快速原型控制系统（共8篇）
快速原型控制系统 篇1
0 引言
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。
参考文献
[1]陈幼平,张代林,艾武.基于DSP的直线电机位置伺服控制策略研究[J].电机与控制学报,2006,10(1):61-65.
[2]Kung Ying Shieh,Huang Chung Chun,Chuang TzuYao.FPGA-realization of a High-performanceController for PMLSM Drive[C]//IEEE Interna-tional Conference on Industrial Technology.Cheng-du,China,2008:1-6.
[3]刘颖,周波,方斯琛.基于新型扰动观测器的永磁同步电机滑模控制[J].中国电机工程学报,2010,30(9):80-85.
[4]徐惠,肖功海,亓洪兴.基于Compact RIO的直流无刷电机控制系统[J].电子设计工程,2011,19(11):128-131.
[5]王振滨.永磁同步直线电机硬件在环实时仿真平台[J].仪器仪表学报,2010,31(4):376-380.
[6]Su Y X,Zheng C H,Duan B Y.Automatic Disturb-ances Rejection Controller for Precise Motion Con-trol of Permanent-magnet Synchronous Motors[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2005,52(3):814-823.
[7]韩京清.从PID技术到“自抗扰控制”技术[J].控制工程,2002,9(3):13-18.
[8]武利强,林浩,韩京清.跟踪微分器滤波性能研究[J].系统仿真学报,2004,16(4):651-652.
[9]韩京清.自抗扰控制技术—估计补偿不确定因素的控制技术[M].北京:国防工业出版社,2008.
快速原型控制系统 篇2
如果我们遵循以下四个原则，可以更快地设计原型：
从纸面原型开始做
使用一种原型工具即可，而不是多种
使用能直接生成规格说明的原型工具
支持协作
1. 从纸面原型开始做
加速制作原型的最好方法就是从纸面原型开始做起。敏捷开发的原则之一就是，可交付的软件是衡量一个项目进展的关键指标之一。但很遗憾的是，开发者们常会急于打开电脑就直接做起原型来了。
制作原型时最好的秘籍是，不要犯一开始就对着屏幕在电脑上制作原型这样的严重错误。
面对电脑制作原型的问题在于，它无法帮助你全面感受设计的感觉。而你更容易陷入一两个设计要点并对其进行原型设计。
在设计的早期阶段，不论你是正在设计一个新系统又或是一个新的工作流，你都不会只想要一两个要点，而是希望能有越多越好。而这就让纸面原型成为你最好的搭档。在最初的设计阶段里，你将会在纸上创建各种各样的界面，反复权衡，甚至会制作能够互动的纸面原型在你的用户中进行测试。
译者注：实际工作中，纸面原型可以更方便的修改拼接，而不会令思路受制与某一款特定软件的限制。
2. 使用一款原型设计工具，而非多种
当你开始在电脑上做原型时，能帮你提高效率的步骤之二是：只要使用一款原型软件就好。我们经常会看到一些设计团队开始时是在Keynote或是Balsamiq等工具中制作原型，之后换到Photoshop或Fireworks中制作高保真原型，最后又用Dreamweaver或Flex加入交互以便进行可用性测试。
这样做的一个问题就是，设计师必须要在他们擅长的软件中重新设计，这样不但效率低而且会拖慢整个开发进度。同时，这也会给整体软件与文件管理带来麻烦，比如说，我们用Visio中制作的用户流程图，而设计师就需要用Photoshop来设计，但这些在微软Word中又是有现成的。
让原型设计规范在一款软件平台上，能使得你更有效率，
译者注：在原型阶段保证基本的可用性的是非常重要的，一旦进入高保真原型或coding阶段，修改的代价会明显上升。
3. 使用能直接从原型生成规格说明的原型制作工具
第三个方法能让整体流程更为顺畅：确保你的原型中包含开发人员能够理解的详细规格说明。
新手常会犯的一个错误就是，交付他们设计的原型给开发人员直接进行开发。那些没有实际敏捷开发经验的人可能会误以为敏捷开发就是不需要文档，但事实上，它仅仅是要求减少文档的数量。敏捷开发可能是不需要大量的需求文档、规格说明书，但它仍需要一些必要的信息(诸如色码、下拉框的内容等)来说明原型以使得我们能够定义一个敏捷冲刺的目标。
你可以复制粘贴Photoshop中的图片到Powerpoint、Word或Visio中进行标注。但这样不仅很费力，而且在每次变更原型设计时都需要再去更新规格说明书。事实上，这简直是一场噩梦——就我所知，一些大企业不愿意对原型进行修改的原因就是在于更新规格说明书将耗费大量时间。很明显，选择一款能够直接从原型生成规格说明的原型制作工具能够提升效率。
译者注：在原型工具中直接对控件或交互流程进行明确的标注，可以帮助开发人员更好地理解产品原型，提升开发效率与质量。
4. 支持协作
通过使用支持协作的原型工具，你使得整个流程更为高效。
理想的原型工具：
支持多用户同时设计原型。你的工具能够支持文件管理、版本控制、权限控制以及数据完整(确保当两个或更多人在同一时间不会同时更新一个对象)。
允许更轻松地分发原型以获取反馈。一些组织仍然在通过将许多零散的文件打成zip包后发送电子邮件的方式进行分发。这意味着反馈将会是不协调的邮件回复形式。
Macefield博士的推荐
原文作者Ritch Macefield是Axure和iRise的粉丝，而它们可以避免上文中提及的这些问题。这些工具正是特别为了改善现代软件开发环境下的原型设计需求而开发的。如果你遇见了任务重时间紧的情况，不妨尝试一下本文中的方法。
译者注：关于Lean UX，推荐延伸阅读以下文章：
精益用户体验(UX)：摆脱只注重结果的工作(留意互动机构的区别之处)
快速原型控制系统 篇3
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
[1]Daniel McKay,Gary Nichols and Bart Schreurs Delphi Elec-tronic Throttle Control Systems for Model Year2000;Driver Features,System Security,and OEM Benefits.ETC for the Mass Market.SAE Paper2000-01-0556.
[2]Chang Yang Model-Based Analysis and Tuning of Electronic Throttle Controllers.SAE Paper2004-01-0524.
[3]Shugang Jiang,Dharshan Medonza,Satoshi Furukawa.Design and Implementation of an Integrated Development Environ-ment Consisting of Engine Rapid Control Prototyping and Real Time Vehicle Simulation.SAE Paper2007-01-0515.
[4]Infineon.BTS7960High Current PN Half Bridge NovalithIC.Data Sheet,Rev.1.1,December2004.
[5]刘金琨.先进PID控制-MATLAB仿真[M].北京:电子工业出版社,2007.
[6]S-Function for AD5435System Operation Manual(Rev.01.00.05)A&D Technology Inc.
快速原型控制系统 篇4
现在的片上系统的复杂程度远远超出了现代设计工具和核查方法所能检测的效果, 导致片上系统的设计周期和设计成本也大幅度的上升。
而快速原型系统的使用就够让这项工作变得轻松。快速原型环境大都建立在一个标准的微处理器上, 且拥有众多的接口。在添加了硬件后能够成为现场可编程装置。由于处理器核心和接口并不会自动的提高, 虽然它能够满足很多的应用, 但还是不得不将处理器核心从设计空间中去除。
本文介绍了一种设计空间中包含可设置微处理器核心的新方法。在第一部分, 将介绍快速原型的环境和应用的接口。在第二部分, 介绍如何将一个以太网控制器整合到原型环境中。最后一部分, 将根据实际使用情况得出一些结论。
一、快速原型环境
1. 快速原型环境包含了三个主要部分。
一个FPGA板、一个支持软件的微处理器核心和一个为核心提供符合Amba规范的系统总线接口。和其他的原型环境的主要区别在于它并入的是一个可编程的微处理器核心。核心使用硬件描述语言VHDL编写, 可以被当成黑盒子或者作为设计空间的一个部分, 因而只需改变设计布局、用法设置或根据当前系统要求的接口就能组建一个新的快速A型环境。
2. FPGA的连接。
本系统包含了两个Xilinx XC4085可编程FPGA板、256K的SRAM、128K的EPROM、一个LCD显示器、一个小键盘和一个用于扩充插卡的外板连接器。整个FPGA板有6层, 面积为130×350mm2。这两个FPGA通过一个196线相连, 196线的信号80%能够被逻辑分析器检测到。微处理器核心和Amba接口连接到一个FPGA上。
另一个FPGA来完成来自以太网控制器的申请。该FPGA直接与96个插脚相连。这个连接器可以用来作为扩充板, 这样可以在FPGA板上为系统提供额外的硬件。
3. M-Core处理器的特点。
没有经过修改的微处理器核心能够完全兼容Motorola的M-Core处理器, 并且能够在很多C/C++环境下编辑。M-Core内核是一个32位总线的RISC机, 它包含了一个存取/读取布局。每一个工作码都为一个固定长度为16比特的数据, 除了存储和读取外的其他指令都只能在登入状态下执行。40%的工作码空间是空闲的, 且能够支持硬件加速器接口。M-Core内核的简单总线接口有一些缺点导致不能应用于高级的应用程序。其主要的缺点在于简单总线接口不支持多总线主机, 例如由多路DMA组件构成的高级网络交换器等。
4. 接口总线的选择。
在一个标准的快速原型环境中, 高效地单微处理器或单总线交换器的共同协作成为可能。在这个环境中, 也合并了一个VHDL编写的微处理器内核和总线接口。新的总线接口能够不通过胶合逻辑可直接连接到微处理器内核上。在我们的应用中, 我们选择了高性能的Amba总线。Amba总线支持像处理器内核还有DMA单元这类的任意数量的主机。
二、以太网控制器的整合
随着以太网应用的不断普及, 从太网作为计算机系统的通讯方式也变得越来越重要。因此, 在这里介绍嵌入式系统中以太网MAC层的设计以及它在快速原型环境中的整合。
1. 以太网控制器的构成。
以太网近控制器主要包括有:总线接口、接收组件, 传输组件以及他们在快速原型环境中的整合。
以太网控制器的传输接收单元需要在总线接口和物理层间传输数据包, 以调整以太网的协议栈。为了控制通讯, 在总线接口和接收和传输单元之间分别使用了一个SRAM内存。
2. SRAM内存。
SRAM内存是一种FIFO内存, 具有和FIFO相似的工作原理可使用它的在内存一个单元中压入数据包, 在另一个单元中将数据包读出。总线接口通过AmbaAHB总线和以太网控制器传输接收单元一起连接到微处理器内核上。在实际工作中, 仅仅用一个以太网控制器就可以实现。
3. 以太网控制器的测试。
以太网控制器的微处理器内核能够完全响应FIFO内存的传输任务。传输任务能够被中断或在处理器调用内存状态事件时被触发。控制器被连接到寄存器组的内存上编程。并且合并了一个MII管理寄存器组的接口。原型板本身并不包含必须的以太网物理层和控制器的缓存。在测试以太网的实际环境中, 我们拓展一个包含以太网物理层的扩充板。这个扩展板通过外板连接器连接到原型板上。整个系统以100MB/s的传输速度在工作站和个人电脑的综合环境下测试。其中Ping、ARP、RARP操作都能够成功完成。以太网控制器和物理层都能够支持100MB/s的速率传输。
三、结束语
VHDL语言编写的内核让设计者能够根据自己当前项目的需要设置内核。在我们的实例中, 可将标准的总线接口换成一个允许多主机的AmbaAHB总线来连接M-Core处理器和以太网控制器, 再加上扩展板, 原型环境就可以模仿出一个片上系统。
快速原型控制系统 篇5
NI Compact RIO是快速原型的理想平台, 它是一种小巧而坚固的工业化控制和采集系统, 采用可重配置的I/O (Reconfigurable I/O:RIO) 和FPGA技术实现超高性能和可自定义功能。NI CompactRIO包含实时控制器和可编程的FPGA芯片, 特别适合对可靠性有严格要求的独立嵌入式或分布式应用;还包含可热插拔的工业级I/O模块, 这些模块内置信号调理可直接和传感器/制动器连接。因为CompactRIO具有低成本开放性架构, 用户可以轻松访问到底层的硬件设备。而且, CompactRIO嵌入式系统可以使用高效的LabVIEW图形化编程工具进行快速开发。
按照《电动汽车充电站通用要求》的定义, 充电站是由三台及以上电动汽车非车载充电机和 (或) 交流充电桩组成 (至少有一台非车载充电机) , 可以为电动汽车进行充电, 并能够在充电过程中对充电机、动力蓄电池进行状态监控的场所。其系统包括:供电系统、充电系统、监控系统 (包括:供电监控系统, 充电监控系统和安全监控系统) , 如图1所示。充电设备研发主要分为两部分:充电系统、监控系统。
硬件在环
硬件在环 (HIL:hardware-in-theloop) , 又称半实物仿真, 是指用硬件I/O模拟真实的受控设备行为来验证控制器的性能。监控系统作为的充电站中枢神经必须具备实时、可靠、稳定和安全的特性, 在将控制器应用到实际系统前, 最好进行硬件在环仿真实验, 该环节的引入能确保在开发周期早期就完成嵌入式软件的测试, 以便及早地发现问题, 从而降低解决问题的成本。
监控系统实现对充电机运行和动力蓄电池充电过程的监视、保护、控制、管理和事故情况下的紧急处理, 以及数据的存储、显示和统计。监控系统和充电系统构成一个闭环系统如图2所示。
充电设备研发举例
充电站的核心是充电机, 监控系统是网络中枢, 电动汽车的电池系统是服务对象, 将快速原型和硬件在环技术一起应用到充电设备的研发系统中, 必将极大地提高研发效率, 降低研发成本。聚星仪器以LabVIEW为软件平台, 以NI的可重配置I/O为硬件平台构建了如图3所示的充电设备研发架构。
图3中各部分功能如下:
(1) 监控主站和供电监控系统
监控主站实现的功能包括:作为整个充电监控系统的监控、管理中心, 完成所有充电机信息的采集和显示, 充电机的控制和管理, 以及整个充电监控系统数据的存储、管理和统计;
供电监控系统实现的功能包括:实时采集和记录供电系统运行信息, 对供电状况、电能质量、开关状态、设备安全等进行监视和控制, 保证对充电站的安全供电。
监控主站和供电监控系统采用一台工控机来实现, 重点在软件功能。
(2) 充电机
一台cRIO设备作为充电机系统的半实物模型, 模拟充电机的各种功能, 包括控制电压输出、电流输出, 与电池系统的通信, 并接受监控主站的监测与控制。
NI C系列平台包含50多个NI模块、50多个第三方模块, 具有多种类型, 包括模拟输入、模拟输出、数字输入、计数器/定时器、数字输出和脉冲生成、CAN通信、串口通信 (包括RS232和RS485) 。
(3) 电池系统
调试过程中需要一台标准的电动汽车的电池系统, 这一部分按照《电动汽车电池管理系统与非车载充电机之间的通信协议》的要求与充电机交互通信。这一部分由一台cRIO设备作为标准的电源系统的半实物模型。
按照以上模块划分, 分别调试成功之后, 进入原型发布阶段。监控系统软件采用LabVIEW开发, LabVIEW开发系统有Windows版、MAC OS版和Linus版等多种版本, 从而支持在多种操作系统的发布。
充电机、电池系统的通信功能和控制算法验证完毕之后, 可以将原型平台直接作为发布平台, 以节省发布时间, 更快投放市场;也可以发布到其他平台, 例如性价比更高的SingleBoard RIO平台, 并且无需修改代码。
总结
作为智能电网的一部分, 电动汽车的充电是一个难题, 因为给汽车充电需要很大的电流量和大功率的电源, 产生的谐波对电网的安全和电能质量都是很大的考验。还有电子监控、充电机监控、计费计量等等智能型功能都需要来解决。电动汽车尤其是纯电动汽车要想成为主流, 首要条件就是要有便捷的充电网点。充电站将会在不久的将来代替加油站、加气站所扮演的角色, 在人们的生活中无处不在。上海聚星仪器基于NI LabVIEW软件平台和cRIO硬件平台为充电设备以及充电设施建设研发提供解决方案, 助力中国电动汽车行业发展。
摘要：NICompactRIO加上基于NILabVIEW软件平台的快速软件开发为各种快速原型和硬件在环仿真提供了有力工具。电动汽车的发展日新月异, 其中充电系统的研发迫切地需要这种快速高效的研发模式——快速原型和硬件在环。
关键词：电动汽车,智能电网,NI CompactRIO,嵌入式平台
参考文献
[1]低碳技术市场化之路:电动汽车, 2011第二届中国绿色燃料与汽车峰会
[2]电动汽车传导式充电接,
[3]电动汽车充电站通用要求,
[4]电动汽车电池管理系统与非车载充电机之间的通讯协议,
[5]轻型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法,
汽车门把手的快速原型制作 篇6
快速成形技术是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术总称。原称为快速原型 (Rapid Prototyping) 技术, 国际上简称为“RP”技术。
快速成形技术是计算机辅助设计及制造技术、逆向工程技术、激光加工技术、分层制造技术 (SFF) 、增材制造技术 (MAP) 等多种现代先进制造技术的集成。快速成形技术是一种利用三维CAD的数据, 通过快速成形机直接驱动, 将材料逐层堆积获得三维实体原型的现代制造技术。快速成形技术系统的基本流程如图1所示。
2、快速原型制作的实验条件
用于本制作的设备为MEM-350快速成形设备一套, 如图2所示。
MEM-350快速成形机属于熔融沉积制造 (FDM) , 此方法不采用激光器, 而是利用特殊的喷头挤压熔融的丝材实现成形。喷头在计算机的控制下, 按照三维CAD模型的分层数据沿x-y方向移动。丝状材料在喷头中被加热熔化, 从喷头中挤压出来并很快凝固成一薄层, 每层厚度为0.1025~0.762 mm, 层层叠加并牢固地连结在一起, 最后形成实体零件。本设备选用的成形材料是ABS丝, 成形室最大成形空间为350mm×350mm×450mm。成形精度达到0.2mm, 成形产品具有一定的强度, 适合成形中、小塑件。
3、快速原型件的制作及处理工艺
3.1 快速原型件的制作
3.1.1 快速原型件制作工艺过程如下
(1) 打开成形机及电脑电源; (2) 启动图形处理软件AURORA, 导入STL文件, 在AURORA软件选择成形方向及分层处理, 转; (3) 化为CLI文件; (4) 启动Cark软件, 调入需成形的CLI文件; (5) 系统初始化, 启动温控系统, 工作台清理、调平、对高; (6) 检查系统温度, 检查喷头喷丝状况及喷丝质量; (7) 成形件加工; (8) 成形件保温; (9) 成形件后期处理。
3.1.2 快速原型件的成形方案研究
依照成形速度快、用丝少和成形过程稳定等原则, 首先要调整好模型的加工方向, 如图3所示。其中 (a) 图显示的加工方向, 用时长, 支撑较多, 且加工过程中容易导致制件倾斜或倒塌。而 (b) 图中显示的加工方向比较合理, 故选用此成形方案。模型成形方向确定后, 设置支撑角度值为45, 交叉率的值为0.2, 点击分层, 并获得模型的CLI文件。然后打开cark软件, 调入模型的CLI文件, 初始化系统, 点击造型进行加工时间预估, 待喷头温度与成形室温度达到要求后, 调平工作台并对高, 便开始造型。
3.2 快速原型件的后处理工艺
快速原型件的后处理工艺对于快速样件的质量影响较大。快速原型件的质量优劣直接决定着快速模具、快速样件的表面质量和尺寸精度。快速原型件从快速成形设备中取出之后, 首先要切除基本支撑, 然后用锉刀或砂纸等工具进行打磨。为了使原型件表面情况或机械性能等方面满足最终需求, 保证其尺寸稳定性、精度等方面的要求, 还应该使用浸泡过水的细砂纸对原型件再次进行打磨, 直至快速原型件的表面精度达到要求。除对原型件打磨之外, 后处理工艺中还包括原型件的修补、清洗、抛光和表面强化处理等。经处理后的汽车门把手原型件如图4所示。
4、结语
快速原型控制系统 篇7
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
快速原型控制系统 篇8
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
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