基于FDSM的产品族设计模块化方法的研究

基于模块化开发的复杂产品系统创新案例研究陈劲,桂彬旺,陈钰芬(浙江大学管理学院,浙江杭州310027)收稿日期:2004-12.基金项目:国家杰出青年基金项目: 70225004:复杂产品系统及突破性创新(2002-2007)。

作者简介:桂彬旺(1972-),男(汉),江西余江人,工程师,博士;研究方向:技术创新,产业政策。

陈劲(1968-),男(汉),浙江余姚人,教授,博士生导师;研究方向:技术创新,科技政策。

陈钰芬(1973-),女(汉),浙江嵊州人,副教授,博士;研究方向:技术创新,产业政策。

·科研管理2006年摘要:本文提出了复杂产品系统这一类特殊产品在国民经济中的重要地位,并指出了复杂产品系统创新的重要性;然后,对复杂产品系统创新的难点进行了详细分析;探索性地提出了基于模块化开发的复杂产品系统的创新流程;最后,结合某城市地铁交通控制系统的开发案例,对提出的基于模块化开发的复杂产品系统创新流程进行了论证。

关键词:复杂产品系统;模块化开发;创新流程;案例研究中图分类号:F270文献标识码:A1复杂产品系统创新的重要性1.1复杂产品系统在国民经济中的重要地位复杂产品系统(Complex Product systems)是指研发成本高、规模大、技术含量高、单件或小批量生产的大型产品或系统[1](Hansen K·, RushH, 1998)。

复杂产品系统这一概念出现于20世纪90年代中期,由英国Sussex大学的Hobday、Rush等著名教授提出[2]。

复杂产品系统包括大型电信通讯系统、大型计算机、航空航天系统、智能大厦、电力网络控制系统、大型船只、高速列车、半导体生产线、信息系统等等与现代尖端科技休戚相关,而且都是关系到国计民生的大型产品和产品系统(Product systems)。

复杂产品系统的产值占GDP的比重是很大的,Hobday通过调查英国各种产品数据资料认为复杂产品系统至少占英国GDP的11%,至少提供了140万-430万个工作岗位,这些数据证明了复杂产品系统占据英国工业的一个重要的比例[2]。

第５１卷㊀第１２期２０２３年１２月㊀㊀林业机械与木工设备ＦＯＲＥＳＴＲＹＭＡＣＨＩＮＥＲＹ＆ＷＯＯＤＷＯＲＫＩＮＧＥＱＵＩＰＭＥＮＴＶｏｌ５１Ｎｏ.１２Ｄｅｃ.２０２３研究与设计基于ＮＸ－ＭＣＤ的机电产品概念设计应用与研究徐亚雷ꎬ㊀李㊀玮∗(西南林业大学机械与交通学院ꎬ云南昆明６５０２２４)摘㊀要:由于机电产品设计在众多领域中广泛应用ꎬ因此具有多领域㊁多学科的特点ꎮ为提高机电产品的设计质量从而赢得市场ꎬ可以借助于计算机辅助概念设计系统来进行设计ꎮ对于以机电原理㊁结构㊁知识为基础进行的的产品开发ꎬ机电产品的概念设计非常关键ꎬ能够保证机电产品的可实现性和制造性ꎬ起到指导性作用ꎮ首先ꎬ提出了基于ＵＧＮＸ平台中ＭＣＤ(ＭｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓＣｏｎｃｅｐｔＤｅｓｉｇｎｅｒ)的机电产品概念设计方法ꎬ解决传统的机电产品概念设计中存在的不足ꎬ保证产品的可实现性ꎬ降低设计成本㊁缩短生产周期ꎬ有助于灵活进行方案更改ꎬ适应机械时代产品周期更替ꎻ然后ꎬ介绍了基于ＭＣＤ的机电产品概念设计的特点ꎻ最后ꎬ以五子棋设备的概念设计为例来说明基于ＭＣＤ的机电一体化产品概念设计的方法与步骤ꎬ设计结果验证了方法的可行性ꎬ并为机电设备的设计与改造升级提供了一种新的思路ꎮ关键词:机电概念设计ꎻＭＣＤꎻＰＬＣꎻ数据映射ꎻ虚拟仿真中图分类号:ＴＨ－３９㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀文章编号:２０９５－２９５３(２０２３)１２－００１９－０６ＣｏｎｃｅｐｔｕａｌｄｅｓｉｇｎꎬＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＥｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｄｕｃｔｓＢａｓｅｄｏｎＮＸ－ＭＣＤＸＵＹａ￣ｌｅｉꎬＬＩＷｅｉ∗(ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎꎬＳｏｕｔｈｗｅｓｔＦｏｒｅｓｔｒｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＫｕｎｍｉｎｇＹｕｎｎａｎ６５０２２４ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｄｕｅｔｏｔｈｅｍｕｌｔｉｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｙｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎꎬｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙａｎｄｉｍｐｏｒｔａｎｃｅｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｐｒｏｄｕｃｔｄｅｓｉｇｎꎬｔｈｅｕｓｅｏｆｃｏｍｐｕｔｅｒ－ａｉｄｅｄｃｏｎｃｅｐｔｕａｌｄｅｓｉｇｎｓｙｓｔｅｍｆｏｒｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｐｒｏｄｕｃｔｓｔｏｃｏｍｐｌｅｔｅｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔｕａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｐｒｏｄｕｃｔｓｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｗａｙｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎｑｕａｌｉｔｙｏｆｍｅｃｈａｎｉ￣ｃａｌａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｐｒｏｄｕｃｔｓａｎｄｗｉｎｍａｒｋｅｔｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ.Ｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔｕａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｄｕｃｔｓｉｓｖｅｒｙｃｒｉｔｉｃａｌꎬｗｈｉｃｈｃａｎｐｌａｙａｇｕｉｄｉｎｇｒｏｌｅｉｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｐｒｏｄｕｃｔｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄａｎｄｃｒｅａｔｅｄｂａｓｅｄｏｎｅｌｅｃｔｒｏｍｅ￣ｃｈａｎｉｃａｌｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓꎬｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｎｄｋｎｏｗｌｅｄｇｅꎬａｎｄｅｎｓｕｒｅｔｈｅｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｏｆｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｄｕｃｔｓ.ＦｉｒｓｔｌｙꎬｉｎｖｉｅｗｏｆｔｈｅｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓｉｎｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔｕａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｄｕｃｔｓꎬａｃｏｎｃｅｐｔｕａｌｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｏｆｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｄｕｃｔｓｂａｓｅｄｏｎＭＣＤ(ＭｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓＣｏｎｃｅｐｔＤｅｓｉｇｎｅｒ)ｉｎｔｈｅＵＧＮＸｐｌａｔｆｏｒｍｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅｒｅａｌｉｚａｂｉｌｉｔｙｏｆｐｒｏｄｕｃｔｓꎬｒｅｄｕｃｅｄｅｓｉｇｎｃｏｓｔｓａｎｄｓｈｏｒｔｅｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｃｙｃｌｅｓ.ＨｅｌｐｓｔｏｆｌｅｘｉｂｌｙｍａｋｅｐｒｏｇｒａｍｃｈａｎｇｅｓａｎｄａｄａｐｔｔｏｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｃｙｃｌｅｃｈａｎｇｅｉｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｅｒａꎻＳｅｃｏｎｄｌｙꎬｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔｕａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｄｕｃｔｓｂａｓｅｄｏｎＭＣＤａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ.Ｆｉｎａｌｌｙꎬｔａｋｉｎｇ㊀㊀收稿日期:２０２３－０９－０８第一作者简介:徐亚雷ꎬ硕士研究生ꎬ研究方向为机械工业智能制造ꎬＥ－ｍａｉｌ:２４９７６７１６６２＠ｑｑ.ｃｏｍꎮ∗通讯作者:李玮ꎬ教授ꎬ博士生导师ꎬ博士ꎬ研究方向为机电一体化及智能制造ꎬＥ－ｍａｉｌ:７７２０７４９１３＠ｑｑ.ｃｏｍꎮ林业机械与木工设备第５１卷ｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔｕａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｂａｃｋｇａｍｍｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｓａｎｅｘａｍｐｌｅｔｏｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｔｈｅｍｅｔｈｏｄｓａｎｄｓｔｅｐｓｏｆｃｏｎｃｅｐｔｕａｌｄｅ￣ｓｉｇｎｏｆｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓｐｒｏｄｕｃｔｓｂａｓｅｄｏｎＭＣＤꎬｔｈｅｄｅｓｉｇｎｒｅｓｕｌｔｓｖｅｒｉｆｙｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄａｎｄｐｒｏｖｉｄｅａｎｅｗｉｄｅａｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎꎬｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｕｐｇｒａｄｉｎｇｏｆｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｏｎｃｅｐｔｄｅｓｉｇｎꎻＭＣＤꎻＰＬＣꎻｄａｔａｍａｐｐｉｎｇꎻｖｉｒｔｕａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ随着工业４.０和智能时代的到来ꎬ机电一体化系统的设计在众多领域中广泛应用ꎬ所涉及到的专业领域逐渐增多ꎬ因此机电一体化产品不仅具有多学科㊁多领域融合的特点ꎬ而且增加了机械产品多功能性㊁智能性㊁复杂性等特点ꎬ同时给设计者提出了更高层次的要求ꎮ在经济全球化快速发展的今天ꎬ国内和国外市场竞争日益激烈ꎬ为了占领市场提高产品的竞争能力ꎬ必须缩短设计开发周期和降低成本ꎬ提高产品推陈出新的速度ꎬ来满足消费者的需求ꎮ同时ꎬ概念设计是产品设计中的重要环节ꎬ它在一定程度上决定着最终产品的性能㊁特点㊁市场反应和效率等ꎮ因此ꎬ基于机电产品的设计就要从产品结构㊁造型㊁电气设计㊁液压控制等方面开展ꎬ如何在满足产品功能的基础上实现机㊁电㊁液等设计的高度融合ꎬ就成为机电产品成功的关键ꎮ利用ＮＸ－ＭＣＤ可以实现机电液等多学科的协同工作ꎬ并且ＮＸ－ＭＣＤ中的虚拟仿真功能具有模拟实物机电产品的机械㊁电气㊁液压控制等驱动控制功能ꎬ且其提供的三维仿真和虚拟调试环境[１]ꎬ在虚拟环境中可对数字化几何模型进行调试ꎬ能够做到早发现㊁早更改㊁早调节设计中存在的问题ꎬ缩短设备开发周期和减少资源浪费ꎬ从而提高机电一体化产品的输出柔性㊁产品性能及可靠性ꎮ１㊀机电一体化概念设计利用数字化平台进行机㊁电㊁液联合协同设计ꎬ是现阶段机电产品概念设计的特点ꎬ而传统的机电一体化产品设计基本都是按照串行设计[２]的流程开展的ꎬ主要包括以下步骤:(１)机械三维模型设计ꎻ(２)电㊁液㊁气驱动系统设计ꎻ(３)传感器㊁执行器设计ꎻ(４)电气Ｉ/Ｏ资源配置及ＰＬＣ编程ꎻ(５)机械装配㊁电气装配㊁液压等独立装配ꎻ(６)机电液调试ꎬ详细流程如图１所示ꎮ一旦在后续的设计制造中产生变更ꎬ设计人员就要重新开展部分设计ꎬ修正错误ꎬ浪费大量的时间和精力ꎬ甚至出现不可逆的设计错误ꎮ这样的设计方式ꎬ给生产㊁制造㊁装配均带来了各种各样的问题ꎬ包括机电液等设计环节不协调ꎬ到装配环节才发现功能难以实现等问题ꎬ因此传统的机电一体化产品设计方式已经难以满足目前机电设备的设计与使用需求ꎮ图１㊀传统机电设计工艺基于ＮＸ－ＭＣＤ的机电产品概念设计方法[３]ꎬ机械主体地位在机电一体化系统中得到突出表现ꎬ同时ＭＣＤ具备集成式㊁概念建模和基于物理场的仿真的功能ꎬ利用ＮＸ－ＭＣＤ开展设计ꎬ能够实现机㊁电㊁液等多学科的协同工作ꎬ完成机电设备的整机设计ꎬ并赋予其数字化㊁智能化特性[４]ꎬ获取机电设备的数字化㊁智能化模型ꎬ直观地了解机电产品的运动控制特征ꎬ借此对该机电产品的设计及实现进行评估ꎬ做出更好的决策ꎬ可在开发周期最初阶段迅速创建并验证备选概念ꎬ有助于设计者更快交付设计㊁减少设计流程后期出现的集成问题本文以五子棋机电设备为研究对象ꎬ阐述了ＮＸ－ＭＣＤ的具体设计流程和方法ꎬ实现机电一体化设备驱动数据与控制数据的映射ꎬ实现整机设备的数字化仿真与调试ꎬ为物理设备的有效控制与运行提供保证ꎮ利用ＮＸ－ＭＣＤ软件ꎬ可以最大程度提高机电概念产品的设计工作效率㊁设计质量㊁设计效果ꎮ凭借该解决方案ꎬ可获取对象中的机电一体化设置ꎬ并将这些设置存储在库中ꎬ以便后续重用ꎮ在重用过程中ꎬ可以凭借经验进行概念设计ꎬ并且有助于避免重新设计和提高开发速度ꎮ２㊀基于五子棋设备的机电概念设计２.１㊀系统的构成以五子棋设备的机电概念设计为例ꎬ来说明基于ＮＸ平台中ＭＣＤ的机电一体化产品概念设计的步骤及设计方法ꎬ并展现基于ＭＣＤ机电一体化产品概０２第１２期徐亚雷ꎬ等:基于ＮＸ－ＭＣＤ的机电产品概念设计应用与研究念设计可以减少开发周期ꎬ弥补传统机电设计的不足ꎮＭＣＤ可以对模型进行相关的运动仿真ꎬ在调试当中可以以最小代价修改相应模型ꎬ在虚拟环境的仿真中增强了机械和电气及自动化工程师的配合ꎮＴＩＡ博图ＰＬＣ采用此新型㊁统一软件框架ꎬ可在同一开发环境中组态西门子的所有可编程控制器㊁人机界面和驱动装置ꎮ在控制器㊁驱动装置和人机界面之间建立通信实时共享ꎬ采用ＴＩＡ博图１５００ＰＬＣ通过Ｓ７－ＰＬＣＳＩＭＡｄｖａｎｃｅｄ通讯协议与ＭＣＤ进行信号连接ꎬ实现信号交互ꎬ进行虚拟调试[４]ꎮ２.１.１㊀机械机构设计五子棋的功能要求气缸推动棋子㊁空气发生器进行吸取棋子㊁电机控制棋子和棋盘移动ꎬ用户可以通过人机界面进行自由下棋ꎮ五子棋机械由Ｘ轴电机㊁Ｙ轴电机㊁Ｘ轴气缸㊁Ｙ轴气缸㊁Ｚ轴气缸组成ꎬ机械结构如图２所示ꎮ图２㊀机械结构为了使棋子能准确无误地放到棋盘对应位置ꎬ因此选用伺服电机来实现驱动ꎮ伺服电机控制精度高[５]ꎬ可以实现被控对象的位置㊁速度和力矩的闭环控制ꎬ满足五子棋设备中多点位控制的需求ꎮ气缸运动结构是由电磁阀控制的气缸进行驱动ꎮ２.２㊀系统的工艺分析在功能模型的设计基础上ꎬ利用产品逻辑模型设计来解决产品 怎么做 的问题[６]ꎬ用以对产品动作顺序和行为逻辑的创建进行指导ꎮ五子棋的行为分为推棋子㊁取棋子和放棋子三种类型ꎬ三种作业流程类似ꎬ建立其逻辑工艺流程如图３所示ꎮ根据实际功能要求ꎬ创建产品的逻辑工艺流程有利于使其行为动作的设计及执行层次分明ꎬ其具体的逻辑条目对应了功能中相应机构部件的执行动图３㊀逻辑工艺流程作ꎬ并将产品组成部件的行为动作有效连接和组织起来ꎬ引导建立产品的执行时序ꎮ２.３㊀系统的三维建模在确定五子棋设备的结构㊁驱动等控制要求后ꎬ在ＮＸ软件中进行设备的三维建模ꎮ建模采取自下而上的方式[７]ꎬ建模速度快ꎬ配合关系清晰ꎬ适合多个回转件设计ꎬ可以在非常低的级别上进行决策并确定组件的可重复性ꎮ建立模型尽可能地用投影曲线ꎬ做到一处调整可以带动整体调整ꎬ这样可以减少返工时间及设计成本ꎬ最终完成的五子棋设备的三维模型如图４所示ꎮ建模完成后ꎬ进入机电概念设计环境ꎬ进行ＭＣＤ的设计ꎮ图４㊀五子棋设备的总体装配２.４㊀ＭＣＤ仿真环境设计将五子棋机电设备的数字化模型导入ＮＸＭＣＤ模块中ꎬ根据工艺要求和实现的功能ꎬ建立功能模型ꎬ并在ＭＣＤ中设置相应的机电属性ꎬ使其能够按１２林业机械与木工设备第５１卷照要求进行仿真运动[８]ꎮ２.４.１㊀基本机电对象需要设置刚体㊁碰撞体等赋予模型质量㊁惯性等物理属性ꎬ使其能够受力运动ꎬ并且赋予其运动属性ꎬ只有赋予其机电特性才能进行虚拟仿真ꎮ对本文中的Ｘ轴气缸㊁Ｙ轴气缸㊁Ｚ轴气缸㊁棋盘(Ｙ轴电机)㊁Ｚ轴气缸基座(Ｘ轴电机)和棋子赋予刚体和碰撞体ꎬ定义棋子为对象源ꎬ具体设置如图５所示ꎮ图５㊀基本电对象２.４.２㊀运动副与约束运动副定义运动结构ꎬ赋予模型运动条件ꎬ是机电概念设计运动仿真的组成[９]ꎮ通过对五子棋设定运动副定义运动方式ꎬ实现相应的运动ꎮ对Ｘ轴气缸㊁Ｙ轴气缸㊁Ｚ轴气缸㊁Ｚ轴气缸基座(Ｘ轴电机)和棋盘(Ｙ轴电机)赋予滑动副ꎬ赋予Ｚ轴气缸的固定副ꎬ运动副定义的结果如图６所示ꎮ图６㊀运动副和约束２.４.３㊀传感器和执行器对已经赋予刚体和运动副的模型几何体ꎬ进行运动控制和速度控制ꎬ使其到达设定的运动效果ꎮ对运动控制进行添加传感器ꎬ传感器与信号关联ꎬ为后面ＰＬＣ信号映射做准备ꎮ对Ｘ轴气缸㊁Ｙ轴气缸㊁Ｚ轴气缸㊁棋盘(Ｙ轴电机)和Ｚ轴气缸基座(Ｘ轴电机)赋予位置控制和位置传感器ꎬ执行器与传感器的设置情况如图７所示ꎮ图７㊀执行器与传感器２.４.４㊀信号与仿真序列在ＭＣＤ中信号是控制对应的几何运动ꎬ并且与ＰＬＣ中的信号进行数据映射ꎮ输入信号是从ＰＬＣ信号输入到ＭＣＤ模型中ꎬ输出信号是从ＭＣＤ信号输出到ＰＬＣ程序中ꎮＭＣＤ中的控制对象可以添加到仿真序列中ꎬ通过仿真序列对控制参数进行控制[１０]ꎬ并且可以赋予控制对象之间的逻辑关系ꎮ具体设计步骤为:在ＭＣＤ环境中ꎬ进入主页ꎬ在自动化工具条中单击 仿真序列 按钮ꎬ即可创建仿真序列ꎮ一般使用 仿真序列 来控制一个执行机构ꎬ包括控制运动副㊁固定副㊁对象源等ꎮ不仅如此ꎬ仿真序列还能够创建条件语句来控制仿真对象ꎮ在基本机电对象㊁传感器和执行器定义完成之后ꎬ在ＭＣＤ平台上对各执行机构建立仿真序列ꎬ用于对产品结构和动作逻辑合理性进行多方面验证ꎮ针对五子棋设备ꎬ对五子棋添加基于时间的仿真序列ꎬ来模拟单次取棋和放棋工艺流程ꎮ具体动作流程为:首先利用Ｘ轴气缸置位ꎬ当Ｘ轴气缸传感器检测到位ꎬ触发Ｚ轴气缸置位ꎬ进行取棋子ꎬ当Ｚ轴传感器检测到位ꎬ则取棋子口固定棋子ꎬ然后Ｚ轴气缸回原点ꎬＺ轴传感器触发ꎬＸ和Ｙ轴电机联动控制棋盘运动到指定点位ꎬ然后Ｚ轴气缸置位下棋子ꎮ气缸回原点ꎬＺ轴传感器触发Ｘ轴电机回原点ꎮ然后通过建立仿真序列设计五子棋机械机构运动ꎬ并验证其运动设计的合理性ꎬ经过验证的数字化模型构建可以为后续虚拟调试环节的自动化程序验证分析提供服务ꎮ对每个仿真序列添加信号控制ꎬ信号控制触发每一条仿真序列的运动ꎬ便与ＰＬＣ信号进行信号映射ꎮ２.５㊀ＰＬＣ环境及应用软件设计２.５.１㊀利用ＴＩＡ博图软件进行控制组态选用Ｓ７－１５００系列ＰＬＣ进行硬件组态ꎬ它能应２２第１２期徐亚雷ꎬ等:基于ＮＸ－ＭＣＤ的机电产品概念设计应用与研究用在复杂的自动化控制系统中ꎬ实现快速的运算ꎬ为复杂控制系统提供了解决方案[１１]ꎮ打开ＴＩＡ博图ꎬ创建项目ꎬ为了使用Ｓ７－ＰＬＣＳＩＭＡｄｖａｎｃｅｄ进行信号映射ꎬ所以添加新设备为１５００系列ＣＰＵ１５１２Ｃ－１ＰＮꎬ在项目属性中勾选 块编译时支持仿真 ꎬ设置ＰＬＣ的以太网地址１９２.１６８.０.１ꎬＩＰ地址需要与ＰＬＣＳＩＭＡｄｖａｎｃｅｄ的地址相同ꎮ２.５.２㊀ＰＬＣ编程根据确定ＭＣＤ中五子棋机电设备的控制工艺ꎬ根据运动需求写出变量地址和数据类型ꎬ确定的各变量数据类型和地址如图８所示ꎮ在ＴＩＡ博图中ＦＣ函数块中完成梯形图的编写ꎬ再在主程序中调用ＦＣ函数块ꎮ根据ＭＣＤ的运动设计ꎬ编写手动㊁自动程序ꎮ添加轴ＦＣ函数块并且添加到主程序中ꎮ以取棋子和下棋为例ꎬ确定其控制流程与逻辑关系ꎬ并据此编写完成取棋子和下棋的自动程序ꎬ其中用到了顺序位和ＭＣＤ位置传感器位ꎬ顺序位可以使程序条理清楚ꎬＭＣＤ位置传感器位可以获取ＭＣＤ各关节的位置信息ꎬ有助于ＭＣＤ与虚拟ＰＬＣ进行信息交互ꎬ实现ＭＣＤ与虚拟ＰＬＣ虚拟同步ꎬ如图９所示ꎮ图８㊀变量地址图９㊀部分主程序２.５.３㊀ＰＬＣＳＩＭＡｖａｎｃｅｄ设置ＰＬＣＳＩＭＡｖａｎｃｅｄ是ＳＩＥＭＥＮＳ推出的一款高功能仿真器ꎬ它的显著特点是仿真一般的ＰＬＣ逻辑控制程序和仿真通信ꎮ选择ＰＬＣＳＩＭＶｉｒｔｕａｌＥｔｈＡｄａｐｔ￣ｅｒꎬ选择以太网ꎬ设置名称ꎬ设置ＰＬＣ的ＩＰ地址ꎬ地址和ＣＰＵ地址相同点击开始ꎬ如图１０所示ꎮ图１０㊀高功能仿真器２.５.４㊀ＰＬＣ编程下载编写好程序进行编译ꎬ没有报错ꎬ将ＴＩＡ博图的组态和程序下载到虚拟ＰＬＣ中ꎬ若ＰＬＣＳＩＭＡｖａｎｃｅｄ中的黄灯变为绿灯则证明连接成功ꎬ在ＴＩＡ博图中开启监视ꎬ观察程序运行情况ꎮ３㊀建立ＭＣＤ与ＰＬＣ的数据映射信号映射是指将ＰＬＣ的变量与ＭＣＤ的信号进行连接[１２]ꎮ将ＰＬＣ程序变量ꎬ下载到ＰＬＣＳＩＭＡｄ￣ｖａｎｃｅｄ中ꎬＭＣＤ就可以配置外部信号ꎬ映射变量ꎮ打开ＭＣＤ中外部信号配置ꎬ选择ＰＬＣＳＩＭＡｄｖꎬ实例部分添加名称ꎬ然后更新标记ꎬ把需要的变量勾选ꎬ确定即可ꎬ完成外部信号配置后ꎬ将外部信号与ＭＣＤ信号进行一一对应连接ꎬ实现ＭＣＤ与ＰＬＣ进行信号映射ꎬ实现信息相互交互和传递ꎬ然后进行调试实现虚拟同步ꎮ如图１１所示ꎮ图１１㊀外部信号映射３２林业机械与木工设备第５１卷４㊀ＴＩＡ－ＭＣＤ虚拟调试信号映射完成ꎬ将进行ＭＣＤ与虚拟ＰＬＣ的信息交互ꎬ通过虚拟ＰＬＣ程序控制着ＭＣＤ的运动ꎬ实现虚拟同步ꎮ可以将对象信号添加到 运行时查看器 中ꎬ对实时数据进行观察分析ꎮ在ＭＣＤ中点击播放ꎬ然后启动ＰＬＣ程序ꎬ观察两者运行情况ꎬ分析数据ꎬ观察运动机制ꎬ做出适当的调整ꎬ排除在实物中易出现的错误ꎬ提高了设计时效ꎬ减少开发周期ꎬ如图１２所示ꎮ在查看器中记录机械结构运动数据ꎬ与理论数据进行比较分析ꎬ得出最佳的数据ꎬ供实物设计时使用ꎮ图１２㊀ＴＩＡ－ＭＣＤ虚拟调试５㊀结论通过分析传统机电产品概念设计存在的不足ꎬ为了弥补其不足和优化机电概念设计ꎬ提出了基于ＭＣＤ的机电一体化产品概念设计ꎬ借助五子棋机构的概念设计来证明基于ＵＧ－ＮＸ平台中ＭＣＤ的机电一体化产品概念设计的实用性㊁优越性和可操作性ꎮ可以直观地看到机械结构之间参数及运动参数ꎬ有利于更高效地进行实物和控制程序的设计ꎮＭＣＤ的机电一体化概念设计能将多学科㊁多专业集合在一个平台上ꎬ减少设计后期阶段因跨学科知识集成问题造成的开发周期延长ꎬ在虚拟环境中对数字化产品模型进行联动调试ꎬ可以缩短设备开发周期ꎬ为机电产品开发提供了新的思路和解决办法ꎮ参考文献:[１]㊀杨慧荣ꎬ徐小波ꎬ何迅ꎬ等.虚拟调试技术数字模型的开发研究及应用[Ｊ].电子技术与软件工程ꎬ２０２２(２２):７５－７９.[２]㊀陈伟ꎬ徐钰琨.物料分拣系统的机电一体化概念设计[Ｊ].林业和草原机械ꎬ２０２１ꎬ２(４):３４－３６.[３]㊀肖祖东ꎬ柳和生ꎬ李标ꎬ等.ＵＧＮＸ在机电产品概念设计中应用与研究[Ｊ].组合机床与自动化加工技术ꎬ２０１４(７):２７－３０.[４]㊀郑俊强ꎬ徐玉梁ꎬ冯治国.基于ＭＣＤ平台的机器人码垛工作站设计及虚拟调试[Ｊ].机电工程技术ꎬ２０２２ꎬ５１(９):９５－９８.[５]㊀衡豪ꎬ王禹林ꎬ冯虎田.滚动直线导轨副静刚度试验装置设计及试验方案研究[Ｊ].组合机床与自动化加工技术ꎬ２０１４(２):１０６－１０９.[６]㊀赵林ꎬ吴双ꎬ张可义ꎬ等.基于ＮＸＭＣＤ的堆垛机机电概念设计[Ｊ].制造业自动化ꎬ２０２１ꎬ４３(１１):１１４－１１６.[７]㊀赵海波ꎬ杨伟江ꎬ龙腾河ꎬ等.有限元数字化膝关节模型构建的研究与应用[Ｊ].中国组织工程研究ꎬ２０１２ꎬ１６(４８):９０５４－９０５８.[８]㊀孟庆森ꎬ张宏伟ꎬ王新环.基于ＳＩＭＩＴ和ＭＣＤ的并联机器人数字孪生实验系统设计[Ｊ].实验技术与管理ꎬ２０２３ꎬ４０(６):１３５－１４１＋１６１.[９]㊀赵辉ꎬ宋洪扬ꎬ杨超.基于ＭＣＤ的气动搬运机械手生产线虚拟调试[Ｊ].智能制造ꎬ２０２１(６):６８－７３.[１０]㊀赵永信ꎬ度国旭ꎬ吴坚ꎬ等.基于ＴＣＰ的气动手爪ＭＣＤ模型虚拟调试的研究[Ｊ].机床与液压ꎬ２０２２ꎬ５０(３):７０－７２.[１１]㊀蒋德鹏.西门子Ｓ７－１５００在吊钩式抛丸清理机的应用[Ｊ].中国设备工程ꎬ２０２３(１１):１０８－１１０.[１２]㊀华隽ꎬ王宏民ꎬ马文栋ꎬ等.自动化立体仓库虚拟样机与控制程序的联合仿真[Ｊ].制造业自动化ꎬ２０１９ꎬ４１(１０):５２－５６＋７０.４２。

FDC（FusionDC）模块化数据箱产品箱体设计浅析FDC（FusionDC）模块化数据箱产品属于IDC行业创新产品，由传统建筑式数据中心通过装配式建筑的设计理念演化转变而来，通过对IDC产品进行模块化设计，将IDC中的智能温控、智能供配电、智能锂电、IT 机柜、消防、智能管理等各功能系统在工厂端预集成至大型钢结构箱体中，并完成预调试，形成FDC模块化数据箱产品，运输至现场，最终完成数据中心吊装建设。

技术上融合了 AI人工智能、预制模块化建筑、先进电力电子和温控热管理、数字化全生命周期管理等功能。

FDC模块化数据箱的箱体设计主要分为钢结构箱体设计和内部装修设计。

一、钢结构箱体设计；FDC数据箱的箱体设计已经不是单纯的集装箱设计，它需要在满足相关的集装箱设计规范的前提下，还要满足相对应的建筑结构强度标准，但需要以建筑结构强度标准为主。

在设计前，首先需要明确相关的技术参数（如：内部载荷、角柱的承载等），然后根据相关的尺寸要求进行初步的三维模型设计，再根据相关的载荷数据对三维模型采用ansys等分析软件进行受力分析。

此时需要注意的是数据箱与设备集装箱的内部承载较相似，需要根据实际的载荷情况对内部底架进行加载，而不能如同传统集装箱进行均布加载。

如图1所示，集装箱内部分位两个区域，其作用不同，其中A区域为设备装载区，B区域为设备控制区，这样我们就需要区分开每个区域的实际载荷以及加载形式（在区域内均布，还是集中加载）。

之后需要根据计算结果（受力云图，如图2所示）对设计进行细化。

从整体受力情况来看，整体效果还是可以的，但是我们还需要将相关的应力值与我们选用的钢材的许用应力进行对比，以此来确定整体强度是否满足要求。

另外我们还需要找出最大应力点，确认是否存在应力集中问题。

在应力满足的情况下，还需要核实箱体的刚性，也就是箱体的结构变形量（如图3所示），从图中可以看到，最大变形量为8.934mm，根据相关规范和客户要求，允许的最大变形量为箱体宽度的1/250，约为9.8mm，由此可见箱体变形量满足需求。

现代标准化前沿——“模块化”研究报告李春田前言为什么要研究模块化?为什么说模块化是现代标准化的前沿?这要追溯到20年前。

20世纪80年代初，美国著名未来学家托夫勒的《第三次浪潮》在中国掀起了不小的波澜。

受其震动最大的莫过于标准化界。

因为他不仅在书中宣称要向标准化“发起进攻”，而且预言今后的社会是一个“打破标准化后”的多样化社会。

他认为这样的历史转折点已经到来，标准化“正被取而代之”。

我作为一个标准化宣教工作者(当时在国家标准总局宣传教育处)更加感到问题的严重，因为它会起到“动摇军心”的作用。

于是我奋笔疾书，连续发表文章予以驳斥(见《中国标准化》1984年第6、7期)。

但是，当我冷静下来反复思考时，我认为托夫勒先生的观点中，确有值得我们深思的问题。

因为他极力否定的是工业化时代的、行将过时的标准化，他所宣扬的是即将到来的信息时代。

这样一次重大的时代变革能不触动标准化的原有体制吗?标准化体制乃至标准化的方法论难道不需要改造和创新就能完全适应这个崭新的时代吗?对此，我进行了长期的思索，并把这定位为我自己独立研究的方向。

后来当我细读《第三次浪潮》时，书中有一段论述启发了我，他认定制造业将发生一场“剧变”，通过计算机设计和其他先进技术，能使越来越少的零件完成越来越多的功能，可以用一个“整体”来取代许多单个零件。

他认为，这样既可取消标准件，又可摆脱那种“因为产品被分成零件然后又煞费苦心地重新组装起来”的装配式生产方法。

这实际就是今天我们所说的模块化，但是当时我的知识层次只进展到组合化。

又经过一段时间的知识积累我才豁然开朗，一条灿烂的曙光出现在我的眼前，这就是“模块化”。

它最有可能成为标准化的新的生长点，成为应对信息时代挑战的标准化利器。

标准不会“消亡”，标准化的新的制高点便是模块化。

到了1991年我的这个认识更为坚定了，于是写了一篇题为“模块化的研究与讨论势在必行”的文章与童时中同志的一篇论文同期发表，以期动员标准化工作者共同投入这项事关标准化未来发展的理论探索。

基于符号语义的产品模块化设计原则及应用研究摘要：针对产品模块化设计中出现的用户个性化定制问题，采用产品符号学概念建立产品符号语义模型，简化产品结构，使使用者对产品的设计思路和产品结构、功能信息等一目了然。

方便了结构信息和几何数据信息在设计者和使用者之间的传递。

这个信息在用户之间传递的过程实际上就是设计者编码用户译码，然后更加简便的定制出个性化产品的过程。

本文通过符号语义在袋式除尘器的模块化设计中的应用，初步验证了这一结论。

Abstract: For the customization of the product modularization design,we use the product symbol concept to build product semantic modle, and simplify product structure, in order to let the customers have a clear view of the product design idea and product structure. This make the geometry information data pass more convinent between designers and users. This process of information transfer among the users is actually a designer coding and user decoding process, and then customize the individualized product process more easily. This article primarily validates the conclusion through the application of symbols semantics in bag filter modular design.关键词：符号语义；模块化设计；袋式除尘器；概念设计Key Words: symbols semantics; modular design; bag filter; concept design一引言随着经济的迅速发展，作为经济增长引擎的制造业蕴藏着巨大的市场机遇，但同时存在着激烈的竞争。

基于遗传算法的产品模块化容芷君;杨志伟;陈奎生;但斌斌【期刊名称】《机床与液压》【年(卷),期】2018(046)007【摘要】Product modular design can improve the efficiency of product development,reduce the cost of product design and im-prove design resource utilization,and keep the high quality of product to response market and meet the personalized needs of consum-ers.In order to solve the clustering problem of the large-scale Design StructureMatrix(DSM)model,a modular approach based on the genetic algorithm has been proposed.Firstly a product structural DSM model was built through comprehensively considering the func-tional and structural interaction between the product components.Secondly the modularity was designed for the fitness stly, the best clustering result was calculated by the genetic algorithm and the intelligent clustering partition of product structure's DSM model has been achieved.A clustering case on vacuum cleaner parts modular is examined to be feasible by the proposed method.%产品的模块化设计可以提高产品开发效率,减少产品设计成本以及提高设计资源的利用率,能够以较高的产品品质响应市场和满足消费者的个性化需求.针对较大规模的DSM(设计结构矩阵)模型聚类问题,提出一种基于遗传算法的模块化方法.通过综合考虑零部件之间的功能结构关系,建立了产品结构DSM模型,以模块度为适应度函数,运用遗传算法计算出最佳聚类结果,实现了产品结构DSM模型聚类划分的智能化.以吸尘器产品结构聚类的例子,验证了该方法的可行性.【总页数】5页(P18-22)【作者】容芷君;杨志伟;陈奎生;但斌斌【作者单位】武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室,湖北武汉430081;武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室,湖北武汉430081;武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室,湖北武汉430081;武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室,湖北武汉430081【正文语种】中文【中图分类】TU713【相关文献】1.基于遗传算法的模块化产品族拆卸设计 [J], 杨琳2.基于产品再设计理论的家电产品模块化设计方法 [J], 彭敏;杨勤;肖钦兰3.基于改进的非支配排序遗传算法的模块化产品多目标配置优化研究 [J], 魏巍;谭建荣;冯毅雄;魏喆4.模块化对新产品绩效的影响——基于模块化系统间联系及绩效影响机制的实证研究 [J], 游博;龙勇5.基于产品设计系统思维的家电产品模块化设计 [J], 韩卫国;苏颜丽;祁飞鹤因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。