虛擬原型技術(shù)與機電一體化論文

　　虛擬原型技術(shù)與機電一體化論文【1】

　　摘 要 隨著科學技術(shù)向生產(chǎn)力逐步轉(zhuǎn)化，機電一體化產(chǎn)品的設計已經(jīng)涉及到機械、電氣和控制等眾多領(lǐng)域。

　　單領(lǐng)域、分散建模的設計方法已經(jīng)很難滿足產(chǎn)品綜合設計的要求。

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

　　關(guān)鍵詞 虛擬原型 機電一體化 技術(shù)

　　隨著全球經(jīng)濟的增速發(fā)展，制造行業(yè)之間的競爭日趨激烈，競爭的核心已經(jīng)轉(zhuǎn)移到以創(chuàng)新技術(shù)和高附加值為基礎的新產(chǎn)品的競爭。

　　作為制造行業(yè)的企業(yè)，一方面為了企業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展，提高產(chǎn)品在制造行業(yè)的競爭力，就必須解決其產(chǎn)品的“T(時間)”、“Q(產(chǎn)品質(zhì)量)”、“C(成本)”、“S(售后服務)”、“E(環(huán)境)” 等難題。

　　另一方面，隨著計算機技術(shù)以及相關(guān)高新技術(shù)的快速發(fā)展，全球性的市場競爭日益激烈，產(chǎn)品消費結(jié)構(gòu)不斷向多元化方向發(fā)展，面對無法預測的市場需求以及用戶對產(chǎn)品的個性化需求，企業(yè)就必須盡快改變品種，更新設計，縮短新產(chǎn)品的研發(fā)的周期，提高產(chǎn)品的設計質(zhì)量，降低產(chǎn)品的研發(fā)成本，進行創(chuàng)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(yè)在激烈的競爭中立于不敗之地。

　　1虛擬原型技術(shù)的基本原理

　　虛擬原型技術(shù)是一種以CAX/DFX技術(shù)為基礎的并行設計思想，與傳統(tǒng)的串行設計思想相比，最大的優(yōu)點在于它將多領(lǐng)域技術(shù)設計的不同功能的子系統(tǒng)有機的結(jié)合起來，通過一定的關(guān)系形成一個動態(tài)系統(tǒng)。

　　從構(gòu)成上看，虛擬原型是由不同工具開發(fā)的子模型組成的模型聯(lián)合體，主要包括：產(chǎn)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(shù)，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(lǐng)域的理論在虛擬工況環(huán)境下分析產(chǎn)品關(guān)鍵性能指標，進一步進行可視化處理，并根據(jù)仿真的數(shù)據(jù)結(jié)果對系統(tǒng)進行完善和優(yōu)化。

　　通過虛擬原型技術(shù)，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(chǎn)品的總體性能進行了解，從而縮短研制時間，降低系統(tǒng)研制成本，提高了產(chǎn)品的競爭力。

　　2虛擬原型的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展應用

　　2.1虛擬原型的關(guān)鍵技術(shù)

　　雖然虛擬原型技術(shù)還處于發(fā)展的初期階段，還沒有形成一個完整的技術(shù)體系，但是一些關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)得到廣泛認可。

　　主要包括系統(tǒng)總體技術(shù)、支撐環(huán)境技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、多領(lǐng)域協(xié)同仿真技術(shù)、一體化建模和信息/過程管理技術(shù)等。

　　2.1.1系統(tǒng)總體技術(shù)

　　系統(tǒng)總體技術(shù)從產(chǎn)品設計的全局出發(fā)，規(guī)定和協(xié)調(diào)子系統(tǒng)的運行和支持虛擬原型開發(fā)的各部分之間的關(guān)系，使各個部分組成一個有機的整體，實現(xiàn)信息、資源的共享，最終完成總體的設計。

　　總體技術(shù)主要涉及規(guī)范化的標準、協(xié)議、集成技術(shù)和方法以及系統(tǒng)的運行模式等。

　　2.1.2支撐環(huán)境技術(shù)

　　虛擬原型支撐環(huán)境技術(shù)是一個支持并管理產(chǎn)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(xié)同 CAX/DFX 技術(shù)來開發(fā)和實施虛擬樣機工程的集成應用系統(tǒng)平臺。

　　這種技術(shù)能提供相應數(shù)據(jù)、模型、CAX/DFX 設計工具等，而且還能支持復雜產(chǎn)品的設計活動。

　　更重要的是這種技術(shù)還能支持虛擬原型開發(fā)設計過程中組織、過程和技術(shù)三個重要組成部分的有機結(jié)合，并對虛擬產(chǎn)品數(shù)據(jù)/模型以及項目進行管理和優(yōu)化，支持不同工具，能夠?qū)⒉煌�的應用系統(tǒng)集成。

　　2.1.3虛擬原型技術(shù)的發(fā)展應用

　　虛擬原型技術(shù)是有多學科技術(shù)支撐的一門新興綜合性技術(shù)，發(fā)展前景廣闊，市場巨大。

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

　　在國內(nèi)，由于虛擬原型技術(shù)在產(chǎn)品設計方面的絕對優(yōu)勢，使設計人員對其越來越親睞，從各個關(guān)鍵技術(shù)的研究到開發(fā)模式研究亦逐漸形成一定的規(guī)模。

　　這樣必將促進這一先進制造技術(shù)的推廣和應用，增強我國企業(yè)新產(chǎn)品的研發(fā)能力，提高我國企業(yè)在世界制造業(yè)中的地位。

　　虛擬原型技術(shù)在一些較發(fā)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(yè)、工程機械、航空航天業(yè)、造船業(yè)、機械電子工業(yè)、國防工業(yè)、通用機械到人機工程學、生物力學、醫(yī)學以及工程咨詢等眾多領(lǐng)域。

　　3虛擬原型技術(shù)與機電一體化產(chǎn)品設計

　　虛擬原型技術(shù)是一種以先進建模技術(shù)、多領(lǐng)域仿真技術(shù)、信息管理技術(shù)、交互式用戶界面技術(shù)等為基礎的嶄新的產(chǎn)品開發(fā)的方法，與傳統(tǒng)的機電產(chǎn)品設計思想和方法比較具有很多的優(yōu)點。

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

　　所以，對于兩者之間的關(guān)系我們可以從以下幾個方面進行分析和認識：

　　(1)從產(chǎn)品的開發(fā)設計的思想來看，傳統(tǒng)的機電一體化產(chǎn)品的設計通常是相對簡單規(guī)范化的串行開發(fā)過程，這種設計思想雖然是復雜的開發(fā)活動變得可理解、可管理，但是它沒有考慮到產(chǎn)品開發(fā)過程中各個環(huán)節(jié)之間的并行關(guān)系，導致產(chǎn)品開發(fā)周期長，開發(fā)成本高。

　　前期的環(huán)節(jié)對后期的環(huán)節(jié)考慮少，導致設計返工次數(shù)很高，更重要的是沒有充分估計產(chǎn)品的可制造性，很難在早期發(fā)現(xiàn)并解決問題，尤其是對于復雜的產(chǎn)品設計。

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

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

　　4本章小結(jié)

　　本章討論了虛擬原型技術(shù)的基本原理、組成部分、關(guān)鍵技術(shù)以及今后的發(fā)展，最后從產(chǎn)品設計思想、虛擬原型技術(shù)與機電產(chǎn)品設計的關(guān)系以及今后產(chǎn)品設計發(fā)展的趨勢分析了機電一體化產(chǎn)品設計。

　　虛擬原型的機電一體化建模與仿真技術(shù)論文【2】

　　引言：隨著科技的發(fā)展，機電一體化產(chǎn)品已經(jīng)涉及到了機械、電氣、控制等領(lǐng)域，單功能、獨立領(lǐng)域的設計，已經(jīng)無法滿足日益增長的需求，所以將機電一體化產(chǎn)品基于虛擬原型進行設計，是時代發(fā)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(shù)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(jié)合產(chǎn)品。隨著機電一體化技術(shù)的快速發(fā)展，機電一體化被人們廣泛接受，并普遍應用于各個領(lǐng)域，尤其是隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，機電一體化技術(shù)進入了高速發(fā)展期。

　　一、對于虛擬原型的機電一體化建模技術(shù)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(huán)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(tǒng)開發(fā)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(chǎn)品中的機械部分進行模型構(gòu)建的過程，即利用SolidWorks 軟件對產(chǎn)品的機械部件進行零件設計、裝備設計、干涉檢查等內(nèi)容。

　　①零件設計

　　零件設計是指利用SolidWorks 軟件對產(chǎn)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(gòu)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(chǎn)品的基礎元素是零件，一系列的零件構(gòu)成了一個具有完整功能的結(jié)構(gòu)，一系列的功能結(jié)構(gòu)構(gòu)成了一個完整的產(chǎn)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。

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　　一個裝配成型的產(chǎn)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(jié)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(tǒng)，運動控制系統(tǒng)主要包括運動控制、路徑規(guī)劃等。

　　二、對于虛擬原型的機電一體化仿真技術(shù)研究

　　對于虛擬原型的機電一體化仿真技術(shù)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(gòu)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(chǎn)品的仿真技術(shù)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(jié)構(gòu)與有限元分析等。

　�、贆C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(huán)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(huán)境下仿真設計運動控制系統(tǒng)，對機械模型的運動性能，以及相關(guān)參數(shù)進行統(tǒng)一確定。

　�、跈C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(huán)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。

　�、蹤C械結(jié)構(gòu)與有限元分析

　　機械結(jié)構(gòu)與有限元分析是對機械模型的功能部件進行結(jié)構(gòu)分析和力學分析，利用SolidWorks 軟件的 Simulation 插件提供的數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)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(yōu)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(nèi)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(nèi)容是：時序邏輯控制、運動路徑規(guī)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(xù)控制仿真設計，控制模型的時序邏輯，規(guī)劃模型的運動路徑等。

　　結(jié)束語

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

　　參考文獻

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