探究机电一体化系统虚拟样机的异构建模和仿真(1)

王绪鑫

摘要：随着社会的发展科技的进步，计算机仿真及虚拟现实的技术也日趋的成熟。利用虚拟样机代替物理样机，可以极大地缩短设计的时间，最积极以及电子等产品的设计及制造中发挥着重要的作用。本文对机电一体化系统虚拟样机的异构建模和仿真进行了探究，以供借鉴。

关键词：机电一体化;虚拟样机;异构建模;仿真

机械和电子多个领域的相互紧密配合才可以更好地完成机电一体化产品的设计工作。而传统的设计方法，需要将机械和电子部分设计完成之后，并制造出物理样机之后才能进行测试，从而找出设计中的问题或者缺陷，并获取相关的数据信息。这样做会使设计工作不断的反复，延长了设计和制造的时间，增加了投入的成本。

1.虚拟样机概念分析

虚拟样机是在计算机技术基础上，可替代物理样机并保证真实度的一种技术，其在替代物理样机后，能够对候选设计实行有效评估和处理，并通过模型、仿真及仿真物的综合运用，对很多产品结构进行科学处理与整合，实现理论设计的有效转变，保证最终产品的质量。虚拟样机技术的应用能够充分结合环境特征实现对机电一体化产品的全面性建模模拟研究，在虚拟和仿真技术的支持下，对产品的运行状态及功能特征予以直观展现，帮助设计人员准确了解产品的实际情况，并从中找出不足之处加以改进，提高机电一体化产品的整体水平。另外，在虚拟样机技术的推动下，能够为集成化产品设计提供可靠依据和支持，解决物理样机设计中存在的各种问题，以计算机及机械系统为基础，实现数字模型的科学构建和处理，在仿真技术的推动下，对模型结构、外观、动力学等特征展开深入分析和思考，做到优化调整，给出最佳设计方案，确保机电一体化产品的实用性。

2.虚拟样机代替物理样机的优点

随着计算机技术的迅速发展，CAD，计算机仿真及虚拟现实技术也日趋的成熟起来。虚拟样机代替物理样机，使产品的设计和制造过程变得简便起来，虚拟机以及设计数据和设计的理念为基础，通过仿真等手段替代物理样机，其具备了以下的优点：

首先在设计的早期就进行了构造，同时可以根据在机械和电子的设计过程中进行修改，因此，对于概念的设计具有良好的支持作用。

为设计及相关的技术人员提供了逼真的外观以及真正的模拟功能，使相关人员能够进行相互之间的交流，促进了相关人员相互间的合作。

虚拟样机的构建可以使设计去进行下游的工作，而不必如傳统一样按部就班的去进行，使任务间的依赖性得以有效地降低，使设计工程能够多头并举的进行。

2.1关键技术及需求

虚拟样机中的关键技术有很多，如系统总体技术、集成环境技术、综合建模技术、协同仿真技术、过程管理、虚拟环境仿真技术、校正技术等，这些技术在虚拟样机中占据着非常重要的位置，设计中要对这些技术实行综合分析与考量，确保设计产品不仅外观满足实际需求，在使用中还能够很好的满足环境及操作要求，提高产品的使用频率。同时，在这些技术的推动下，实现产品从概念到设计的创新优化，完善系统功能，且借助多个数字模型的构建展开产品的综合分析与探究，使产品全面满足规定要求，加强操作的有效性。

2.2 虚拟样机技术对于产品的设计方案

在设计中，先要明确设计任务及目标要求，即产品使用中需要节省的时间及经济效益，考虑到产品质量和运行状况，对其展开进一步的优化和调整，完善产品整体效果。在利用虚拟样机规划产品设计方案中，应遵循建模、测试、校验、改正及目的操作这几项流程要求，加强设计的合理性、可靠性。在建模中，要做好单领域与多领域间的协同处理，设置合理的约束条件，保证模型的有效驱动;测试阶段，要对虚拟测试机器、环境、测量方案等予以严格把关;在校验过程中，需要对系统参数及较为敏感区域予以重点把控和分析，保障其合理性;改正则是要根据目的要求实行细化处理，对现存问题进行优化调整;目的操作则是指在方案生成后展开实际作业，验证方案合理性与否。在整个流程操作中，校验和改进是提高方案可行性的关键，也是对方案和理性加以准确评估的重要环节，需加大对其的重视力度，采取合理措施，提升设计水平。

3.虚拟样机的机电一体化建模技术探讨

机电一体化虚拟样机的易购建模过程就是以机械和控制为基础的框架，利用solidworks软件，进行机械以，电气的建模以及控制建模。

3.1机械建模

是对机电一体化设计产品中的机械部分进行模型构建的过程，它包括了机械部件零件设计，装备设以及干涉检查等内容。

零件设计是指运用solidworks软件对所需要的机械零件通过三维的设计，体现出零件的造型以及特征。这些特征组成了零件的基本元素。零件设计的造型本身只是平面上的草图，通过点线和圆弧等几何元素构成了零件的二维轮廓，而这些几何元素是三维造型的基础【1】。

机电一体化的产品是由零间作为基础构建成的。而虚拟样机基于机电一体化产品其基本元素也是零件。通过对一系列零件的设计组成完整的功能结构，使产品的功能结构得以发挥，从而形成完整的产品。零件设计完成之后，就需要对三维的零件进行装配，从而构建出完整的三维模型。

由零件元素构建而成的三维模型建成之后，成型的产品结构是极其复杂的。组成的零件之间是否存在干扰及干涉的现象，是无法通过肉眼来检查的，因此需要对三维模型进行干涉的检查，其中包括了运动碰撞，体积等干涉检查活动，如果存在着相互间的干涉，就需要对模型进行修正直至此项工作完成【2】。

3.2电气建模

在机械建模的基础上，进行电气功能的添加，这一过程就是电气建模过程。例如利用软件将限位器，电机，PCB电路板，位置传感器等电器功能进行附加，从而形成了具有电气特征的功能部件，从而使机械模型变为机电一体化的三维模型。

3.3控制建模

就是指运用solidworks软件中的NISoftmotion模块设计控制程序，建立起机电一体化的三维模型的运动控制系统，这个运动控制系统，其中包括了路径的规划，运动控制等。

4.机电一体化虚拟样机仿真技术探讨

机电一体化虚拟样机仿真技术，就是利用机械建模，电气建模以及控制建模等构建出的三维模型来进行设计制造产品的原型改造，实体的实质以及功能的检测。包括了机械的仿真设计，电器以及电器控制的仿真设计。

4.1机械的仿真设计

机械的仿真设计主要是指对机电一化产品的特性进行仿真，主要包含了机械动力学的方面设计，机械运动学的访问设计以及机械结构和有限元分析等等方面。

机械动力学的仿真设计是运用solidworks的虚拟环境，在机械的模型上添加一系列的力学元素以及运动元素，例如电机的摩擦力，电机的机械运动，然后在LabVIEW环境下对设计的运动进行仿真以及控制，从而对机械模型的运动性能及其相关的参数进行收集和分析【3】。

机械的运动学仿真设计同理是利用虚拟的环境，对机械模型的运动进行设计，使之做出各种不同的运动，对机械模型的运动进行仿真，从而了解机械模型运动过程中是否存在着碰撞，机械模型的运动轨迹等。

利用solidworks及simulation插件的数据，对机体模型的功能部分进行力学的分析以及结构的分析，从而了解和掌握制作材料的应力需求以及强度需求等因素，确定出材料的特性。同时可以掌握机械结构的几何尺寸，传动系统的选型，并根据机械运动的轨迹，例句以及速度，对机械部分进一步进行优化，使设计更加合理【4】。

电气和控制的仿真，它包括了电气仿真设计以及控制仿真设计。这个仿真设计，其主要内容是设置和应用传感器，电机的设计以及应用等。是仿真設计，包含了运动路径的规划，传动以及连接件运动，时序的逻辑控制等方面内容。模型的设计阶段，利用solidworks软件，对传感器和电气等元件进行设置，并对模型进行实旭逻辑，规划等控制进行仿真，找出其中存在的不合理现象，并不断地进行修正和改进，直至达到设计的需求。

结束语：

机电一体化虚拟样机的异构建模和仿真，需要进行模型的构建，机械，电器，控制模型的构建，最终形成机电一体化的产品的三维模型，并利用仿真的技术进行功能，原型等检测以及修改，为设计和制造工作提供有力的技术支持，减少了设计中的反复，提高了产品开发的效率，缩短了产品开发的周期同时并节约了设计的成本。因此我们要进行不断地研究和探讨，把计算机技术，智能技术以及生物，网络技术等技术进行结合，提高机电产品设计和生产的效益，促进机电一体化技术的进一步发展。

参考文献：

[1]武文佳.基于SolidWorks&LabVIEW的虚拟原型机电一体化设计技术研究[D].西安电子科技大学，2012.

[2]徐章锁.基于虚拟原型的机电一体化建模与仿真技术研究[D].西安电子科技大学，2013.

[3]赵文辉，李思昆.机电一体化系统虚拟样机的异构建模和仿真[J].系统仿真学报，2001，05：592-595.

[4]苑绍志，胡爱军，谢金法.机电产品虚拟样机的建模和仿真技术及实践[J].河南科技大学学报（自然科学版），2004，06：16-19.