基于虛擬原型的機電一體化建模與仿真技術分析

申運

（湖南瀟湘技師學院，湖南永州，425000）

基于虛擬原型的機電一體化建模與仿真技術分析

申運

（湖南瀟湘技師學院，湖南永州，425000）

隨著我國虛擬技術的發展，它在各行各業中的應用更加廣泛，尤其是虛擬原型技術能夠更好地完善產品性能，提高設計效果。文章分析了虛擬原型技術的原理及機電一體化建模和仿真技術，期望更好的促進科學技術的發展，

虛擬原型；機電一體化；建模；仿真

0 引言

現代產品的研發和設計流程需要多個團隊和學科領域相互協同，如何高效的實現產品設計，協調好各個子系統設計團隊的工作和信息共享，提高產品設計效果，降低產品設計成本，縮短產品設計周期，值得思考。基于虛擬原型技術的機電一體化設計，包括建模和仿真兩個過程，伴隨著現代設計制造業的發展而迅速發展。通過該技術可以將電子、控制、軟件、液壓等多個不同學科領域的模型，組合得到一個更加完整的仿真模型，并獲得最佳的設計方案。

1 虛擬原型技術的基本原理

采用虛擬原型技術進行產品設計的具體原理如下：首先通過分析得出產品設計的性能指標，采用不同的工具開發出不同的子模型，并將這些子模型組合在一起，利用計算機軟件完成模型的塑造，整個過程可視，完成產品的概念設計，然后構建虛擬原型設計和仿真需要的虛擬真實環境，通過三維軟件得出產品的3D模型，完成虛擬原型構建，最后在虛擬環境下對設計的產品性能進行仿真分析，使設計的系統性能更加完善，如圖1所示。

2 基于虛擬原型的機電一體化設計技術的特點

機電一體化設計中應用虛擬原型技術的特點具體論述如下：一是，由于機電一體化建模過程中涉及到多個部分，因此需要對不同部分中的模型進行需求分析，掌握設計的重點和難點要素，同時還要積極了解不同部分產品設計之間的關系，這是做好機電產品一體化設計的基礎和先決條件。二是，機電產品一體化設計過程中，不同部分之間存在模型對應關系，要充分對這種關系進行交互，才能使得到的模型數據具有交互性和動態性的特點，這是模型構建的關鍵；三是，在虛擬原型平臺上對產品不同部分進行設計時，一定要以平臺的綜合效益發揮為基礎，這樣平臺才能夠使其成為各個領域建模工具的重要樞紐。四是，在設計機電一體化虛擬原型時，一定要以機電一體化產品的設計原則和理念為指導，妥善處理好設計模型與設計理念之間的關系。

圖1 虛擬原型設計原理

3 機電系統主體建模與仿真技術研究

3.1 主體建模

3.1.1 產品功能模型

基于虛擬原型的機電一體設計需要首先構建產品的功能模型，其功能包括四部分：控制功能、動力功能、傳感檢測功能、操作功能、結構功能，主要由機械、電子和軟件組成，設計中對應三個系統：執行系統、控制系統及傳感檢測子系統。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。

3.1.2 設計過程模型

機電一體化產品設計方案的過程模型包含三部分：功能層、行為層及結構層。功能層包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；行為層包含有檢測、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。

3.2 基于虛擬原型機電一體化仿真設計的概述

在仿真過程中，以上述構建的機電一體化產品虛擬原型為基礎，通過仿真分析可以優化整合產品設計系統的性能，達到良好的設計效果。本研究選擇的仿真軟件是Solidworks-LabVIEW進行聯合仿真設計，具體過程如下：首先應用SolidWorks軟件構件機電產品的機械模型，然后，通過LabVIEW軟件將各個模塊以集成的形式將各個模塊聯系在一起將建立的3D CAD機械模型與LabVIEW軟件之間建立起聯系，最后，利用LabVIEW軟件編寫控制算法，實現這兩個軟件之間的協同作用，對機電產品進行性能測試和評定，基于SolidWorks-LabVIEW進行聯合仿真設計。由于文章篇幅有限，只論述設計的一部分，以機電產品的機械特性仿真設計中的機械結構、零件的有限元分析為例進行具體論述，該設計只使用Solidworks軟件。

機械特性的仿真設計包括機械動力學仿真設計、機械零件的有限元分析及機械運行學仿真設計，其中機械結構及零部件的有限元分析就是利用Solidworks Simulation插件中分析機械部分的結構和力學分析，如使用的材料的安全性能及強度、應力等，通過分析可以確定轉動系統選型及機械結構的幾何尺寸等。在對產品的零部件進行設計時，為了確保設計產品的功能，通常會對一些重要的零部件進行線性動力、疲勞、熱力、屈力、頻率、靜態等進行分析。

SolidWorks Simulation軟件是一種分析軟件，主要是對基于有限（FEA數值）技術的設計進行分析。采用SolidWorks Simulation軟件分析裝配體或零部件的FEA數值時，主要包括以下的步驟：在SolidWorks Simulation軟件環境中構建需要的算法、確定材料、添加約束條件、載荷施加、網格劃分、點擊運行、得到運行結果進行分析。選取FrontRail零件為代表對零部件設計中有限元分析的重要性進行說明。（1）構建新的算法：在Simulation菜單中對需要的“算例”進行選擇，同時給新構建的算法命名。（2）確定應用材料：在靜態分析樹中，通過單擊右鍵可以選擇需要的“應用材料”，在下拉菜單中左鍵單擊“選擇材料來源”就可以實現材料的選擇，同時選擇材料時還可以看見材料相關的附帶信息。（3）添加約束條件：在Simulation Study樹中，右鍵單擊“夾具”并選擇“固定幾何體”，此時可以對模型進行轉動，轉動過程中確定需要施加載荷的面。（4）外部載荷：約束好模型之后，可以向模型施加外部載荷。右鍵單擊“外部載荷”并選擇“扭矩”，需要定義的載荷選項列出之后，可以在“扭矩”的屬性管理器中進行相應的設置。（5）劃分網格：網格劃分好之后就可以進行有限元分析，網格劃分完成之后，幾何模型會劃分成為多個有限個單元。右鍵單擊“網格”選擇“生成網格”功能，將會彈出窗口，對網格屬性進行設置。（6）運行分析：當全部的準備工作準確無誤的完成之后，選擇分析方法，右鍵單擊“靜態分析”圖標并選擇“運行”，則會進行分析，分析完成之后得到分析結果，見圖2。根據圖2可知，最大的Von Mises應力、材料的最大屈服應力分別為621633.1（N/m^2）、282685049（N/m^2），圖2中紅顏色的即是。根據分析結果可以確定產品設計中需要的合適材料，同時我們還可以這樣我們還可以變化相應的參數如外部的載荷力大寫等，得到另一種分析結果，最終提高設計的零部件性能，達到設計的要求。總之，在機電一體化產品設計中涉及到的零部件都會進行這種分析，以確定零件的選材，并且保證設計的產品體積最小，安全性能最高，為機械模型的構建提供數據支撐。

圖2 運行結果

4 結束語

隨著虛擬技術的發展，它在機電一體化產品設計中等應用越來越廣泛，通過虛擬原型仿真可以提高產品設計性能，因此，應該對這方面加強研究，建立常用的機電一體化仿真模型，形成一種快速的仿真軟件系統，使其在實際設計過程中發揮更多的優勢。同時還要加強仿真軟件的研究，使其功能更加強大，不斷提高機電產品的設計水平。

[1]夏端武.中職機電專業與本科自動化課程銜接的研究[J].才智,2014(27):227-228.

[2]李加旺.職業學校機電專業精品課程建設的思考[J].電子制作,2014(15):170.

[3]王友權.機電一體化非均勻運動產生綜合裝置研究[J].電子制作,2014(15):196-197.

Analysis of Mechatronics Modeling and Simulation Based on Virtual Prototype

Shen Yun
(Hunan Xiaoxiang technician college,Yongzhou Hunan,425000)

With the development of virtual technology in China,it is more widely used in all walks of life,especially the virtual prototype technology can improve the product performance and improve the design effect.This paper analyzes the principle of virtual prototyping technology and the integration of electromechanical modeling and simulation technology,and hopes to promote the development of science and technology

virtual prototyping;electromechanical integration;modeling;simulation

申運（1985-），男，湖南邵陽人，漢族，本科，助教，主要從事機電教學工作。