基于SolidWorks與LabVIEW虛擬原型的機電一體化設計

楊雁冰

武漢職業技術學院電信學院，湖北武漢 430000

基于SolidWorks與LabVIEW虛擬原型的機電一體化設計

楊雁冰

武漢職業技術學院電信學院，湖北武漢 430000

虛擬設備的一體化設計主要在動態仿真和虛擬制造中起著很大的作用。目前信息化時代發展，虛擬原型的機電一體化設計越來越得到人們的關注。原型機的設計軟件有很多，在機械建模中SolidWorks的功能比較強大，因此值得研究與探討。

SolidWorks；LabVIEW；機電一體化

在當今信息化發展中制造技術也在不斷融入虛擬原型技術，這種技術主要以CAX（計算機輔助多元化技術的總稱）和DFX（3D環繞音效技術）與三維仿真技術構成的數字信息化設計。它能在原型機中模擬具有聽覺、視覺、觸覺以及各種需要的動作、行為以及性能等各方面仿真。虛擬技術在最近五年發展中并不是一成不變的，它是在不斷適應社會發展，形成動態技術，在科學領域占有很重要的位置，并且繼承了以前的電子CAD等軟件功能，在此基礎中又將更多的建模技術和信息采集與繼承技術有機地結合為一個整體，特別是在模型、人、技術和管理這四者緊密結合。所以原型機的發展越來越快，帶動的產業也越來越多。

1 概念設計之虛擬原型機的機電一體化

原型機主要用于原設備未生產定型前準備，主要用三維軟件進行建模，為后期三維交互設計建立了基礎。原型機主要的技術指標是用來模擬生產和實現人機交互，并且在產品的設計功能、布局以及產品外形尺寸設計中可以通過評價和分析來達到最佳的方案。

1.1 機電一體化的功能原型

機電一體化虛擬原型為機電一體化功能得到充分體現。經典的生產設備主要有機械系統、控制系統、運動系統和電氣系統組成，設計的學科知識比較多包括：機械設計、電子信息、軟硬件設計等方面，虛擬原型機在設計之初首先要對產品的功能模塊進行分析，并且以功能為子單元系統分解，找到可以有效實現的設計方案。在功能與邏輯環節直接影響到原型機的運行過程和實現功能。

1.2 虛擬原型機電一體化產品深化設計與虛擬樣機測試

虛擬原型機設計中期，需要進行功能、模塊和電氣連接分析，得出的結果用可視化技術和三維動畫仿真技術來顯現，這樣可以在出現的問題中及時發現問題。所以說虛擬樣機不僅僅是一個模型原型，還是一個能夠實現仿真動畫和人機交互功能的真實樣機，在場景中設計了現實生產環境，效果逼真，再利用第三方軟件比如Unity3d、 LabVIEW等軟件對模型進行交互和界面設計從而達到虛擬模型功能實現，可以測驗出產品的運動學特性、動力學特性、設備強度、生產效率以及產品自身壽命等技術指標。目前產品生產環境越來越復雜，有很多任務是工人所不能完成，利用計算機設計與機械相結合可以突出虛擬原型機的優勢，可以為生產企業或教育基地實現集成化管理、協同作業、極大地節約研發成本、提高開發效率、縮短研發周期。

2 虛擬原型機電一體化產品設計虛擬環境

原型機的設計首先采用三維軟件分別對設備外殼、機電系統、功能模塊建模，當產品模型組件完成后需要對功能模塊進行分解，然后選擇一款能夠與三維軟件同步的第三方軟件來實現虛擬原型機的動畫仿真控制和人機交互，產品的外形、結構、尺寸、功能模塊和材質能夠得到需求者認可，這樣才按照設計的原型機進行后期的加工制造。在本論文中主要用到兩款軟件：SolidWorks軟件和LabVIEW軟件。前者主要在虛擬設備建模中進行設計，后者對相應控制算法與功能實現進行設計。這兩款軟件相關介紹如下。

2.1 機械三維設計軟件SolidWorks

在三維機械設計中有很多軟件，如UG、Pro/E、SolidWorks等軟件，在這幾款軟件中SolidWorks作為新款設計軟件，在業界設計軟件中占一席之地，它的運行環境相對簡單，在Windows系統中都可以順暢運行，進行高質量的模型設計。在SolidWorks軟件內部具有獨特的參數實體特征，并且功能非常強大，比現有UG、Pro/E等軟件的操作界面更簡潔直觀。SolidWorks為整個原型機的設計提供100%可編輯，在軟件中可以隨時修改參數，零件設計、整機裝配和工程圖之間可以互相調用。除此之外，SolidWorks設計的零部件可以進行二次開發，文件能夠在VC++中進行調用，它還具有較好的開放性接口和功能擴展性，為開發者提供簡單、良好的開發平臺。

2.2 圖形化編程軟件LabVIEW

圖形開發軟件有很多，目前比較流行的一款軟件就是LabVIEW。它為三維模型提供簡單、穩定的圖形化編程開發環境，在工業、醫學、機電和實驗室研究中被廣泛應用。LabVIEW也可以說是一種標準的虛擬儀器控制和數據采集軟件，在它內部集成了功能強大地可視化虛擬儀器，開發者只需要根據原型機運行機制與LabVIEW圖形虛擬環境通過編程能夠實現機電一體化仿真，并且利用它可以方便地實現虛擬TCP/IP連接。LabVIEW在原型機開發中占有很重要的地位，其自身的編程過程在圖形化界面操作中生動有趣。

2.3 SolidWorks和LabVIEW搭建虛擬環境

SolidWorks機械設計軟件對原型機的機電控制部分組裝完成后，用該軟件集成的插件來完成三維模型格式輸出，達到仿真軟件能夠導入的格式。LabVIEW軟件主要用來編寫程序，針對原型機功能、結構、運行原理編寫能夠實現最好、最穩定的程序，并且在開發平臺中集成相關插件，能夠與SolidWorks軟件接口相連接，從而使原型機的機電一體化設計更加真實和完美。搭建虛擬環境的基本思想主要用來實現設備的電氣控制、機械運動和協同仿真等功能。主要實現的過程是用LabVIEW軟件集成的模塊接口和SolidWorks軟件自身的功能插件來實現對接。SolidWorks軟件中的SolidWorksMotion插件用來設計機械仿真運行；LabVIEW模塊接口控制設計與仿真模塊用來進行控制對象和算法的編程設計。

3 結論

在本論文中主要研究虛擬原型機的機電一體化設計中所涉及到的兩款軟件SolidWorks軟件和LabVIEW軟件進行簡單敘述，在此基礎上描述了軟件工具如何搭建模型和實現原型機在虛擬環境中進行仿真。在以后發展中虛擬技術會不斷得到大量應用，搭建產拼原型仿真和虛擬環境也會越來越簡單，流程也會有所縮減。

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TH-39

A

1674-6708（2015）148-0150-01

該論文來源于《SMT設備與維護仿真系統的研究與開發》課題，項目編號為2013YK777