的平台, 根据作用也分为不同的子系统, 子系统之间也通过局域网络进行数据的同步。因此, 整个DCS样机系统呈现为总-分-分的结构, 接口通信软件的系统架构必须能够适应DCS样机系统的结构, 达到高可靠性、高性能的目标。接口通信软件的系统原理如图1所示。

通信接口软件包括:DCS 0-1层通信接口软件、控制器站间通信服务程序, DCS 1-2层通信接口软件、DCS2层通信中间件四部分。

1.1 DCS 0-1层通信接口软件

DCS 0-1层通信接口软件负责DCS 0层和DCS1层的数据交互, 它采用C/S架构, 分为服务器端和客户端。客户端运行在DCS 0层, 它通过共享内存从模型中获取设备点数据, 将其发送至DCS 1层, 并等待DCS 1层的命令响应。

服务器端运行在DCS 1层, 它接收设备的模拟量和数字量数据。由于在DCS样机系统中, DCS 1层由虚拟控制器和实物控制器混合构成, 因此, 服务器端软件也分为虚拟服务器端 (Vir UNO) 和服务器端 (UNO) 两部分。虚拟服务器端收到数字信号数据, 直接转发至虚拟I/O通信板卡中, 由I/O驱动传送至虚拟控制器中;对于收到的模拟信号, 则先进行量程转换, 再送进虚拟I/O通信板卡中。实物服务器端不再区分数字和模拟量信号, 集中传送至实物通信板卡中 (实物通信板卡自带量程转换程序) 。同理, DCS 1层下发指令进行逆向处理, 传送至DCS 0层。

1.2 控制器站间通信服务程序

控制器站间通信服务程序主要负责虚拟控制器之间、虚拟控制器与实物控制器之间的数据传输。为了能够实现与实物控制器的通信协议兼容, 虚拟控制器间采用实物控制器的站间通信协议 (安全组播通信协议[3][4]) , 并按照配置文件的配置信息进行站间数据发送, 同时采用定周期方式发送。

站间通信的报文格式也遵循实物控制器的数据通信格式。站间通信报文内容为组播传输数据列表里面指定点的质量码和点值。当固定周期到来时 (规定为100ms) , 根据组播数据列表中的指定点的位置信息, 从实时数据库中读出相应点的质量码和变量值, 并发送至特定组中。通信组中控制器收到该报文时, 根据自身配置信息, 判定是否读取通信数据。如果是当前控制器所需数据, 则将其保存至自身的实时数据库中, 供虚拟I/O设备驱动读取。

1.3 DCS 1-2层通信接口软件

DCS 1-2层通信接口软件负责DCS 1层和2层之间的数据交互。它主要完成以下工作:1) 将DCS 1层的过程控制变量传送至DCS 2层;2) 接收DCS 2层的操作指令。

DCS 1-2层通信接口软件也分为两部分, 一部分以线程的形式工作在控制器端, 另一部分作为进程的形式工作在DCS 2层。它同时兼容定周期发送和召唤发送两种通信模式, DCS 1-2层通信接口软件的状态机模型如图2所示。虚拟/实物DCS控制器启动后, 控制器端通信接口线程便处于等待状态, 等待DCS 2层端通信接口进程的通信连接。当收到连接请求时, 通信接口线程进入应答状态。在此状态下, 通信接口线程根据DCS 2层的要求, 进入周期发送状态状态和召唤发送状态。在召唤发送模式下, 仅在收到DCS 2层的数据请求才向上推送数据, 且在任意时刻接收DCS 2层的下行指令数据。在周期发送模式下, 每次上传数据后等待DCS 2层的应答信息, 否则, 每隔30ms进行重传, 3次重传失效后将关闭连接, 回到等待状态。由于控制器端的通信线程较多, 如果采用TCP连接方式, 将会建立较多的连接, 而且对于系统的扩展性不利 (无法预先知道有多少连接) 。因此, 这里采用组播通信的方式, 符合相同协议的控制器均可加入通信组进行数据交互。

1.4 DCS 2层中间件

DCS 2层中间件通过共享内存与DCS 1-2层通信接口软件共享数据。它主要完成各个操纵员站OWP之间的数据同步, 包括:过程数据的同步和指令的同等。在OWP的数据同步过程中, 采用UDP广播的数据发送方式来降低宽带消耗, 并通过应用层主动添加同步数据确认包的方式来确保数据同步的可靠性。

DCS 2层中间件分为主控模块、数据发送模块和数据接收模块。数据发送模块通过访问“同步数据区域”来获取本节点需要同步到网络上其它节点的数据, 该信息存储设施是一段共享内存。数据发送模块在每个“数据同步周期”后, 都向主控模块发送数据同步的状态信息, 便于主控模块对本模块的管理维护。数据接收模块接收到其它节点的同步数据后, 更新到“同步数据区域”, 此操作在“数据同步周期”内完成, 在接收同步数据完毕并对接收到的同步数据进行检查, 如果发现丢包或者等待接收数据超时, 则要向对方回复同步数据确认包, 索取未接收到的数据包, 同时向主控模块发送数据同步的状态信息, 便于主控模块对本模块的管理维护。

2 结论

针对自主研制的DCS样机系统, 设计开发了相应的通信接口软件。该软件根据DCS系统的层次架构进行设计, 能够较好的适应DCS样机系统。本文阐述了通信接口软件的设计思想和功能结构, 并对各个层级的子系统进行了简要介绍。目前通信接口软件已应用与DCS工程调试中, 为DCS样机系统的高性能和高可靠性提供了有力的保障。

参考文献

[1]曲鸣, 张玉峰, 李姝, 等.核电DCS仿真与设计验证[C].中国核科学技术进展报告, 2009 (1) :769-777.

[2]高汉军, 李青, 曲鸣, 等.核电站DCS系统操作监控软件的仿真技术研究[C].15届全国仿真技术学术会议, 2015:173-177.

[3]Wong C K, Gouda M, Lam S.Secure group communication using key graphs[C].IEEE ACM Transactions on Networking.2000.

系统样机 第7篇

1 数字化样机技术概述

通常所说数字样机技术也就是机械工程进程中对机构、产品动态性仿真, 一般说的虚拟样机技术也是指此项技术, 其是在一九八零年左右取得了突飞猛进发展的一类网络辅助工具技术。一般情况下针对该技术大致会存在两种截然不同定义方法, 即其一, 虚拟化原型设计, 以网络图形学作为基础, 结合虚拟现实手段来模拟产品生命周期, 以达到简化或代替物理样机的效果;其二, 数字模型设计, 由机械设计和制造的层面看, 凭借网络技术仿真模拟产品运动轨迹, 或诸如此类各种参数, 以达到简化或代替物理样机测试的效果。此技术核心内容在于动力仿真、机械运动学与虚拟化技术。除此以外, 此技术还含有优化设计, 驱动元件和三维CAD建模等。结合DMU模型能够对不同机械产品性能进行动态分析并对设计予以优化, 达到节省开支和研发周期, 提升系统性能及产品质量的目的。闻名于世的波音集团在其生产的诸多飞机中大量应用此项技术, 避免了绝大部分设计更改操作, 同时产品设计精准性更高, 制造用时节省了一半, 同样福特公司也将该技术应用于其旗下产品制造过程中, 收效甚大。近几年, 我国很多先进企业也陆续开展此项技术研究与应用, 取得可喜成绩。该技术研究范围多以机械系统动力分析与运动分析为主[1]。当中动力理论分析包括有基于外力导致系统运动研究, 还可继续分成运动理论、动力理论混合形式以及不受时间影响受力条件下系统平衡位置;运动理论分析指的是参照构件间加速度, 速度及结算位置等非线型方程, 从而方便将其它构件运动参数计算出来。

2 数字化样机技术研究和应用

数字化样机技术优势:该技术已达到系统级产品优化的效果, 可以大幅提升产品质量, 减少成本并缩短设计周期[2]。和过去串行研发存在显著差别, 数字化样机技术以并行工程研发技术作为基础与突破口, 存在由系统层面出发对复杂系统予以分析特征, 支撑自上而下研发模式。注重由系统角度对产品外形, 功能及特殊情况下状态进行模拟, 虽然处于概念设计期, 但系统却能对影响性能敏感参数予以判定, 预估实际工作时产品特征和可能出现响应, 到挑选出最佳方案为止, 有时凭借数字化样机还能做物理样机没办法做的实验[3]。很大程度将产品生产质量与设计效率提升上去, 同时也使产品一次成型几率大幅提升。数字化样机技术是贯穿产品整个生命周期的, 也就是它对设计研发测试, 维护保养和故障监控甚至回收综合应用也都具有很好的辅助作用。

数字化样机技术作为现阶段研究及应用一大热门话题, 它能很好为产品概念设计提供支撑保障同时对达到并行工程效果也十分有益。现如今, 国内外数字化样机技术主要研究问题包括:其一, 不同领域复杂产品结合数字化样机技术研究和开发。虽说机械系统数字化样机技术, 如动力学研究, 热力学研究和应力变化分析等也渐渐步上正轨, 但当前产品大部分却为计算机、电子与机械一体化机电产物, 单一机械系统数字化样机技术越发不能满足整个系统运行需要, 因此国内外目前在争相开展不同领域复杂产品结合数字化样机技术研究和开发工作。其二, 应用研究领域, 国外数字化样机技术商品过程已基本全部做完并被普及到方方面面, 无论是工程器械, 造船, 国防技术, 人机工程, 医学或通用机械等都不难看到该技术的身影, 研究伴随产品生产始终[4]。其三, 数字化样机技术为软件研发提供坚实保障, 国外以数字化样机技术为基础机械系统动力学与运动学仿真分析零部件渐渐呈现出产业化发展规模。但是国内该领域研究发展却非常缓慢, 较为成功的是中国农大研发机械系统数字化样机技术运动感仿真软件, 但是这也才是全球该领域研究的起步阶段, 也就是说我国该技术整体发展还停留在萌芽期。

结束语

综上所述, 人类迈入数字信息化时代, 伴随科学技术突飞猛进发展和高强度渗透, 数字化样机技术这一新型技术渐渐被应用至各个领域。数字化样机技术被应用在工程当中无疑是机械系统设计手段的再次革新, 设计者在设计期可以有针对性依次强化各零部件动态特性, 热特性, 刚度及结构强度等, 还能够及时采集有效讯息对设计步骤加以正确引导, 确保零部件最大程度满足所需。虽然中国针对此项技术研究仍然停留在发展初期, 产品开发方面有待改善的地方还有很多, 但作为工程项目一类新兴设计手段, 可以说它开创了工程产品研发新纪元, 一定会给工程机械设备研发创造一个更加美好的明天。

摘要：基于复杂多变, 竞争逐渐趋于白热化市场竞争态势下, 企业务必要将产品研发周期缩短, 综合提升产生生产水平并减少生产成本, 才可以在恰当时间, 物美价廉为客户提供所需, 也才能在竞争如此猛烈环境中始终保持领先。传统产品研发一般会包括很多内容, 很多道繁琐工序, 例如产品设计, 样机制备, 工业实验, 产品改进及批量生产等, 这种以物理样机为基础研发模式会产生很大花费, 产品生产用时也比较久, 且有部分产品质量不过关, 明显达不到用户标准, 数字化样机技术则不同, 它可以很好满足上述物理样机无法满足要求, 这无疑是对设计者一次很好的减负, 由庞杂繁复手工绘图状态中解脱, 还为使用者提供了更进一步的优质服务。

关键词：数字化,样机技术,机械系统设计,应用

参考文献

[1]马斌强, 顿文涛, 郭延廷, 李勉, 豆根生, 郑丹, 袁超.虚拟样机技术及其在农业机械系统中的应用[J].科技信息, 2011, 1:105-106.

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[3]黄小龙.虚拟样机技术在“机械原理课程设计”教学中的应用[J].中国电力教育, 2013, 4:102-103, 109.

皮带自动采样机的自主研发与应用 第8篇

随着工业自动化技术的发展，全国各大煤矿、选煤厂及焦电厂也在努力通过提升自动化水平来提高全员效率，提高作业质量。计量工作作为产需煤企业日常工作的重要组成部分，也需要提高准确性、降低员工劳动强度。目前计量设备的计量精度已达到0.2%～0.5%，满足了商业计量标准的要求，但取样及分析系统的精度远远落后，全国产需煤企业大多数单位还是采用传统的人工取样方式，其科学性、准确性自然存在很多问题。目前检查煤样原来由人工在皮带上采集，煤样代表性受人的因素影响大。采样的随机性差且劳动强度大且具危险性，煤炭检查结果作为结算煤炭质量和计价的依据是供需双方产生矛盾的重要因素，同时煤质波动正常生产造成了不利影响。基于上述原因，宣钢焦化厂配煤车间自主研发了皮带自动采样机设备。经过近4个月的投入使用，运行正常，提高了煤样的代表性，为煤质检测提供了科学依据。

二、课题实施方案的确定

在煤质检验工作中，采样是首要环节，煤质报告数据的准确性主要依靠采样的真实性和代表性，只有把好来煤的采制样关，车间才能用准确的数据制定配煤方案，指导生产，从而以优质的配煤保证焦炭质量的稳定。采制样如果出现偏差，会造成煤种的判定错误，直接影响焦炭质量和配煤成本。目前焦化厂配煤车间对于配合煤的采样工作都是人工作业，工人的劳动强度大，并且有一定的安全隐患，带有一定的操作误差，加强煤质检验，提高采样代表性，是稳定配煤结构、保障配合煤质量的重要措施之一。

长期以来，我厂采用专用的采样铲，在粉碎机后溜槽出口处的皮带上人工采取入炉煤试样。这种方法存在较多的人为因素，造成采样不规范、代表性差，不能真实反映人炉煤质量。

1.人工采样特点

（1）采样铲采样部位、深浅不易控制，不能保证采到完整的皮带横截面煤样；

（2）人工采样的采样时间、采样频次不易控制；

（3）采样工站在运转的皮带旁采样，存在较多危险因素，易发生安全事故；

（4）采样地点噪音、粉尘大，作业环境差。

2.自动采样机应达到的要求。皮带采样机现在已广泛用于电力、钢铁、冶金、焦化、化工、建材等诸多行业，主要针对煤、矿产品、焦炭等通过皮带输送的物料进行采样。为克服上述存在的问题我厂决定在粉碎机后皮带中部安装自动采样系统取代人工采样。我们根据我车间的工艺特点，初步设计自动采样机应达到如下要求：

（1）皮带自动采样机的主要技术部件在采样器，头部取样器采用电机减速机带动偏心拉杆翻板式，在皮带头部抛物线状煤流截取全断面子样。

（2）由于煤流处截取阻力比较大，采用电机减速机驱动，保证翻板的驱动动力，达到取样的目的，并且在非取样状态时，翻板背面仍采用原档煤板的形式（方格板形成自料衬）亦可承受煤流的冲击。

3.我车间设计采样机特点

（1）该系统的主要技术部件在采样装置，采样头采用刮板式采样头，采样头为不锈钢制作，其下端设有与输煤皮带软接触的刮扫板，刮斗旋转弧面与皮带载煤的弧度基本吻合，既不损伤输煤皮带，又能刮扫煤流全断面，完整地取出子样。

（2）采样头采取了机械、电器双重防止采样头停留和掉入煤流的措施，保证了采样机不影响输煤作业的正常运行，并设有来料检测装置，不会出现空采现象。

（3）取样时间可根据要求设置。

三、项目实施过程

1.自动采样机的图纸设计。为了杜绝人工皮带采样的安全隐患，提高了采样的准确性。降低工人劳动强度，为优化配煤提供数据支持，焦化厂配煤车间技术人员，自主设计皮带自动采样机的图纸，综合考虑了采样的规范性、实际应用性、安全使用性。配煤车间以焦化厂治理文化为主体思想，广泛着急车间技术能手，充分发挥他们的聪明才干，通过大量的查找翻阅资料，数次的开会研究商讨，终于设计出自动采样机的雏形。

2.主要结构与原理。皮带自动采样机的采样头是用电机驱动，以一定的速度切入物料流，在横扫过皮带机的运动中，采出一个全断面的完整子样，所刮取的子样被抛入集料管，通过溜槽进入初级样品采样桶中。

3.采样铲参数计算。铲子的铲煤轨迹曲线接近于一个圆弧。如图4所示，所以OF=OA，在ΔODA中，（OB-OD）2+DA2=OA2 ；OB=l+FB；

采样铲全长：DB=1/2（b-L）tana=0.166；

托辊的全长。 DA=1/2b=0.2275 ；

FB通常取5—10mm；

4.安装及调试过程

（1）安装位置。我们通过对配煤车间所有皮带系统进行现场调查，初步准备在车间配煤二组M125安装自动采制样机。该条皮带为平皮带，皮带长度为47m，并且该皮带为粉碎机后皮带，符合采样工艺。该条皮带附属设备有皮带档煤皮子、皮带计量秤，通过计算可以在该条皮带安装自动采样机。

（2）安装及调试。自动采样机的设备材料都是利用修理废旧电机减速机。自动采样机的动力部件是利用修理废旧的小皮带秤电机。车间按照自主设计的图纸要求，按采样机设计安装尺寸，在皮带机中间架两侧面打孔，安装固定六块支承座，固定时一定要加弹垫，确保牢固可靠。吊装钢结构支承框与支承座联接固定，保证其坚固牢靠，并在执行机构所有螺栓联接处添加弹垫。机架定位后，将装配过的转轴装吊放到框架上，调整转轴的位置，使转轴中心和皮带机运行方向中心一致，且减速电机处在皮带输送机的上方，采样头刮板与皮带运行方向垂直。将采样头两侧轴承座加弹簧垫紧固，然后调整好橡胶刮板底部与运输皮带相贴。调整配重块，力求采样头平衡效果良好，使转轴停止时能在任意位置不自转。安装挡板，料板上的橡胶档板与运输皮带的间隙为5mm。安装动力及控制部分，安装减速电机，联整好减速机与传动轴之间的同轴度后，进行紧固时所有螺栓必须加弹垫。安装采样机和联轴器罩壳，在采样头罩壳两侧安装防撒料挡板板，保证煤料的不撒并且正常取出。

四、效益分析

皮带自动采样机所需材料及备件全部是使用车间废旧材料备件，通过车间技术人员改造修理而成。安装与调试也是由车间技术人员自己独立完成，所以说是几乎没有投入资金。

车间皮带自动采制样系统改造完成后，经过进3个月的使用，采出来的煤样非常具有准确性及代表性，对来煤的检化验提供良好的保证，避免人为因素造成指标偏差，对降低配煤成本，保证焦炭质量，有不可估量的效益。

五、项目不足

皮带自动采样机没有实现与皮带的连锁控制，不能真正的达到全自动取样，这也是我们下一步改进的目标。

参考文献：

[1]洪先志，董宗玉，顾永泉.机械密封端面力变形的解析计算.化工设计，2002（2）.

虚拟样机技术及虚拟样机试验 第9篇

从20世纪90年代开始,美国国防部为了更好、更快、更省地采购和部署满足21世纪军事需求的武器系统,进行了一系列卓有成效的防务采办改革,提出了基于仿真的采办(Simulation Based Acquisition,SBA)的概念[1,2,3,4,5,6]。基于仿真的采办的核心思想是通过采用建模与仿真技术,以并行、迭代、柔性的思想指导武器系统的开发与采办,实现武器系统全生命周期各阶段的协同工作,是对传统采办在过程、支持环境和采办文化上的变革与创新[6]。经过多年的实践与发展,基于仿真的采办得到美国军方和工业界的充分肯定,他们认为,基于仿真的采办可为切实缩短武器装备的研制周期、减少资源消耗、降低采办风险、提高装备质量。

虚拟样机(Virtual Prototype,VP)是基于仿真的采办中的一个重要概念,是建模与仿真技术在其中的一个最重要的应用形式。它利用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计、测试、评估和人员训练,成为缩短产品开发周期,降低成本,改进产品设计质量,提高面向客户与市场需求能力的重要手段。

随着高新技术成果大量地应用于武器装备,武器装备变得越来越复杂。传统的串行采办过程,论证方、用户方、研制方和评估方分离的采办制度将很难适应未来武器装备的发展需求。因此,可以借鉴美军基于仿真的采办的成功经验,以并行、迭代、柔性的思想指导武器装备的开发与采办,用虚拟样机代替物理样机参与武器装备的预研、方案论证、工程研制、定型试验等过程阶段的试验与评估,并将试验与评估的结果直接反馈于武器装备的设计与研制,通过并行、迭代、柔性的方式不断地改进和完善武器装备的设计,更好地适应与满足未来不断变化的军事作战需求,降低武器装备的开发风险和开发成本,缩短研制周期,提高产品质量。

1虚拟样机技术

根据美国国防部建模与仿真办公室(Defense Modeling and Simulation Office,DMSO)的定义,武器装备的虚拟样机是指在需求分析、方案论证、系统设计、演示验证等阶段使用的、代替武器装备实物样机的数字模拟产品。虚拟样机将建模与仿真技术扩展到新产品研制开发的全过程。它以计算机支持的协同工作为技术基础,通过支持协同工作、CAD、CAM、建模与仿真、产品分析、计算可视化、虚拟现实的计算机工具,将各个集成化产品小组(Integrated Product Team,IPT)的设计与分析人员联系在一起,共同完成新产品的概念探讨、运作分析、初步设计、详细设计、可制造性分析、性能评估、生产计划和生产管理等工作。

利用虚拟样机代替物理样机,可缩短开发周期,降低开发和测试成本,改进设计质量。利用虚拟样机,可使产品的设计者、使用者和评估者在产品研制的早期,在虚拟环境中,直观形象地对虚拟样机进行优化设计、性能测试、制造和使用仿真,对启迪设计创新、减少设计错误有着重要意义。

1.1虚拟样机技术的特点

1.1.1虚拟样机在产品的全生命周期中是不断进化的

李伯虎院士等学者认为,利用虚拟样机技术开发虚拟样机的过程,实质上是一种产品全生命周期基于模型的不断提炼与完善的过程[7,8]。不仅如此,作者还认为,在产品的全生命周期内,随着论证方、研制方、使用方和评估方对产品认识的不断加深,虚拟样机的开发是一个不断进化、不断完善的过程。虚拟样机经过不断地迭代,逐步完善,逐渐逼近最终的实际物理样机,最后研制方根据最终的虚拟样机生产制造出满足设计目标的物理样机。

在进行系统论证时,由于对产品的认识还不深入,论证方仅仅能够勾勒出产品的大概轮廓,提出产品的主要战技指标要求,对于虚拟样机的许多细节,暂时还无法进行确定。当进行系统设计时,随着对产品设计的全面展开,虚拟样机的细节逐步丰满,产品的组成、工作流程、内外部接口等内容不断丰富,虚拟样机得到了初步地进化与完善。在后续的虚拟制造、虚拟试验、虚拟使用等环节,制造方、试验方和使用方会发现产品在论证与设计中的许多问题与缺陷,不断地提出产品的改进意见。这些都反馈到产品的论证方与设计方,对虚拟样机的设计进行修改完善,实现虚拟样机的不断进化,最后形成最终的虚拟样机产品,如图1所示。

1.1.2虚拟样机成为论证方、用户方、研制方和评估方之间直观的交流语言

以往,产品的论证方、用户方、研制方和评估方之间的交流主要通过各种文书实现,包括研制任务书、设计方案、设计图样、试验报告和使用说明书等文件。一方面,这些文件数量庞大,读完并理解需要耗费较长时间;另一方面,这些文书不直观,各方对文书的理解存在偏差,很难使各方对产品形成统一完整的认识。这些不利于各方之间的交流沟通,也直接影响到武器装备的作战使用。

利用虚拟样机,就很容易使各方对产品的认识具体化,形象化。论证方向研制方说明研制目标和要求时,可以将其论证的虚拟样机运行于仿真作战环境中,直观形象地展现武器装备的作战环境、作战目标、作战过程、使用要求、战技指标等,使双方沟通更通畅,更容易达到一致的认识;当用户培训操作手时,就可以直接利用虚拟样机,这样不仅能够比较容易地发现武器装备的设计问题和缺陷,而且武器装备的技术特点、使用特点也会直观立现,也使得部队能够在战时更好地运用武器装备,使用武器装备。

1.1.3虚拟样机利于增量式开发的实现

增量式开发是指,已经识别了武器装备的预期能力,对于其终能力的需求是明确的。最终能力需求是可以通过多次增量开发得到满足,但武器装备的每次增量开发取决于当前的技术成熟度。这是为了平衡技术成熟度和研发风险、费用以及用户能力需求紧迫性之间的关系。这样就允许核心作战能力可以快速投入战场来满足作战需求。这种策略可以随着技术的逐步成熟,将作战能力以连续增量的方式投入战场。增量式开发可以加快技术进步到战斗生成之间的转化,缩短武器装备的采办周期,形成“研制一批、生成一批、装备一批”的武器装备持续发展局面,使得关键技术进步可以快速形成战斗力。

虚拟样机的并行、迭代、柔性的开发过程与增量式的开发过程非常吻合,使增量式开发的过程较容易实现。另一方面,虚拟样机的模型复用技术也可以与增量式开发相结合,在增量式的开发过程中大量地使用模型复用技术,进一步加快开发过程,缩短开发周期,快速技术进步向战斗力的转换。

1.2虚拟样机技术的应用

目前虚拟样机技术已经显示出其强大的生命力,广泛的应用于航空、航天、车辆、机械等领域。波音777就是一个采用虚拟样机技术的典范,它首次采用虚拟样机技术实现了包含300万个零件的波音777飞机全过程无图纸设计。在11个月的时间里,设计小组利用虚拟样机完成了751个飞行小时的机翼测试,730个地面小时的飞行性能测试,1088个飞行小时的推进器性能测试,770个飞行小时的飞行稳定性测试,830个地面小时的飞行开发,1280个飞行小时用于ETOP,913个地面小时用于系统验证,共8384个测试小时,他们耗费了最短的时间进行了历史上最长时间的测试,减少了94%的费用和93%的设计更改。

随着仿真技术的发展,虚拟样机技术与武器系统的结合也越来越紧密。例如美国麦道公司采用虚拟样机技术研究F/A-18战斗机的发动机装配问题,可以在30分钟内确定发动机是否能够完全适应飞机及维修设备的需要;美国研制第4代战斗机F22的过程中,虚拟样机试验与评估以及风洞试验的经费比是6:4;美国“响尾蛇”空空导弹的三个型号,由于采用了虚拟样机技术,靶试的实弹数由129发减少到35发;在“爱国者”、“罗兰特”和“尾刺”地空导弹的研制过程中,节省研制经费10%~40%,缩短研制周期30%~40%,这三个地空导弹的靶试情况如表1所示。

李伯虎院士等人是在国内较早开展虚拟样机研究的技术团队之一。他们基于国家863/CIMS航天并行工程项目,开展了复杂系统的虚拟样机技术研究、应用与初步实践,并开发了具有自主知识产权的虚拟样机支撑平台,并将虚拟样机技术成功地应用于航天飞行器的设计与制造。[7,8,9]

另外,虚拟样机技术在国内已成功地应用于导弹[10,11]、火炮[12,13]、轻武器[13,14]等武器系统的设计与制造领域,也成功应用于机器人[16,17]、数控机床[18]、拖拉机[19]等装备的设计与制造领域,甚至也应用于过山车[20]和乒乓球发球机[21]等娱乐设备的设计与制造领域。

2虚拟样机试验

2.1虚拟样机试验可以使传统的串行采办过程并行化

由图2可知,传统的采办过程是一种串行的采办过程,装备试验与评价活动并未贯穿装备的整个采办寿命周期,主要处于工程研制阶段之后,生产部署之前。传统的装备试验与评价活动基本上是以单件装备型号产品为试验对象,试验目的基本上是为了检验装备型号产品的各个单项性能指标是否达到了初始设计要求。利用虚拟样机试验就可以将传统的串行采办过程转变为如图3所示的并行的采办过程。

2.2虚拟样机可以弥补试验时物理样机数量上的不足

一般来说,装备在进行定型试验之前,生产的数量都极少,不能满足今后体系效能试验的数量要求。由于经费、生产能力等方面的原因,研制方又不可能生产出符合体系效能试验数量要求的装备。因此,在体系效能试验之前,对虚拟样机进行验模与评估,确保虚拟样机能够代替物理样机参加试验;试验时,利用虚拟样机代替部分物理样机,构建体系效能试验环境,驱动试验运行;试验后,对虚拟样机和物理样机的表现进行综合分析,评估装备的体系对抗效能。

2.3可以将LVC仿真资源进行综合集成构建逼真的虚拟样机试验环境

仿真资源通常可分为真实(Live)、虚拟(Virtual)和构造(Constructive)3种。真实仿真资源是指在部分虚拟的环境中由真实的人操作真实的装备;虚拟仿真资源是指在虚拟环境中由真实的人操作虚拟的装备;构造仿真资源是指在虚拟环境中由虚拟的人操作虚拟的装备。在装备的论证、研制、试验和使用过程中,产生了大量的LVC仿真资源,这些资源面向不同的仿真应用,满足了不同的仿真需求。在进行虚拟样机试验时应很好地继承LVC仿真资源,面向实战,进行综合集成,构建逼真的虚拟样机仿真试验环境。

3结束语