机电一体化协同设计平台研究

徐海卫，曾潇

XU Hai-wei , ZENG Xiao

（中国测试技术研究院，成都 610021）

机电一体化协同设计平台研究

Research on cooperative design platform for mechatronics

徐海卫，曾潇

XU Hai-wei , ZENG Xiao

（中国测试技术研究院，成都 610021）

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CAX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。

机电一体化；协同设计；PDM系统；UML技术；虚拟样机；CAX软件

0 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21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，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。

1 平台架构

图1 机电一体化协同设计平台架构

如图1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。

2 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、标注以及关连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。

3 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Altium 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1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。

4 机电一体化系统设计平台运作过程

绍完组成机电一体化协同设计平台的基于Web的项目组级PDM和完成各设计任务的工作站群后，接下来的就是该协同设计平台是如何工作的，如图2为机电一体化协同设计平台的运作过程，由产品概念性设计、具体设计与构建、虚拟样机评估、物理样机制作与评估和后期处理五个阶段组成。

图2 机电一体化协同设计平台运作过程示意

开发一种新的机电一体化产品首先是根据需求来制定实施方案，考虑到机电一体化产品所涉及的是多学科多专业的技术，这时就需要用一种各学科各专业都能很好沟通的一种语言来描述实施方案和开发流程，目前最好的描述语言就是UML（Unified Modeling Language）语言，即标准建模语言。UML采用了一整套成熟的建模技术，是一种可视化的图形建模语言，它广泛适用于各种应用领域，得到了工业界的广泛支持。所以用UML语言来对机电一体化产品的实施方案和设计流程进行图形化的描述，各学科各专业的设计人员便可以进行沟通和协同，在制定开发流程的同时，制定每个设计人员的任务书，然后将它们其放入PDM系统，供设计人员在设计过程中实时地参考。用UML来建立产品实施方案及其设计流程完全可以通过PDM，可以把该过程看作产品概念性设计，而产品概念的设计是整个设计过程中的一个非常关键的阶段，它直接决定着产品的创新程度，并且据统计，一个产品大约70%的成本是由产品概念设计阶段所决定的。

完成产品概念性设计后，接下来是具体设计与构建阶段。在这个阶段，所有设计人员根据概念性设计的结果，围绕“样机”这个主线，在互相协同的前提下，展开各自负责的设计工作。基于Web的项目组级PDM在这个阶段起到非常重要的作用，它会实时地跟踪各个工作站的设计数据，并及时地去处理这些数据共享给整个设计团队，某个设计人员在完成自己负责的设计过程中，需要得到其他设计人员的相关数据时就可以去以Web页的方式访问PDM，获取想要的数据。所以，一个设计人员可以通过PDM随时了解在自己权限范围最新的设计数据。有了这种快捷的交互方式，机械设计、电子电气硬件设计、控制算法及软件设计、虚拟样机构建可以同时进行，一改传统的串行模式，从而提高设计效率，避免由于不同专业设计人员由于沟通不够而到设计后期带来的巨大损失，哪怕是一个孔的尺寸变动也可能使一个产品不能按计划上市，例如一个机械结构设计人员设计的机箱装不下一个硬件设计人员设计的电路板，一个软件设计人员在设计过程中不知道另一个硬件设计人员变更了某个液晶模块的型号，从而他设计的液晶模块驱动程序不能用。那么在各设计人员完成各自任务的时候，最后得到的便是一台虚拟样机。在该机电一体化协同设计平台中，采用ADAMS和Matlab来构建虚拟样机。ADAMS，即机械系统动力学自动分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，该软件是美国MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的虚拟样机分析软件。Matlab是Mathworks公司的产品，是一个为科学和工程计算而专门设计的高级交互式软件包。Matlab环境集成了图示和精确的数值计算，是一个可以完成各种计算和数据处理的可视化的、强有力的工具。Matlab可用于应用数学、物理、化学、工程、医药、金融等领域。ADAMS提供Matlab接口，所以它们两者可以进行机械和我电控系统协同构建虚拟样机并做仿真分析，甚至优化设计，所以机电领域的各专业人员的不同设计在虚拟样机构建这个环节中被融合到了一起，同时在虚拟样机这个平台上通过仿真可以让各个领域的设计达到最佳的配合，这个过程就是对虚拟样机评估，优化参数，根据优化得到的参数回过头来更改设计，然后变更虚拟样机，再做评估，再优化，直到达到最优设计，这个过程同时也可以比较各种设计方案的优劣，避免了造多种物理样机进行评估花费时间和成本。虚拟样机技术是虚拟现实技术的一个子集，虚拟和现实本生存在差别，所以当一个虚拟样机达到最优的时候必须去做一个物理样机来验证。由于进行过优化设计，物理样机将按照最优方案进行制造，在进行评估的过程中，主要就是找出它和虚拟样机的差别，考证这些差别是否符合设计要求，符合就意味着设计成功完成，不符合就根据实际情况更改设计，减少它和虚拟样机之间的差别，直到符合设计要求为止。

在物理样机满足设计要求后，最后的阶段便是一些技术文档的处理，如说明书等。还有就是各个设计人员总结该产品的设计过程，把一些经典设计保存到PDM的知识库中，以便日后复用设计，提高设计效率。

5 结束语

通过作者所在单位研发团队对该机电一体化协同平台的试验性实施，得出了定性的结论，即由于UML技术的采用，整个研发团队不同学科设计人员在设计过程中沟通更加有效，整个设计工作以并发的方式进行，极大地提高了设计效率，由于虚拟样机技术的利用，设计质量同时也得到了提升。由于该平台的实施，避免了传统串行设计过程中具体实施设计及协同占用大量时间状况，从而整个研发团队有充足的时间和精力进行创新性设计。该机电一体化协同设计平台在一些细节之处还有待改进。

[1] 宋政君,黄克正,杨志宏,王艳东,高常青.协同概念设计中的版本管理[J]机电一体化,2004,(02),93-96.

[2] 张海筹.基于IT技术的现代机械设计方法[J].机械设计与制造,2005,(05),145-146.

[3] 陈景霞,陈桦,张鹏伟.基于Web的协同产品设计系统的研究[J].中国制造业信息化,2005,(01),82-85.

[4] 胡伟,李彦,赵武,晏强.基于过程的分布式协同设计系统研究[J].组合机床与自动化加工技术,2004,(02),11-14.

[5] 康永平,吴卓.基于Web Services的PDM系统体系结构[J].机电工程技术,2007,(01),38-40.

[6] 陈庆贵,高志,刘向峰.基于网络的机械设计平台的研究与开发[J].机械设计与制造,2003,(05),24-26.

[7] 杨叔子,吴波,胡春华,程涛.网络化制造与企业集成[J].中国机械工程, 2000,(Z1),54-57.

[8] 乌云,尚凤武.基于PDM的应用系统集成过程中BOM表的讨论[J].工程图学学报,2002,(01),37-42.

[9] 代颖,马祖军.基于PDM的企业CAx/ERP信息集成技术研究[J].机电一体化,2001,(06),16-19.

[10]吴小珍,张华.基于PDM的绿色生产过程控制技术研究[J].中国机械工程,2008,(18),2195-2198.

[11]贾展波.基于UML语言的工作流建模方法表达能力研究及相关对比分析[D].中国优秀博硕士学位论文全文数据库 (硕士),2005,(06).

[12]叶勇.基于UML的中小制造企业的ERP设计建模[D].中国优秀硕士学位论文全文数据库,2007,(02).

[13]茹东生,姜茂仁.软开关变换器的设计与仿真研究[J].中国测试技术,2007,(4),65-66.

[14]刘晓嘉,田建军,万夫,唐枨浩,邓勇刚.80/29采油井架有限元仿真分析[J].中国测试技术,2007,(4),71-73.

TH39

A

1009-0134(2010)11(上)-0001-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.11(上).01

2010-02-27

四川省科技厅应用技术研究与开发项目（2008NZ0001）

徐海卫（1960 -），男，四川成都人，高级工程师，MBA，主要从事三坐标测量机研究发展工作。