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概覽 功能原型設計系列 是一本有關原型設計過程的文章集。從中您可以閱讀相關的重要概念、原型設計的優(yōu)勢、產(chǎn)品選擇研討和其他技術資料。 什么是虛擬原型設計？ 虛擬原型設計是一種將機械建模和控制設計仿真相結合的創(chuàng)新方法，以提高對嵌入式控制系統(tǒng)和設備進行設計和原型設計的效率。利用虛擬原型設計技術，你甚至可以在建立你的第一個物理原型設計之前，將你的軟件設計和控制算法連接到你的3D CAD機械模型上，以測試你所建立系統(tǒng)的機械特性。 
圖1. 虛擬原型設計的方法 虛擬原型設計的需求 虛擬原型設計通過提高用戶對需求的理解，加快設計進程及簡化調試，以降低與機械設計相關的風險。如果沒有虛擬原型設計，在你能得到客戶對產(chǎn)品運行的實際反饋之前，傳統(tǒng)上需要工程師建立整個物理原型。通過使用虛擬原型技術，在實際建立機器之前，你可以向客戶顯示有關機器機械性能的數(shù)字顯示，并更迅速、更容易地獲得客戶的反饋意見。這就確保了客戶可以更多地參與到設計過程中，避免你直到原型設計中才能獲得客戶的反饋意見。這就太遲了。 此外，通過創(chuàng)建虛擬原型，你可以縮短產(chǎn)品上市的時間。這種原型有助于你在虛擬設計上構思并反復修改，因此當你開始建立一個物理原型時，你會在第一時間得到其原型設計。通過將控制軟件連接到3D CAD模型上，你可以更容易地發(fā)現(xiàn)和解決問題，而這些問題通常在你建立物理原型之前，一般不會被發(fā)現(xiàn)的。你可以編寫運動控制代碼，如有關2D和3D運動輪廓的代碼，查看基于3D模型的代碼運行結果。因此，如果部件太大以致會引起碰撞或如果你想觀察輪廓移動和線性移動間的區(qū)別，你可以利用虛擬原型設計來解決該問題并觀察其區(qū)別。與傳統(tǒng)設計方法相比，虛擬原型設計有助于你在設計過程早期作出關鍵設計決策。
圖 2. 使用虛擬原型設計Fastek國際公司的Kent Wedeking 虛擬原型設計還可以通過減小你所需要建立的物理原型數(shù)來節(jié)省時間和資金。傳統(tǒng)上，你必須建立多個物理原型，因為你無法預見未來機械的挑戰(zhàn)。CAD和仿真軟件的出現(xiàn)改變了游戲規(guī)則，在設計過程中大大提高了可視化。現(xiàn)在你可以基于軟件工具建立、測試和驗證設計，以前這些都需要建立物理原型才可以實現(xiàn)。當你進行數(shù)字仿真和驗證你產(chǎn)品機械設計的真實性能時，通過大大減小物理原型數(shù)，為你節(jié)省了時間和資金。 最后，虛擬原型設計有助于提高機器或設備的質量和效率。過去，你通常必須基于有限的信息來選擇電動機及潛在的大量工程設計來增加安全系數(shù)。隨著虛擬原型設計工具的發(fā)展，你可以提前對整個系統(tǒng)的動態(tài)行為進行仿真，包括電動機，控制算法和物理結構，并收集所有必要的信息，提出切實有效的設計方案。 NI公司虛擬原型設計的優(yōu)勢 你可以使用NI公司的LabVIEW圖形化編程工具和SolidWorks運動工具來幫助你快速建立一個有關你機器的虛擬原型設計。此外，NI 公司還提供了多種先進的復雜機械系統(tǒng)仿真和建模的解決方案。 利用NI LabVIEW和SoildWorks軟件進行原型設計 利用LabVIEW軟件，你可以直接連接到SoildWorks機械模型上，建立一個關于你系統(tǒng)的虛擬原型設計。通過將SolidWorks運動分析性能與LabVIEW 2009 NI SoftMotion 模塊相結合，并使用運動控制編程函數(shù)在SolidWorks軟件中驅動仿真，你就可以創(chuàng)建運動控制系統(tǒng)的真實模擬情況。為了精確，協(xié)調一致的運動分析，利用LabVIEW NI公司SoftMotion模塊， 你可以建立運動控制代碼，并將其直接連到SolidWorks 3D 機械模型上。
圖3. LabVIEW NI SoftMotion 模塊和 SolidWorks集成 利用LabVIEW 2009，你可以添加SolidWorks 3D CAD 模型到你的LabVIEW項目中。這將自動填充定義在3D CAD模型中的電動機和傳感器模塊，因此你可以更容易地將你的模型連接到LabVIEW和NI SoftMotion圖形控制代碼中。 從虛擬原型設計到物理原型設計的轉變 最后，基于嵌入式運動控制平臺如NI CompactRIO硬件，其包括了一個實時處理器和一個可編程門陣列（FPGA），利用LabVIEW NI SoftMotion 和 SolidWorks 3D CAD模型，你就可以很容易地部署你開發(fā)和驗證的運動控制應用程序。使用CompactRIO和NI公司的運動控制驅動器接口，通過運動模塊、數(shù)以百計的步進器、伺服驅動器和電動機兩兩之間的直接連接，你可以很容易地將算法應用到物理原型上或終端機器上。正因為如此，你可以重新利用開放的代碼，在仿真環(huán)境中進行測試，使用NI硬件可以將軟件代碼快速地連接到物理I/O和電動機上。
圖 4. 從你的虛擬原型到物理原型的轉變 NI高級仿真工具 除了能使用LabVIEW和 SolidWorks工具建立虛擬原型外，你還可以使用LabVIEW軟件對任何機械系統(tǒng)進行仿真。利用LabVIEW控制設計和仿真模塊，你可以分析開環(huán)模型行為、設計閉環(huán)控制器、仿真在線與脫機系統(tǒng)以及進行物理實現(xiàn)。
圖5. NI LabVIEW控制設計與仿真工具 你可以使用轉換函數(shù)，狀態(tài)空間或零極點增益顯示，并根據(jù)第一原理來創(chuàng)建模型。除此之外，你還可以利用時頻分析工具，如時間階躍響應或波特圖，交互分析這些模型的開環(huán)和閉環(huán)行為。對于多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)和單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng)，使用內(nèi)置工具，并利用仿真特性來驗證線性與非線性系統(tǒng)動力特性。你還可以使用內(nèi)置工具，將MathWorks公司的Simulink®軟件開發(fā)的模型轉換為與LabVIEW軟件協(xié)同工作。 下一步 虛擬原型設計技術在設計工程中對于提高可視化是極有用的工具。在不同的情況下，通過對所有系統(tǒng)組件的相互作用和行為的更深入理解，有助于你節(jié)省時間和資金。 欲了解更多關于虛擬原型設計技術方面的信息，請參閱以下相關資源。了解原型設計過程中的下一步驟，請返回到功能原型設計系列 。 NI公司供稿 |
