T E C H N I C A L SolidWorks www.solidworks.com.cn PA P E R
简 介 您 可 能 见 过 由 漫 画 家 兼 工 程 师 Rube Goldberg 所 绘 制 出 的 那 些 令 人 称 奇 的 机 械 装 置 在 他 的 漫 画 中, 简 简 单 单 的 一 个 任 务, 却 是 由 动 用 了 滑 轮 杠 杆 气 球 滚 珠 和 无 数 小 器 械 的 超 复 杂 型 装 置 来 实 现 的 那 个 分 16 步 的 挤 牙 膏 器, 还 有 那 个 分 13 步 的 头 戴 式 餐 巾 自 动 擦 嘴 装 置, 都 正 是 Goldberg 的 大 作 另 一 让 人 津 津 乐 道 的 例 子, 是 曾 受 Goldberg 的 作 品 启 发 而 发 明 了 Mouse Trap ( 捕 鼠 器 ) 游 戏 ( 见 图 1) 的 Milton Bradley 这 款 游 戏 的 玩 法, 就 是 通 过 一 系 列 随 机 事 件 来 设 法 捕 捉 老 鼠 选 手 图 1. 经 典 游 戏 Mouse Trap 的 模 型 在 这 些 设 计 中, 每 个 事 件 都 跟 前 面 的 事 件 紧 密 相 连 如 果 当 中 某 个 事 件 的 用 时 长 于 或 短 于 预 计 时 间, 那 么 剩 余 的 事 件 就 会 像 多 米 诺 骨 牌 一 样 产 生 连 带 影 响 像 这 样 的 情 况, 我 们 就 称 之 为 基 于 事 件 的 系 列 还 有 一 种 是 基 于 时 间 的 系 列 比 如, 您 拍 摄 了 一 些 视 频 片 段, 并 想 将 它 们 组 合 成 一 段 影 片 其 中, 第 一 个 场 景 是 4 秒, 第 二 个 场 景 是 20 秒, 如 图 2 所 示 手 动 更 改 时 间 设 定 可 能 比 较 繁 琐 和 复 杂 图 2. 基 于 时 间 的 视 频 软 件 模 型 将 这 些 场 景 组 合 到 一 起 后, 您 才 发 现 第 一 个 片 段 其 实 只 需 要 前 面 三 秒 于 是 您 剪 掉 一 秒, 谁 知 图 3. 基 于 时 间 的 视 频 软 件 模 型, 其 中 有 一 秒 是 空 白 的 2 用 基 于 事 件 的 仿 真 激 活 您 的 设 计 www.solidworks.com.cn
就 如 图 3 所 显 示 的 那 样, 两 段 视 频 间 出 现 了 一 秒 的 空 白 如 此 一 来, 您 就 不 得 不 手 动 调 整 之 后 的 每 个 片 段, 重 新 对 准 它 们 的 开 始 和 结 束 时 间 这 种 修 改 工 作 相 当 繁 琐 有 时, 如 果 要 调 准 的 时 间 过 多, 其 实 还 不 如 重 新 来 过 接 下 来, 我 们 既 不 玩 Mouse Trap 游 戏, 也 并 不 去 制 作 影 片, 我 们 要 做 的, 是 观 察 这 两 种 方 法 如 何 从 根 本 上 影 响 机 械 系 统 的 仿 真 在 本 文 中, 我 们 将 通 过 一 套 简 易 的 促 动 器 系 统 ( 图 4) 来 讨 论 基 于 时 间 的 设 计 和 基 于 事 件 的 设 计 图 4. 由 四 个 促 动 器 和 一 个 蓝 色 方 块 ( 左 侧 ) 组 成 的 系 统 共 同 完 成 一 套 动 作 蓝 色 方 块 从 左 下 角 开 始 按 所 示 顺 序 在 迷 宫 中 移 动 四 个 促 动 器 推 送 方 块 后 各 自 回 撤 最 后, 方 块 被 推 出 迷 宫, 而 每 个 促 动 器 亦 回 到 原 始 位 置 要 了 解 该 装 置 能 否 正 确 运 作, 我 们 可 以 使 用 运 动 仿 真 来 对 促 动 器 的 设 计 和 操 作 进 行 虚 拟 测 试 这 种 运 动 仿 真 既 可 以 使 用 基 于 时 间 的 方 法, 也 可 以 使 用 基 于 事 件 的 方 法 为 了 透 彻 理 解 基 于 时 间 的 仿 真 和 基 于 事 件 的 仿 真 (Event-Based Simulation, EBS) 之 间 的 不 同 之 处, 我 们 必 须 从 两 个 层 面 来 说 明 各 个 角 色 : 整 体 层 面 和 细 节 层 面 前 者 是 在 机 械 加 工 行 业 的 方 法 论 指 导 下 从 整 体 考 虑 流 程, 后 者 则 注 重 了 解 流 程 如 何 改 变 以 及 这 些 改 变 如 何 优 化 每 个 步 骤 理 解 基 于 时 间 的 仿 真 和 基 于 事 件 的 仿 真 之 间 的 不 同 之 处 很 重 要 3 用 基 于 事 件 的 仿 真 激 活 您 的 设 计 www.solidworks.com.cn
典 型 流 程 机 械 设 计 员 通 常 遵 照 图 5 所 示 的 整 体 流 程 代 码 重 做? 设 计 编 写 控 件 图 5. 机 械 设 计 员 所 用 的 标 准 整 体 设 计 流 程 制 造 通 常, 设 计 员 在 开 始 时 会 为 机 器 编 写 初 始 代 码 或 设 计 图 注 意 不 要 将 这 些 代 码 与 控 件 相 混 淆, 代 码 用 于 控 制 每 个 独 立 装 置 的 行 为, 而 控 件 则 用 于 将 这 些 装 置 联 系 起 来 一 旦 编 写 好 代 码, 机 器 的 机 械 设 计 阶 段 即 告 完 成 而 在 临 近 最 终 配 置 确 定 时, 我 们 可 能 需 要 对 设 计 进 行 虚 拟 测 试, 此 时 可 以 编 写 将 各 个 装 置 粘 在 一 起 的 控 制 算 法 设 计 的 控 件 阶 段 通 常 是 在 生 产 和 组 装 新 机 器 后 才 能 进 行 验 证 以 图 4 的 促 动 器 为 例 作 为 设 计 员, 您 的 第 一 步 是 编 写 能 让 每 个 活 塞 在 推 送 后 回 撤 的 代 码 此 举 用 于 实 现 每 个 活 塞 的 运 动 然 后, 您 需 要 设 计 装 配 体 中 的 每 个 结 构, 此 步 骤 通 常 可 利 用 一 些 CAD 软 件 来 完 成 再 然 后 是 制 造 出 实 际 的 蓝 色 方 块 迷 宫 和 活 塞, 并 编 写 能 将 每 个 活 塞 的 运 动 联 系 起 来 的 控 制 算 法 现 在 问 题 来 了, 万 一 控 件 代 码 无 法 适 应 时 间 要 求 及 促 动 器 的 机 械 性 能, 该 怎 么 办? 比 如 促 动 器 的 加 速 不 够 快 呢? 要 是 遇 到 这 种 情 况, 您 很 可 能 得 重 新 设 计 机 械 或 控 件 接 下 来, 我 们 将 讨 论 传 统 方 法 与 EBS 方 法 的 细 节 层 面 通 常, 制 造 过 程 依 据 的 是 绝 对 时 间, 许 多 控 件 架 构 也 要 求 使 用 绝 对 时 间 但 是, 在 设 计 过 程 的 前 期 以 及 仿 真 试 验 阶 段, 使 用 绝 对 时 间 会 产 生 一 些 严 重 问 题 您 知 道 自 己 希 望 什 么 发 生, 但 是 您 却 无 法 确 定 每 个 动 作 发 生 的 确 切 时 间 比 如 您 希 望 第 一 个 活 塞 在 1.5 秒 处 停 止, 而 不 是 原 先 设 定 的 1 秒 处 当 您 仍 在 确 定 诸 如 促 动 器 最 大 加 速 度 等 一 些 重 要 的 机 械 细 节 时, 在 这 么 早 的 设 计 阶 段 进 行 这 样 的 小 调 整 是 可 以 理 解 的 但 在 软 件 中, 第 二 个 促 动 器 的 推 送 时 间 仍 旧 是 原 来 的 1.1 秒 这 时, 除 非 您 手 动 改 为 1.6 秒, 使 其 保 持 原 有 的 时 间 间 隔, 否 则, 可 能 就 会 出 大 问 题 这 就 意 味 着 您 得 手 动 更 改 之 后 的 每 个 步 骤 试 想 一 下, 如 果 有 成 百 上 千 个 后 续 步 骤, 那 得 花 上 多 少 时 间! 更 糟 的 是, 如 果 这 些 更 改 后 的 控 制 代 码 很 不 兼 容, 那 么 您 就 得 从 头 开 始 设 计, 耗 费 更 多 的 时 间 金 钱 和 资 源 机 械 设 计 人 员 通 常 遵 照 以 下 整 体 流 程 : 编 写 代 码, 设 计, 制 造, 编 写 控 件, 而 且 还 可 能 需 要 重 做 这 些 步 骤 4 用 基 于 事 件 的 仿 真 激 活 您 的 设 计 www.solidworks.com.cn
新 流 程 很 明 显, 如 果 这 些 更 改 能 够 发 生 在 图 5 所 示 流 程 的 早 期 阶 段, 那 么 企 业 就 能 避 免 从 头 开 始 设 计 的 狼 狈 境 况 EBS 能 在 整 体 层 面 和 细 节 层 面 满 足 这 一 需 要 图 6 显 示 了 结 合 此 方 法 后 的 新 整 体 流 程 代 码 设 计 控 件 制 造 图 6. 结 合 基 于 事 件 的 仿 真 的 新 机 械 设 计 流 程 最 开 始 的 步 骤 还 是 编 写 代 码, 而 其 它 步 骤 则 完 全 重 新 设 计 您 可 以 同 时 更 改 设 计 和 对 应 的 操 作, 反 之 亦 然 与 线 性 流 程 相 比, 新 流 程 能 更 快 地 进 行 更 改 和 迭 代 设 计 和 控 制 步 骤 完 成 后, 就 进 入 流 程 中 的 最 后 一 个 主 要 步 骤 制 造 当 然, 设 计 员 在 此 步 骤 后 还 是 可 以 进 行 修 改 或 者 更 换 控 件, 但 与 传 统 的 串 联 流 程 相 比, 他 们 要 从 头 开 始 设 计 的 几 率 会 大 大 降 低 在 细 节 层 面,EBS 使 您 可 以 创 建 由 事 件 而 非 特 定 时 间 触 发 动 作 的 仿 真 当 然, 您 仍 然 可 以 通 过 软 件 创 建 基 于 时 间 的 仿 真 在 图 7 中, 所 示 界 面 控 制 了 图 4 中 四 个 促 动 器 的 行 为 借 助 基 于 事 件 的 仿 真, 机 械 设 计 人 员 可 以 使 用 一 个 更 方 便 更 节 省 时 间 的 全 新 流 程 5 用 基 于 事 件 的 仿 真 激 活 您 的 设 计 www.solidworks.com.cn
图 7. Solidworks 基 于 事 件 的 仿 真 界 面 示 例 ( 控 制 了 四 个 促 动 器 ) 仿 真 起 始 于 一 个 时 间 触 发 器, 此 触 发 器 可 等 于 或 大 于 零 秒 之 后 的 四 个 任 务 ( 动 作 ) 都 是 由 前 一 个 任 务 的 完 成 来 触 发 的 例 如 : Task 1 表 示 第 二 个 促 动 器 在 第 一 个 促 动 器 停 止 推 送 的 那 一 秒 开 始 推 送 后 续 促 动 器 的 推 送 和 回 撤 均 遵 循 相 同 的 模 式 图 8 所 示 的 接 近 度 感 应 器, 是 将 方 块 送 出 迷 宫 的 最 后 一 个 触 发 器 图 8. 当 接 近 度 感 应 器 ( 红 色 ) 与 紫 色 墙 面 的 距 离 在 49.00 毫 米 以 内 时, 即 会 触 发 最 后 一 个 促 动 器 6 用 基 于 事 件 的 仿 真 激 活 您 的 设 计 www.solidworks.com.cn
接 近 度 感 应 器 ( 红 色 ) 位 于 方 块 上 远 离 紫 色 墙 面 的 那 一 端 感 应 器 与 紫 色 墙 面 的 距 离 等 于 或 小 于 49.00 毫 米 时 即 发 出 警 报 如 图 7 的 Task 6 所 示, 这 个 警 报 将 触 发 最 后 一 个 促 动 器 推 送 方 块 需 要 注 意 的 是, 此 任 务 仅 在 方 块 已 通 过 迷 宫 的 其 它 部 分 且 最 终 与 紫 色 墙 面 相 接 时 才 会 发 生 SolidWorks EBS 界 面 还 包 括 一 个 甘 特 图, 每 个 事 件 的 持 续 时 间 和 发 生 时 间 在 其 中 一 目 了 然, 具 体 如 图 9 所 示 图 9. Solidworks EBS 工 具 内 的 甘 特 图 图 中 的 橙 色 区 域 对 应 事 件 的 持 续 时 间 : 橙 色 条 越 长, 在 仿 真 过 程 中 持 续 的 时 间 就 越 长 蓝 线 表 示 某 个 事 件 完 成 后 另 外 一 个 事 件 才 能 开 始 ( 即, 两 个 动 作 是 基 于 事 件 发 生 的 ) 直 接 联 系 左 侧 数 字 区 域 与 右 侧 甘 特 图 即 可 呈 现 系 统 的 行 为 7 用 基 于 事 件 的 仿 真 激 活 您 的 设 计 www.solidworks.com.cn
基 于 事 件 的 仿 真 的 优 点 总 体 而 言,EBS 通 过 极 大 地 改 善 设 计 员 工 程 师 以 及 控 件 专 家 间 的 沟 通, 清 晰 地 传 递 了 产 品 的 设 计 意 图 没 有 EBS, 这 两 方 说 的 可 能 是 完 全 不 同 的 语 言 工 程 师 和 设 计 员 会 试 图 阐 述 他 们 的 目 标, 但 是 他 们 对 控 件 代 码 的 要 求 和 需 要 全 无 概 念 他 们 也 许 会 说 : 我 希 望 这 个 运 动 臂 旋 转 五 秒, 但 是 他 们 并 不 知 道 这 要 如 何 实 现 如 果 提 议 的 这 一 系 列 事 件 没 有 以 一 致 的 特 定 代 码 形 式 呈 现, 控 件 工 程 人 员 很 可 能 会 感 到 一 头 雾 水 他 们 可 能 会 问 回 工 程 师, 您 想 让 运 动 臂 转 向 哪 里? 它 的 运 动 要 怎 样 与 系 统 的 其 它 部 件 关 联? 现 在 有 了 EBS 工 具, 对 控 件 设 计 通 常 不 甚 了 解 的 设 计 员 就 能 清 晰 地 阐 述 他 们 的 机 器 设 计 目 标 ; 而 控 件 工 程 人 员 也 能 方 便 地 将 这 些 直 观 的 说 明 编 写 到 特 定 代 码 中 在 整 体 层 面,EBS 可 帮 助 企 业 节 省 了 大 量 的 时 间 和 金 钱 EBS 的 集 成 特 性 能 即 刻 提 供 机 械 设 计 反 馈 和 预 期 功 用 反 馈 企 业 不 再 需 要 先 制 造 出 产 品, 然 后 再 调 试 其 初 期 的 控 制 算 法 由 于 设 计 员 可 预 先 通 过 CAD 对 机 器 进 行 虚 拟 测 试, 重 新 设 计 的 可 能 可 大 大 降 低 而 且, 简 单 直 观 的 EBS 界 面 使 得 企 业 内 的 更 多 人 能 为 产 品 设 计 过 程 作 出 贡 献 工 程 师 不 再 需 要 具 备 控 件 知 识 背 景 也 能 描 述 出 主 要 控 件 要 求 EBS 在 细 节 层 面 上 也 有 其 它 值 得 一 提 的 优 点 首 先, 基 于 事 件 的 方 法 更 为 现 实 且 应 用 性 更 强 感 应 器 确 实 存 在, 而 且 它 们 是 许 多 机 械 设 计 中 的 关 键 部 件 与 完 全 基 于 时 间 的 方 法 相 比,SolidWorks EBS 所 提 供 的 基 于 事 件 和 基 于 时 间 的 仿 真 组 合 更 为 接 近 现 实 生 活 的 各 种 应 用 让 我 们 以 电 动 洗 车 为 例 在 汽 车 进 入 洗 车 房 后, 接 下 来 的 步 骤 就 不 是 基 于 时 间 的 : 驾 驶 员 将 车 往 前 开, 感 应 器 一 旦 感 应 到 车 已 就 位, 就 会 开 始 洗 车 随 后 的 清 洗 步 骤 可 能 持 续 一 段 固 定 的 时 间 这 整 个 过 程 其 实 就 是 一 个 基 于 事 件 的 控 制 机 制 尾 随 一 个 基 于 时 间 的 控 制 机 制 在 我 们 身 边, 还 有 很 多 过 程 都 结 合 运 用 了 这 两 种 机 制 在 细 节 层 面,EBS 比 传 统 方 法 更 容 易 做 出 更 改 增 加 第 1 个 步 骤 的 时 间 并 不 会 导 致 后 续 的 94 步 都 要 手 动 更 改 : 事 件 以 及 事 件 间 的 联 系 依 然 不 变 考 虑 到 用 户 要 在 设 计 过 程 中 执 行 仿 真 步 骤 : 而 这 个 步 骤 对 控 件 和 计 时 的 编 辑 以 及 CAD 机 械 设 计 中 的 编 辑 都 一 样 频 繁, 这 一 点 就 显 得 尤 为 重 要 再 者, 设 计 员 和 工 程 师 通 常 很 了 解 各 个 部 件 的 能 力 例 如,A 型 促 动 器 可 以 在 0.5 秒 内 推 送 1 米 如 果 换 为 B 型, 这 个 距 离 则 需 要 1.5 秒 有 赖 于 EBS 提 供 的 解 决 办 法, 开 发 阶 段 中 的 繁 重 代 码 更 改 工 作 才 得 以 避 免 最 后,EBS 还 可 以 应 用 在 各 种 场 合 在 机 械 操 作 领 域, 它 的 作 用 是 显 而 易 见 的, 因 为 设 计 员 在 EBS 中 要 考 虑 的 控 件 因 素 同 样 也 是 编 码 员 必 须 考 虑 的 但 其 实 EBS 的 仿 真 应 用 范 围 还 能 更 广 以 水 上 滑 梯 的 设 计 为 例 设 计 员 需 让 滑 水 者 在 滑 到 滑 梯 的 不 同 位 置 时 承 受 不 同 的 摩 擦 滑 梯 顶 端 的 摩 擦 要 小, 滑 水 者 才 能 快 速 滑 下 但 为 了 减 少 滑 水 者 在 入 水 时 遭 受 的 冲 击, 滑 梯 末 端 的 设 计 应 适 当 增 加 表 面 摩 擦, 从 而 降 低 入 水 前 的 速 度 EBS 建 模 的 力 学 数 据 和 图 形, 能 够 告 诉 设 计 员 是 否 选 择 了 正 确 的 时 机 所 有 这 些 都 无 需 涉 及 很 多 编 码 工 作! 很 明 显,EBS 并 非 只 能 用 于 机 械 设 计 中 基 于 事 件 的 仿 真 机 可 以 在 各 种 场 合 应 用, 包 括 机 加 工 以 及 更 多 的 其 他 场 合 8 用 基 于 事 件 的 仿 真 激 活 您 的 设 计 www.solidworks.com.cn
EBS CAD EBS EBS EBS 1 SolidWorks www.solidworks.com.cn