基于虛擬原型的機電一體化建模與仿真技術研究

隨著科學技術的不斷發展，機械工業生產逐漸朝著先進化、自動化的方向發展。傳統的設計方式已經很難當前的綜合性需求，其弊端表現主要表現在以下幾個方面：第一，領域的單向性發展。第二，技術設計方式片面化。第三，建模理念較為分散。所以，本文針對以上情況，探討基于虛擬原型的機電一體化建模與方針技術。

“機電一體化”就是將現有的工業機械制造設計與信息技術相結合，將信息數據分析過程融入到工藝之中，以實現生產的整體性與最優化。傳統的機械制造手段已經不能適應精益化的技術要求。只有以“機械”為載體，以“信息分析”為核心的實際化格局才是生產所需要的。

一、虛擬原型技術與機電一體化

（一）虛擬原型技術的基本原理

虛擬原型技術是一種以“并行設計思想”為主導，以信息化手段為線索的設計方式。與傳統的科技理念相比，它的先進性體現在設計系統的形成與控制模塊的多樣化。在其總體系的內部有不同類型的功能化子設計，計算機可以將各子系統進行連接，按照結構性的不同進行合理劃分。在規劃的過程中，系統中心會形成動態的設計中心，并通過一定的關系式進行結合。從構成要素上來看，模型的建立方式并不是獨立而單一的，它主要根據不同類型的子系統形成模型聯合端口，聯合端口的組成部分主要包括：產品的性能、產品外觀、仿真模型建立平臺以及CAD方式的產品設計。以上子系統在協作的基礎上有著共同的目標，都是對電力進行控制，對整體結構進行優化。虛擬模型的建立主要借助“仿真”與“建?！眱蓚€部分。從建模的方法上看，它可以以計算機為基礎進行資料整合，將各學科的有關知識都結合到一起，篩選出程序所需要的部分，以測試指標為依據，分析產品的實際性能與綜合利益效率。而從仿真的角度來講，系統主要是在實際工況的環境下進行操作模擬，通過對數據和測評方式內容進行分析，并根據系統的要求決定是否升級或者優化。最終在屏幕上將可視化結果表現出來。另外，通過虛擬建模的操作，設計人員還可以在產品運行前對物質的綜合性能進行研究，對不完善的方面進行改進，從而縮短了生產時間，提升了工作人員的辦事效率，避免了操作階段的失誤情況發生。

（二）虛擬原型技術的系統結構

系統結構是虛擬原型技術的主要支撐，也是產品展示的具體化內容。如圖一

所示，該圖是虛擬原型技術系統結構圖。我們可以從圖中看出，產品的模擬系統主要是以實際的設計對象為主，對主體目標進行整合，建立領域內的實體對象集，在服務器節點處進行運營操作。而整個虛擬原型仿真界面可以通過計算機顯示出來，以客戶節點的方式進行綜合性綜合。為了將設計指標制定的更加完整，子系統還可以在聯合的基礎上嵌入一些其他的信息，例如：應用CAD的核心算法對軟件模型進行控制，將產品的各零部件進行拆分，對關鍵部位進行重新組合等等。為了使整體化的效果更強，在設計平面內部還可以進行動畫仿真模擬，對結構進行優化。

二、基于模擬原型的機電一體化建模與仿真

（一）基于模擬原型的機電一體化建模設計

機電一體化的功能構成主要分為數據集合中心、控制系統、動力傳感系統以及功能構造與仿真四個部分。在建模的設計上，它主要的側重點在于對功能的描述和產品設計步驟的模擬。第一，設計人員要根據產品的設計標準確立模型機樣本。以“虛擬三維軟件”為基礎，對產品的具體形態進行還原。第二，對產品的設計尺寸、外形、性能等內容進行標準化制定，制定的依據是將其放在虛擬建模中心的工具添加模塊上，利用三維軟件的展示功能進行形態化選擇。三維軟件可以將產品的各物理側面表現出來，使設計人員可以在計算機界面上了解到實際應用性與狀態整合性。第三，數據結構分析手段。在產品原型設計完成后，建模中心可以對運維結果進行輔助化測試，測試的部分主要包括幾何外形、實踐功能應用、制造模板以及應用性等方面。測試結構會在建模內部進行處理，以動態可視化的方式表現出來。所以，虛擬建模在信息技術的支持下有著一定的真實性，它完全是按照樣本的可控結構進行實際操作，利用相關軟件對產品進行分析，在歸結多樣化手法的基礎上予以準確性評估。建模內部可預測的功能有產品的運行速度、產品的表象特征、產品的抗壓性分析以及能夠使用的時間長度等等。這些方面都是設計可靠性的依據，為產品的優化以及優勢分析奠定了良好基礎。

（二）基于模擬原型的機電一體化仿真設計

基于模擬原型的機電一體化仿真設計主要表現在以下幾個方面：第一，機械性仿真對涉及到零部件的重新組合、系統功能的最大優化數值、機械性動力分析、機械運行的仿真平臺設計等等。其中，零部件的重新組合主要是根據有限元的安裝插件進行合理化評估，在評估時間限定結構中予以準和?？傮w插件可以對相關性能進行分析，對材料的數量與種類進行設定，利用力學結構對其強度和性能進行測評。從而設計出尺寸規范、機械動力強勁、傳遞性強的選型模式。機械仿真平臺還能夠為系統中心提供大量的數據支持，對研究的環境進行規劃，對機械運行元素予以準核。第二，仿真基礎上機械的動力學參數都是相對標準的，它可以根據實際情況對模擬原型的碰撞、傳感器互換、電機運行速度等進行實際分析，為零件設計提供大量的有效支持。

綜上所述，本文以虛擬原型技術的建立作為出發點，對機電一體化建模與仿真進行分析。從而得出：在虛擬環境的實驗過程中，能夠對機械設備的零件性能與運行結構進行模型建立，并在仿真的基礎上實現有效參數的制定與動力化測評，為我國機械制造的科學化生產奠定了良好基礎。

（作者單位：湖南常德職業技術學院）