虛擬樣機在機電一體化的可行性研究

呂福玲

1 機電一體化的發展

現代科學技術的發展，推動了不同學科的相互交叉與滲透。機械工程與電子計算機、自動控制的協同集成，促成了機電一體化（Mechatronics）技術的興起與蓬勃發展。目前，機電一體化技術的基本特征可概括為[[1]：從系統的觀點出發，綜合運用機械技術、微電子技術、自動控制技術、計算機技術、信息技術、傳感測試技術、電力電子技術、信號變換技術以及軟件編程技術等群體技術，根據系統功能目標和優化組織結構目標，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高質量、高可靠性、低能耗的意義上實現特定功能價值，并使整個系統最優化的系統功能技術。由此而產生的功能系統，則成為一個機電一體化產品。

機電一體化產品的開發也同其他產品一樣，經歷了從傳統的串行開發到并行開發，到先進的基于虛擬樣機的開發過程。在基于虛擬樣機的機電一體化產品開發流程中進一步加大了并行化程度，將強調重點從上下游設計開發的并行活動轉移到多學科領域協同設計與仿真上來。開發過程中常常會涉及到多個學科領域專家的協作，虛擬樣機技術正是解決多專家協同設計的有效途徑。20世紀90年代初，機電一體化產品設計主要指設計參數的產生與優化，系統性能及行為的仿真，所涉及的設計理論與方法主要有：整體最優化理論、智能化設計理論、柔性化設計理論、網絡化設計理論、融合原理與可靠性原理等。20世紀90年代后半期以來，產品競爭開始加速由生產階段前移至設計階段，對機電一體化系統的研究重點也從詳細設計階段、改進設計階段前移至概念設計階段。探求一套適合機電一體化系統特點的概念設計方法成為機電一體化產品創新設計的關鍵。而基于虛擬樣機的設計思路也是解決機電一體化產品前期概念設計需求的有效方法。

針對機電一體化產品開發技術發展的需要，進行基于虛擬樣機的機電產品協同設計環境的能模型、體系結構和實施關鍵技術等內容的研究，重點探討廣義執行機構子系統動力學建模仿真、多學科協同工作機制、仿真模型庫的組織結構及構建方法、機電一體化產品分布式協同仿真的基本原理和實現方法。目的是為加快機電一體化產品概念設計的進程提供一種新的技術方法和支持環境，希望帶來更多的創新靈感。

2 虛擬樣機設計原理與關鍵技術分析

虛擬樣機（virtual prototype， VP）是在CAD/CAM/CAE和物理樣機基礎上發展起來的，其基礎為多體系統動力學、結構有限元理論、其它領域物理系統的建模與仿真理論等，以及多領域物理系統混合建模與仿真理論，是產品的多領域數字化模型的集合體，包含有真實產品的所有關鍵特征，一些學者給出虛擬樣機的三個要素：進行功能分析的仿真模型、表達幾何形狀與結構的CAD模型和用于實現可視化與表達的虛擬環境模型。虛擬樣機是在一個或多個領域模型上，依賴不同子系統的集成，以一定關系模擬（仿真）一個動態系統，采用計算機輔助的方法，借助渲染與場景設置，利用幾何數據生成產品的逼真效果圖，產生能用此方式評價的三維模型，以達到認識現實或輔助設計的目的。其一般設計原理可歸結為。虛擬樣機作為研究動態系統行為的有效方法，不僅涉及幾何信息，還提供人機交互虛擬現實三維場景的工具；同時虛擬樣機系統具有考慮干涉、操作模擬、運動模擬或動力學模擬等物理邊界條件的可能性。通過應用虛擬樣機，人們可在早期產品規劃階段預示產品特性，了解所采用制造方法的結果或制訂的加工進程的可行性。這樣，可以避免在產品制造后期才發現問題和錯誤而帶來的損失。在產品設計中，由于受到領域知識與主觀愿望的制約，每個領域的專家總是會過多地考慮產品某一方面的性能或指標，而忽略了產品的綜合指標。特別是在機電一體化產品設計中，多個領域專家協作是不可避免的。虛擬樣機正是解決多專家協同設計的有效途徑。

3 虛擬樣機關鍵使能技術

虛擬樣機技術是以并行工程思想為指導，以CAX/DFX技術為基礎，以協同仿真技術為核心的先進數字化設計方法。虛擬樣機技術正處于發展階段，還沒有一個公認的、完整的技術組成框架，但如下的一些關鍵技術已得到廣泛認同。

1.系統總體與集成環境技術。系統總體技術從全局出發，考慮支持虛擬樣機開發的各部分之間的關系，規定和協調各子系統的運行，并將它們組成有機的整體，實現信息和資源共享，完成總體目標。總體技術涉及規范化體系結構和采用的標準、規范與協議、網絡與數據庫技術、系統集成技術和集成方法以及系統運行模式等。虛擬樣機集成環境是一個支持并管理產品全生命周期虛擬化設計過程與性能評估活動，支持分布采用協同CAX/DFX技術來開發和實施虛擬樣機工程的集成應用系統平臺。它能提供相應數據、模型庫、CAX/DFX設計工具、相關模擬器/仿真應用系統、協同仿真平臺和可視化環境、基于知識管理的協同環境等，支持產品全生命周期的設計活動、仿真和分析活動；能支持虛擬樣機開發過程中組織、技術和過程三個要素的有機結合，支持虛擬產品數據、模型和項目的管理與優化，支持不同工具、不同應用系統的集成。

2.多學科領域協同建模技術。多學科協同建模技術通過提供一個邏輯上一致、可描述產品全生命周期相關的各類信息的公共產品模型描述方法，支持各類不同模型的信息共享、集成與協同運行，實現不同層次上產品的構造、功能和行為的描述與模擬；支持模型在產品全生命周期上的一致表示與信息交換和共享，實現在產品全生命周期上的應用；支持模型相關數據信息的映射、提煉與交換，實現對產品全方位的協同測試、分析與評估；支持虛擬產品各類模型的協同建模與協同仿真活動，實現開發環境與運行環境的緊密集成。從當前建模技術的發展趨勢上看，采用層次化建模和模型抽象技術、多模式建模概念、并行和分布式建模技術、基于元模型的建模和基于知識的建模技術是未來復雜產品建模技術的發展方向。

3.協同仿真技術協同仿真技術是基于建模技術、分布仿真技術和信息管理技術的綜合應用技術，是在各領域建模、仿真分析工具和CAX/DFX技術基礎上的進一步發展。協同仿真即包含在時間軸上對產品全生命周期的單點仿真分析，也強調在同一時間點上對象在系統層面上的聯合仿真分析。協同仿真技術是不同的人員采用各自領域專業設計與分析工具協同地開發復雜系統的一條有效途徑。復雜產品協同仿真實驗技術主要解決由不同工具、不同算法，甚至不同描述語言實現的分布、異構模型之間的互操作與分布式仿真問題，以及在系統層次上對虛擬產品進行外觀、功能與行為的模擬和分析問題。協同仿真運行管理技術負責管理在協同仿真運行中各類模型的狀態及其流程設計與管理等。

4 虛擬樣機在機電一體化中的意義

機電一體化產品方案創新設計迫切需要解決的關鍵問題是：創新方案的產生、創新方案的表達、創新方案的計算機輔助實現[4]。前兩個問題己有很多學者作了大量研究與應用工作。針對第三個問題，即機電一體化系統方案設計的計算機輔助實現，涉及到虛擬樣機技術及其支撐平臺。基于虛擬樣機技術的機電一體化產品設計支撐平臺是計算機輔助方案創新的重要輔助工具，是實現機電一體化產品創新的關鍵。