基于虛擬原型的機電一體化建模與仿真技術(shù)分析

申運

（湖南瀟湘技師學院，湖南永州，425000）

基于虛擬原型的機電一體化建模與仿真技術(shù)分析

申運

（湖南瀟湘技師學院，湖南永州，425000）

隨著我國虛擬技術(shù)的發(fā)展，它在各行各業(yè)中的應用更加廣泛，尤其是虛擬原型技術(shù)能夠更好地完善產(chǎn)品性能，提高設(shè)計效果。文章分析了虛擬原型技術(shù)的原理及機電一體化建模和仿真技術(shù)，期望更好的促進科學技術(shù)的發(fā)展，

虛擬原型；機電一體化；建模；仿真

0 引言

現(xiàn)代產(chǎn)品的研發(fā)和設(shè)計流程需要多個團隊和學科領(lǐng)域相互協(xié)同，如何高效的實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計，協(xié)調(diào)好各個子系統(tǒng)設(shè)計團隊的工作和信息共享，提高產(chǎn)品設(shè)計效果，降低產(chǎn)品設(shè)計成本，縮短產(chǎn)品設(shè)計周期，值得思考。基于虛擬原型技術(shù)的機電一體化設(shè)計，包括建模和仿真兩個過程，伴隨著現(xiàn)代設(shè)計制造業(yè)的發(fā)展而迅速發(fā)展。通過該技術(shù)可以將電子、控制、軟件、液壓等多個不同學科領(lǐng)域的模型，組合得到一個更加完整的仿真模型，并獲得最佳的設(shè)計方案。

1 虛擬原型技術(shù)的基本原理

采用虛擬原型技術(shù)進行產(chǎn)品設(shè)計的具體原理如下：首先通過分析得出產(chǎn)品設(shè)計的性能指標，采用不同的工具開發(fā)出不同的子模型，并將這些子模型組合在一起，利用計算機軟件完成模型的塑造，整個過程可視，完成產(chǎn)品的概念設(shè)計，然后構(gòu)建虛擬原型設(shè)計和仿真需要的虛擬真實環(huán)境，通過三維軟件得出產(chǎn)品的3D模型，完成虛擬原型構(gòu)建，最后在虛擬環(huán)境下對設(shè)計的產(chǎn)品性能進行仿真分析，使設(shè)計的系統(tǒng)性能更加完善，如圖1所示。

2 基于虛擬原型的機電一體化設(shè)計技術(shù)的特點

機電一體化設(shè)計中應用虛擬原型技術(shù)的特點具體論述如下：一是，由于機電一體化建模過程中涉及到多個部分，因此需要對不同部分中的模型進行需求分析，掌握設(shè)計的重點和難點要素，同時還要積極了解不同部分產(chǎn)品設(shè)計之間的關(guān)系，這是做好機電產(chǎn)品一體化設(shè)計的基礎(chǔ)和先決條件。二是，機電產(chǎn)品一體化設(shè)計過程中，不同部分之間存在模型對應關(guān)系，要充分對這種關(guān)系進行交互，才能使得到的模型數(shù)據(jù)具有交互性和動態(tài)性的特點，這是模型構(gòu)建的關(guān)鍵；三是，在虛擬原型平臺上對產(chǎn)品不同部分進行設(shè)計時，一定要以平臺的綜合效益發(fā)揮為基礎(chǔ)，這樣平臺才能夠使其成為各個領(lǐng)域建模工具的重要樞紐。四是，在設(shè)計機電一體化虛擬原型時，一定要以機電一體化產(chǎn)品的設(shè)計原則和理念為指導，妥善處理好設(shè)計模型與設(shè)計理念之間的關(guān)系。

圖1 虛擬原型設(shè)計原理

3 機電系統(tǒng)主體建模與仿真技術(shù)研究

3.1 主體建模

3.1.1 產(chǎn)品功能模型

基于虛擬原型的機電一體設(shè)計需要首先構(gòu)建產(chǎn)品的功能模型，其功能包括四部分：控制功能、動力功能、傳感檢測功能、操作功能、結(jié)構(gòu)功能，主要由機械、電子和軟件組成，設(shè)計中對應三個系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及傳感檢測子系統(tǒng)。首先，執(zhí)行系統(tǒng)中驅(qū)動元件和執(zhí)行機構(gòu)會向傳感子系統(tǒng)發(fā)出檢測信號；然后，傳感系統(tǒng)向信息處理子系統(tǒng)發(fā)出反饋信號；最后，處理子系統(tǒng)會向執(zhí)行子系統(tǒng)發(fā)送控制信號，從而將這幾種子系統(tǒng)更好地綜合。

3.1.2 設(shè)計過程模型

機電一體化產(chǎn)品設(shè)計方案的過程模型包含三部分：功能層、行為層及結(jié)構(gòu)層。功能層包含有機電系統(tǒng)功能的理解、動作、分解以及控制和執(zhí)行動作子功能；行為層包含有檢測、控制過程和執(zhí)行動作；結(jié)構(gòu)層，主要含有傳感器、軟件及控制器、執(zhí)行機構(gòu)，同時通過機電系統(tǒng)的結(jié)合理論，確定系統(tǒng)是否可行，最后通過評估，確定最佳的設(shè)計方案。

3.2 基于虛擬原型機電一體化仿真設(shè)計的概述

在仿真過程中，以上述構(gòu)建的機電一體化產(chǎn)品虛擬原型為基礎(chǔ)，通過仿真分析可以優(yōu)化整合產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)的性能，達到良好的設(shè)計效果。本研究選擇的仿真軟件是Solidworks-LabVIEW進行聯(lián)合仿真設(shè)計，具體過程如下：首先應用SolidWorks軟件構(gòu)件機電產(chǎn)品的機械模型，然后，通過LabVIEW軟件將各個模塊以集成的形式將各個模塊聯(lián)系在一起將建立的3D CAD機械模型與LabVIEW軟件之間建立起聯(lián)系，最后，利用LabVIEW軟件編寫控制算法，實現(xiàn)這兩個軟件之間的協(xié)同作用，對機電產(chǎn)品進行性能測試和評定，基于SolidWorks-LabVIEW進行聯(lián)合仿真設(shè)計。由于文章篇幅有限，只論述設(shè)計的一部分，以機電產(chǎn)品的機械特性仿真設(shè)計中的機械結(jié)構(gòu)、零件的有限元分析為例進行具體論述，該設(shè)計只使用Solidworks軟件。

機械特性的仿真設(shè)計包括機械動力學仿真設(shè)計、機械零件的有限元分析及機械運行學仿真設(shè)計，其中機械結(jié)構(gòu)及零部件的有限元分析就是利用Solidworks Simulation插件中分析機械部分的結(jié)構(gòu)和力學分析，如使用的材料的安全性能及強度、應力等，通過分析可以確定轉(zhuǎn)動系統(tǒng)選型及機械結(jié)構(gòu)的幾何尺寸等。在對產(chǎn)品的零部件進行設(shè)計時，為了確保設(shè)計產(chǎn)品的功能，通常會對一些重要的零部件進行線性動力、疲勞、熱力、屈力、頻率、靜態(tài)等進行分析。

SolidWorks Simulation軟件是一種分析軟件，主要是對基于有限（FEA數(shù)值）技術(shù)的設(shè)計進行分析。采用SolidWorks Simulation軟件分析裝配體或零部件的FEA數(shù)值時，主要包括以下的步驟：在SolidWorks Simulation軟件環(huán)境中構(gòu)建需要的算法、確定材料、添加約束條件、載荷施加、網(wǎng)格劃分、點擊運行、得到運行結(jié)果進行分析。選取FrontRail零件為代表對零部件設(shè)計中有限元分析的重要性進行說明。（1）構(gòu)建新的算法：在Simulation菜單中對需要的“算例”進行選擇，同時給新構(gòu)建的算法命名。（2）確定應用材料：在靜態(tài)分析樹中，通過單擊右鍵可以選擇需要的“應用材料”，在下拉菜單中左鍵單擊“選擇材料來源”就可以實現(xiàn)材料的選擇，同時選擇材料時還可以看見材料相關(guān)的附帶信息。（3）添加約束條件：在Simulation Study樹中，右鍵單擊“夾具”并選擇“固定幾何體”，此時可以對模型進行轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動過程中確定需要施加載荷的面。（4）外部載荷：約束好模型之后，可以向模型施加外部載荷。右鍵單擊“外部載荷”并選擇“扭矩”，需要定義的載荷選項列出之后，可以在“扭矩”的屬性管理器中進行相應的設(shè)置。（5）劃分網(wǎng)格：網(wǎng)格劃分好之后就可以進行有限元分析，網(wǎng)格劃分完成之后，幾何模型會劃分成為多個有限個單元。右鍵單擊“網(wǎng)格”選擇“生成網(wǎng)格”功能，將會彈出窗口，對網(wǎng)格屬性進行設(shè)置。（6）運行分析：當全部的準備工作準確無誤的完成之后，選擇分析方法，右鍵單擊“靜態(tài)分析”圖標并選擇“運行”，則會進行分析，分析完成之后得到分析結(jié)果，見圖2。根據(jù)圖2可知，最大的Von Mises應力、材料的最大屈服應力分別為621633.1（N/m^2）、282685049（N/m^2），圖2中紅顏色的即是。根據(jù)分析結(jié)果可以確定產(chǎn)品設(shè)計中需要的合適材料，同時我們還可以這樣我們還可以變化相應的參數(shù)如外部的載荷力大寫等，得到另一種分析結(jié)果，最終提高設(shè)計的零部件性能，達到設(shè)計的要求?？傊跈C電一體化產(chǎn)品設(shè)計中涉及到的零部件都會進行這種分析，以確定零件的選材，并且保證設(shè)計的產(chǎn)品體積最小，安全性能最高，為機械模型的構(gòu)建提供數(shù)據(jù)支撐。

圖2 運行結(jié)果

4 結(jié)束語

隨著虛擬技術(shù)的發(fā)展，它在機電一體化產(chǎn)品設(shè)計中等應用越來越廣泛，通過虛擬原型仿真可以提高產(chǎn)品設(shè)計性能，因此，應該對這方面加強研究，建立常用的機電一體化仿真模型，形成一種快速的仿真軟件系統(tǒng)，使其在實際設(shè)計過程中發(fā)揮更多的優(yōu)勢。同時還要加強仿真軟件的研究，使其功能更加強大，不斷提高機電產(chǎn)品的設(shè)計水平。

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[2]李加旺.職業(yè)學校機電專業(yè)精品課程建設(shè)的思考[J].電子制作,2014(15):170.

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Analysis of Mechatronics Modeling and Simulation Based on Virtual Prototype

Shen Yun
(Hunan Xiaoxiang technician college,Yongzhou Hunan,425000)

With the development of virtual technology in China,it is more widely used in all walks of life,especially the virtual prototype technology can improve the product performance and improve the design effect.This paper analyzes the principle of virtual prototyping technology and the integration of electromechanical modeling and simulation technology,and hopes to promote the development of science and technology

virtual prototyping;electromechanical integration;modeling;simulation

申運（1985-），男，湖南邵陽人，漢族，本科，助教，主要從事機電教學工作。