都灵理工大学研究生向行业合作伙伴柯马公司展示物理建模和动态仿真的价值
“借助 Simulink 和 Simscape，我们能够快速构建数个简单的模型来探索设计空间，从中选择一个看上去最具可行性的模型，然后进一步开发该模型以产生准确预测系统行为的结果。在起步阶段找到合适的设计方案可以大幅降低成本。”
挑战
展示将建模和仿真纳入工业自动化系统设计有助于节约成本、缩短开发时间
解决方案
使用 Simulink 和 Simscape Multibody，对工业升降机进行建模，借助仿真分析动态属性，并进行直流电机选型。
结果
- 通过仿真确定了关键设计问题
- 在几小时内建立了同样有效却更为简单的模型
- 预计能够节约 20% 的成本
柯马公司的工业升降机。
都灵理工大学的教职员工与工程公司、制造商及其他行业伙伴合作，发掘实习项目，为学生提供在实践中学习的机会。
在一个实习项目中，一位来自计算机与控制工程系的研究生不仅获得了宝贵的工作经验，还为工业自动化巨头柯马公司的特殊项目部解决了一个实际技术问题，即如何对一台最大负载 500kg 的工业升降机的升降功能进行设计验证。这位名叫 Andrea Giacotto 的研究生使用 Simulink® 和 Simscape Multibody™ 对升降机进行建模，运行仿真来观察其动态行为，并对直流电机选型，该电机通过转动丝杠来带动升降机的双剪叉式机构。
都灵理工大学副教授 Massimo Violante 博士表示：“Andrea 使用 Simulink 和 Simscape Multibody，帮助柯马公司的特殊项目部解决了一个实际技术问题。尤其值得一提的是，他向柯马公司展示了如何借助 Simscape Multibody 创建物理模型、执行动态仿真，最终实现特殊产品开发精简化。”
挑战
负责设计升降机的柯马公司工程师知道，如果使用静态分析和电子表格进行电机选型，光是构建一个实际的原型并进行测试就需要几个月的时间，同时还可能存在系统过定或欠定的风险。
Giacotto 需要对升降机进行建模和仿真，以展示一种加快设计的有效方法，并强调在起步阶段构建良好原型的重要性。除了进行合理的电机选型，他还想了解简单物理模型能否像详细模型一样有效，从而节省成本和时间。
解决方案
Giacotto 借助 Simulink 和 Simscape Multibody 对升降机进行建模和仿真。MATLAB® 和 Simulink 已完全整合到都灵理工大学的工程课程中，因此他已熟练掌握这些工具。为了学习 Simscape™ 和 Simscape Multibody 的基础知识，他浏览了 mathworks.com 网站示例，重点参考具有与升降机类似的几何体的示例。
接下来，Giacotto 使用 Simscape Multibody 导入升降机的 SolidWorks® CAD 装配体，并生成一个包含机械连杆、变速箱和丝杠的 Simscape 模型。然后，他继续添加机械接触力建模元素。
Giacotto 用此模型进行多次仿真，以确定电机转矩是否符合升降机的有效负载规格。他编写了一个 MATLAB 脚本来执行扫描分析，该脚本会自动在某个范围内修改模型参数值、启动仿真并对仿真结果绘图。
使用基于 CAD 装配体的模型分析完毕后，他使用在 Simulink Multibody 中创建的简化模型再次分析，该简化模型仅由两个板、两个轴和一个负载组成。
最后，Giacotto 进行了成本效益分析，综合考虑了诸多因素，包括产品许可和培训，以及减少的错误量、重新设计的工作量和整体开发时间等。
Giacotto 确定了柯马公司进一步优化工作流可采取的步骤，包括将电机动态特性和控制器设计纳入模型，以及为控制系统自动生成嵌入式 C 代码。
他将研究成果分享给了负责升降机设计的柯马公司特殊项目部工程团队。该团队认识到 Giacotto 使用的建模和仿真方法具有重大价值，邀请他向高级管理层展示他的分析结果。柯马公司的机器人和自动化产品部已将这一方法投入实用，特殊项目部也计划在未来的项目中采用该方法。
结果
- 通过仿真确定了关键设计问题。Violante 指出：“用第一个 Simscape Multibody 模型进行的仿真表明，通过简单静态分析得出的转矩估计值太低。构建原型之前，在 Simulink 中运行的动态仿真显示，推动升降机需要更大的转矩。”
- 在几小时内建立了同样有效却更为简单的模型。Violante 说：“这位学生只用两个小时就在 Simscape Multibody 中创建了升降机的基本模型。尽管这个模型高度简化，仅包含几个元素且没有考虑接触力，但它同样成功识别出电机转矩不足方面的设计错误。”
- 预计能够节约 20% 的成本。Violante 指出：“Giacotto 的详细成本效益分析表明，使用 Simulink 和 Simscape 进行动态仿真将使柯马公司升降机的上市时间缩短数月，并使开发成本降低 20-40%。随着工程师熟练掌握这些工具并将其使用推广到其他项目，公司预计将收获更大的利益。”
