快速原型开发（精选8篇）
快速原型开发 篇1
快速成型技术 (Papid prototyping, 以下简称RP) 自80年代问世以来, 在成型系统, 材料方面有了长足的进步, 同时推动了快速制模 (Papid Tooling, 以下简称PT) 和快速制造 (Papid Manufacturing, 以下简称RM) 的发展, 90年代中末期是PR技术蓬勃发展的阶段。我国的华中科技大学, 清华大学, 西安交通大学, 北京隆源公司和南京航空航天大学等单位, 于90年代初率先开发PR及相关技术的研究, 开发, 推广和应用。到1999年, 国内已有数10台引进或国产PR系统在企业, 高校, 研究机构和快速成形服务中心运行。在国家科技部的领导和支持下, 先后成立了近十家旨在推广应用PR技术的“快速原型制造技术生产力促进中心”, 863/CIMS主题专家组还将快速成形技术纳入目标产品发展项目。此外, 有相当一部分高校将PR技术列入了“211”规划。国内投入PR研究的单位逐年增加。PR市场初步形成[1]。
一、研发基于SLS快速原型及软模工艺的依据于意义
1、快速原型技术
快速原型技术是20世纪80年代中后期发展起来的观念全新的现代制造技术, 是多个学科的技术集成, 它将计算机辅助设计 (CAD) 、计算机辅助制造 (CAM) 、计算机数字控制 (CNC) 、激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术集于一身。与传统的去除成形不同, 它是一种离散—堆积的成型过程。这种加工过程可分为前期数据处理 (亦称离散) 和后期物理过程。在离散过程中, 将三维形体的CAD模型沿一定方向分解, 得到一序列截面数据。
PR技术是一种用材料逐层或逐点堆积出制件的制造方法。分层制造三维体的思想雏形, 最早出现在制造技术并不发达的19世纪。早在1892年, Bianthre主张用分层方法制作三维地图模型。1979年东京大学的中川威雄教授利用分层技术制造了金属冲裁模成型模和注塑模。
SLS快速原型设备采用CO2激光器作为能量源, 通过红外激光束使塑料、蜡、陶瓷和金属 (或其复合物) 的粉末材料均匀的烧结在加工平面上。激光束在计算机的控制下, 通过扫描器以一定的速度和能量密度按分层面的二维数据扫描。激光束扫描之处, 粉末烧结成一定厚度的实体片层, 未扫描的地方仍保持松散的粉末状。根据物体截面层的厚度而升降工作台, 铺粉滚筒再次将粉铺平后, 开始新一层的扫描。如此反复, 直至扫描完所有层面。去掉多余粉末, 经过后处理获得零件或样件[2]。
2、依据与意义
材料是快速原型技术的核心, 一种新材料的出现往往会使快速原型工艺机器设备结构、成型件品质和成型效益发生巨大的进步。快速原型技术的发展历史充分证明了这个道理。1987年, 当第一种商品化的快速原型机问世时, 采用的成型材料为液态光敏聚合物, 针对这种材料, 分层叠加成型的制作方法是SLA, 因此有了SLA快速原型机, 能得到看起来像塑料的成型件。然而, 随着时间的推移和技术的发展, 此后出现了纸、蜡、塑料、陶瓷复合物和金属复合物等多种成型材料, 以及与此相应的一批LOM、FDM、SLS和TDP快速原型工艺和快速原型机, 可以得到近似ABS塑料、陶瓷、金属的高性能样品或模具, 成型效率也有明显的提高[3]。
软模通常指的是硅橡胶模具, 用SLA, FDM, LOM或SLS等技术制作的原型, 再翻成硅橡胶模具后, 向模中灌注双组分聚氨酯, 固化后即得所需的零件, 调整双组分聚氨酯的构成比例, 可使所得到的聚氨酯的零件的机械性能接近ABS或PP。
二、国内外研究概况及发展趋势
快速原型技术已在家电、汽车、玩具、轻工、通讯设备、航空、军事、建筑、医疗、考古、工业造型、雕刻、首饰、三维地图等行业得到应用。RP是利用材料堆积法快速制造产品的一项先进制造技术, 它根据产品的三维模型数据, 不借助其他工具设备, 迅速而精确的制造出该产品。RP技术的应用目的主要有生产研制、市场调研和产品使用。在生产研制方面, 主要通过快速原型制造系统制作原型用来验证概念设计、确认设计、性能测试、制造模具的母模和靠模。在市场调研方面, 可以把制造的原型展示给最终用户和各个部门, 广泛征求意见, 尽量在新产品投产之前完善设计, 生产出销售对路的产品。在产品使用方面, 可以直接利用制造的原型、零部件的最终产品.这样可以大大缩短了新产品的设计、制造周期, 提高新产品的市场竞争力[4]。
翻模成型:实际应用上, 很多产品必须通过模具才能加工出来。用成型机先制作出产品样件再翻制模具, 是一种既省时又节省费用的方法。发动机泵壳原型件产品用传统机加工方法很难加工, 必须通过模具成型。据估算, 开模时间要8个月, 费用至少30万。如果产品设计有误, 整套模具就全部报废。我们用快速成型法为该产品制作了塑料样件, 作为模具母模用于翻制硅胶模。将该母模固定于铝标准模框中, 浇入配好的硅橡胶, 静置12·20小时, 硅橡胶完全固化, 打开模框, 取出硅橡胶用刀沿预定分型线划开, 将母模取出, 用于浇铸泵壳蜡型的硅胶模即翻制成功。通过该模制出蜡型, 经过涂壳、焙烧、失蜡、加压浇铸、喷砂, 一件合格的泵壳铸件在短短的两个月内制造出来, 经过必要的机加工, 即可装机运行, 使整个试制周期比传统方法缩短了2/3, 费用节省了3/4。
这种快速成型机的工作原理与SLA相仿, 不过所用成形材料不是液态的光敏树脂, 而是粉末状的高分子材料、金属或陶瓷与粘结剂的混合物等, 粉粒直径为50-125靘, 成形时先在工作台上铺一层粉末材料, 并加热至略低于熔化温度, 然后激光束按照截面形状进行扫描, 被扫描的部分材料熔化、粘接成形, 不被扫描的粉未材料仍呈粉粒状作为工件的支撑, 一层完成成形后, 工作台下降一个层高, 再进行下一层的铺料和烧结。
优点:一是可直接得到塑料、陶瓷或金属件, 可加工性好;二是无需设计支撑。缺点:一是成形件结构疏松多孔, 表面粗糙度较高;二是成形效率不高;三是得到的塑料、陶瓷或金属件远不如传统成形方法得到的同类材质工件, 需进行渗铜等后处理, 后处理中难于保证制件尺寸精度。
激光快速成形技术是多种先进制造技术的集成。由于不同的快速成形机具有不同的特点, 因此要根据不同的使用要求进行恰当的选择, 选择中要综合考虑成形件的尺寸大小、成形件的精度要求、成形件的用途、成形件的形状、以及成形件的材质要求等等, 还要权衡制作成本。
目前RP技术的发展水平而言, 在国内主要是应用于新产品 (包括产品的更新换代) 开发的设计验证和模拟样品的试制上, 即完成从产品的概念设计 (或改型设计) ———造型设计———结构设计———基本功能评估———模拟样件试制这段开发过程。对某些以塑料结构为主的产品还可以进行小批量试制, 或进行一些物理方面的功能测试、装配验证、实际外观效果审视, 甚至将产品小批量组装先行投放市场, 达到投石问路的目的[5]。部分国产RP设备已接近或达到美国公司同类产品的水平, 价格却便宜得多。我国已初步形成了RP设备和材料的制造体系。
三、总结
总之, 快速成型技术的发展是近20年来制造领域的突破性进展, 它不仅在制造原理上与传统方法迥然不同, 更重要的是在目前产业策略以市场响应速度为第一的状况下, RP技术可以缩短产品开发周期, 降低开发成本, 提高企业的竞争力。下面通过一些事例, 说明该项技术在产品开发过程中起的作用。
课题拟通过在华中科技大学生产的HRPS-III快速原型设备上, 对华中科技大学所开发的HB1材料进行烧结实验, 通过基与SLS烧结出来的叶轮, 翻制成硅橡胶模具后, 取出叶轮原型, 向模具中灌注蜡件和树脂件, 固化后即得到所需的原件。用制造出来的蜡叶轮与原型比较。
基于SLS快速原型的快速软模工艺与制造技术开发, 可以极大地缩短新产品的开发周期, 降低开发阶段的成本, 避免开发风险, 可修改性, 制作出来的零件精度高。
参考文献
[1]王运赣.速成型技术.武汉:华中科技大学出版社, 1999
[2]王秀峰, 罗宏杰.快速原型制造技术.北京:中国轻工业出版社, 2001
[3]卢清萍.快速原型制造技术.北京:高等教育出版社, 2001
[4]王学让, 杨占尧著.快速成型理论与技术.北京:航空工业出版社, 2001
[5]王文广.塑料改性实用技术.中国轻工业出版社, 2000
快速原型开发 篇2
摘要：系统地描述快速原型法在深圳地铁AFC应用系统实施过程中的应用，分析深圳地铁AFC应用系统在改进更新过程中遇到客观阻力的原因，并对采用快速原型法的两种分类途径解决实际应用情况进行阐述。关键词：轻轨铁路;自动售检票系统;快速原型法;应用
自动售检票(AFC)系统是综合技术性很强的一个专业系统，涉及到机械、电子、微控、传感、计算机、网络、数据库和系统集成等多个方面，整个系统实现具有很大难度。AFC应用系统软件是其中最具有代表性的，它不仅要集成所有售检票设备信息，还要对车票和现金等实物进行管理，涉及车站管理、收益管理和车票管理等各个环节，数据关系较为复杂，需求难以把握，开发具有一定难度，是实现AFC系统集成的关键环节。
1、AFC应用系统在开发和应用中遇到的问题
深圳地铁AFC系统的建设是在探索中前进的，作为第一个具有自主知识产权的国产化AFC系统来讲，它不断要根据实际情况做出改进。但对于这个涉及面广、层次多的庞大系统而言，达到应用系统的需求一步到位是不可能的。这就对AFC项目的使用维护方提出了高水平的要求，要在掌握到第一线的乘客需求、车站运作情况和目前应用系统软件所实现功能的前提下，提出AFC系统的改进方向。对项目的开发方而言，用户需求的多变是让开发人员头痛的问题，如何快速地根据用户需求改进软件，尽快拿出满足用户需求的软件更是增加了开发的难度。
通过深圳地铁AFC系统两年来的实际使用，其中存在的一些问题显现出来，比如，管理信息不完整，部分统计数据不能满足实际运营需要，系统功能待改进等，造成工作效率低下、人力资源浪费和运作成本提高。在此基础之上，经深入讨论研究，使用快速原型法可以使实际和应用结合的较为紧密，是解决以上问题的有效方法。
2、快速原型法技术介绍
快速原型法(Rapid Prototyping Method)是近年来提出的一种以计算机为基础的系统开发方法，它首先构造一个功能简单的原型系统，然后通过对原型系统逐步求精，不断扩充完善得到最终的软件系统。原型就是模型，而原型系统就是应用系统的模型。这个模型可在运行中被检查、测试和修改，直到它的性能达到用户需求为止。因而这个工作模型很快就能转换成原样的目标系统。
快速原型法主要包括两种开发方法：快速建立需求规格模型法和快速建立渐进原型法。
3、快速原型法在优化AFC应用
系统中的应用统的神经中枢，它实现系统运作、收益及设备维护集中管理功能。监控并管理车站AFC系统内的所有设备，采集并上传售检票设备的交易、工作状态等信息，储存并下载运营和设置参数，具备售检票设备及运营的收益管理功能，能统计、生成及打印地铁运营日的现金收益、车站管理和票卡管理等报表，具备辅助分析功能。
(1)通过快速建立需求规格模型法建立用户需求
深圳地铁AFC应用系统的优化和改进首先采用了“快速建立需求规格模型法”来确认用户需求。这种快速原型法通过建立模型反映系统的某些方面，密切用户和开发人员的关系，促进相互了解，因此，有助于获得更完整精确的需求说明书。对深圳地铁AFC应用系统而言，采用快速原型法为AFC用户需求建立一个模型，该模型是系统功能的一个子集，开发人员测试通过后将这个模型提交给用户，通过用户的测试使用可以发现这个模型是否满足预想的需求，哪些功能冗余，哪些地方需要改进。
快速原型开发 篇3
针对以上问题, Synopsys公司于近日推出其扩展型Confirma TM快速原型平台, 如图1所示。通过引入最近收购的CHIPit誖的各种产品、工具和技术, 简化了快速原型构建的实施和部署工作, 确保用户可以更快地开始硬件辅助系统验证和嵌入式软件开发。再辅之以HAPS高性能原型硬件, 扩展型Confirma平台可同时提供软件可配置架构和基于事务的协同验证能力。
Confirma平台结合了经过验证的原型方法、IP、服务、硬件和软件, 对于多种原型应用来说都是一个全面的解决方案。Synopsys现在可提供最全面的从软件到芯片 (Software-to-Silicon) 的验证解决方案, 包括快速原型、虚拟平台、功能验证和模拟/混合信号电路仿真, 解决了片上系统 (SoC) 验证过程中的关键挑战。
硬件辅助验证的经济学分析
如果采用类似于“大盒子”仿真系统这样的传统方法, 对于嵌入式软件开发者及验证团队而言, 广泛部署是既昂贵又缓慢的事情。客户定制的基于FPGA的各种原型可以解决这些问题, 但是实施和调试起来却很困难、耗时和昂贵。Confirma快速原型平台帮助解决了这些与传统方法相关的问题, 并且把所有的关键组件集合在一个完整的、可负担得起的解决方案之中, 确保了更多的设计团队可充分利用硬件辅助验证。Synopsys的硬件辅助验证策略重点集中在充分利用性能与容量不断增长的FPGA, 并配之以领先的实现工具。
扩展型Confirma平台
扩展型Confirma平台是用来实现快速原型的一套完整的产品组合, 包括基于FPGA的原型系统和电路板、接口和存储器板, 以及实施和调试用软件。Confirma平台提供了迅速实现一项快速原型所需要的所有元素。
从软件到芯片的验证解决方案
Confirma快速原型平台是Synopsys的软件到芯片验证解决方案的一部份, 为复杂的片上系统开发提供一套业界最全面的、行之有效的嵌入式软件开发、系统验证、功能验证和电路仿真软件、硬件、知识产权、方法和服务。这套Confirma产品还集成了基于虚拟平台的Innovator, 为嵌入式软件的开发和验证提供了一个混合虚拟/物理原型环境 (有关Confirma的更多信息请访问:www.synopsys.com) 。
快速原型开发 篇4
丽水市人民政府在“丽水市快速制造技术服务中心筹建工作专题会议纪要”中指出“…快速成型技术是衡量一个国家或设计制造技术水平和能力的重要标志,各有关部门要从加速丽水制造业升级,实现核心竞争力和跨越发展的高度来认识推广应用快速制造技术重要意义…”。龙泉青瓷作为丽水市特色支柱产业,承担着开拓创新的艰巨任务,为传统青瓷产业注入新科技,改进传统青瓷复杂设计与制作工艺,加快青瓷快速制造产业形态转型,推进龙泉青瓷快速发展。该文运用基于Free Form快速成型技术,构建快速设计与制作开发模式,并通过青瓷快速设计实例说明该技术对加快推进青瓷产业快速制造的作用。
2 Free Form设计系统
Free Form触觉式设计系统是一套基于“虚拟油泥”和“力反馈技术”的造型设计系统。基于3D Touch技术,使用者可以通过视觉和触觉结合来完成复杂3D模型的构建。Free Form系统为设计者和建模者创建原始模型或修改数据提供了一个快速且经济有效的方式。
2.1 系统结构
Free Form触觉式设计系统主要由触觉设备PHANTOM和Free Form Modeling Plus建模软件构成。设计者通过使用触觉设备PHANTOM中的操作杆来雕刻Free Form Modeling Plus软件中的“虚拟油泥”或“数字黏土”,对模型实现生长、拉伸、削减、旋转、镜像、上色等操作。设计者所使用的操纵杆在软件中的坐标定位接触数字黏土并对其进行雕刻的时候,能够明显的感觉到操作杆反馈过来的阻力,具有沉浸感良好的用户体验和设计,从而更具真实地设计并创造产品的新造型,加快产品开发的效率。系统的结构图如图1所示。
2.2 系统兼容性
Free Form系统同时支持stl、step、iges、和bmp等输入输出格式,通过该系统设计的3D模型导出stl格式模型直接导入到3D打印软件可直接打印出3D模型。同时可兼容多种3D建模软件,例如3ds max软件、Auto CAD软件和UG建模软件等。采用灵活交叉建模方式可缩短建模过程所需的时间,也可以为建模过程中遇到一些难以解决的问题提供了更多的解决办法。
3 模型实例
本文以龙泉青瓷模型设计为实例,展示快速成型技术在快速开发模式中实际应用效果。传统青瓷具有技巧性和艺术性的手工艺,其制作工序一般要经过设计、练泥、成型、修坯、装饰等过程,在成型之前需反复修改,制作工艺非常繁琐,在细节处理方面取决于设计师的手艺。通过基于Free Form快速成型技术能够大大提高青瓷设计和制造效率,同时在细节处理方面具有良好的效果。
3.1 建立基本模型
如果对现有的作品进行建模,首先对青瓷作品拍摄上、下、前三个面,然后从File工具下面Import to plane导入2D图片,其三视图如图2所示。
打开物件清单(Object List),将黏土粗糙度(Clay Coarseness)调整为ADD Detail(1mm)。按“F5”切换至上视图,点选Create Plan新增绘图平板,并参照背景上视图的青瓷瓶口绘制瓶口和瓶颈两个正圆。按“F2”切换至正视图,把瓶颈的正圆拖到相对应的位置。同时,在主工具界面上点选Sketch On进入2D绘图功能,依据青瓷的边缘轮廓画线段,使用命令复制一条外部轮廓线,使青瓷具有一定的厚度,最后将断面线的线段封闭并绘制一条中轴线。绘制好的轮廓线图如图3所示。
选择PiecesNew Piece创建一个空的黏土层,点选Spin Clay功能,先选择断线面,再选择中轴线将青瓷模型制作出来。青瓷的基本模型如图4所示。
3.2 模型修饰
模型的修饰包括模型印章和纹理雕刻和修饰等,主要通过浮雕来实现。首先制作印章和青瓷纹理的图片,然后制作成透明通道。使用3D Curve绘制出浮雕的区域,为避免3D轮廓线脱离实体,使用“fit curve”命令将3D线附着在青瓷表面上。选择Emboss With Wrapped Image,然后点选绘制在3D模型表面上的曲线。在出现对应功能的选项中选择所要绘制浮雕的透明通道图,设置浮雕高端,确认后即可完成青瓷印章和纹理的制作(如图5)。在产生浮雕前选择用影像模式预览,待影像位置、大小、角度等调整无误后,将冰裂纹理赋给青瓷,最后将黏土粗糙度(Clay Coarseness)调整为ADD Detail(0.5mm),完成整个青瓷的制作(如图6)。将整个模型导出STL格式,输入到快速成型机器可得到模型原型。
3.3 模型渲染
完成整个模型构建以后,选择进入Rendering工具栏,点击设置材质。点击设定灯光,灯光类型主要有Point(点光源),Spot(聚光灯),Infinite(日光灯)三种类型,这里选择Spot灯光,设置好灯光颜色、照射范围、灯光质量后,得到最终的渲染效果图和青瓷原型对比效果如图7所示。
4 结论
基于Free Form快速成型技术在一定程度上改变了传统制造业的生产方式,采用现代化和数字化的设计与生产方式,不仅在视觉上和触觉上提供了直观逼真的设计方式,而且提高了产品的设计和生产效率,通过结合地方特色产业,可进一步推广到石雕、机械零部件等产业,为促进地方经济的发展做出应用的贡献。
参考文献
[1]百度百科.FreeForm[EB/OL].http://baike.baidu.com/view/3863545.htm.
[2]徐人平.快速原型技术与快速设计开发[M].北京:化学工业出版社,2008:19-22.
[3]陈龙,王坤茜,徐人平,等.基于FreeForm系统的玩偶设计开发[J].陕西科技大学学报,2010,28(2):149-153.
快速原型开发 篇5
概念设计是产品设计中最关键、最复杂、最具综合性、决定性和和创造性的阶段, 其重要性体现在两个方面:首先概念设计阶段在很大程度上决定着最终产品的性能、创造性、价格、市场响应速度和效率等, 此外, 据有关资料显示, 虽然概念设计阶段实际投入的费用只占产品开发总成本的5%, 却决定了产品总成本的70%。而且详细设计阶段很难甚至不能纠正概念设计阶段的设计缺陷和错误, 它严重影响到产品设计与开发。
快速成型是利用材料堆积法制造实物产品的一项高新技术。它能根据产品的三维模型数据, 不借助其他工具设备, 迅速而精确地制造出该产品, 集中体现了计算机辅助设计、数控、激光加工、新材料开发等多学科、多技术的综合应用。传统的零件制造过程往往需要车、钳、铣、刨、磨等多种机加工设备和各种工装、模具, 成本既高又费时间。一个比较复杂的零件, 其加工周期甚至以月计, 很难适应低成本、高效率的要求。快速成型能够适应这种要求, 因此是现代制造技术的一次重大变革。
为此本文提出将快速成型技术与机械产品的概念设计结合起来, 在产品的设计初期的概念设计阶段就能够在尽可能少的时间内得到产品的雏形, 将大大有利于对方案进行验证和改进, 并产生更合理方案。这些无疑将大大减少产品在后续的设计阶段存在的缺陷, 使整个设计过程更加趋向合理。
2 产品的概念设计方法
2.1 产品设计的设计程序
关于产品的设计过程和模型国内外已经有很多的论述, 文献[3]将其归纳为主要的三种方法:一是Pahl和Beitz认为:机械设计分为明确任务、概念设计、技术设计和施工设计等四个阶段。二是Koller认为:机械设计分为产品规划、功能设计、定性设计和定量设计等四个阶段。三是邹慧君教授提出:机械设计分为产品规划、方案设计、详细设计和改进设计等四个阶段。并提出在产品的设计的过程中主要重视的是功能和定性设计。
2.2 产品的概念设计方法
产品的设计过程可以概括为两步, 即:概念设计和构型设计。而其中概念设计的目的是制定出方案。当前, 关于产品的设计方法和概念设计方法已有很多种, 当工程师面对一项计划时, 经验是产生概念设计的最佳方法。没有经验的工程师可以从传统的理性化方法出发来解决问题, 如利用在表一种所列出的方法。尽管关于应用于方法概念设计的方法众多, 这些方法大多是理性化的方法。
3 计算机辅助概念设计
近年来, 随着计算机图形学、多媒体技术、虚拟现实技术的发展以及CAD/CAM应用的深入, 现代产品概念设计理论与技术的研究有了长足的进步。计算机辅助概念设计 (computeraided conceptual design, CACD) 已成为CAD/CAM和CIMS领域的一个研究热点。
CACD是CAD领域的一个重要分支。它涉及设计方法学、人机工程学、人工智能技术、CAD技术以及认知与思维科学。CACD系统是一种辅助性的设计工具, 随着功能的逐步强大, 它必然越来越受到概念设计师的欢迎, 而在概念设计过程中最终替代传统的CAD系统。
传统的CAD系统虽能产生复杂、精确和完整的三维造型, 但由于其本身并不是为概念设计而开发的, 同时缺乏设计方法学的支持, 没有体现概念设计的创造性过程。另外, 它存在许多约束限制, 不允许快速输入和再现不完备的概念造型, 从而导致其基本上是一个在设计方案基本定型之后的概念化 (草图化) 绘图工具, 而非辅助设计工具。针对上述情况, 产生了CACD系统。其根本目的就在于能有效支持产品的创新设计。
目前, 世界上大型的CAD/CAM/CAE软件系统, 如Pro/Engineer、EDSUnigraphics、EU-CLID、Autodesk、Solidworks、Alias、Softimage等, 都提供了有关产品早期设计的系统模块, 称之为工业设计模块、概念设计模块或草图设计模块。
4 快速成型技术实现概念方案
4.1 快速成型技术
在机械工程中, 快速成型技术是建立原型来验证相关的设计是否成功。验证“成功”的设计有很多的方面, 包括:正确的外形和尺寸, 足够的强度等等。不同的原型类型需要回答这些不同的问题。快速成型的领域已经发展成为自动的系统, 即可以将计算机实体模型转化为三维人造物, 不管结构多么复杂。因此该技术也叫做“分层加工”或者“实体的任意制作”。
传统的零件成型方法是利用模具或刀具使材料成型, 快速原型/零件制造技术则利用激光等物理手段, 向用户提供物理原型, 快速修改设计方案, 从而大大减少了新产品开发前期的时间和费用。不受零件几何形状的限制, 能够制造出常规加工技术无法实现的复杂几何形状的零件。在机械制造、航空航天、汽车、建筑、医学、美术、考古等众多领域的应用越来越广泛, 图1为用RP技术制作的汽车模型。当制作的模型较大时可以分割成几个部分分别加工然后再将其粘结起来。图2为一较大零件分割为可用RP技术制造的零件示意图。
一个快速成型系统包括计算机辅助设计系统、自动处理单元和自动制作机, 如图3所示。并且整个过程的接口在于CAD系统中三维模型的输入, RP系统接受Stl和.iges文件。而目前的很多的CAD三维软件都具有实现这些文件的功能, 如pro/e和AutoCAD等。在1996年底的统计中, RP所使用的软件在前几位的分别是:Pr/E (58%) , UngraPhy (20%) , SDRCI-DEAS (12%) , Computervision (9%) , CA-TIA (6%) , AutoCAD (4%) 。而目前这些软件在国内的也有一定的使用和普及程度, 一些高校的相关专业还开设了相应的课程, 这也大大有利于快速成型技术的推广和普及。
4.2 利用RP技术实现产品的制作
当前快速成型技术在机械中主要用于制造模具和金属零件, 由RP直接做出注塑模等, 大量应用实例表明, RP技术缩短产品开发时间、降低开发成本的效果是极其明显的。例如美国Pratt&Whitney实验室于1994年制造了2000个铸件, 按常规方法约需700万美元, 而用RP方法, 只用了60~70万美元, 生产时间节约了70%-90%。
前面提到在产品的概念设计中一般不进行具体设计, 但对于在概念设计阶段产生的致命错误将会直接影响到产品以后的设计阶段以及产品本身, 特别是对于在创新设计中产生的多个方案的选择, 实际模型将更具有说服力。虽然RP技术有一定的制作费用, 会增加产品在概念设计阶段的费用, 但是概念设计决定了产品总成本的70%。因此, 从整个产品来说是有利的。
4.3 机械产品制作实例
在机械概念设计中产生的原始方案一般比较简单, 一些方案干脆由构件和运动副组成。如图4 (a) 为Stewart并联机器人的结构简图。其包括了六条支链, 每条支链包括了两个球面副和一个移动副, 机构整体自由度为6。机器人中的球面副利用传统的加工方法相当困难, 而机器人整体用RP技术制造, 则简单了很多, 只需要提供相应的三维实体模型, 便可以在快速成型机上完成, 图4 (b) 为用RP技术加工的机器人模型图。
利用RP技术加工模型的优点不仅在于加工普通制造方法无法实现的模型, 对于一些常用件来讲也有其独特的优势, 在概念设计阶段, 方案往往需要反复的修改, 而普通加工技术需要大量的时间, 但RP技术则可以大大减少模型的加工时间, 而且目前很多的三维软件绘图都是参数化的, 如Pro/e, CA-TIA等, 因而可以非常方便地进行修改。另外, 还可以加工一系列的带有运动副的构件和相应是连接件, 由于产品的概念设计并不要求具体的参数, 因此可以将其广泛应用与多个产品的设计中去。技术人员可以对所设计的机械装置方案进行任意的组合和创新, 使整个设计过程更加直观有效, 并且将大大推进机械产品概念设计的模型化进程。
5 结语
随着CAD与CAM结合的不断紧密, 产品的开发周期将大为减小, 因此也对产品初期的概念设计提出了新的要求。将先进的RP技术应用于概念设计中方案的实现无疑将利于整个产品的开发, 使概念设计更加趋向合理。虽然增加了产品在概念设计阶段的费用, 但从整个产品的设计的过程来说是有利的, 并且将大大减少产品实现阶段的费用。
参考文献
[1]关立文, 黄洪钟, 赵正佳等.机械产品概念设计:综述与展望[J].机械设计.2001 (8) :1-9.
[2]邹慧君, 汪利, 王永石等.机械产品概念设计及其方法综述[J].机械设计与研究.1998 (2) :9-12.
[3]孙守迁, 包恩伟, 陈蘅等.计算机辅助概念设计研究现状和发展趋势[J].中国机械工程, 1999, 10 (6) :697-701.
[4]潘云鹤.智能CAD方法与模型[M].北京:科学出版社.1997.
[5]黄树槐.快速原型制造技术的进展[J].中国机械工程.1997, 8 (5) :8-12.
[6]檀润华, 王庆禹.产品设计过程模型、策略与方法综述[J].机械设计, 2000 (11) , 1-4.
快速原型在建筑模型中的应用研究 篇6
一个好的建筑物实体模型对公司竞标时赢得项目具有重要的作用, 同时建筑模型制作也是建筑设计课程的重要教学内容之一。目前建筑模型的制作基本上还是传统的手工方式, 无法制作复杂的曲面外形等。手工制作过程大致如下:首先模型制作者阅读图纸和熟悉图纸, 为了搞清设计者意图和要求, 必须弄清建筑平面和各立面的关系、各层平面与各立面凹凸的增减关系, 构思设计和拟定制作方案;然后采用ABS塑料、有机玻璃板、纸、草等材料配以钩刀、手术刀、锉刀、砂纸、镊子、空压机、喷枪等手工工具进行制作。其制作速度慢、成本高, 难以满足急需模型的加工, 并且对制作人员的要求也较高, 需具备一定的艺术素养和相应的加工操作技术。随着劳动力成本的提高, 加工成本也越来越高;同时, 设计与制作存在脱节。一方面, 由于建筑设计者一般不是自己亲手制作模型, 而是由专门的模型制作师进行制作, 这就造成模型制作师往往难以完全领略设计师的意图, 另一方面, 使得设计师也不能及时地根据模型的满意程度进行修改设计。
随着快速原型技术应用的成熟, 快速原型技术慢慢深入到了各行各业的新奇产品开发, 其应用的广泛性, 也被誉为第三次工业革命的领航者。快速原型技术运用于建筑模型的制造可以有效地克服上述传统制作模式的局限。
1 快速原型技术基本原理
快速原型 (Rapid Prototyping, RP) 技术是20世纪90年代发展起来的, 集机械工程、CAD、反求工程技术、数控技术和新材料等技术最新成果为一体的零件原型制造技术。它不同于传统切削加工技术中的刀具或磨具, 将工件毛坯或半成品由多到少、由粗到精做减法, 逐渐达到图样的技术要求, 而是采用数字化方法, 将离散的材料一层一层逐渐累积做加法, 来达到图样技术的要求。由于它利用零件的CAD模型数据直接生成产品原型, 因此可以方便地修改CAD模型后重新制造产品原型, 从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种快捷、高效、低成本的实现手段。随着计算机技术的快速发展和三维CAD软件应用的不断推广, 快速成型技术已经得到广泛应用。
2 使用快速成型技术打印建模模型的优点
由于建筑设计的日益复杂, 传统的模型制作已经不能满足设计师的需求。在国外, 快速原型技术已经成为建筑设计师不可缺失的工具。使用快速成型技术打印建模模型, 可以达到以下目标:
2.1 赢得项目
赢得建筑项目虽然有很多途径, 但我们大多数时候必须自己去争取它们。当开始一个新的项目的时, 为了更好的交流, 首先必须不理清自己的想法。传统的二维图纸数量较大, 不利于思路的整理。一个三维打印模型在这点上是非常实用的。虽因为一般来说, 人们需要花费大量的时间看图纸以了解一项建筑设计。而通过平面图纸想像出建筑的三维形象的能力却往往需要大量的训练和经验才能获得。虽然建筑的三维效果图非常直观但它仅仅只是作品最后的外观照片而已, 容易使建筑设计师的想法定形, 反而失去了更多的改进空间。一个三维打印模型恰好可以实现在项目设计过程中实时交流想法并改进的优点, 这是与客户沟通的过程中是非常必要的。
2.2 初步设计之整体规划
一个建筑物不可能自己矗立起来, 它总是有背景的。即使它矗立在空旷的土地之上, 这片土地也是它的背景。一项好的设计必然是将此考虑在内, 并且对此做出处理。因此在城市初步设计阶段, 设计师必须充分考虑好这些。做到这点的一条非常好的途径就是通过3D打印技术制作建筑全景式模型, 比如可以随意转换组合的模型。这样做的优点在于, 你只需要通过不同的组合来改变设计规划, 不需要反复从头开始。如图1所示。
2.3 建设细节规划
随着建筑项目的进度, 3D模型的性质也变了。之前已经确定了初步的宏观想法, 紧接着便要优化细节了。室内设计往往涵盖了硬件、表面材料和装饰材料。设计师通常需要使用3D打印机制作出1:1的等比例的专门设计的室内特征模型 (如图2所示) , 作为向客户展示并确认设计是否真的符合客户心意的方式。
2.4 提升教学效果
建筑模型制作作为培养学生三维空间想象力、造型设计能力和动手能力的必修课程, 是师生进行方案讨论、体形分析、细部推敲等过程的重要手段。学生在这一阶段的学习中, 一方面通过对建筑模型的空间组成分析, 使学生对建筑空间得到进一步认识;另一方面通过模型的制作, 能够培养学生建筑设计的空间思维意识和方法, 建立从二维的平面设计到三维的立体空间设计的思维方法的转换。在构思的每一个阶段中, 建筑模型对开拓设计思维、变换设计手法、提高设计认识起着积极的作用。
3 设备选择与建筑模型制作
目前市场上的快速原型设备的种类很多, 按照工艺分类, 可以分为五种:光固化成型法、分层实体制造法、选择性激光烧结法、三维立体打印和熔融沉积制造法。不管是哪种快速成型技术, 都有其优势所在, 建筑的快速成型可以根据实际情况选择一种或多种工艺来完成, 以尽可能地仿制原物的材质、颜色和外形, 再加上一定的后处理, 如着色、搭建等, 即可完成最接近真实的建筑模型。
在选择成型设备的时候需要对各方面的技术参数进行综合的考虑。
1) 成型速度:快速原型设备的成型速度是选择的一个重要的因素, 目前市场所有的这类设备对于建筑模型来说都要数小时。对于上班族的建筑设计师而言, 可以利用晚上通宵的时间来制作设计的模型。因此成型的速度可以不用过多的考虑。
2) 成型的精度:成型的速度和精度是一对不可调和的矛盾。作为展示交流用的建筑模型来说对精度的要求一般不高, 大多数的设备均能够满足。
3) 设备分辨率:分辨率不同于精度, 它决定了设备所能制造出的最小细节。因为建筑模型都是等比例缩小, 所以, 尺寸比较小的细节特征很有可能因为制作模型的设备的分辨率低而丢失掉, 进而严重影响了公司的竞标等。所以选择设备的时候尽可能的选择分辨率高的设备。目前市场上的分辨率高的设备可以达到小于0.1mm。
4) 色彩:如果在制造成型的时候能一起把建筑物外表的颜色也一起呈现出来将是非常完美的设备。目前的各种工艺设备中只有三维立体打印能够真正的实现空间不同点的不同颜色制造。然而它可以拥有的调色板还是非常有局限性的, 与我们所需要的色彩有偏差。色彩相差甚远的模型显然是不能拿给客户交流用。此外, 在建筑设计模型上, 一种颜色代表一种材料。通常我们为一个项目做出模型, 之后的讨论一般都是围绕设计本身的可塑性而不是什么材料。色彩只会使我们的讨论分心。所以虽然我们仍然希望彩打的功能, 但是它在我们寻找合适的快速成型机的过程中还是显得不那么重要了。
用快速原型技术制作建筑模型的步骤如下:
(1) 使用三维建模软件如3D MAX等设计建筑数字模型 (如图3所示) 。设计时需要注意法线的方向、最小墙体厚度、最小细节尺寸。确定最小物体的边界尺寸大于10mm*10mm*10mm, 确保物件体积大于0.25立方厘米。
(2) 导出为stl格式的文件。
(3) 按楼层分层制作或者整体制作, 如图4所示。
(4) 去除支撑材料。
(5) 增加强度, 上色等。
制作一个模型需要的设备可能不止一种, 因为每种设备都有自己的优势所在。图5为著名建筑的旅游纪念品, 其建筑基地采用熔融挤压技术制作, 建模结构使用SLS技术制作, 屋顶采用3DP技术制作, 多种技术发挥各自优势, 协同合作, 挖掘出建筑设计领域的无限潜力。
4 结语
建筑模型是竞标时取得项目与否的关键之一, 是与客户交流成功的保障。传统手工制作建筑模型不仅时间周期长、成本高, 而且也设计者之间存在严重脱节。基于快速原型技术的建筑模型制作可以分楼层的、整体的进行成型, 省去手工的麻烦, 制作非常复杂的建筑模型, 而且可以利用下班的时间让机器自动的制造, 提高制作效率和降低制作人力成本。
摘要：建筑沙盘模型作为交流的介质, 是竞标取得项目的关键。传统手工制作建筑模型不仅时间周期长、成本高, 而且与设计者之间存在严重脱节。本文提出了一种基于快速原型技术的建筑模型制作方法, 该方法只需要根据设计师的数字化建筑模型, 就可以分楼层的、整体的进行制作。该不仅可以制作非常复杂的建筑模型, 而且可以提高制作效率和降低制作人力成本。
关键词：建筑模型,快速原型,分辨率
参考文献
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快速原型开发 篇7
目前,采用DSP和FPGA等处理器实现直线电机的控制时[1,2],先设计制作硬件电路板,然后进行手工软件编程以实现控制算法,但是这种方式存在以下不足:①硬件电路板制作周期长;②DSP和FPGA的处理速度有限,比通用PC的CPU处理速度慢;③手工软件编程耗时耗力,而且易出错。快速原型控制系统能够使控制系统设计者在实际控制器硬件做出之前,先在通用的实时硬件平台上快速实现控制算法,以验证和测试控制方案的可行性,从而提前发现并修正错误,缩短开发周期,降低研发费用。
目前已经有一些快速原型控制系统,如NI公司的Compact RIO、Single-Board RIO和dSPACE公司的dSPACE实时仿真系统,很多学者利用这些快速原型控制系统研究电机控制算法。文献[3]运用dSPACE实时仿真系统对基于新型扰动观测器的永磁同步电机滑模控制算法进行了验证;文献[4]用Compact RIO搭建了一种新型的直流无刷电机控制系统;文献[5]利用Compact RIO搭建了一套永磁直线同步电机(permanent magnet linear synchronous motor,PMLSM)硬件在环实时仿真平台。但是上述几种快速原型控制系统采用的都是专用硬件,开放性不强,而且价格极其昂贵。本文介绍的基于xPC Target的直线电机快速原型控制系统的硬件平台为通用PC机(及其兼容机)和I/O采集卡,具有开放性强、CPU运算速度快以及成本低的特点,结合MATLAB/Simulink强大的控制系统分析设计能力和自动代码生成功能,可以直接、快速地实现PMLSM的控制算法——带有跟踪微分器的非线性PID控制算法,并对该控制算法进行验证和测试。
1 直线电机快速原型控制系统硬件结构
直线电机快速原型控制系统硬件结构如图1所示,包括5个部分,各个部分的功能如下:
(1)宿主机。
运行MATLAB/Simulink,实现控制算法的建模和仿真,并利用xPC Target工具包等实现控制算法的自动代码生成,同时通过网线实现对嵌入式PC目标机的代码下载、控制和数据通信。
(2)嵌入式PC目标机(PC104规格)。
执行由宿主机下载的控制算法代码,实现PMLSM的实时控制,同时通过网线和宿主机通信。
(3)AD/DO卡和光栅尺接口卡。
均采用PC104总线结构,直接插在工业PC中。AD卡用来采样PMLSM的电流,光栅尺接口卡采样PMLSM的速度和位置,DO卡输出脉宽调制波。
(4)功率驱动板。
主要包括单相整流单元和IPM逆变单元,实现功率放大。
(5)直线电机(PMLSM)。
被控对象。
构建完整的直线电机快速原型控制系统,除了要具备上述硬件,还需要在宿主机的Simulink环境下搭建控制算法模型,然后利用自动代码生成工具和xPC Target工具包自动生成控制算法的代码,并通过网线下载到PC目标机中,再通过I/O板卡连接功率驱动板和PMLSM。
2 PMLSM非线性PID控制器设计
基于跟踪微分器(tracking differentiator,TD)的PMLSM非线性PID控制系统结构如图2所示,主要由以下几部分组成[6]:
(1)输入跟踪微分器。
根据PMLSM的最大速度和最大加速度安排过渡过程,给出速度指令的过渡量和微分量。
(2)输出跟踪微分器。
滤除速度反馈测量的噪声,有效提取PMLSM速度及其微分信号。
(3)非线性PID控制器。
计算出速度指令和PMLSM实际速度的误差,并由误差的比例、积分和微分的非线性组合得出控制量。
2.1 跟踪微分器设计
工程上常采用一阶或二阶向后差分法计算信号的微分,但当信号被噪声污染时,这种方法有很明显的噪声放大效应,甚至会淹没正常的微分量[7]。采用跟踪微分器,一方面可以跟踪输入信号,同时还可以很好地计算被噪声污染的输入信号的微分量。
离散域TD如式(1)所示[5]。输入量为r(k),输出x1(k)在加速度λ的限制下以最快的速度跟踪输入r(k),x2(k)为输入r(k)的微分。
式中,h为计算步长;λ为速度因子,其值越大TD的跟踪速度越高;h0为滤波因子,其值越大,TD的抗噪性能越好;f(x1,x2,λ,h0)为离散域最速控制综合函数[8]。
式(1)～式(4)完整地定义了离散域的TD。输入TD的参数需要根据PMLSM的最大速度和最大加速度通过仿真来确定,表1是PMLSM的相关参数和仿真后确定的输入TD的相关参数。
2.2 非线性PID控制器设计
通过上述输入TD来安排过渡过程,可以给出速度给定量v*的过渡量v1及其微分v2;通过上述输出TD可以得出PMLSM速度的跟踪值z1及其微分z2,那么误差e1、误差的积分e0和误差的微分e2可以表示为
非线性PID控制器根据e0、e1和e2计算出控制量u的表达式[9]:
u=k0F(e0,0.25,δ)+k1F(e1,0.75,δ)+
k2F(e2,1.5,δ) (6)
从式(6)和式(7)可以看出,非线性PID控制器需要确定的参数有k0、k1、k2和δ,通过仿真得到最佳的参数值:k0=1.1,k1=1.35,k2=2.3,δ=0.2。
3 系统实验结果分析
在MATLAB/Simulink中搭建了如图3所示的PMLSM控制系统仿真模型,控制算法采用带有跟踪微分器的非线性PID,系统实物平台如图4所示(对应于图1)。控制系统采用宿主机/目标机的方式,目标机为PC104规格的嵌入式工业PC;AD/DO板和光栅尺接口板也采用PC104总线结构,直接插到工业PC上用以实现直线电机电流、速度和位置的采样以及脉宽调制波(pulse width modulation,PWM)生成;驱动板用来实现功率放大,以驱动直线电机。
为了利用MATLAB的自动代码生成工具RTW(real time workshop)来生成运行在嵌入式工业PC目标机控制器上的PMLSM控制算法代码和I/O板卡的驱动代码,需要对图3所示的仿真模型做进一步处理,加入d轴电流PID控制器模块、空间矢量PWM(space vector PWM, SVPWM)模块等,并添加AD/DO板和光栅尺接口板的驱动模块,这样生成的代码中才有驱动这些板卡的程序,目标机才能操作这些板卡来采集PMLSM的电流和速度,并驱动功率驱动板。处理之后可以直接生成代码的系统模型,如图5所示。
在模型文件的参数设置中,设置解算器为步长0.1ms的定步长ode3解算器,设置RTW工具的系统目标文件为xpctarget.tlc,并选中“创建代码生成报告”的选项,然后利用RTW生成图5所示系统模型的PMLSM控制算法和I/O板卡的驱动代码,并最终生成可以下载到目标机上运行的dlm文件。利用xPC Target工具可以将dlm文件通过网线下载到目标机上,并能控制程序的运行状态,并将目标机处理器的数据上传至MATLAB中作图分析。
图5中的速度指令模块对PMLSM施加频率为2Hz的±1m/s方波速度指令,经过目标机实时计算1s后,得到图6、图7所示的实验结果。
图6所示为-1～1m/s方波速度指令响应曲线,PMLSM在0.08s时间内由静止加速到1m/s,在0.12s时间内由1m/s减速到-1m/s,并且均无超调。可见,PMLSM在有限时间内快速、平稳、无超调振荡地跟随速度命令。
图7所示为非线性PID控制器计算出的控制量。从图7可以看出,非线性PID控制器能根据PMLSM速度指令实时调节对PMLSM的控制输入量,以实现PMLSM的伺服控制。
给PMLSM施加1m/s的阶跃速度命令,分别在0.2s和0.6s突加和突减50N负载,得到图8所示的实验结果。可以看出,当突加和突减负载时,非线性PID控制器能根据负载扰动自动补偿得出控制量,最终控制直线电机能在0.2s左右的时间内稳定至1m/s的给定速度,速度的波动量仅为0.05m/s左右(5%)。
4 结语
本文以嵌入式工业PC为控制器,配以数模转换板、数字量输出板和光栅尺接口板及功率驱动板,搭建了直线电机快速原型控制系统硬件平台,并在Simulink中建立了PMLSM带有跟踪微分器的非线性PID控制系统仿真模型,利用RTW和xPC Target工具箱生成了控制算法和I/O板卡的驱动代码,实现了PMLSM带有跟踪微分器的非线性PID控制系统。实验结果证明,这种基于xPC Target的直线电机快速原型控制系统能够直接、快速地实现并验证在Simulink中建立的控制算法,具有很高的灵活性,而且PMLSM中带有跟踪微分器的非线性PID控制系统具有很好的动静态特性和抗扰性。
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快速原型开发 篇8
电子节气门已经成为发动机控制系统的标准部件。与普通机械连接式节气门相比,通过精确控制节气门盘片的开度,电子节气门可以灵活地控制发动机的进气量,从而得到优化的动力性、燃油经济性和排放性能[1]。同时电控节气门的控制独立于油门踏板,这是发动机及整车实现基于扭矩导向控制的前提条件。另外,电子节气门可用于怠速控制、巡航控制、汽油混合动力控制,而不需要额外的部件。Delphi、Bosch、Visteon等主要的供应商都已生产出比较成熟的电子节气门系统,并在控制策略和与整车、摩托车的匹配上都有广泛的研究与应用[1,2]。
由于静摩擦、回位弹簧力矩、齿轮齿隙以及进气扰动等非线性因素的存在,使得电子节气门具有时变性、时滞性、不确定性等特点。电子节气门是一个变参数的非线性系统,开发使系统快速响应且无超调的控制策略尤为重要,笔者引入AD5435实时仿真系统,搭建电子节气门实物仿真控制平台,分析电子节气门系统的响应特性并提出控制算法,使用Matlab/Simulink搭建系统控制模型并采用自动代码生成技术,然后通过以太网将经gcc编译器编译后的可执行代码下载至AD5435系统进行实时仿真控制。
1 AD5435实时仿真控制系统
AD5435实时控制仿真系统是由日本A&D公司开发的一套与Matlab/Simulink完全无缝连接的控制系统开发及测试平台[3]。AD5435内含双CPU:带有Linux实时操作系统的1.5 GHz PentiumM处理器用于数据处理,高速计算;200 MHz的Renesas处理器用于运行人机交互,包括彩屏LCD,功能键盘,以及与上位机的以太网连接。AD5435内的总线控制器处理各功能板卡与处理单元之间的数据传输。同时,丰富的I/O接口诸如A/D,D/A,DI0,正时检测,PWM等可以柔性组合以满足不同的系统开发需要,集成环境Virtual Console用于软件系统调试和参数实时监控。
图1所示为汽油机电控系统开发硬件平台,包括快速控制原型AD5435,AD5435发动机控制接口ECI(AD采样处理电路,喷油、点火驱动电路,转速信号处理电路,H桥驱动电路等),Bosch DV-E5电子节气门体,以及车辆工况模拟器和多通道示波器。我们采用的AD5435功能卡包括用于模拟信号采集AD5435-01和用于PWM控制信号输出的AD5435-13。PWM驱动电路H桥由两个英飞凌智能半桥芯片BTS7960B组成,BTS7960B是应用于电机驱动的大电流半桥集成芯片,它带有一个P沟道的高边MOSFET、一个N沟道的低边MOSFET和一个驱动IC。带有PWM使能接口容许高达25 kHz的PWM,最大通态电阻为17 mΩ,驱动电流可达43 A,同时具有短路保护和电流反馈等功能[4]。
图2所示为系统软件结构,PC机端Windows环境下包括三个部分:MATLAB/Simulink/Stateflow软件,用于控制系统上层软件的建模开发;AD5435底层S函数用于完成底层I/O接口调用与输出驱动;虚拟控制台Virtual Console用于人机交互,建立软件系统GUI标定监控界面。其中Virtual Console的GUI界面包括PC机端和AD5435端两个部分,当AD5435与PC机连接时,PC机与AD5435属于主从关系,即PC机端的GUI界面控制AD5435系统,同时当AD5435与PC机断开时,AD5435上的虚拟控制GUI界面也可以独立控制系统的运转和进行系统参数的监控调试,即AD5435具有单机运行调试功能。
2 节气门控制系统结构与响应特性
2.1 结构与信号标定
图1中的DV-E5电子节气门是一个封闭的集成机构,内部由永磁直流电机、两级减速齿轮、节气门盘片、回位弹簧以及节气门位置传感器等组成。笔者采用脉宽调制(PWM)控制直流电机的输出扭矩,经两级减速增矩齿轮带动节气门盘片转动已跟随目标开度,达到控制发动机进气流量的目的。节气门盘片运行中须克服节气门转轴的静摩擦和动摩擦,回位弹簧的预紧力和弹簧刚度的影响,而回位弹簧的另一个作用是当没有电机扭矩输入时保持节气门开度在一个固定的开度(跛行回家位置),以使发动机不至于熄火停转。笔者所使用的驱动电路是可逆的PWM控制电路,即电机可以正向和反向以满足节气门控制的实际要求。电子节气门的位置传感器输出特性见图3。
2.2 响应特性与非线性分析
逐渐增加/减少PWM占空比,同时监控节气门实际开度,可以得到电子节气门开环响应特性,见图4、图5。随着PWM占空比增加,即电枢环路的电流增大,电机扭矩增大,电子节气门首先要克服回位弹簧的预紧力和系统静摩擦力矩,然后随着电机扭矩的增大,节气门盘片的转动,同时克服直流电机和节气门动摩擦力矩和弹簧力矩。图中可以看出:电子节气门有跛行回家(缺省位置)功能,大约7%开度值,即节气门在没有控制电压存在时由回位弹簧保持的开度,以使发动机不至于停转;非线性弹簧预紧力矩和线性弹簧阻力矩的存在。由于占空比增加减少过程很慢,所以图4、图5的响应特性里不包括节气门和电机的粘滞摩擦。通过静态试验和动态试验辨识,电子节气门系统模型的各参数值见表1。
3 控制策略与实验验证
为了精确控制节气门的实际开度以快速控制系统目标开度值,笔者采用工程实际中广泛应用的PID控制算法。由于微分环节对扰动特别敏感,为了消除控制过程中的高频干扰,选择了微分先行的PI-D控制方法。为了加快控制系统响应速度,同时避免频繁控制作用而引起系统振荡,在PI-D控制过程中加入了积分分离环节和死区环节[5]。在整个控制系统的Simulink模型中,信号处理子模块包括各模拟量的采样滤波和信号的故障判断处理(如图6所示为TPS1合理性诊断逻辑流程图),同时利用智能芯片7960B管脚IS的反馈电流与电机输出电流成比例的关系(比例因子为8 500)监控判断系统故障。输出子模块同时包括电机判向处理和PWM波输出底层驱动[6]。同时,模糊智能控制环节,根据目标开度和实际开度的误差及误差变化率求得比例系数和积分系数的变化量,这样可以根据实时要求修改控制参数。PI-D初始参数采用Ziegler-Nichols方法确定,PWM控制频率为500 Hz[2],控制周期为5 ms。
基于AD5435系统软件VirtualConsole的建立标定界面[7],实时控制运行状态和监控各功能参数和试验结果。同时为了实时调节各子模块参数,分析系统响应特性和辨识参数,建立了多个子目录,图7所示为电机反电动势常数和扭矩常数辨识子目录。本系统需要监控的主要参数包括电源电压、踏板开度、节气门开度、误差、PWM占空比以及控制电压等。同时,在线调整的参数包括P,I,D参数,死区阈值,积分分离阈值等。基于模糊PID反馈控制作用下电子节气门的动态响应结果见图8。
试验表明,采用本控制策略后电子节气门随动性好,响应快,基本无超调,稳态误差保持在0.5%以内。无论是上行还是下行均能快速响应和跟随目标开度值,从未为精确控制发动机进气量提供保障。
4 结论
笔者将AD5435实时仿真系统应用于电子节气门的控制研究中,通过AD5435硬件平台分析研究了电子节气门的响应特性,并辨识出节气门的动态参数。针对电子节气门的工作特性提出了闭环控制策略,试验表明稳态工况和瞬态工况下电子节气门均能快速准确地跟随目标值。同时进行的工作是应用AD5435实时仿真平台和Matlab软件构建基于扭矩导向的汽油发动机管理系统,使用电子节气门改进传统拉索式发动机的控制系统软件结构和控制算法,从而进一步提高燃油经济性、动力性和控制灵活性。
摘要：电子节气门已经成为汽油发动机的标准部件,可用于扭矩导向的发动机管理系统、怠速控制以及汽油混合动力控制。AD5435是一套与Matlab/Simulink无缝连接,具有高速计算能力的实时控制仿真系统,基于AD5435快速控制原型功能构建电子节气门控制硬软件系统,分析电子节气门响应特性,辨识系统参数,提出并验证控制算法。为了精确控制节气门开度,采用模糊PID算法,试验表明该控制算法下节气门响应快,无超调,稳态误差小。
关键词：电子节气门,模糊PID,快速控制原型,AD5435
参考文献
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