機電一體化產品虛擬樣機協同建模與仿真技術研究

范向紅

摘要：隨著我國經濟的不斷發展，傳統的產品設計已經不能滿足現代行業的發展。同時，隨著科學技術不斷的進步，我國機械工程有效結合自動化技術，形成新領域的機械電子工程。尤其是虛擬樣機技術，結合了多種領域的先進技術，從而更好地完善產品性能。文章研究了機電一體化產品虛擬樣機協同建模與仿真技術，分析該設計的體系結構及模型庫的構建原理，并提出相關的見解，從而更好地促進科學技術的發展。

關鍵詞：機電一體化產品；虛擬樣機；建模與仿真

機電一體化是由機械學和電子學組成的，靈活地運用先進的計算機技術、電子技術、傳感技術以及信息轉換等技術，使其多項技術有效結合，研發出機電一體化設備，從而更好地帶動該技術的發展。其中的虛擬樣機技術，是以計算機技術為基礎，使其具有一定的功能真實度，更好地代替物理樣機，并有效地推動建模和仿真領域的發展。

1.虛擬樣機技術分析

虛擬樣機技術充分利用建模技術、仿真技術、信息設計以及管理技術，對于機電一體化產品進行全壽命及全結構的設計工作，同時進行綜合分析、評估和管理。隨著我國安全第一、質量第一生產標準的提出，國家對于機械產品的全生命周期管理意識在不斷加強，在提高生產效率的同時，也有效地提高了經濟效益，因此，虛擬樣機技術具有很大的發展空間。

1.1虛擬樣機概念分析

其定義是指基于計算機技術，有效地代替物理樣機，同時具有標準的真實度。其設計是指代替物理樣機之后，對于候選設計進行有效的評估。其環境是指模型、仿真和仿真物的綜合，將產品的多種結構良好結合，使其完成理論到設計的過渡。該技術會充分利用其環境，對于機電一體化產品進行全方位的建模研究，并利用虛擬和仿真領域的綜合，為機電一體化產品設計提供不同的見解。同時，虛擬樣機技術與集成化產品的設計是有關系的，是在建立物理樣機之前，利用基于計算機的功能及機械系統，構建數學模型，然后通過仿真分析確定該結構在實際情況下的特征，如外觀、空間結構及動力學等，通過不斷調整，得到最佳的設計計劃。

1.2關鍵技術及需求

虛擬樣機的關鍵技術主要包括系統總體技術、集成環境技術、綜合建模技術、協同仿真技術、過程管理技術、虛擬環境仿真及校正技術。對于該技術的設計，不僅需要滿足功能規定的外觀要求，同時還要滿足產品使用環境及操作等條件，是通過對于產品的概念、創新、系統等設計階段，建立數學模型，通過數學模型，對產品進行綜合分析，使其產品在達到規定行為的需求時，還符合產品操作、制造及銷毀等過程的需求。

1.3虛擬樣機技術對于產品的設計方案

首先，明確設計的任務，即產品需節省時間和經濟，同時有效提高質量和效率，然后在再改進產品。流程包括建模、測試、校驗、改正及目的操作。其中，建模主要是指單領域、多領域協同、約束、驅動等模型。測試是虛擬測試機器和環境、測量、方針等過程。校驗是指按照系統的性能，對參數進行敏感性的分析等。改進主要是指細化、迭代、優化。目的操作主要是指方案生成、模板設計等操作。校驗和改進及目的操作之間有著評估分析的聯系，即對于校驗的評估分析，確定結果是否合理，當結果不合理時，就要進行改進環節；當評估分析結果合理時，就可以進行目的操作。

1.4產品虛擬樣機的組成

基于機械控制協同的機電一體化產品，虛擬樣機模型的構成如圖1所示，行為模型由產品子系統組成，且具有層次性等特點。

2.支撐環境分析

2.1產品功能模型

產品的功能主要包括控制、動力、傳感檢測、操作及結構功能。主要由機械、電子和軟件組成，主要劃分為物理和控制系統，其中，物理系統包括驅動、執行等。機電系統中3個系統的關系是，執行系統是指廣義執行機構子系統，控制系統包括信息處理、控制以及傳感檢測子系統。首先，執行系統中驅動元件和執行機構會向傳感子系統發出檢測信號；然后，傳感系統向信息處理子系統發出反饋信號；最后，處理子系統會向執行子系統發送控制信號，從而將這幾種子系統更好地綜合。

2.2設計過程模型

機電一體化產品的方案設計過程模型主要包括：功能層，含有機電系統功能的理解、動作、分解以及控制和執行動作子功能；行為層，含有檢測、控制過程和執行動作；結構層，主要含有傳感器、軟件及控制器、執行機構，同時通過機電系統的結合理論，確定系統是否可行，最后通過評估，確定最佳的設計方案。其中，仿真模型的分解和組合的流程主要包括系統模型、子模型以及元模型3層，其中系統模型會分解成3個子系統模型，繼續經過多層分解成9個最小模型單元；同時每3個最小模型單元，通過合并成1個最小模型單元，繼續多層組合成子系統模型，再經過組合成系統模型。

3.機電系統主體建模與仿真技術研究

廣義執行元件不僅是驅動元件以及執行結構的綜合，同時也是機電系統的主體。對此，本文主要研究該結構在驅動情況下的運動和動力學特征。

3.1運動學、動力學研究

運動學是根據微動驅動、多自由度以及等、變轉動或移動確定元件，與運動鏈的運動探究及綜合，構建不同的運動學方程，從而進行有效的研究。其中，動力學通過不同系統的動力學方程的建立，在驅動函數基礎上，確定執行構件的運動和動態情況。對于動力學的研究，還會涉及正、逆問題，主要是指根據作用力、力矩，建立相關模型，從而求出運動軌跡。相反，逆問題就是己知運功軌跡求的作用力。

3.2建模方法分析

對于廣義執行機構的建模方法，主要是利用ADAMS為基礎的運動學，或是動力學的建模方式。其中涉及（非）線性代數方程以及積分算法等。

3.3仿真方法

同時利用建模方法的軟件，利用參數化分析法，如參數化點坐標、設計變量、參數運動式、參數表達式等。主要的流程是結合構件、驅動和力進行建模，然后通過，對于生成的結果，即設計是否最優，當結果為是時，會進行仿真結果后處理，并繪制循環目標函數，以及變量之間的關系曲線，輸出仿真動畫并將結果進行列表、分析；當結果為不是最優時，此時需要改變設計的變量值，調整建模，再進行求解器解算，將結果進行分析的循環，直到求解器解算的結果顯示設計是最佳的，同時還可以運用SimMechanics模型的仿真方法進行分析。

4.產品結構控制綜合分析

4.1綜合特性

基于物理模型進行的仿真模型，其中物理模型主要包括協同以及能量與信息耦合的子系統。同時，產品中的執行結構，主要是進行能量的傳換，與物理模型的能量子系統相互對應。而機電系統中結構和控制的綜合，主要體現在時間與時序、空間的協同，以及控制和運動精度的相互性，同時還有結構子系統的可控性，堅持控制器穩定、追蹤以及安全可靠控制的原則，使其控制系統的控制器有效配合。

4.2仿真建模技術分析

建模是為了能量更好地轉換，其中鍵合圖方法是針對于動力學系統，完成能量轉換、儲存以及消耗的結構分卡斤，將不同性能的變量通過能量守恒定律，轉換為共軛變量，即勢、流變量，使其對于這2種類型的變量綜合，完成不同范圍內的模型交互。同時還有多極點建模方法，是將共軛變量進行綜合，使其模型交互成對出現，從而更好地拓展建模領域。而方框圖方法則是利用基礎的控制模塊，將其利用線段進行連接，此時的模塊都是由傳遞函數綜合而成，不僅可以將控制系統進行很好的表達，同時也能輕易地獲得傳遞參數，從而有效的分析系統。

5.結語

綜上所述，本文通過對于機電一體化產品虛擬樣機協同建模與仿真技術的分析，掌握了機電系統的產品功能模型，從而合理地分析產品、結構與控制的特征。通過動力學以及運動學的特點、建模仿真技術的分析、以及仿真環境，從而更好地表明其建模方式。借助結構額和控制的協同，總結出具有多功能、多層次的仿真建模方式，從而更好地優化設計方案，積極地促進國家科學技術、科技創新以及社會經濟的發展。