虛擬原型技術與機電一體化論文

　　虛擬原型技術與機電一體化論文【1】

　　摘 要 隨著科學技術向生產力逐步轉化，機電一體化產品的設計已經涉及到機械、電氣和控制等眾多領域。

　　單領域、分散建模的設計方法已經很難滿足產品綜合設計的要求。

　　通過對機電一體化技術與虛擬原型技術的深入研究并且將虛擬原型技術引入到機電一體化產品設計，得到基于虛擬原型的機電一體化設計技術，以滿足機電產品多領域交互設計的需求。

　　關鍵詞 虛擬原型 機電一體化 技術

　　隨著全球經濟的增速發展，制造行業之間的競爭日趨激烈，競爭的核心已經轉移到以創新技術和高附加值為基礎的新產品的競爭。

　　作為制造行業的企業，一方面為了企業的可持續性發展，提高產品在制造行業的競爭力，就必須解決其產品的“T(時間)”、“Q(產品質量)”、“C(成本)”、“S(售后服務)”、“E(環境)” 等難題。

　　另一方面，隨著計算機技術以及相關高新技術的快速發展，全球性的市場競爭日益激烈，產品消費結構不斷向多元化方向發展，面對無法預測的市場需求以及用戶對產品的個性化需求，企業就必須盡快改變品種，更新設計，縮短新產品的研發的周期，提高產品的設計質量，降低產品的研發成本，進行創新設計，這樣才能夠應對快速多變的市場需求以及用戶的需求，進而使企業在激烈的競爭中立于不敗之地。

　　1虛擬原型技術的基本原理

　　虛擬原型技術是一種以CAX/DFX技術為基礎的并行設計思想，與傳統的串行設計思想相比，最大的優點在于它將多領域技術設計的不同功能的子系統有機的結合起來，通過一定的關系形成一個動態系統。

　　從構成上看，虛擬原型是由不同工具開發的子模型組成的模型聯合體，主要包括：產品的CAD模型、外觀模型、功能和性能仿真模型以及電氣和控制模型等。

　　借助于這種技術，工程師們可以通過計算機軟件建立機械模型，利用各學科等領域的理論在虛擬工況環境下分析產品關鍵性能指標，進一步進行可視化處理，并根據仿真的數據結果對系統進行完善和優化。

　　通過虛擬原型技術，設計人員可以在實物樣機制造出來之前，通過計算機軟件在很大程度對產品的總體性能進行了解，從而縮短研制時間，降低系統研制成本，提高了產品的競爭力。

　　2虛擬原型的關鍵技術及發展應用

　　2.1虛擬原型的關鍵技術

　　雖然虛擬原型技術還處于發展的初期階段，還沒有形成一個完整的技術體系，但是一些關鍵技術已經得到廣泛認可。

　　主要包括系統總體技術、支撐環境技術、虛擬現實技術、多領域協同仿真技術、一體化建模和信息/過程管理技術等。

　　2.1.1系統總體技術

　　系統總體技術從產品設計的全局出發，規定和協調子系統的運行和支持虛擬原型開發的各部分之間的關系，使各個部分組成一個有機的整體，實現信息、資源的共享，最終完成總體的設計。

　　總體技術主要涉及規范化的標準、協議、集成技術和方法以及系統的運行模式等。

　　2.1.2支撐環境技術

　　虛擬原型支撐環境技術是一個支持并管理產品全生命周期虛擬化設計過程與性能評估的活動，支持分布異地的團隊采用協同 CAX/DFX 技術來開發和實施虛擬樣機工程的集成應用系統平臺。

　　這種技術能提供相應數據、模型、CAX/DFX 設計工具等，而且還能支持復雜產品的設計活動。

　　更重要的是這種技術還能支持虛擬原型開發設計過程中組織、過程和技術三個重要組成部分的有機結合，并對虛擬產品數據/模型以及項目進行管理和優化，支持不同工具，能夠將不同的應用系統集成。

　　2.1.3虛擬原型技術的發展應用

　　虛擬原型技術是有多學科技術支撐的一門新興綜合性技術，發展前景廣闊，市場巨大。

　　虛擬原型技術面對產品設計的整個過程，使產品設計人員與用戶之間的相互聯系更加緊密，縮短研制的周期，降低技術的風險，提高產品的質量，降低了產品的成本，增強了企業的競爭力。

　　在國內，由于虛擬原型技術在產品設計方面的絕對優勢，使設計人員對其越來越親睞，從各個關鍵技術的研究到開發模式研究亦逐漸形成一定的規模。

　　這樣必將促進這一先進制造技術的推廣和應用，增強我國企業新產品的研發能力，提高我國企業在世界制造業中的地位。

　　虛擬原型技術在一些較發達國家，如美國、德國、日本等已得到廣泛的應用，應用涉及到汽車制造業、工程機械、航空航天業、造船業、機械電子工業、國防工業、通用機械到人機工程學、生物力學、醫學以及工程咨詢等眾多領域。

　　3虛擬原型技術與機電一體化產品設計

　　虛擬原型技術是一種以先進建模技術、多領域仿真技術、信息管理技術、交互式用戶界面技術等為基礎的嶄新的產品開發的方法，與傳統的機電產品設計思想和方法比較具有很多的優點。

　　可以推想，將虛擬原型技術融入到機電一體化產品的設計中將會使機電一體化技術得到進一步的發展，也將會產生一種先進的機電一體化設計技術。

　　所以，對于兩者之間的關系我們可以從以下幾個方面進行分析和認識：

　　(1)從產品的開發設計的思想來看，傳統的機電一體化產品的設計通常是相對簡單規范化的串行開發過程，這種設計思想雖然是復雜的開發活動變得可理解、可管理，但是它沒有考慮到產品開發過程中各個環節之間的并行關系，導致產品開發周期長，開發成本高。

　　前期的環節對后期的環節考慮少，導致設計返工次數很高，更重要的是沒有充分估計產品的可制造性，很難在早期發現并解決問題，尤其是對于復雜的產品設計。

　　(2)從今后產品設計發展趨勢來看，機電一體化產品設計屬于產品設計的范疇，虛擬原型技術必然可以應用到機電一體化產品的設計之中。

　　機電一體化產品的設計基于多領域技術(計算機與信息技術、自動控制技術、傳感檢測技術、伺服傳動技術和機械技術等)融合、交互，數字化、虛擬化也是今后發展的趨勢。

　　4本章小結

　　本章討論了虛擬原型技術的基本原理、組成部分、關鍵技術以及今后的發展，最后從產品設計思想、虛擬原型技術與機電產品設計的關系以及今后產品設計發展的趨勢分析了機電一體化產品設計。

　　虛擬原型的機電一體化建模與仿真技術論文【2】

　　引言：隨著科技的發展，機電一體化產品已經涉及到了機械、電氣、控制等領域，單功能、獨立領域的設計，已經無法滿足日益增長的需求，所以將機電一體化產品基于虛擬原型進行設計，是時代發展的必然趨勢。本文對于虛擬原型的機電一體化建模與仿真技術進行了研究。

　　機電一體化又被稱做機械電子工程，是機械工程與自動化的結合產品。隨著機電一體化技術的快速發展，機電一體化被人們廣泛接受，并普遍應用于各個領域，尤其是隨著計算機技術的發展，機電一體化技術進入了高速發展期。

　　一、對于虛擬原型的機電一體化建模技術研究

　　虛擬原型的機電一體化建模過程是以“機械-控制”為基礎框架，在綜合環境影響下，進行機械建模，電氣建模，以及控制建模。常用的建模與仿真軟件如SolidWorks，它是世界上第一個基于Windows系統開發的CAD軟件。

　　(一)機械建模

　　機械建模是對基于虛擬原型的機電一體化產品中的機械部分進行模型構建的過程，即利用SolidWorks 軟件對產品的機械部件進行零件設計、裝備設計、干涉檢查等內容。

　　①零件設計

　　零件設計是指利用SolidWorks 軟件對產品所需要的機械零件進行三維設計。零件的三維造型是通過其特征來實行的，造型本身只是平面上的草圖。所謂的特征，就是零件的基本元素;而草圖，是零件的點、線、圓弧等幾何元素構成的二維輪廓，是零件三維造型的基礎。

　　②裝配設計

　　基于虛擬原型的機電一體化產品的基礎元素是零件，一系列的零件構成了一個具有完整功能的結構，一系列的功能結構構成了一個完整的產品。所以在機械建模中，完成了零件設計以后，需要利用SolidWorks 軟件對三維零件進行裝配，使其成為一個完整的三維模型。

　　③干涉檢查

　　一個裝配成型的產品是極其復雜的，零件之間是否存在干涉問題，是無法通過肉眼進行檢查的，所以需要利用SolidWorks 軟件對三維模型進行干涉檢查，包括體積干涉檢查、運動碰撞干涉檢查等。如果檢查結果存在干涉，則需要對模型進行修正，直到檢查無干涉為止。

　　(二)電氣建模

　　電器建模是基于機械建模的基礎，對機械模型進行電氣功能添加的過程。比如，可以利用SolidWorks 軟件將限位器、位置傳感器、電機、PCB電路板等電氣功能附加在功能結構上，從而形成一個個具有電氣特征的功能部件，最終將機械模型轉化成機電一體化的三維模型。

　　(三)控制建模

　　控制建模是指利用SolidWorks 軟件的NI SoftMotion模塊設計控制程序，從而控制機械一體化模型的運動控制系統，運動控制系統主要包括運動控制、路徑規劃等。

　　二、對于虛擬原型的機電一體化仿真技術研究

　　對于虛擬原型的機電一體化仿真技術研究，其主要目的是利用機械建模、電氣建模和控制建模等構建的三維模型來進行功能測試、原型修改、實體試制等。機電一體化產品的仿真技術包含機械特性仿真設計、電氣和控制仿真設計等方面。

　　(一)機械特性仿真設計

　　機械特性仿真設計主要包括三個方面，即機械動力學仿真設計、機械運動學仿真設計、機械結構與有限元分析等。

　　①機械動力學仿真設計

　　機械動力學仿真設計是利用 SolidWorks的虛擬環境，在機械模型上添加一系列力學元素和運動元素，如摩擦力、電機等，之后在LabVIEW環境下仿真設計運動控制系統，對機械模型的運動性能，以及相關參數進行統一確定。

　　②機械運動學仿真設計

　　機械運動學仿真設計是利用SolidWorks的虛擬環境，對機械模型進行運動設計，從而進行機械模型運動的仿真、機械模型碰撞的偵測、機械模型運動軌跡的設計等。

　　③機械結構與有限元分析

　　機械結構與有限元分析是對機械模型的功能部件進行結構分析和力學分析，利用SolidWorks 軟件的 Simulation 插件提供的數據用來參考和支持，可以對材料的應力需求、強度需求等因素進行分析，從而確定需求材料的特性，以及機械結構的幾何尺寸、傳動系選型等問題，并將機械運作的軌跡、速度和力矩等信息記錄下來，來進步一步優化整個機械部分的設計。

　　(二)電氣和控制仿真設計

　　電氣和控制仿真設計包括電氣仿真設計和控制仿真設計兩方面，其中電氣仿真設計的主要內容是：傳感器的設置和應用、電機的設置和應用;控制仿真設計的主要內容是：時序邏輯控制、運動路徑規劃、傳動與連接件運動仿真設計等。

　　在模型設計階段，首先要利用SolidWorks軟件進行電氣仿真設計，完成對傳感器和電機等電氣特征元件的設置和應用，然后才能進行后續控制仿真設計，控制模型的時序邏輯，規劃模型的運動路徑等。

　　結束語

　　綜上所述，對于虛擬原型的機電一體化產品，首先要進行模型構建，依次進行機械模型構件、電氣模型構建、控制模型構建，最終形成完整的基于虛擬原型的機電一體化產品的三維模型，并利用仿真技術來進行功能測試、原型修改、實體試制等。

　　參考文獻

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