探究機(jī)電一體化系統(tǒng)虛擬樣機(jī)的異構(gòu)建模和仿真

王緒鑫

摘要：隨著社會(huì)的發(fā)展科技的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)仿真及虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)也日趨的成熟。利用虛擬樣機(jī)代替物理樣機(jī)，可以極大地縮短設(shè)計(jì)的時(shí)間，最積極以及電子等產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及制造中發(fā)揮著重要的作用。本文對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)虛擬樣機(jī)的異構(gòu)建模和仿真進(jìn)行了探究，以供借鑒。

關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化;虛擬樣機(jī);異構(gòu)建模;仿真

機(jī)械和電子多個(gè)領(lǐng)域的相互緊密配合才可以更好地完成機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作。而傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，需要將機(jī)械和電子部分設(shè)計(jì)完成之后，并制造出物理樣機(jī)之后才能進(jìn)行測(cè)試，從而找出設(shè)計(jì)中的問(wèn)題或者缺陷，并獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。這樣做會(huì)使設(shè)計(jì)工作不斷的反復(fù)，延長(zhǎng)了設(shè)計(jì)和制造的時(shí)間，增加了投入的成本。

1.虛擬樣機(jī)概念分析

虛擬樣機(jī)是在計(jì)算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上，可替代物理樣機(jī)并保證真實(shí)度的一種技術(shù)，其在替代物理樣機(jī)后，能夠?qū)蜻x設(shè)計(jì)實(shí)行有效評(píng)估和處理，并通過(guò)模型、仿真及仿真物的綜合運(yùn)用，對(duì)很多產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)處理與整合，實(shí)現(xiàn)理論設(shè)計(jì)的有效轉(zhuǎn)變，保證最終產(chǎn)品的質(zhì)量。虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用能夠充分結(jié)合環(huán)境特征實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品的全面性建模模擬研究，在虛擬和仿真技術(shù)的支持下，對(duì)產(chǎn)品的運(yùn)行狀態(tài)及功能特征予以直觀展現(xiàn)，幫助設(shè)計(jì)人員準(zhǔn)確了解產(chǎn)品的實(shí)際情況，并從中找出不足之處加以改進(jìn)，提高機(jī)電一體化產(chǎn)品的整體水平。另外，在虛擬樣機(jī)技術(shù)的推動(dòng)下，能夠?yàn)榧苫a(chǎn)品設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)和支持，解決物理樣機(jī)設(shè)計(jì)中存在的各種問(wèn)題，以計(jì)算機(jī)及機(jī)械系統(tǒng)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字模型的科學(xué)構(gòu)建和處理，在仿真技術(shù)的推動(dòng)下，對(duì)模型結(jié)構(gòu)、外觀、動(dòng)力學(xué)等特征展開(kāi)深入分析和思考，做到優(yōu)化調(diào)整，給出最佳設(shè)計(jì)方案，確保機(jī)電一體化產(chǎn)品的實(shí)用性。

2.虛擬樣機(jī)代替物理樣機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，CAD，計(jì)算機(jī)仿真及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也日趨的成熟起來(lái)。虛擬樣機(jī)代替物理樣機(jī)，使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程變得簡(jiǎn)便起來(lái)，虛擬機(jī)以及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)的理念為基礎(chǔ)，通過(guò)仿真等手段替代物理樣機(jī)，其具備了以下的優(yōu)點(diǎn)：

首先在設(shè)計(jì)的早期就進(jìn)行了構(gòu)造，同時(shí)可以根據(jù)在機(jī)械和電子的設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行修改，因此，對(duì)于概念的設(shè)計(jì)具有良好的支持作用。

為設(shè)計(jì)及相關(guān)的技術(shù)人員提供了逼真的外觀以及真正的模擬功能，使相關(guān)人員能夠進(jìn)行相互之間的交流，促進(jìn)了相關(guān)人員相互間的合作。

虛擬樣機(jī)的構(gòu)建可以使設(shè)計(jì)去進(jìn)行下游的工作，而不必如傳統(tǒng)一樣按部就班的去進(jìn)行，使任務(wù)間的依賴(lài)性得以有效地降低，使設(shè)計(jì)工程能夠多頭并舉的進(jìn)行。

2.1關(guān)鍵技術(shù)及需求

虛擬樣機(jī)中的關(guān)鍵技術(shù)有很多，如系統(tǒng)總體技術(shù)、集成環(huán)境技術(shù)、綜合建模技術(shù)、協(xié)同仿真技術(shù)、過(guò)程管理、虛擬環(huán)境仿真技術(shù)、校正技術(shù)等，這些技術(shù)在虛擬樣機(jī)中占據(jù)著非常重要的位置，設(shè)計(jì)中要對(duì)這些技術(shù)實(shí)行綜合分析與考量，確保設(shè)計(jì)產(chǎn)品不僅外觀滿(mǎn)足實(shí)際需求，在使用中還能夠很好的滿(mǎn)足環(huán)境及操作要求，提高產(chǎn)品的使用頻率。同時(shí)，在這些技術(shù)的推動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從概念到設(shè)計(jì)的創(chuàng)新優(yōu)化，完善系統(tǒng)功能，且借助多個(gè)數(shù)字模型的構(gòu)建展開(kāi)產(chǎn)品的綜合分析與探究，使產(chǎn)品全面滿(mǎn)足規(guī)定要求，加強(qiáng)操作的有效性。

2.2 虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案

在設(shè)計(jì)中，先要明確設(shè)計(jì)任務(wù)及目標(biāo)要求，即產(chǎn)品使用中需要節(jié)省的時(shí)間及經(jīng)濟(jì)效益，考慮到產(chǎn)品質(zhì)量和運(yùn)行狀況，對(duì)其展開(kāi)進(jìn)一步的優(yōu)化和調(diào)整，完善產(chǎn)品整體效果。在利用虛擬樣機(jī)規(guī)劃產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案中，應(yīng)遵循建模、測(cè)試、校驗(yàn)、改正及目的操作這幾項(xiàng)流程要求，加強(qiáng)設(shè)計(jì)的合理性、可靠性。在建模中，要做好單領(lǐng)域與多領(lǐng)域間的協(xié)同處理，設(shè)置合理的約束條件，保證模型的有效驅(qū)動(dòng);測(cè)試階段，要對(duì)虛擬測(cè)試機(jī)器、環(huán)境、測(cè)量方案等予以嚴(yán)格把關(guān);在校驗(yàn)過(guò)程中，需要對(duì)系統(tǒng)參數(shù)及較為敏感區(qū)域予以重點(diǎn)把控和分析，保障其合理性;改正則是要根據(jù)目的要求實(shí)行細(xì)化處理，對(duì)現(xiàn)存問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整;目的操作則是指在方案生成后展開(kāi)實(shí)際作業(yè)，驗(yàn)證方案合理性與否。在整個(gè)流程操作中，校驗(yàn)和改進(jìn)是提高方案可行性的關(guān)鍵，也是對(duì)方案和理性加以準(zhǔn)確評(píng)估的重要環(huán)節(jié)，需加大對(duì)其的重視力度，采取合理措施，提升設(shè)計(jì)水平。

3.虛擬樣機(jī)的機(jī)電一體化建模技術(shù)探討

機(jī)電一體化虛擬樣機(jī)的易購(gòu)建模過(guò)程就是以機(jī)械和控制為基礎(chǔ)的框架，利用solidworks軟件，進(jìn)行機(jī)械以，電氣的建模以及控制建模。

3.1機(jī)械建模

是對(duì)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)產(chǎn)品中的機(jī)械部分進(jìn)行模型構(gòu)建的過(guò)程，它包括了機(jī)械部件零件設(shè)計(jì)，裝備設(shè)以及干涉檢查等內(nèi)容。

零件設(shè)計(jì)是指運(yùn)用solidworks軟件對(duì)所需要的機(jī)械零件通過(guò)三維的設(shè)計(jì)，體現(xiàn)出零件的造型以及特征。這些特征組成了零件的基本元素。零件設(shè)計(jì)的造型本身只是平面上的草圖，通過(guò)點(diǎn)線(xiàn)和圓弧等幾何元素構(gòu)成了零件的二維輪廓，而這些幾何元素是三維造型的基礎(chǔ)【1】。

機(jī)電一體化的產(chǎn)品是由零間作為基礎(chǔ)構(gòu)建成的。而虛擬樣機(jī)基于機(jī)電一體化產(chǎn)品其基本元素也是零件。通過(guò)對(duì)一系列零件的設(shè)計(jì)組成完整的功能結(jié)構(gòu)，使產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)得以發(fā)揮，從而形成完整的產(chǎn)品。零件設(shè)計(jì)完成之后，就需要對(duì)三維的零件進(jìn)行裝配，從而構(gòu)建出完整的三維模型。

由零件元素構(gòu)建而成的三維模型建成之后，成型的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是極其復(fù)雜的。組成的零件之間是否存在干擾及干涉的現(xiàn)象，是無(wú)法通過(guò)肉眼來(lái)檢查的，因此需要對(duì)三維模型進(jìn)行干涉的檢查，其中包括了運(yùn)動(dòng)碰撞，體積等干涉檢查活動(dòng)，如果存在著相互間的干涉，就需要對(duì)模型進(jìn)行修正直至此項(xiàng)工作完成【2】。

3.2電氣建模

在機(jī)械建模的基礎(chǔ)上，進(jìn)行電氣功能的添加，這一過(guò)程就是電氣建模過(guò)程。例如利用軟件將限位器，電機(jī)，PCB電路板，位置傳感器等電器功能進(jìn)行附加，從而形成了具有電氣特征的功能部件，從而使機(jī)械模型變?yōu)闄C(jī)電一體化的三維模型。

3.3控制建模

就是指運(yùn)用solidworks軟件中的NISoftmotion模塊設(shè)計(jì)控制程序，建立起機(jī)電一體化的三維模型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，這個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其中包括了路徑的規(guī)劃，運(yùn)動(dòng)控制等。

4.機(jī)電一體化虛擬樣機(jī)仿真技術(shù)探討

機(jī)電一體化虛擬樣機(jī)仿真技術(shù)，就是利用機(jī)械建模，電氣建模以及控制建模等構(gòu)建出的三維模型來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)制造產(chǎn)品的原型改造，實(shí)體的實(shí)質(zhì)以及功能的檢測(cè)。包括了機(jī)械的仿真設(shè)計(jì)，電器以及電器控制的仿真設(shè)計(jì)。

4.1機(jī)械的仿真設(shè)計(jì)

機(jī)械的仿真設(shè)計(jì)主要是指對(duì)機(jī)電一化產(chǎn)品的特性進(jìn)行仿真，主要包含了機(jī)械動(dòng)力學(xué)的方面設(shè)計(jì)，機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)的訪問(wèn)設(shè)計(jì)以及機(jī)械結(jié)構(gòu)和有限元分析等等方面。

機(jī)械動(dòng)力學(xué)的仿真設(shè)計(jì)是運(yùn)用solidworks的虛擬環(huán)境，在機(jī)械的模型上添加一系列的力學(xué)元素以及運(yùn)動(dòng)元素，例如電機(jī)的摩擦力，電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，然后在LabVIEW環(huán)境下對(duì)設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真以及控制，從而對(duì)機(jī)械模型的運(yùn)動(dòng)性能及其相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行收集和分析【3】。

機(jī)械的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真設(shè)計(jì)同理是利用虛擬的環(huán)境，對(duì)機(jī)械模型的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使之做出各種不同的運(yùn)動(dòng)，對(duì)機(jī)械模型的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，從而了解機(jī)械模型運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是否存在著碰撞，機(jī)械模型的運(yùn)動(dòng)軌跡等。

利用solidworks及simulation插件的數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)體模型的功能部分進(jìn)行力學(xué)的分析以及結(jié)構(gòu)的分析，從而了解和掌握制作材料的應(yīng)力需求以及強(qiáng)度需求等因素，確定出材料的特性。同時(shí)可以掌握機(jī)械結(jié)構(gòu)的幾何尺寸，傳動(dòng)系統(tǒng)的選型，并根據(jù)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的軌跡，例句以及速度，對(duì)機(jī)械部分進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化，使設(shè)計(jì)更加合理【4】。

電氣和控制的仿真，它包括了電氣仿真設(shè)計(jì)以及控制仿真設(shè)計(jì)。這個(gè)仿真設(shè)計(jì)，其主要內(nèi)容是設(shè)置和應(yīng)用傳感器，電機(jī)的設(shè)計(jì)以及應(yīng)用等。是仿真設(shè)計(jì)，包含了運(yùn)動(dòng)路徑的規(guī)劃，傳動(dòng)以及連接件運(yùn)動(dòng)，時(shí)序的邏輯控制等方面內(nèi)容。模型的設(shè)計(jì)階段，利用solidworks軟件，對(duì)傳感器和電氣等元件進(jìn)行設(shè)置，并對(duì)模型進(jìn)行實(shí)旭邏輯，規(guī)劃等控制進(jìn)行仿真，找出其中存在的不合理現(xiàn)象，并不斷地進(jìn)行修正和改進(jìn)，直至達(dá)到設(shè)計(jì)的需求。

結(jié)束語(yǔ)：

機(jī)電一體化虛擬樣機(jī)的異構(gòu)建模和仿真，需要進(jìn)行模型的構(gòu)建，機(jī)械，電器，控制模型的構(gòu)建，最終形成機(jī)電一體化的產(chǎn)品的三維模型，并利用仿真的技術(shù)進(jìn)行功能，原型等檢測(cè)以及修改，為設(shè)計(jì)和制造工作提供有力的技術(shù)支持，減少了設(shè)計(jì)中的反復(fù)，提高了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的效率，縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的周期同時(shí)并節(jié)約了設(shè)計(jì)的成本。因此我們要進(jìn)行不斷地研究和探討，把計(jì)算機(jī)技術(shù)，智能技術(shù)以及生物，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，提高機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的效益，促進(jìn)機(jī)電一體化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]武文佳.基于SolidWorks&LabVIEW的虛擬原型機(jī)電一體化設(shè)計(jì)技術(shù)研究[D].西安電子科技大學(xué)，2012.

[2]徐章鎖.基于虛擬原型的機(jī)電一體化建模與仿真技術(shù)研究[D].西安電子科技大學(xué)，2013.

[3]趙文輝，李思昆.機(jī)電一體化系統(tǒng)虛擬樣機(jī)的異構(gòu)建模和仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2001，05：592-595.

[4]苑紹志，胡愛(ài)軍，謝金法.機(jī)電產(chǎn)品虛擬樣機(jī)的建模和仿真技術(shù)及實(shí)踐[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004，06：16-19.