探究機電一體化系統(tǒng)虛擬樣機的異構(gòu)建模和仿真

王緒鑫

摘要：隨著社會的發(fā)展科技的進步，計算機仿真及虛擬現(xiàn)實的技術(shù)也日趨的成熟。利用虛擬樣機代替物理樣機，可以極大地縮短設(shè)計的時間，最積極以及電子等產(chǎn)品的設(shè)計及制造中發(fā)揮著重要的作用。本文對機電一體化系統(tǒng)虛擬樣機的異構(gòu)建模和仿真進行了探究，以供借鑒。

關(guān)鍵詞：機電一體化;虛擬樣機;異構(gòu)建模;仿真

機械和電子多個領(lǐng)域的相互緊密配合才可以更好地完成機電一體化產(chǎn)品的設(shè)計工作。而傳統(tǒng)的設(shè)計方法，需要將機械和電子部分設(shè)計完成之后，并制造出物理樣機之后才能進行測試，從而找出設(shè)計中的問題或者缺陷，并獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。這樣做會使設(shè)計工作不斷的反復(fù)，延長了設(shè)計和制造的時間，增加了投入的成本。

1.虛擬樣機概念分析

虛擬樣機是在計算機技術(shù)基礎(chǔ)上，可替代物理樣機并保證真實度的一種技術(shù)，其在替代物理樣機后，能夠?qū)蜻x設(shè)計實行有效評估和處理，并通過模型、仿真及仿真物的綜合運用，對很多產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行科學(xué)處理與整合，實現(xiàn)理論設(shè)計的有效轉(zhuǎn)變，保證最終產(chǎn)品的質(zhì)量。虛擬樣機技術(shù)的應(yīng)用能夠充分結(jié)合環(huán)境特征實現(xiàn)對機電一體化產(chǎn)品的全面性建模模擬研究，在虛擬和仿真技術(shù)的支持下，對產(chǎn)品的運行狀態(tài)及功能特征予以直觀展現(xiàn)，幫助設(shè)計人員準(zhǔn)確了解產(chǎn)品的實際情況，并從中找出不足之處加以改進，提高機電一體化產(chǎn)品的整體水平。另外，在虛擬樣機技術(shù)的推動下，能夠為集成化產(chǎn)品設(shè)計提供可靠依據(jù)和支持，解決物理樣機設(shè)計中存在的各種問題，以計算機及機械系統(tǒng)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)數(shù)字模型的科學(xué)構(gòu)建和處理，在仿真技術(shù)的推動下，對模型結(jié)構(gòu)、外觀、動力學(xué)等特征展開深入分析和思考，做到優(yōu)化調(diào)整，給出最佳設(shè)計方案，確保機電一體化產(chǎn)品的實用性。

2.虛擬樣機代替物理樣機的優(yōu)點

隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，CAD，計算機仿真及虛擬現(xiàn)實技術(shù)也日趨的成熟起來。虛擬樣機代替物理樣機，使產(chǎn)品的設(shè)計和制造過程變得簡便起來，虛擬機以及設(shè)計數(shù)據(jù)和設(shè)計的理念為基礎(chǔ)，通過仿真等手段替代物理樣機，其具備了以下的優(yōu)點：

首先在設(shè)計的早期就進行了構(gòu)造，同時可以根據(jù)在機械和電子的設(shè)計過程中進行修改，因此，對于概念的設(shè)計具有良好的支持作用。

為設(shè)計及相關(guān)的技術(shù)人員提供了逼真的外觀以及真正的模擬功能，使相關(guān)人員能夠進行相互之間的交流，促進了相關(guān)人員相互間的合作。

虛擬樣機的構(gòu)建可以使設(shè)計去進行下游的工作，而不必如傳統(tǒng)一樣按部就班的去進行，使任務(wù)間的依賴性得以有效地降低，使設(shè)計工程能夠多頭并舉的進行。

2.1關(guān)鍵技術(shù)及需求

虛擬樣機中的關(guān)鍵技術(shù)有很多，如系統(tǒng)總體技術(shù)、集成環(huán)境技術(shù)、綜合建模技術(shù)、協(xié)同仿真技術(shù)、過程管理、虛擬環(huán)境仿真技術(shù)、校正技術(shù)等，這些技術(shù)在虛擬樣機中占據(jù)著非常重要的位置，設(shè)計中要對這些技術(shù)實行綜合分析與考量，確保設(shè)計產(chǎn)品不僅外觀滿足實際需求，在使用中還能夠很好的滿足環(huán)境及操作要求，提高產(chǎn)品的使用頻率。同時，在這些技術(shù)的推動下，實現(xiàn)產(chǎn)品從概念到設(shè)計的創(chuàng)新優(yōu)化，完善系統(tǒng)功能，且借助多個數(shù)字模型的構(gòu)建展開產(chǎn)品的綜合分析與探究，使產(chǎn)品全面滿足規(guī)定要求，加強操作的有效性。

2.2 虛擬樣機技術(shù)對于產(chǎn)品的設(shè)計方案

在設(shè)計中，先要明確設(shè)計任務(wù)及目標(biāo)要求，即產(chǎn)品使用中需要節(jié)省的時間及經(jīng)濟效益，考慮到產(chǎn)品質(zhì)量和運行狀況，對其展開進一步的優(yōu)化和調(diào)整，完善產(chǎn)品整體效果。在利用虛擬樣機規(guī)劃產(chǎn)品設(shè)計方案中，應(yīng)遵循建模、測試、校驗、改正及目的操作這幾項流程要求，加強設(shè)計的合理性、可靠性。在建模中，要做好單領(lǐng)域與多領(lǐng)域間的協(xié)同處理，設(shè)置合理的約束條件，保證模型的有效驅(qū)動;測試階段，要對虛擬測試機器、環(huán)境、測量方案等予以嚴(yán)格把關(guān);在校驗過程中，需要對系統(tǒng)參數(shù)及較為敏感區(qū)域予以重點把控和分析，保障其合理性;改正則是要根據(jù)目的要求實行細化處理，對現(xiàn)存問題進行優(yōu)化調(diào)整;目的操作則是指在方案生成后展開實際作業(yè)，驗證方案合理性與否。在整個流程操作中，校驗和改進是提高方案可行性的關(guān)鍵，也是對方案和理性加以準(zhǔn)確評估的重要環(huán)節(jié)，需加大對其的重視力度，采取合理措施，提升設(shè)計水平。

3.虛擬樣機的機電一體化建模技術(shù)探討

機電一體化虛擬樣機的易購建模過程就是以機械和控制為基礎(chǔ)的框架，利用solidworks軟件，進行機械以，電氣的建模以及控制建模。

3.1機械建模

是對機電一體化設(shè)計產(chǎn)品中的機械部分進行模型構(gòu)建的過程，它包括了機械部件零件設(shè)計，裝備設(shè)以及干涉檢查等內(nèi)容。

零件設(shè)計是指運用solidworks軟件對所需要的機械零件通過三維的設(shè)計，體現(xiàn)出零件的造型以及特征。這些特征組成了零件的基本元素。零件設(shè)計的造型本身只是平面上的草圖，通過點線和圓弧等幾何元素構(gòu)成了零件的二維輪廓，而這些幾何元素是三維造型的基礎(chǔ)【1】。

機電一體化的產(chǎn)品是由零間作為基礎(chǔ)構(gòu)建成的。而虛擬樣機基于機電一體化產(chǎn)品其基本元素也是零件。通過對一系列零件的設(shè)計組成完整的功能結(jié)構(gòu)，使產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)得以發(fā)揮，從而形成完整的產(chǎn)品。零件設(shè)計完成之后，就需要對三維的零件進行裝配，從而構(gòu)建出完整的三維模型。

由零件元素構(gòu)建而成的三維模型建成之后，成型的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是極其復(fù)雜的。組成的零件之間是否存在干擾及干涉的現(xiàn)象，是無法通過肉眼來檢查的，因此需要對三維模型進行干涉的檢查，其中包括了運動碰撞，體積等干涉檢查活動，如果存在著相互間的干涉，就需要對模型進行修正直至此項工作完成【2】。

3.2電氣建模

在機械建模的基礎(chǔ)上，進行電氣功能的添加，這一過程就是電氣建模過程。例如利用軟件將限位器，電機，PCB電路板，位置傳感器等電器功能進行附加，從而形成了具有電氣特征的功能部件，從而使機械模型變?yōu)闄C電一體化的三維模型。

3.3控制建模

就是指運用solidworks軟件中的NISoftmotion模塊設(shè)計控制程序，建立起機電一體化的三維模型的運動控制系統(tǒng)，這個運動控制系統(tǒng)，其中包括了路徑的規(guī)劃，運動控制等。

4.機電一體化虛擬樣機仿真技術(shù)探討

機電一體化虛擬樣機仿真技術(shù)，就是利用機械建模，電氣建模以及控制建模等構(gòu)建出的三維模型來進行設(shè)計制造產(chǎn)品的原型改造，實體的實質(zhì)以及功能的檢測。包括了機械的仿真設(shè)計，電器以及電器控制的仿真設(shè)計。

4.1機械的仿真設(shè)計

機械的仿真設(shè)計主要是指對機電一化產(chǎn)品的特性進行仿真，主要包含了機械動力學(xué)的方面設(shè)計，機械運動學(xué)的訪問設(shè)計以及機械結(jié)構(gòu)和有限元分析等等方面。

機械動力學(xué)的仿真設(shè)計是運用solidworks的虛擬環(huán)境，在機械的模型上添加一系列的力學(xué)元素以及運動元素，例如電機的摩擦力，電機的機械運動，然后在LabVIEW環(huán)境下對設(shè)計的運動進行仿真以及控制，從而對機械模型的運動性能及其相關(guān)的參數(shù)進行收集和分析【3】。

機械的運動學(xué)仿真設(shè)計同理是利用虛擬的環(huán)境，對機械模型的運動進行設(shè)計，使之做出各種不同的運動，對機械模型的運動進行仿真，從而了解機械模型運動過程中是否存在著碰撞，機械模型的運動軌跡等。

利用solidworks及simulation插件的數(shù)據(jù)，對機體模型的功能部分進行力學(xué)的分析以及結(jié)構(gòu)的分析，從而了解和掌握制作材料的應(yīng)力需求以及強度需求等因素，確定出材料的特性。同時可以掌握機械結(jié)構(gòu)的幾何尺寸，傳動系統(tǒng)的選型，并根據(jù)機械運動的軌跡，例句以及速度，對機械部分進一步進行優(yōu)化，使設(shè)計更加合理【4】。

電氣和控制的仿真，它包括了電氣仿真設(shè)計以及控制仿真設(shè)計。這個仿真設(shè)計，其主要內(nèi)容是設(shè)置和應(yīng)用傳感器，電機的設(shè)計以及應(yīng)用等。是仿真設(shè)計，包含了運動路徑的規(guī)劃，傳動以及連接件運動，時序的邏輯控制等方面內(nèi)容。模型的設(shè)計階段，利用solidworks軟件，對傳感器和電氣等元件進行設(shè)置，并對模型進行實旭邏輯，規(guī)劃等控制進行仿真，找出其中存在的不合理現(xiàn)象，并不斷地進行修正和改進，直至達到設(shè)計的需求。

結(jié)束語：

機電一體化虛擬樣機的異構(gòu)建模和仿真，需要進行模型的構(gòu)建，機械，電器，控制模型的構(gòu)建，最終形成機電一體化的產(chǎn)品的三維模型，并利用仿真的技術(shù)進行功能，原型等檢測以及修改，為設(shè)計和制造工作提供有力的技術(shù)支持，減少了設(shè)計中的反復(fù)，提高了產(chǎn)品開發(fā)的效率，縮短了產(chǎn)品開發(fā)的周期同時并節(jié)約了設(shè)計的成本。因此我們要進行不斷地研究和探討，把計算機技術(shù)，智能技術(shù)以及生物，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等技術(shù)進行結(jié)合，提高機電產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)的效益，促進機電一體化技術(shù)的進一步發(fā)展。

參考文獻：

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[4]苑紹志，胡愛軍，謝金法.機電產(chǎn)品虛擬樣機的建模和仿真技術(shù)及實踐[J].河南科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2004，06：16-19.