探究機電一體化系統(tǒng)虛擬樣機的異構(gòu)建模和仿真(1)

王緒鑫

摘要：隨著社會的發(fā)展科技的進步，計算機仿真及虛擬現(xiàn)實的技術也日趨的成熟。利用虛擬樣機代替物理樣機，可以極大地縮短設計的時間，最積極以及電子等產(chǎn)品的設計及制造中發(fā)揮著重要的作用。本文對機電一體化系統(tǒng)虛擬樣機的異構(gòu)建模和仿真進行了探究，以供借鑒。

關鍵詞：機電一體化;虛擬樣機;異構(gòu)建模;仿真

機械和電子多個領域的相互緊密配合才可以更好地完成機電一體化產(chǎn)品的設計工作。而傳統(tǒng)的設計方法，需要將機械和電子部分設計完成之后，并制造出物理樣機之后才能進行測試，從而找出設計中的問題或者缺陷，并獲取相關的數(shù)據(jù)信息。這樣做會使設計工作不斷的反復，延長了設計和制造的時間，增加了投入的成本。

1.虛擬樣機概念分析

虛擬樣機是在計算機技術基礎上，可替代物理樣機并保證真實度的一種技術，其在替代物理樣機后，能夠?qū)蜻x設計實行有效評估和處理，并通過模型、仿真及仿真物的綜合運用，對很多產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行科學處理與整合，實現(xiàn)理論設計的有效轉(zhuǎn)變，保證最終產(chǎn)品的質(zhì)量。虛擬樣機技術的應用能夠充分結(jié)合環(huán)境特征實現(xiàn)對機電一體化產(chǎn)品的全面性建模模擬研究，在虛擬和仿真技術的支持下，對產(chǎn)品的運行狀態(tài)及功能特征予以直觀展現(xiàn)，幫助設計人員準確了解產(chǎn)品的實際情況，并從中找出不足之處加以改進，提高機電一體化產(chǎn)品的整體水平。另外，在虛擬樣機技術的推動下，能夠為集成化產(chǎn)品設計提供可靠依據(jù)和支持，解決物理樣機設計中存在的各種問題，以計算機及機械系統(tǒng)為基礎，實現(xiàn)數(shù)字模型的科學構(gòu)建和處理，在仿真技術的推動下，對模型結(jié)構(gòu)、外觀、動力學等特征展開深入分析和思考，做到優(yōu)化調(diào)整，給出最佳設計方案，確保機電一體化產(chǎn)品的實用性。

2.虛擬樣機代替物理樣機的優(yōu)點

隨著計算機技術的迅速發(fā)展，CAD，計算機仿真及虛擬現(xiàn)實技術也日趨的成熟起來。虛擬樣機代替物理樣機，使產(chǎn)品的設計和制造過程變得簡便起來，虛擬機以及設計數(shù)據(jù)和設計的理念為基礎，通過仿真等手段替代物理樣機，其具備了以下的優(yōu)點：

首先在設計的早期就進行了構(gòu)造，同時可以根據(jù)在機械和電子的設計過程中進行修改，因此，對于概念的設計具有良好的支持作用。

為設計及相關的技術人員提供了逼真的外觀以及真正的模擬功能，使相關人員能夠進行相互之間的交流，促進了相關人員相互間的合作。

虛擬樣機的構(gòu)建可以使設計去進行下游的工作，而不必如傳統(tǒng)一樣按部就班的去進行，使任務間的依賴性得以有效地降低，使設計工程能夠多頭并舉的進行。

2.1關鍵技術及需求

虛擬樣機中的關鍵技術有很多，如系統(tǒng)總體技術、集成環(huán)境技術、綜合建模技術、協(xié)同仿真技術、過程管理、虛擬環(huán)境仿真技術、校正技術等，這些技術在虛擬樣機中占據(jù)著非常重要的位置，設計中要對這些技術實行綜合分析與考量，確保設計產(chǎn)品不僅外觀滿足實際需求，在使用中還能夠很好的滿足環(huán)境及操作要求，提高產(chǎn)品的使用頻率。同時，在這些技術的推動下，實現(xiàn)產(chǎn)品從概念到設計的創(chuàng)新優(yōu)化，完善系統(tǒng)功能，且借助多個數(shù)字模型的構(gòu)建展開產(chǎn)品的綜合分析與探究，使產(chǎn)品全面滿足規(guī)定要求，加強操作的有效性。

2.2 虛擬樣機技術對于產(chǎn)品的設計方案

在設計中，先要明確設計任務及目標要求，即產(chǎn)品使用中需要節(jié)省的時間及經(jīng)濟效益，考慮到產(chǎn)品質(zhì)量和運行狀況，對其展開進一步的優(yōu)化和調(diào)整，完善產(chǎn)品整體效果。在利用虛擬樣機規(guī)劃產(chǎn)品設計方案中，應遵循建模、測試、校驗、改正及目的操作這幾項流程要求，加強設計的合理性、可靠性。在建模中，要做好單領域與多領域間的協(xié)同處理，設置合理的約束條件，保證模型的有效驅(qū)動;測試階段，要對虛擬測試機器、環(huán)境、測量方案等予以嚴格把關;在校驗過程中，需要對系統(tǒng)參數(shù)及較為敏感區(qū)域予以重點把控和分析，保障其合理性;改正則是要根據(jù)目的要求實行細化處理，對現(xiàn)存問題進行優(yōu)化調(diào)整;目的操作則是指在方案生成后展開實際作業(yè)，驗證方案合理性與否。在整個流程操作中，校驗和改進是提高方案可行性的關鍵，也是對方案和理性加以準確評估的重要環(huán)節(jié)，需加大對其的重視力度，采取合理措施，提升設計水平。

3.虛擬樣機的機電一體化建模技術探討

機電一體化虛擬樣機的易購建模過程就是以機械和控制為基礎的框架，利用solidworks軟件，進行機械以，電氣的建模以及控制建模。

3.1機械建模

是對機電一體化設計產(chǎn)品中的機械部分進行模型構(gòu)建的過程，它包括了機械部件零件設計，裝備設以及干涉檢查等內(nèi)容。

零件設計是指運用solidworks軟件對所需要的機械零件通過三維的設計，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。零件設計的造型本身只是平面上的草圖，通過點線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【1】。

機電一體化的產(chǎn)品是由零間作為基礎構(gòu)建成的。而虛擬樣機基于機電一體化產(chǎn)品其基本元素也是零件。通過對一系列零件的設計組成完整的功能結(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。零件設計完成之后，就需要對三維的零件進行裝配，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)是極其復雜的。組成的零件之間是否存在干擾及干涉的現(xiàn)象，是無法通過肉眼來檢查的，因此需要對三維模型進行干涉的檢查，其中包括了運動碰撞，體積等干涉檢查活動，如果存在著相互間的干涉，就需要對模型進行修正直至此項工作完成【2】。

3.2電氣建模

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

3.3控制建模

就是指運用solidworks軟件中的NISoftmotion模塊設計控制程序，建立起機電一體化的三維模型的運動控制系統(tǒng)，這個運動控制系統(tǒng)，其中包括了路徑的規(guī)劃，運動控制等。

4.機電一體化虛擬樣機仿真技術探討

機電一體化虛擬樣機仿真技術，就是利用機械建模，電氣建模以及控制建模等構(gòu)建出的三維模型來進行設計制造產(chǎn)品的原型改造，實體的實質(zhì)以及功能的檢測。包括了機械的仿真設計，電器以及電器控制的仿真設計。

4.1機械的仿真設計

機械的仿真設計主要是指對機電一化產(chǎn)品的特性進行仿真，主要包含了機械動力學的方面設計，機械運動學的訪問設計以及機械結(jié)構(gòu)和有限元分析等等方面。

機械動力學的仿真設計是運用solidworks的虛擬環(huán)境，在機械的模型上添加一系列的力學元素以及運動元素，例如電機的摩擦力，電機的機械運動，然后在LabVIEW環(huán)境下對設計的運動進行仿真以及控制，從而對機械模型的運動性能及其相關的參數(shù)進行收集和分析【3】。

機械的運動學仿真設計同理是利用虛擬的環(huán)境，對機械模型的運動進行設計，使之做出各種不同的運動，對機械模型的運動進行仿真，從而了解機械模型運動過程中是否存在著碰撞，機械模型的運動軌跡等。

利用solidworks及simulation插件的數(shù)據(jù)，對機體模型的功能部分進行力學的分析以及結(jié)構(gòu)的分析，從而了解和掌握制作材料的應力需求以及強度需求等因素，確定出材料的特性。同時可以掌握機械結(jié)構(gòu)的幾何尺寸，傳動系統(tǒng)的選型，并根據(jù)機械運動的軌跡，例句以及速度，對機械部分進一步進行優(yōu)化，使設計更加合理【4】。

電氣和控制的仿真，它包括了電氣仿真設計以及控制仿真設計。這個仿真設計，其主要內(nèi)容是設置和應用傳感器，電機的設計以及應用等。是仿真設計，包含了運動路徑的規(guī)劃，傳動以及連接件運動，時序的邏輯控制等方面內(nèi)容。模型的設計階段，利用solidworks軟件，對傳感器和電氣等元件進行設置，并對模型進行實旭邏輯，規(guī)劃等控制進行仿真，找出其中存在的不合理現(xiàn)象，并不斷地進行修正和改進，直至達到設計的需求。

結(jié)束語：

機電一體化虛擬樣機的異構(gòu)建模和仿真，需要進行模型的構(gòu)建，機械，電器，控制模型的構(gòu)建，最終形成機電一體化的產(chǎn)品的三維模型，并利用仿真的技術進行功能，原型等檢測以及修改，為設計和制造工作提供有力的技術支持，減少了設計中的反復，提高了產(chǎn)品開發(fā)的效率，縮短了產(chǎn)品開發(fā)的周期同時并節(jié)約了設計的成本。因此我們要進行不斷地研究和探討，把計算機技術，智能技術以及生物，網(wǎng)絡技術等技術進行結(jié)合，提高機電產(chǎn)品設計和生產(chǎn)的效益，促進機電一體化技術的進一步發(fā)展。

參考文獻：

[1]武文佳.基于SolidWorks&LabVIEW的虛擬原型機電一體化設計技術研究[D].西安電子科技大學，2012.

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

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

[4]苑紹志，胡愛軍，謝金法.機電產(chǎn)品虛擬樣機的建模和仿真技術及實踐[J].河南科技大學學報（自然科學版），2004，06：16-19.