1、伺服电动机、功率步进电动机）和机械传动机构，实现机电一体化装置或系统的运动。它在很大程度上决定了机电一体化系统的加工性能。（6） 接口技术接口技术是研究机电一体化控制系统与外部设备之间如何交换信息的技术。在机电一体化系统中，计算机与外部设备（执行机构、传感器等等）之间的连接和信息交换环节称为接口，接口功能的实现除硬件电路外，还应包括相应的接口软件（驱动程序），通常通过接口硬件和接口软件的结合来实现接口任务。接口技术将机电一体化产品的各个部分有机地连接成一体。（7） 监控与诊断技术监控与诊断技术对于保证机电一体化设备的可靠运行，充分发挥其效能具有重大的意义。监测应包括测量加工过程的物理状态、工艺
2、状态以及工艺效果等方面的内容，诊断则可通过故障机理研究，根据设备故障模型，把设备诊断分为状态型诊断、性能型诊断和功能型诊断。通过诊断，可预测系统的功能以及可靠性， 识别故障的原因、部位以及程度，决定维修方案以及方法。（8） 柔性制造系统（FMS）柔性制造系统是将计算机中央管理系统和输送系统连接起来的一组加工设 备，它不仅能进行自动化生产，而且还能在一定的范围内完成不同工种的加工任务。它解决了长期以来难以解决的机械加工高度自动化与高度柔性之间的矛盾， 是机电一体化的高技术典型产品。1.2.4 机电一体化技术的发展趋势机电一体化的目的是使产品具有多功能、高效率、高智能、高可靠性，并使产品向轻、薄、
3、细、小、巧的方向发展。所以机电一体化技术的主要发展有以下几个方向7：（1） 智能化又称为“全息系统化”，智能化是未来机电一体化技术的一个重要发展方向。其“智能化”就是在现代控制理论的基础上，将多学科的思想和方法例如人工智能、模糊数学以及混沌力学等融入到机电一体化产品中去，使其就有推理、思维以及自主决策的能力，达到更高控制目标的要求。（2） 集成模块化由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准接口的机电一体化集成模块单元是一项十分复杂但又非常重要的工作。集成模块化不仅有利于设计人员在原有基础上对产品进行功能扩展，加快产品的更新换代，而且也有利于用户简单方便的使用。（3） 光机电一体
4、化光机电一体化技术是微电子技术、计算机技术、控制技术、光学技术与机械技术的相互交叉与融合，是诸多高新技术产业和高新技术装备的基础。因此,引进光学技术,利用光学技术的先天优点能有效地改进机电一体化系统的传感系统、能源(动力)系统和信息处理系统。只要合理采用这种技术，便能够产生很高的功能水平和附加价值，所以光机电一体化是机电产品发展的重要趋势。（4） 信息网络化进入 21 世纪，计算机技术的突出成就就是网络技术。由于网络技术的普及， 基于网络的各种远程控制和监视技术也得到了很大的发展，而远程控制的终端设备就是机电一体化产品。因此，机电一体化产品无疑将朝着网络化方向发展。（5） 系统化采用开放式和模
5、式化的总线结构是系统化表现之一。随着各领域技术的发展， 系统向着灵活组态，任意剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理的方向发展。通信功能加强也是系统化表现之一。综上所述，机电一体化技术不是个独立的学科技术，它是以众多领域技术共同发展为基础的产物。所以机电一体化技术与其它领域的学科技术是相互依赖、相互促进、共同发展的关系。当然，随着众多先进技术的支持，机电一体化技术的发展前景也将越来越光明。因此，基于虚拟原型的机电一体化设计技术无疑是一种先进而有效地技术。1.3 论文研究的主要内容及论文章节安排本文着重以直线一级倒立摆为例从数学模型建立、虚拟原型的建立以及基于LabVIEW 控制系统
6、的设计与仿真到通过 LabVIEW 和 SolidWorks 对数学模型以及机械模型的分析都做了详细的讨论，最后通过改进的基于 Solidworks-LabVIEW 联合仿真设计的方法对直线一级倒立摆的虚拟原型从机械、电气、控制等方面进行综合仿真验证，完成整个机电一体化虚拟原型的设计与仿真。论文共分为六章，主要内容如下：第一章：首先，介绍了本课题研究的背景及其意义；其次，对机电一体化技术从国内外的发展情况及其意义和发展趋势做了进一步的研究；最后，在此基础上将虚拟原型技术引入到机电一体化中，提出了一种新的机电产品设计方法基于虚拟原型的机电一体化产品设计方法。第二章：研究了虚拟原型技术的基本原理、
7、系统结构、相关技术、优势以及发展和应用，在此基础上从机电一体化技术和虚拟原型技术之间分析了两者结合的重要意义。第三章：首先，对基于虚拟原型机电一体化产品的概念设计从原理到设计过程再到评价进行了深入研究；其次，指出了概念设计在产品设计中重要性。最后， 在对软件工具介绍的基础上搭建了虚拟原型机电一体化的虚拟环境。第四章：首先，以直线一级倒立摆为例研究了虚拟原型数字模型的建立以及通过LabVIEW 软件对数字模型进行分析；其次，利用 SolidWorks 软件进行机械建模、电气建模以及控制建模的建立；最后，研究了基于 LabVIEW 的控制算法的设计与仿真，为后续的协同仿真奠定了基础。第五章：研究了
8、基于机电一体化虚拟原型的机械特性的仿真设计以及简单说明了基于 Solidworks-LabVIEW 联合控制仿真过程。着重叙述了在常规设计方法基础上改进的新设计方法的整个过程，使 Solidworks-LabVIEW 联合控制仿真的实时性、可视性得到进一步提高。第六章：总结与展望。总结了论文研究的内容，结合论文的研究和对本文研究现状的分析，对进一步的研究工作提出了一些想法和展望。第二章 虚拟原型技术与机电一体化9第二章 虚拟原型技术与机电一体化2.1 虚拟原型技术随着全球经济的增速发展，制造行业之间的竞争日趋激烈，竞争的核心已经转移到以创新技术和高附加值为基础的新产品的竞争。作为制造行业的企业
9、，一方面为了企业的可持续性发展，提高产品在制造行业的竞争力，就必须解决其产品的“T（时间）”、“Q（产品质量）”、“C（成本）”、“S（售后服务）”、“E（环境）” 等难题。另一方面，随着计算机技术以及相关高新技术的快速发展，全球性的市场竞争日益激烈，产品消费结构不断向多元化方向发展，面对无法预测的市场需求以及用户对产品的个性化需求，企业就必须尽快改变品种，更新设计， 缩短新产品的研发的周期，提高产品的设计质量，降低产品的研发成本，进行创新设计，这样才能够应对快速多变的市场需求以及用户的需求，进而使企业在激烈的竞争中立于不败之地。虚拟原型技术(Virtual Prototyping Techn
10、ology)就是在这种迫切需要的驱动下产生。虚拟原型技术是在 CAX（CAD/CAM/CAE/CAPP 等）技术和 DFX 技术及物理样机设计基础上发展起来的，它进一步融合先进制造技术、信息技术和仿真技术， 将这些先进的技术应用于复杂产品设计的全过程，并且对它们进行综合管理，最终形成一个从产品的设计、仿真以及分析的复杂系统的开发模式8。运用虚拟原型技术可以很好的解决传统产品开发模式的瓶颈问题。虚拟原型技术的巨大价值在于产品设计初期能以低成本开发产品并展示各种设计方案，对产品进行全方面的测试和评估，允许出现并校正设计错误，而不会出现制造实物样机所带来的资金消耗与时间浪费。2.1.1 虚拟原型技术
11、的基本原理虚拟原型技术是一种以CAX/DFX技术为基础的并行设计思想，与传统的串行设计思想相比，最大的优点在于它将多领域技术设计的不同功能的子系统有机的结合起来，通过一定的关系形成一个动态系统。从构成上看，虚拟原型是由不同工具开发的子模型组成的模型联合体，主要包括：产品的CAD模型、外观模型、功能和性能仿真模型以及电气和控制模型等。借助于这种技术，工程师们可以通过计算机软件建立机械模型，利用各学科等领域的理论在虚拟工况环境下分析产品关键性能指标,进一步进行可视化处理，并根据仿真的数据结果对系统进行完善和优化。通过虚拟原型技术，设计人员可以在实物样机制造出来之前，通过计算机软件在很大程度对产品的
12、总体性能进行了解，从而缩短研制时间，降低系统研制成本，提高了产品的竞争力9。第二章 虚拟原型技术与机电一体化15概念设计从上述分析可知，利用虚拟原型技术进行产品设计的基本原理是：首先，通过对产品的需求分析得出产品设计的技术特征和性能指标，并且对其进行量化；对设计指标的分析，根据不同的指标在所涉及到的技术领域进行独立的设计，并且进行各自的仿真与可视化处理，完成产品的概念设计。然后通过 CAX/DFX 技术构建虚拟原型设计和仿真所需虚拟真实环境，再通过三维软件构建出产品的 3D 模型，这样就完成了对产品在机械结构和功能行为等方面进行模型化，建立起产品参数特性模型，完成了虚拟原型的构建。最后，在综合
13、虚拟的设计环境下对产品进行分析仿真，将数字化的模型通过接口与现实环境交互，验证和优化产品设计的虚拟原型，完成虚拟原型设计向物理原型的过渡，并进行测试验证和样机试制10，如下图 2.1 所示：需求分析测试验证设计虚拟原型设计图2.1 虚拟原型设计原理2.1.2 虚拟原型技术的系统结构目前，被广泛用来展示产品的主要形式就是三维的实体模型，而且通常是参数化的模型。这种模型可以准确地描述产品的各项关键性能指标和几何信息，同时也可以通过嵌入式的形式加入其它有关的信息，例，这样的话才能确保程序可以满足控制要求。 6、制作技术文件。这个工作指的是，控制系统的安装，动作说明书的制作，装置清单和系统的文档的整理
14、，保存程序等几个步骤。第三章 三菱PLC网络化控制3.1MELSECNET/H网络三菱网络控制遵循着国际互联网工厂内部的管理控制规定，总线控制网三层网络模式组态，最上方的是信息网，属于中间一层的为控制层网络，最下方的是设备层网络，就像下图所展示的那样：从其他意义上讲，状态网络可以被细分成控制网络MELSECNET/H和生产线现场总线CC-Link，某种程度上可以实现连接的功能。三菱专用MELSENCNET/H用于工厂内控管理网络。利用高速通信和大容量链路软构件，实现控制设备与机械设备运行参数相关数据的实时传输。MELSECNET/H网络具有以下独特优势: (l)实现了高速通一讯系统(a) ME
15、LSECNET/H能够实现以25Mbps和IOMbPs的速度进行高速的通信。(b)它有专门为链接为目的设计的处理器，能够实现更快地扫描链接。(c)还可以多路复用，这样便可以使得光纤环路系统传输数据实现的更快。 (2)大规模和灵活的系统配置 (a)链路软件容量很大，其中有16384点为链路继电器。(b)现在的技术可以实现每个站的链接数最多设为2000字节，这提高了灵活性。(c)现在如果向其他站发送和接收数据的命令，那么最多可发送和接收960个字的数据。这个系统最多能够扩展到239个网络那么多。(d)通过使用交互链路数据传输功能，无需创建序列控制程序就可以将数据传输到另一个网络。(e)通过装载多个
16、网络模块，可以实现路由这个功能，其中PLC能够充当中继站，可以和8个网络系统上的目标站进行N:N(瞬时传输)通信。(3)提供各式各样的通讯服务(a)能够根据指定的接收站的通道号达成进行瞬时传送的效果。(b)根据低速循环传送这个功能，可以循环发送那些不用以成批模式高速传送的数据。(c)上位站的CPU模块的中断顺控程序能够通过事件发布功能起动。此功能缩小了系统的响应时间并且可以处理实时数据的接收。(4)扩展了RAS功能(a)根据使用控制站开关的这个功能，假如网络的控制站出现宕机这种故障的话，那么久用正常站取代控制站，确保能继续进行网络通信。(b)假如故障站恢复正常，并且能够重新正常启动运行的时候，
17、就会使用自动返回功能，此功能能够实现自动返回网络重新起动数据通讯。(c)由于通过了自动返回控制，那么宕机的控制站便能够返回到网络，之后就可以作为正常站，经过这样的过程，时间就缩短了。(d)如果我们使用了环路回送的功能的话，我们就可以通过将故障区断开这种方法继续实现站间的数据传送。(e)根据站分离功能，假如出现了因为断电等缘故造成的某此连接站宕机的故障，我们也能够在其余的站中继续保持正常通讯。（f)当正常网络由于断开等原因出现错误时，如果每个PLC CPU(双结构网络)安装两个网络模块，两个模块分别是正常模块和备用模块，数据刷新可以通过切换到备用网络外的链路继续数据链路。(g)假如在系统运行时，
18、CPU模块发生错误导致了停止，网络模块也可以继续进行瞬时传输的功能。(h)能够发现瞬时误差的时间大小。(5)增强网络功能，使网络功能更加兼容。 (6)提高了与Q系列GX Developer组合的网络配置的容易程度。3.2. cc一L1nk现场总线现场总线CC一link，是一种可以节省线、并且实现力量信息化网络，这不仅能够提供临时性的高度、分散控制、智能设备通信功能，而且还与现场许多设备厂商密切合作，提供开放的环境。与普通总线相比，具有以下独特特征。(l)系统配置:一个主要站可以实现相连远程的I/0站以及远程设备站、本地站、后站台站、包括智能机器局在内共有64个车站。(2)通信速度达到很迅速、距
19、离传送远：CC一Link可以达成了这个行业中最迅速的通信速度(10Mbit/S)，这样的速度就可以确保需要高速响应的传感器输人和智能化设备间的大容量之间进行数据的通信。(3)CC一Link站的类型像下边的表1一1所展示的那样:(4)链接因素:各CC link链接系统共得到4096点的比特,总计有512点的沃德数据组合进行循环通信，通过这些链接的因素，里边的远程i /o模拟模块、接口转换器等的FA设备产品和高速通信成为可能。(5)循环通信方式:在CC Link链接系统中,主站和本站的循环数据区域，会在各自的远程i /o远程设备局、智能设备、空间站相对应,远程输入输出以及远程、寄存器的数据将会被自
20、动更新。(6)高速链路扫描:能够通过仅在主系统和远程I/O站中设置远程I/O网络模式来缩短链路扫描时间。(7)瞬时传送通信:把自动更新的环形通信剔除在外，CC- link瞬时传输系统可以由主站、本地站、智能装置站发起，并且能够进行以下处理:l)其中一个PLC站能够读写出另一PLC站的软元件相关的数据；2)主站PLC对智能设备站读写数据；3)可以通过GXDeve1Oper软件读写数据或监控其他PLC站的程序;4)上位机等设备可对PLC站内的软件数据进行读写。(8)备份主功能:当主程序异常时，备份主程序将接管主程序，使网络数据链路能够继续。(9)中继:CC-L1nk系统配有多种不同的中继器，这样不
21、降低通信速度、不增加通信距离，就能达到13.2km。(10) CC-Link可以自行启动:在只包含有主站和远程I/0站的系统中，假如不设置系统参数的话，那么当电源开启时，就可以实现自动启动数据链路。(11)远程设备站初始设置功能:通过GX Developer软件，我们没有必要编写远程设备站的顺序控制程序、初始化参数设置等初始化，即可完成握手信号的控制。(12)中断程序启动(事件中断):当从网络接收到数据并设置好条件后，可以启动CPU模块的中断程序。因此，该系统能够满足高速处理的要求。中断程序的启动条件可以设置为16。CC-Link现场总线因为它的兼容性强、开放性强、低噪声、高速通信、完备的备份
22、主站功能、完备的RAS功能、强大的网络配置功能、高可靠性、自动响应功能、预约站功能和远程设备站的初始化设置功能等一系列优点使得在公司那边大受好评。到现在，它已经获得了国内许多重要项目的信赖。并且在工程和很多重要设备中都有很多应用。3.3三菱PLC 的优点国际知名的PLC品牌主要包括有三菱、西门子、欧姆龙等几个品牌，三菱PLC除了具有通用PLC的优势之外，除了具有通用PLC的多种功能外,与其他品牌相比,主要还有以下优点:(1)性价比高如果和西门子PLC作比较的话，三菱QPLC的价格更低，特别是在中小型控制系统的应用方面，三菱PLC更具有压倒性的优势，因此它占据了中国中南部大部分份额。(2)性能好
23、，功能强大三菱PLC因为速度迅速、响应快捷、性能稳定、扫描时间短等优点被人所知。向我们知道的那样，三菱Q02HCPU的处理速度，输入是34纳秒的话，输出是102纳秒，扫描时间我们设为0.5 ms，三菱PLC能够配置两个cpu。其中一个是基础CPU，另外一个是运动控制或过程控制CPU，这个用来从事数据处理和仿真处理的工作。因为这样，在数据处理方便它具有得天独厚的优势。除此之外，三菱PLC的内存和数据寄存器也可以扩展到支持多达8级的扩展。电源供应，CPU可以取冗余系统，能够在线模块替换。在软件那边，编程界面十分人性化。其中提供了粘贴函数块和设置参数的功能。这样使得编辑控制程序很容易。系统配置调试方
24、便。支持在线项目更改。三菱CC - Link现场总线通信开发和发布较晚，其软硬件基础相对完善，在行业中处于领先地位。因此，三菱CC - Link在技术上具有独特的优势，在亚洲是唯一一个能够与欧美进行争夺的现场总线。(3)容易学习容易使用三菱PLC编程符合亚洲地区的思维方式。举脉冲指令为例，三菱只需要在接触点添加一个箭头，西门子需要添加一个P和N，这更符合用户的习惯。该程序易于理解和维护。三菱PLC以其众多的优势赢得了世界各地用户的一致好评，特别是在亚洲市场占有较高的份额。第四章 基于三菱 PLC 的伺服平台控制系统设计4.1伺服电机控制系统的组成及其控制要求本文的伺服电机控制系统由PLC、伺服
25、驱动器、伺服电机、触摸屏和一套单轴运动执行机构这些组件组成。系统组成如下图所示:控制要求:设计触摸屏控制界面，使得具有手动控制和自动控制界面两个选项。在手动控制功能中，向前或向后按下按钮，伺服电机可以向前或向后工作。在自动控制中，按下自动按钮，伺服控制系统首先返回原点，执行多点控制，每点停止1秒，循环往复。按下停止按钮，伺服电机停止。4.2伺服电机 PLC 控制系统硬件设计4.2.1 控制系统主要设备选型4.2.1.1 PLC 的选用鉴于直接控制伺服PLC,供出口,PLC类型32MT三菱薄膜晶体管。本文采取了FX3U PLC系统，它具有搜索功能，还具有原点搜索的功能，内置有独立3轴最高 100KHz 的定位功能，通过这个可以实现同时控制 3 个轴的运动，所以就可以完全满足伺服控制系统对于定位控制的要求。4.2.1.2 三菱伺服驱动器及其电机的选用我们选择了三菱mr-j3-10a伺服驱动器和配套的hf-kp13伺服电机。mrj3系列伺服执行机构是在mrj2系列伺服执行机构的基础上发展并扩大的。这样做的优势是动态响应过程更快捷，位置也会更好。可以和FX系列PLC、脉冲发生器、
