呂福玲

1 機(jī)電一體化的發(fā)展

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了不同學(xué)科的相互交叉與滲透。機(jī)械工程與電子計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制的協(xié)同集成，促成了機(jī)電一體化（Mechatronics）技術(shù)的興起與蓬勃發(fā)展。目前，機(jī)電一體化技術(shù)的基本特征可概括為[[1]：從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，綜合運(yùn)用機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、傳感測試技術(shù)、電力電子技術(shù)、信號(hào)變換技術(shù)以及軟件編程技術(shù)等群體技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)功能目標(biāo)和優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)目標(biāo)，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高質(zhì)量、高可靠性、低能耗的意義上實(shí)現(xiàn)特定功能價(jià)值，并使整個(gè)系統(tǒng)最優(yōu)化的系統(tǒng)功能技術(shù)。由此而產(chǎn)生的功能系統(tǒng)，則成為一個(gè)機(jī)電一體化產(chǎn)品。

機(jī)電一體化產(chǎn)品的開發(fā)也同其他產(chǎn)品一樣，經(jīng)歷了從傳統(tǒng)的串行開發(fā)到并行開發(fā)，到先進(jìn)的基于虛擬樣機(jī)的開發(fā)過程。在基于虛擬樣機(jī)的機(jī)電一體化產(chǎn)品開發(fā)流程中進(jìn)一步加大了并行化程度，將強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)從上下游設(shè)計(jì)開發(fā)的并行活動(dòng)轉(zhuǎn)移到多學(xué)科領(lǐng)域協(xié)同設(shè)計(jì)與仿真上來。開發(fā)過程中常常會(huì)涉及到多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域?qū)＜业膮f(xié)作，虛擬樣機(jī)技術(shù)正是解決多專家協(xié)同設(shè)計(jì)的有效途徑。20世紀(jì)90年代初，機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)主要指設(shè)計(jì)參數(shù)的產(chǎn)生與優(yōu)化，系統(tǒng)性能及行為的仿真，所涉及的設(shè)計(jì)理論與方法主要有：整體最優(yōu)化理論、智能化設(shè)計(jì)理論、柔性化設(shè)計(jì)理論、網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)理論、融合原理與可靠性原理等。20世紀(jì)90年代后半期以來，產(chǎn)品競爭開始加速由生產(chǎn)階段前移至設(shè)計(jì)階段，對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的研究重點(diǎn)也從詳細(xì)設(shè)計(jì)階段、改進(jìn)設(shè)計(jì)階段前移至概念設(shè)計(jì)階段。探求一套適合機(jī)電一體化系統(tǒng)特點(diǎn)的概念設(shè)計(jì)方法成為機(jī)電一體化產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。而基于虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)思路也是解決機(jī)電一體化產(chǎn)品前期概念設(shè)計(jì)需求的有效方法。

針對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)發(fā)展的需要，進(jìn)行基于虛擬樣機(jī)的機(jī)電產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境的能模型、體系結(jié)構(gòu)和實(shí)施關(guān)鍵技術(shù)等內(nèi)容的研究，重點(diǎn)探討廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模仿真、多學(xué)科協(xié)同工作機(jī)制、仿真模型庫的組織結(jié)構(gòu)及構(gòu)建方法、機(jī)電一體化產(chǎn)品分布式協(xié)同仿真的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法。目的是為加快機(jī)電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的進(jìn)程提供一種新的技術(shù)方法和支持環(huán)境，希望帶來更多的創(chuàng)新靈感。

2 虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)原理與關(guān)鍵技術(shù)分析

虛擬樣機(jī)（virtual prototype， VP）是在CAD/CAM/CAE和物理樣機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其基礎(chǔ)為多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)有限元理論、其它領(lǐng)域物理系統(tǒng)的建模與仿真理論等，以及多領(lǐng)域物理系統(tǒng)混合建模與仿真理論，是產(chǎn)品的多領(lǐng)域數(shù)字化模型的集合體，包含有真實(shí)產(chǎn)品的所有關(guān)鍵特征，一些學(xué)者給出虛擬樣機(jī)的三個(gè)要素：進(jìn)行功能分析的仿真模型、表達(dá)幾何形狀與結(jié)構(gòu)的CAD模型和用于實(shí)現(xiàn)可視化與表達(dá)的虛擬環(huán)境模型。虛擬樣機(jī)是在一個(gè)或多個(gè)領(lǐng)域模型上，依賴不同子系統(tǒng)的集成，以一定關(guān)系模擬（仿真）一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，采用計(jì)算機(jī)輔助的方法，借助渲染與場景設(shè)置，利用幾何數(shù)據(jù)生成產(chǎn)品的逼真效果圖，產(chǎn)生能用此方式評(píng)價(jià)的三維模型，以達(dá)到認(rèn)識(shí)現(xiàn)實(shí)或輔助設(shè)計(jì)的目的。其一般設(shè)計(jì)原理可歸結(jié)為。虛擬樣機(jī)作為研究動(dòng)態(tài)系統(tǒng)行為的有效方法，不僅涉及幾何信息，還提供人機(jī)交互虛擬現(xiàn)實(shí)三維場景的工具；同時(shí)虛擬樣機(jī)系統(tǒng)具有考慮干涉、操作模擬、運(yùn)動(dòng)模擬或動(dòng)力學(xué)模擬等物理邊界條件的可能性。通過應(yīng)用虛擬樣機(jī)，人們可在早期產(chǎn)品規(guī)劃階段預(yù)示產(chǎn)品特性，了解所采用制造方法的結(jié)果或制訂的加工進(jìn)程的可行性。這樣，可以避免在產(chǎn)品制造后期才發(fā)現(xiàn)問題和錯(cuò)誤而帶來的損失。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，由于受到領(lǐng)域知識(shí)與主觀愿望的制約，每個(gè)領(lǐng)域的專家總是會(huì)過多地考慮產(chǎn)品某一方面的性能或指標(biāo)，而忽略了產(chǎn)品的綜合指標(biāo)。特別是在機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，多個(gè)領(lǐng)域?qū)＜覅f(xié)作是不可避免的。虛擬樣機(jī)正是解決多專家協(xié)同設(shè)計(jì)的有效途徑。

3 虛擬樣機(jī)關(guān)鍵使能技術(shù)

虛擬樣機(jī)技術(shù)是以并行工程思想為指導(dǎo)，以CAX/DFX技術(shù)為基礎(chǔ)，以協(xié)同仿真技術(shù)為核心的先進(jìn)數(shù)字化設(shè)計(jì)方法。虛擬樣機(jī)技術(shù)正處于發(fā)展階段，還沒有一個(gè)公認(rèn)的、完整的技術(shù)組成框架，但如下的一些關(guān)鍵技術(shù)已得到廣泛認(rèn)同。

1.系統(tǒng)總體與集成環(huán)境技術(shù)。系統(tǒng)總體技術(shù)從全局出發(fā)，考慮支持虛擬樣機(jī)開發(fā)的各部分之間的關(guān)系，規(guī)定和協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)的運(yùn)行，并將它們組成有機(jī)的整體，實(shí)現(xiàn)信息和資源共享，完成總體目標(biāo)?？傮w技術(shù)涉及規(guī)范化體系結(jié)構(gòu)和采用的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范與協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)和集成方法以及系統(tǒng)運(yùn)行模式等。虛擬樣機(jī)集成環(huán)境是一個(gè)支持并管理產(chǎn)品全生命周期虛擬化設(shè)計(jì)過程與性能評(píng)估活動(dòng)，支持分布采用協(xié)同CAX/DFX技術(shù)來開發(fā)和實(shí)施虛擬樣機(jī)工程的集成應(yīng)用系統(tǒng)平臺(tái)。它能提供相應(yīng)數(shù)據(jù)、模型庫、CAX/DFX設(shè)計(jì)工具、相關(guān)模擬器/仿真應(yīng)用系統(tǒng)、協(xié)同仿真平臺(tái)和可視化環(huán)境、基于知識(shí)管理的協(xié)同環(huán)境等，支持產(chǎn)品全生命周期的設(shè)計(jì)活動(dòng)、仿真和分析活動(dòng)；能支持虛擬樣機(jī)開發(fā)過程中組織、技術(shù)和過程三個(gè)要素的有機(jī)結(jié)合，支持虛擬產(chǎn)品數(shù)據(jù)、模型和項(xiàng)目的管理與優(yōu)化，支持不同工具、不同應(yīng)用系統(tǒng)的集成。

2.多學(xué)科領(lǐng)域協(xié)同建模技術(shù)。多學(xué)科協(xié)同建模技術(shù)通過提供一個(gè)邏輯上一致、可描述產(chǎn)品全生命周期相關(guān)的各類信息的公共產(chǎn)品模型描述方法，支持各類不同模型的信息共享、集成與協(xié)同運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)不同層次上產(chǎn)品的構(gòu)造、功能和行為的描述與模擬；支持模型在產(chǎn)品全生命周期上的一致表示與信息交換和共享，實(shí)現(xiàn)在產(chǎn)品全生命周期上的應(yīng)用；支持模型相關(guān)數(shù)據(jù)信息的映射、提煉與交換，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品全方位的協(xié)同測試、分析與評(píng)估；支持虛擬產(chǎn)品各類模型的協(xié)同建模與協(xié)同仿真活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)開發(fā)環(huán)境與運(yùn)行環(huán)境的緊密集成。從當(dāng)前建模技術(shù)的發(fā)展趨勢上看，采用層次化建模和模型抽象技術(shù)、多模式建模概念、并行和分布式建模技術(shù)、基于元模型的建模和基于知識(shí)的建模技術(shù)是未來復(fù)雜產(chǎn)品建模技術(shù)的發(fā)展方向。

3.協(xié)同仿真技術(shù)協(xié)同仿真技術(shù)是基于建模技術(shù)、分布仿真技術(shù)和信息管理技術(shù)的綜合應(yīng)用技術(shù)，是在各領(lǐng)域建模、仿真分析工具和CAX/DFX技術(shù)基礎(chǔ)上的進(jìn)一步發(fā)展。協(xié)同仿真即包含在時(shí)間軸上對(duì)產(chǎn)品全生命周期的單點(diǎn)仿真分析，也強(qiáng)調(diào)在同一時(shí)間點(diǎn)上對(duì)象在系統(tǒng)層面上的聯(lián)合仿真分析。協(xié)同仿真技術(shù)是不同的人員采用各自領(lǐng)域?qū)I(yè)設(shè)計(jì)與分析工具協(xié)同地開發(fā)復(fù)雜系統(tǒng)的一條有效途徑。復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)主要解決由不同工具、不同算法，甚至不同描述語言實(shí)現(xiàn)的分布、異構(gòu)模型之間的互操作與分布式仿真問題，以及在系統(tǒng)層次上對(duì)虛擬產(chǎn)品進(jìn)行外觀、功能與行為的模擬和分析問題。協(xié)同仿真運(yùn)行管理技術(shù)負(fù)責(zé)管理在協(xié)同仿真運(yùn)行中各類模型的狀態(tài)及其流程設(shè)計(jì)與管理等。

4 虛擬樣機(jī)在機(jī)電一體化中的意義

機(jī)電一體化產(chǎn)品方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)迫切需要解決的關(guān)鍵問題是：創(chuàng)新方案的產(chǎn)生、創(chuàng)新方案的表達(dá)、創(chuàng)新方案的計(jì)算機(jī)輔助實(shí)現(xiàn)[4]。前兩個(gè)問題己有很多學(xué)者作了大量研究與應(yīng)用工作。針對(duì)第三個(gè)問題，即機(jī)電一體化系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)輔助實(shí)現(xiàn)，涉及到虛擬樣機(jī)技術(shù)及其支撐平臺(tái)。基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)支撐平臺(tái)是計(jì)算機(jī)輔助方案創(chuàng)新的重要輔助工具，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化產(chǎn)品創(chuàng)新的關(guān)鍵。