使用虚拟原型技术降低机电系统设计与开发的复杂度

虚拟仪器技术的创始人和领导者美国国家半导体（National Instruments，NI）充分利用现有成熟的商业技术，如计算机、以太网、FPGA等，为客户提供自定义的测量和控制解决方案。NI的产品被广泛使用于各个国家和行业中，所有需要进行原型开发测量、测试以及自动化的研究和设计人员，都有可能使用到NI的产品。

机电系统设计
上世纪末装备制造业发生了很大的变革，一方面为了适应全球化的竞争市场对制造业的产能、产量和高品质的要求不断提出新的挑战；另一方面，电子技术、计算机技术，特别是以软件为核心的控制技术得到了飞速发展。在这种需求与技术双重推动的大背景下，现代机械系统所需集成的功能越来越多，如：需要更高速的动作控制以提高效率，依靠机器视觉保证检测的可靠性，高速I/O完成对机器状态监控等等。基于这些原因系统的开发也越来越复杂。
传统的设计方法必须采用依次涉及顺序的流程开发方式，这种方法不仅开发周期长，而且各步骤间缺乏有效交流，设计无法达到最优化，开发的不确定性和风险也无法降低，为了从整体上解决这些问题，制造业新兴系统技术--机电一体化近年来在国外装备制造业得到了越来越广泛的发展与应用。机电一体化（Mechatronics）技术最初由日本提出，是一种从整体角度对机器系统进行设计和开发的方法，它综合考虑了机械、电气、控制、嵌入式软硬件等各种技术手段。与很多新兴技术不同的是，由于机电一体化技术涉及到制造业这个国民经济命脉，因此各个国家机电一体化的发展都是由政府投资主导而带动产业界的发展。

机电一体化与传统开发方式的主要区别在于传统开发采用顺序方式，而这种模式被机电一体化完全打破，取而代之的是完全并行的设计开发流程。这一流程并不是简单的依靠任务间的同时开始与同步，关键是它利用虚拟原型的技术打破了各方之间的障碍，并在物理原型之前更好地完成了各种分类功能的验证与优化。

虚拟原型技术
虚拟原型技术包括两种情况，第一种是用户与机器开发商之间的虚拟原型机器仿真，如赋予传统3D设计系统动态机器工作方式，从而实现设计开发的可视化；另一种是设计工具与设计工具之间、设计人员与设计人员之间的交互验证方式，如通过电机与机械仿真完成电机的定型工作。此外控制逻辑验证、嵌入式软件实现等也都可以应用到虚拟原型技术。

图2所示的是结合虚拟原型技术的机电一体化系统开发与传统系统开发相比较的趋势图，从开发周期来看，由于机电一体化技术采用的是并行设计方式，因此其设计开发周期大大缩短。更为重要的是传统方式只有在整个系统初步搭建完成后，各项功能才能进行实际的物理原型验证，一旦发现系统存在问题，最坏情况下从机械到嵌入式实现都必须进行相应调整和修改，如此一来整个系统风险也将达到极大值。而虚拟原型验证技术则将更多的功能间验证融入到设计过程中，从而平缓了系统开发的风险，提高了系统整体优化程度。