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概覽 功能原型設計系列 是一本有關(guān)原型設計過(guò)程的文章集。從中您可以閱讀相關(guān)的重要概念、原型設計的優(yōu)勢、產(chǎn)品選擇研討和其他技術(shù)資料。 什么是虛擬原型設計？ 虛擬原型設計是一種將機械建模和控制設計仿真相結合的創(chuàng )新方法，以提高對嵌入式控制系統和設備進(jìn)行設計和原型設計的效率。利用虛擬原型設計技術(shù)，你甚至可以在建立你的第一個(gè)物理原型設計之前，將你的軟件設計和控制算法連接到你的3D CAD機械模型上，以測試你所建立系統的機械特性。 
圖1. 虛擬原型設計的方法 虛擬原型設計的需求 虛擬原型設計通過(guò)提高用戶(hù)對需求的理解，加快設計進(jìn)程及簡(jiǎn)化調試，以降低與機械設計相關(guān)的風(fēng)險。如果沒(méi)有虛擬原型設計，在你能得到客戶(hù)對產(chǎn)品運行的實(shí)際反饋之前，傳統上需要工程師建立整個(gè)物理原型。通過(guò)使用虛擬原型技術(shù)，在實(shí)際建立機器之前，你可以向客戶(hù)顯示有關(guān)機器機械性能的數字顯示，并更迅速、更容易地獲得客戶(hù)的反饋意見(jiàn)。這就確保了客戶(hù)可以更多地參與到設計過(guò)程中，避免你直到原型設計中才能獲得客戶(hù)的反饋意見(jiàn)。這就太遲了。 此外，通過(guò)創(chuàng )建虛擬原型，你可以縮短產(chǎn)品上市的時(shí)間。這種原型有助于你在虛擬設計上構思并反復修改，因此當你開(kāi)始建立一個(gè)物理原型時(shí)，你會(huì )在第一時(shí)間得到其原型設計。通過(guò)將控制軟件連接到3D CAD模型上，你可以更容易地發(fā)現和解決問(wèn)題，而這些問(wèn)題通常在你建立物理原型之前，一般不會(huì )被發(fā)現的。你可以編寫(xiě)運動(dòng)控制代碼，如有關(guān)2D和3D運動(dòng)輪廓的代碼，查看基于3D模型的代碼運行結果。因此，如果部件太大以致會(huì )引起碰撞或如果你想觀(guān)察輪廓移動(dòng)和線(xiàn)性移動(dòng)間的區別，你可以利用虛擬原型設計來(lái)解決該問(wèn)題并觀(guān)察其區別。與傳統設計方法相比，虛擬原型設計有助于你在設計過(guò)程早期作出關(guān)鍵設計決策。
圖 2. 使用虛擬原型設計Fastek國際公司的Kent Wedeking 虛擬原型設計還可以通過(guò)減小你所需要建立的物理原型數來(lái)節省時(shí)間和資金。傳統上，你必須建立多個(gè)物理原型，因為你無(wú)法預見(jiàn)未來(lái)機械的挑戰。CAD和仿真軟件的出現改變了游戲規則，在設計過(guò)程中大大提高了可視化�，F在你可以基于軟件工具建立、測試和驗證設計，以前這些都需要建立物理原型才可以實(shí)現。當你進(jìn)行數字仿真和驗證你產(chǎn)品機械設計的真實(shí)性能時(shí)，通過(guò)大大減小物理原型數，為你節省了時(shí)間和資金。 最后，虛擬原型設計有助于提高機器或設備的質(zhì)量和效率。過(guò)去，你通常必須基于有限的信息來(lái)選擇電動(dòng)機及潛在的大量工程設計來(lái)增加安全系數。隨著(zhù)虛擬原型設計工具的發(fā)展，你可以提前對整個(gè)系統的動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行仿真，包括電動(dòng)機，控制算法和物理結構，并收集所有必要的信息，提出切實(shí)有效的設計方案。 NI公司虛擬原型設計的優(yōu)勢 你可以使用NI公司的LabVIEW圖形化編程工具和SolidWorks運動(dòng)工具來(lái)幫助你快速建立一個(gè)有關(guān)你機器的虛擬原型設計。此外，NI 公司還提供了多種先進(jìn)的復雜機械系統仿真和建模的解決方案。 利用NI LabVIEW和SoildWorks軟件進(jìn)行原型設計 利用LabVIEW軟件，你可以直接連接到SoildWorks機械模型上，建立一個(gè)關(guān)于你系統的虛擬原型設計。通過(guò)將SolidWorks運動(dòng)分析性能與LabVIEW 2009 NI SoftMotion 模塊相結合，并使用運動(dòng)控制編程函數在SolidWorks軟件中驅動(dòng)仿真，你就可以創(chuàng )建運動(dòng)控制系統的真實(shí)模擬情況。為了精確，協(xié)調一致的運動(dòng)分析，利用LabVIEW NI公司SoftMotion模塊， 你可以建立運動(dòng)控制代碼，并將其直接連到SolidWorks 3D 機械模型上。
圖3. LabVIEW NI SoftMotion 模塊和 SolidWorks集成 利用LabVIEW 2009，你可以添加SolidWorks 3D CAD 模型到你的LabVIEW項目中。這將自動(dòng)填充定義在3D CAD模型中的電動(dòng)機和傳感器模塊，因此你可以更容易地將你的模型連接到LabVIEW和NI SoftMotion圖形控制代碼中。 從虛擬原型設計到物理原型設計的轉變 最后，基于嵌入式運動(dòng)控制平臺如NI CompactRIO硬件，其包括了一個(gè)實(shí)時(shí)處理器和一個(gè)可編程門(mén)陣列（FPGA），利用LabVIEW NI SoftMotion 和 SolidWorks 3D CAD模型，你就可以很容易地部署你開(kāi)發(fā)和驗證的運動(dòng)控制應用程序。使用CompactRIO和NI公司的運動(dòng)控制驅動(dòng)器接口，通過(guò)運動(dòng)模塊、數以百計的步進(jìn)器、伺服驅動(dòng)器和電動(dòng)機兩兩之間的直接連接，你可以很容易地將算法應用到物理原型上或終端機器上。正因為如此，你可以重新利用開(kāi)放的代碼，在仿真環(huán)境中進(jìn)行測試，使用NI硬件可以將軟件代碼快速地連接到物理I/O和電動(dòng)機上。
圖 4. 從你的虛擬原型到物理原型的轉變 NI高級仿真工具 除了能使用LabVIEW和 SolidWorks工具建立虛擬原型外，你還可以使用LabVIEW軟件對任何機械系統進(jìn)行仿真。利用LabVIEW控制設計和仿真模塊，你可以分析開(kāi)環(huán)模型行為、設計閉環(huán)控制器、仿真在線(xiàn)與脫機系統以及進(jìn)行物理實(shí)現。
圖5. NI LabVIEW控制設計與仿真工具 你可以使用轉換函數，狀態(tài)空間或零極點(diǎn)增益顯示，并根據第一原理來(lái)創(chuàng )建模型。除此之外，你還可以利用時(shí)頻分析工具，如時(shí)間階躍響應或波特圖，交互分析這些模型的開(kāi)環(huán)和閉環(huán)行為。對于多輸入多輸出（MIMO）系統和單輸入單輸出（SISO）系統，使用內置工具，并利用仿真特性來(lái)驗證線(xiàn)性與非線(xiàn)性系統動(dòng)力特性。你還可以使用內置工具，將MathWorks公司的Simulink®軟件開(kāi)發(fā)的模型轉換為與LabVIEW軟件協(xié)同工作。 下一步 虛擬原型設計技術(shù)在設計工程中對于提高可視化是極有用的工具。在不同的情況下，通過(guò)對所有系統組件的相互作用和行為的更深入理解，有助于你節省時(shí)間和資金。 欲了解更多關(guān)于虛擬原型設計技術(shù)方面的信息，請參閱以下相關(guān)資源。了解原型設計過(guò)程中的下一步驟，請返回到功能原型設計系列 。 NI公司供稿 |
