機(jī)電一體化產(chǎn)品虛擬樣機(jī)協(xié)同體系設(shè)計(jì)及其模型建構(gòu)

曹新民　唐焱

摘要：本文在機(jī)電一體化的背景下，分析探討了虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)和建模，旨在提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的快速發(fā)展。

關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化;虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì);模型建構(gòu)

中圖分類號(hào)：TH-39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）06-0175-02

0 引言

機(jī)電一體化是多種技術(shù)的結(jié)合，包括電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息轉(zhuǎn)換技術(shù)以及傳感技術(shù)，使之能夠研究出機(jī)電一體化的設(shè)備，能夠有效的促進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。而虛擬樣機(jī)技術(shù)則是以先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，代替了傳統(tǒng)的物理樣機(jī)，具有一定的真實(shí)度，將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用在產(chǎn)品的生產(chǎn)中能夠有效的促進(jìn)生產(chǎn)效率的提高，實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提升，其技術(shù)的創(chuàng)新也促進(jìn)了模型建構(gòu)行業(yè)的發(fā)展。

1 虛擬樣機(jī)技術(shù)概述

1.1 虛擬樣機(jī)概念

虛擬樣機(jī)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，代替了傳統(tǒng)的物理樣機(jī)，在真實(shí)度上有了明顯的提高。虛擬樣機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)的主要環(huán)境是仿真、模型和仿真物的有效結(jié)合，能夠反映出產(chǎn)品的多種結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了從專業(yè)理論到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過(guò)渡。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，會(huì)充分的結(jié)合產(chǎn)品所在的環(huán)境，在機(jī)電一體化的背景下，進(jìn)行產(chǎn)品的全方位建模，結(jié)合虛擬領(lǐng)域和仿真技術(shù)領(lǐng)域，針對(duì)產(chǎn)品提出不同的意見(jiàn)和見(jiàn)解，與此同時(shí)，虛擬樣機(jī)技術(shù)和集成化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)之間有非常重要的關(guān)系，是利用計(jì)算機(jī)的主要功能和機(jī)械系統(tǒng)構(gòu)建一個(gè)數(shù)學(xué)模型，之后可以在仿真分析的基礎(chǔ)上，對(duì)產(chǎn)品的外觀、空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行不斷的調(diào)整，直至制定出最佳的設(shè)計(jì)方案。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)需求

虛擬樣機(jī)技術(shù)不僅包含了計(jì)算機(jī)技術(shù)、協(xié)同仿真技術(shù)、虛擬環(huán)境仿真校正技術(shù)的應(yīng)用，還包含了集成環(huán)境技術(shù)、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和綜合建模技術(shù)、過(guò)程管理技術(shù)等等，在協(xié)同設(shè)計(jì)中，不僅要對(duì)產(chǎn)品的外觀進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)整，使其符合設(shè)計(jì)的要求，還要滿足產(chǎn)品的使用環(huán)境和實(shí)踐操作的要求，因此在設(shè)計(jì)的過(guò)程中是通過(guò)對(duì)產(chǎn)品的概念和系統(tǒng)進(jìn)行初步的設(shè)計(jì)，之后建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)模型能夠?qū)Ξa(chǎn)品進(jìn)行綜合的分析，使產(chǎn)品能夠達(dá)到要求，滿足產(chǎn)品的操作和制作以及后期的銷毀過(guò)程需求。

1.3 產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案

在虛擬樣機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)建模的過(guò)程中，首先第一點(diǎn)是要明確設(shè)計(jì)的任務(wù)，其根本任務(wù)就是滿足產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)間，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益的提升，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和質(zhì)量問(wèn)題，其次是對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)，主要的流程包括產(chǎn)品的建模、測(cè)試和校驗(yàn)，不斷的改正完成最終的設(shè)計(jì)。在操作流程中，建模主要指的是單個(gè)領(lǐng)域和多個(gè)領(lǐng)域的協(xié)同、約束建模，測(cè)試指的是虛擬測(cè)試機(jī)器和環(huán)境之間的過(guò)程，校驗(yàn)是指在虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)好之后，按照相關(guān)的參數(shù)和數(shù)據(jù)對(duì)產(chǎn)品系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析和研究，而改進(jìn)指的是將產(chǎn)品系統(tǒng)不斷的進(jìn)行優(yōu)化和細(xì)化，最主要的目的是為了設(shè)計(jì)方案和模型的形成[1]。

2 支撐環(huán)境分析

2.1 功能模型

功能模型的建構(gòu)主要包含控制和傳感檢測(cè)、動(dòng)力以及操作結(jié)構(gòu)功能，主要分為物理和控制系統(tǒng)，是由機(jī)械、電子和軟件組成的，其中物理系統(tǒng)主要是由驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行組成的，執(zhí)行系統(tǒng)是對(duì)機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)實(shí)施執(zhí)行，而控制系統(tǒng)主要是對(duì)信息進(jìn)行處理，在模型建構(gòu)的過(guò)程中，首先執(zhí)行系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和元件會(huì)向傳感子系統(tǒng)發(fā)出檢測(cè)的信號(hào)，之后傳感系統(tǒng)會(huì)對(duì)信息處理的子系統(tǒng)發(fā)揮反饋的信號(hào)，再由處理的子系統(tǒng)向最開(kāi)始的執(zhí)行子系統(tǒng)發(fā)出最后的已控制信號(hào)。因此在功能模型建構(gòu)的過(guò)程中，主要是將上述幾個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行有效的結(jié)合和應(yīng)用[2]。

2.2 設(shè)計(jì)過(guò)程模型

機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過(guò)程中主要包含功能層、行為層、結(jié)構(gòu)層。功能層的主要職責(zé)是對(duì)機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行動(dòng)作的分解、控制和制定動(dòng)作。行為層的主要職責(zé)是對(duì)信息進(jìn)行檢測(cè)、控制，以及過(guò)程中的信息傳輸。結(jié)構(gòu)層主要包括傳感器、軟件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制器[3]。在機(jī)電一體化虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，將理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行結(jié)合，確定系統(tǒng)的可操作性，通過(guò)最后的評(píng)估確定最佳的方案。在這個(gè)過(guò)程中對(duì)仿真模型的分解和組成的主要流程就是系統(tǒng)模型、子模型和元模型。其中的系統(tǒng)模型會(huì)分為三個(gè)子系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)多層的分解成為9個(gè)最小的模型單元。

3 虛擬樣機(jī)技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和建模

3.1 利用CAD軟件建模仿真

在產(chǎn)品的裝配環(huán)節(jié)、成像環(huán)節(jié)和數(shù)據(jù)庫(kù)環(huán)節(jié)都可以使用CAD軟件完成建模仿真設(shè)計(jì)。在產(chǎn)品的裝配環(huán)節(jié)，可以利用CAD仿真技術(shù)將設(shè)計(jì)好的模型應(yīng)用到裝配模型中，之后利用計(jì)算機(jī)技術(shù)完成對(duì)產(chǎn)品性能的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)零件的仿真，這樣的方式可以規(guī)避傳統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，及時(shí)的對(duì)零件的生產(chǎn)進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)整，完成零件的獨(dú)立性管理。在成像環(huán)節(jié)中，CAD技術(shù)的應(yīng)用能夠生成二維圖像，確保在設(shè)計(jì)的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了虛擬化管理的科學(xué)性。實(shí)現(xiàn)了技術(shù)的更新。在數(shù)據(jù)庫(kù)環(huán)節(jié)的應(yīng)用具體是指利用CAD設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了信息資源的共享，在自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的管理過(guò)程中，將信息之間的資源進(jìn)行有效的整合，完成了信息資源的管理和創(chuàng)新，將其嵌入到相應(yīng)的系統(tǒng)中，設(shè)置引擎，對(duì)知識(shí)的資源進(jìn)行歸納和總結(jié)，實(shí)現(xiàn)了智能化的升級(jí)，促進(jìn)了知識(shí)的合理使用。

3.2 產(chǎn)品構(gòu)件的分析和仿真

（1）結(jié)構(gòu)軟件的優(yōu)化。在產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析的過(guò)程中，經(jīng)常使用的技術(shù)就是ANSYS軟件，能夠針對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)、流體和電磁場(chǎng)進(jìn)行有效的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了ANSYS和CAD的互補(bǔ)，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化和方針進(jìn)行聯(lián)系，能夠?qū)Ω黜?xiàng)的資源進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化管理。在ANSYS軟件使用的過(guò)程中，能夠?qū)Ξa(chǎn)品數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對(duì)相應(yīng)的模板進(jìn)行整理，并根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際情況，計(jì)算出不同情況的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確性的提高。結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型能夠解決現(xiàn)有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變量的問(wèn)題，在分析中設(shè)置變量的數(shù)量，在期間對(duì)相應(yīng)的變量進(jìn)行檢測(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)的優(yōu)化分析。（2）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法。在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過(guò)程中，可以利用數(shù)據(jù)的整合和圖形交換的方式從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，在日常運(yùn)用的過(guò)程中，圖形交互的方式更加符合消費(fèi)者的標(biāo)準(zhǔn)，也可以滿足機(jī)械設(shè)計(jì)中更多的需求，解決更多的問(wèn)題。比如說(shuō)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行詳細(xì)的分析，能夠制定出優(yōu)化的方案，接近變量函數(shù)的需要，在不斷的測(cè)試中發(fā)現(xiàn)最優(yōu)值，從而實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品構(gòu)件的優(yōu)化，提高了整體的合理性。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在對(duì)虛擬樣機(jī)技術(shù)協(xié)同體系和建模分析研究的過(guò)程中，要掌握虛擬樣機(jī)技術(shù)基本的概念和理論，通過(guò)對(duì)支撐環(huán)境和日常的應(yīng)用進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化，促進(jìn)了機(jī)電一體化產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，為企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)節(jié)省了時(shí)間和成本，提升了經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 王江月.虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017（16）：43.

[2] 馬骉.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)及建模方法分析[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2016（11）：78-79.

[3] 常文泰，張冉，王利華，張雷剛.虛擬樣機(jī)技術(shù)及虛擬樣機(jī)試驗(yàn)[J].軟件，2016（7）：84-88.

Design and Model Construction of Virtual Prototyping Collaborative System for Mechatronics Products

CAO Xin-min1， TANG Yan2

（1.College of Mechanical and Electrical Engineering， Guilin University of Electronic Science and Technology ， Guilin Guangxi 541004;2.Guangxi Mechanical and Electrical Technical College， Nanning Guangxi 530007）

Abstract：Aiming at the background of Mechatronics integration， this paper analyses and discusses the design and modeling of virtual prototype， aiming at improving the efficiency of product design and realizing the rapid development of enterprises.

Key words：mechatronics; virtual prototype design; model construction