創(chuàng)新與效率——建模仿真技術(shù)

　　1 突破“內(nèi)卷”，唯有創(chuàng)新

　　隨著競(jìng)爭(zhēng)的加劇，產(chǎn)業(yè)里不斷提及的熱詞是“內(nèi)卷”。而想突破“內(nèi)卷”，唯有創(chuàng)新才能實(shí)現(xiàn)。熊彼特(Joseph Alois Schumpeter)說(shuō)過(guò)：“創(chuàng)新，就是建立一種新的生產(chǎn)函數(shù)”，即“生產(chǎn)要素的重新組合”。這可以表現(xiàn)為采用新的材料建模仿真是基于模型的開(kāi)發(fā)，針對(duì)機(jī)電工程領(lǐng)域而言，這已經(jīng)被證明是一種高效的開(kāi)發(fā)模式。埃隆.馬斯克經(jīng)常提到 “第一性原理”——他實(shí)際上是在講創(chuàng)新要回到問(wèn)題的原點(diǎn)，即，在物理意義上它是怎么樣的。在制造業(yè)里，裝備是關(guān)鍵，裝備包含了機(jī)械、電氣、工藝之間的復(fù)雜的關(guān)系，每個(gè)方向又細(xì)分出更多的問(wèn)題，它們之間又存在著因果或相關(guān)關(guān)系。而如何“抽絲剝繭”建立這樣的基于因果的模型，并通過(guò)因果和相關(guān)分析，然后對(duì)其進(jìn)行“測(cè)試驗(yàn)證”，尋找最優(yōu)的組合，這也就是機(jī)電工程開(kāi)發(fā)的中心要旨。創(chuàng)新從來(lái)都不是一種“突變”，它來(lái)自于長(zhǎng)期的積累，且在這些基礎(chǔ)上不斷進(jìn)行升級(jí)，因此，必然需要工程的測(cè)試驗(yàn)證，以及能夠?qū)C(jī)器系列化。衡量創(chuàng)新的成功在于它實(shí)現(xiàn)需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪^(guò)程，并能夠最終獲得商業(yè)意義的成功。

　　2 建模仿真為何被越來(lái)越重視?

　　建模仿真是基于模型的開(kāi)發(fā)，針對(duì)機(jī)電工程領(lǐng)域而言，這已經(jīng)被證明是一種高效的開(kāi)發(fā)模式。埃隆.馬斯克經(jīng)常提到 “第一性原理”——他實(shí)際上是在講創(chuàng)新要回到問(wèn)題的原點(diǎn)，即，在物理意義上它是怎么樣的。在制造業(yè)里，裝備是關(guān)鍵，裝備包含了機(jī)械、電氣、工藝之間的復(fù)雜的關(guān)系，每個(gè)方向又細(xì)分出更多的問(wèn)題，他們之間又存在因果或相關(guān)關(guān)系。而如何“抽絲剝繭”建立這樣的基于因果的模型，并通過(guò)因果和相關(guān)分析，然后對(duì)其進(jìn)行“測(cè)試驗(yàn)證”，尋找最優(yōu)的組合——這也就是機(jī)電工程開(kāi)發(fā)的中心要旨。創(chuàng)新從來(lái)都不是一種“突變”，它來(lái)自于長(zhǎng)期的積累，在這些基礎(chǔ)上不斷進(jìn)行升級(jí)，如圖1所示。其次，建模仿真之所以較于以往更為重要，還在于機(jī)器的變化越來(lái)越多，這是消費(fèi)端的個(gè)性化需求拉動(dòng)的。而在過(guò)去，對(duì)于較為單一產(chǎn)品的生產(chǎn)，經(jīng)過(guò)一定量的批次驗(yàn)證，很快可以進(jìn)入批量化，在初期的物理測(cè)試與驗(yàn)證的成本可以接受。但是，隨著這種材料、規(guī)格、速度等的變化，物理測(cè)試驗(yàn)證已經(jīng)不能再作為一種快速方法，因此，用模型來(lái)仿真就成為了必然的選擇。第三個(gè)要點(diǎn)在于從安全和測(cè)試視角，采用物理測(cè)試驗(yàn)證也變得不那么可行。進(jìn)一步挖掘機(jī)器的需求也是一個(gè)重要的原因，在現(xiàn)有的系統(tǒng)上，要繼續(xù)深挖潛能，必須在復(fù)雜的關(guān)系中尋找最優(yōu)的路徑。而基于模型的方法，可以從成本最優(yōu)、節(jié)拍最優(yōu)、材料消耗最小等多個(gè)視角去對(duì)產(chǎn)線進(jìn)行分析，以應(yīng)對(duì)生產(chǎn)的各種場(chǎng)景需求。而知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)、工藝Know-How封裝、知識(shí)復(fù)用更是建模仿真眾所周知的原因。

　　圖 1 建模仿真的快速發(fā)展原因

　　3 它被用于解決哪些問(wèn)題?

　　建模仿真這類軟件可以被應(yīng)用于機(jī)器開(kāi)發(fā)的全流程。如圖2所示，它一般包括以下幾個(gè)方面：

　　? 系統(tǒng)選型：通過(guò)機(jī)電傳動(dòng)對(duì)象的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、慣量匹配等，可以為機(jī)械系統(tǒng)提供電氣傳動(dòng)控制的精準(zhǔn)選型;

　　? 早期驗(yàn)證：對(duì)于機(jī)電傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)、控制策略，都可以進(jìn)行快速的驗(yàn)證其可行性，以避免投料下的返工帶來(lái)的損失;

　　? 虛擬調(diào)試：在進(jìn)行測(cè)試前，可以在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行虛擬調(diào)試，通過(guò)“硬件在環(huán)”的方式，這一功能早已在某些先進(jìn)的PLC上得以實(shí)現(xiàn);

　　? 協(xié)同仿真：是仿真技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用，它主要是為了獲得更為快速的機(jī)電對(duì)象融合;

　　? 數(shù)字化呈現(xiàn)：通過(guò)三維呈現(xiàn)、AR/VR功能來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)的運(yùn)行仿真呈現(xiàn)，不僅可用于可視化的觀測(cè)、培訓(xùn)，也可以延續(xù)到未來(lái)的在線維護(hù)等場(chǎng)景;

　　? 代碼生成：代碼自動(dòng)生成可以降低開(kāi)發(fā)算法的工程量，同時(shí)，對(duì)于研發(fā)來(lái)說(shuō)，也可以針對(duì)復(fù)用的模塊進(jìn)行開(kāi)發(fā)，這同樣可以借助建模仿真技術(shù)。

　　4 貝加萊在建模仿真方面的能力

　　貝加萊的Automation Studio本身就是一個(gè)控制系統(tǒng)的仿真環(huán)境，它可以針對(duì)硬件的邏輯、運(yùn)動(dòng)控制、HMI等進(jìn)行仿真，并可以支持軟件在環(huán)和硬件在環(huán)測(cè)試。同時(shí)，對(duì)于機(jī)電協(xié)同、產(chǎn)線流程也有與第三方建模仿真軟件的連接能力，如圖3所示。在Automation Studio中，通過(guò)FMU/FMI、OPC UA的方式，可以與第三方這些建模仿真軟件實(shí)現(xiàn)交互，從而進(jìn)行機(jī)器的高效開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)。

　　(1)MATLAB/Simulink代碼自動(dòng)生成

　　早在2008年，Mathworks推出Simulink PLC，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)代碼生成的時(shí)候，貝加萊的Automation Studio就開(kāi)始支持，最初是C/C++，而貝加萊的PLC剛好就是支持高級(jí)語(yǔ)言編程，這使得它成為了非常好的一個(gè)平臺(tái)。

　　在能源領(lǐng)域，包括風(fēng)力發(fā)電、燃?xì)廨啓C(jī)、其它機(jī)組控制場(chǎng)景里，采用建模仿真是常用的方法。在圖4中，我們可以看到，模型仿真可以對(duì)傳感器的電力采樣、風(fēng)向、邏輯等進(jìn)行采樣，同時(shí)，也可以針對(duì)并網(wǎng)同步、安全進(jìn)行建?！M(jìn)而對(duì)于整個(gè)機(jī)組的主控邏輯、功率控制、轉(zhuǎn)速控制、并網(wǎng)同步等均可實(shí)現(xiàn)仿真，并可以生成控制代碼，且下載到Automation Studio中進(jìn)行編譯，還可以與其他程序形成調(diào)用，這樣就可以降低在編程方面的工作量。而這種封裝的代碼更具有程序安全性。

　　(2)MapleSim與Automation Studio的機(jī)器仿真

　　對(duì)于機(jī)器的機(jī)電協(xié)同仿真，MapleSoft的MapleSim則是另一個(gè)合作軟件，它更聚焦在機(jī)器的整個(gè)控制和機(jī)械的協(xié)同上。圖5是一個(gè)電動(dòng)注塑機(jī)的傳動(dòng)鏈設(shè)計(jì)過(guò)程。通過(guò)在MapleSim中的模型建立，將整個(gè)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(負(fù)載、機(jī)鉸、減速器、聯(lián)軸器、電機(jī)等)進(jìn)行了建模，并將伺服驅(qū)動(dòng)、位移測(cè)量、溫度、壓力和控制器的控制循環(huán)進(jìn)行了建模，并針對(duì)電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的控制進(jìn)行了控制策略的建模。通過(guò)仿真，可尋找到整個(gè)電動(dòng)注塑機(jī)的不同負(fù)載下的節(jié)拍、響應(yīng)速度、三環(huán)參數(shù)等進(jìn)行測(cè)試。

　　在這些仿真完成后可獲得最佳控制策略與參數(shù)，然后在MapleSim中將機(jī)器控制模型打包為FMU，導(dǎo)入到Automation Studio，與邏輯、溫控等構(gòu)成整個(gè)的機(jī)器控制程序。除了將其用于電動(dòng)注塑機(jī)的設(shè)計(jì)，MapleSim還可在液壓、卷繞控制等領(lǐng)域進(jìn)行建模仿真。而這些則是在軟包裝印刷設(shè)備、塑料薄膜、電池隔膜、涂布、復(fù)合等機(jī)器中廣泛應(yīng)用的模型。

　　(3)IndustrialPhysics側(cè)重于產(chǎn)線與流程

　　對(duì)于產(chǎn)線流程，通常其仿真主要針對(duì)包括避障、動(dòng)畫(huà)方面的建模與仿真，可以采用IndustrailPhysics在系統(tǒng)里進(jìn)行建模，并進(jìn)行產(chǎn)線級(jí)的測(cè)試驗(yàn)證，如圖6所示。在貝加萊的ACOPOStrak的應(yīng)用中，IndustrailPhysics可以針對(duì)產(chǎn)線的軌道線機(jī)械、機(jī)器人、生產(chǎn)中的功能單元(裁切、收放卷等機(jī)構(gòu))進(jìn)行整體的集成，并能夠?qū)壍?、?dòng)子的排列變化下的速度、加速度、間距、負(fù)載重量等進(jìn)行建模仿真，以評(píng)價(jià)整個(gè)產(chǎn)線的性能(UPH、節(jié)拍)是否能夠達(dá)到設(shè)計(jì)，并且在這個(gè)過(guò)程中對(duì)于機(jī)器本身的空間干涉進(jìn)行判斷以規(guī)避潛在的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于用戶，“早期驗(yàn)證”的能力很關(guān)鍵——這是確保他們?cè)诓少?gòu)系統(tǒng)前就已經(jīng)能夠預(yù)測(cè)到他們的投資是可以被實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)?，“所?jiàn)即所得”正是建模仿真能夠?qū)崿F(xiàn)的。

　　5 總結(jié)

　　建模仿真能夠讓創(chuàng)新從概念到現(xiàn)實(shí)的過(guò)程加速，通過(guò)流程及內(nèi)部參數(shù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器物理極限和潛能的最大發(fā)揮。這一切，都有助于機(jī)器和產(chǎn)線制造商加速技術(shù)創(chuàng)新升級(jí)。

聲明：本文版權(quán)為中國(guó)傳動(dòng)網(wǎng)所有，歡迎轉(zhuǎn)載但請(qǐng)務(wù)必注明來(lái)源、作者。