張書杰

摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)向生產(chǎn)力逐步轉(zhuǎn)化，機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)已經(jīng)涉及到機(jī)械、電氣和控制等眾多領(lǐng)域。單領(lǐng)域、分散建模的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)很難滿足產(chǎn)品綜合設(shè)計(jì)的要求。通過對(duì)機(jī)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(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，得到基于虛擬原型的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)技術(shù)，以滿足機(jī)電產(chǎn)品多領(lǐng)域交互設(shè)計(jì)的需求。

關(guān)鍵詞 虛擬原型 機(jī)電一體化 技術(shù)

中圖分類號(hào)：TH-39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著全球經(jīng)濟(jì)的增速發(fā)展，制造行業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，競(jìng)爭(zhēng)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(chǔ)的新產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)。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(jìng)爭(zhēng)力，就必須解決其產(chǎn)品的“T（時(shí)間）”、“Q（產(chǎn)品質(zhì)量）”、“C（成本）”、“S（售后服務(wù)）”、“E（環(huán)境）” 等難題。另一方面，隨著計(jì)算機(jī)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，產(chǎn)品消費(fèi)結(jié)構(gòu)不斷向多元化方向發(fā)展，面對(duì)無法預(yù)測(cè)的市場(chǎng)需求以及用戶對(duì)產(chǎn)品的個(gè)性化需求，企業(yè)就必須盡快改變品種，更新設(shè)計(jì)，縮短新產(chǎn)品的研發(fā)的周期，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低產(chǎn)品的研發(fā)成本，進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，這樣才能夠應(yīng)對(duì)快速多變的市場(chǎng)需求以及用戶的需求，進(jìn)而使企業(yè)在激烈的競(jìng)爭(zhēng)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(chǔ)的并行設(shè)計(jì)思想，與傳統(tǒng)的串行設(shè)計(jì)思想相比，最大的優(yōu)點(diǎn)在于它將多領(lǐng)域技術(shù)設(shè)計(jì)的不同功能的子系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合起來，通過一定的關(guān)系形成一個(gè)動(dòng)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(jì)算機(jī)軟件建立機(jī)械模型，利用各學(xué)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(biāo)，進(jìn)一步進(jìn)行可視化處理，并根據(jù)仿真的數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行完善和優(yōu)化。通過虛擬原型技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可以在實(shí)物樣機(jī)制造出來之前，通過計(jì)算機(jī)軟件在很大程度對(duì)產(chǎn)品的總體性能進(jìn)行了解，從而縮短研制時(shí)間，降低系統(tǒng)研制成本，提高了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

2虛擬原型的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展應(yīng)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(gè)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(rèn)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(shí)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(shè)計(jì)的全局出發(fā)，規(guī)定和協(xié)調(diào)子系統(tǒng)的運(yùn)行和支持虛擬原型開發(fā)的各部分之間的關(guān)系，使各個(gè)部分組成一個(gè)有機(jī)的整體，實(shí)現(xiàn)信息、資源的共享，最終完成總體的設(shè)計(jì)。總體技術(shù)主要涉及規(guī)范化的標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議、集成技術(shù)和方法以及系統(tǒng)的運(yùn)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(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)估的活動(dòng)，支持分布異地的團(tuán)隊(duì)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)。這種技術(shù)能提供相應(yīng)數(shù)據(jù)、模型、CAX/DFX 設(shè)計(jì)工具等，而且還能支持復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)活動(dòng)。更重要的是這種技術(shù)還能支持虛擬原型開發(fā)設(shè)計(jì)過程中組織、過程和技術(shù)三個(gè)重要組成部分的有機(jī)結(jié)合，并對(duì)虛擬產(chǎn)品數(shù)據(jù)/模型以及項(xiàng)目進(jìn)行管理和優(yōu)化，支持不同工具，能夠?qū)⒉煌膽?yīng)用系統(tǒng)集成。

2.1.3虛擬原型技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用

虛擬原型技術(shù)是有多學(xué)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(chǎng)巨大。虛擬原型技術(shù)面對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的整個(gè)過程，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(fēng)險(xiǎn)，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，降低了產(chǎn)品的成本，增強(qiáng)了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。在國(guó)內(nèi)，由于虛擬原型技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，使設(shè)計(jì)人員對(duì)其越來越親睞，從各個(gè)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(jìn)這一先進(jìn)制造技術(shù)的推廣和應(yīng)用，增強(qiáng)我國(guó)企業(yè)新產(chǎn)品的研發(fā)能力，提高我國(guó)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(dá)國(guó)家，如美國(guó)、德國(guó)、日本等已得到廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用涉及到汽車制造業(yè)、工程機(jī)械、航空航天業(yè)、造船業(yè)、機(jī)械電子工業(yè)、國(guó)防工業(yè)、通用機(jī)械到人機(jī)工程學(xué)、生物力學(xué)、醫(yī)學(xué)以及工程咨詢等眾多領(lǐng)域。

3虛擬原型技術(shù)與機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)

虛擬原型技術(shù)是一種以先進(jìn)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(chǔ)的嶄新的產(chǎn)品開發(fā)的方法，與傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)思想和方法比較具有很多的優(yōu)點(diǎn)?？梢酝葡耄瑢⑻摂M原型技術(shù)融入到機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中將會(huì)使機(jī)電一體化技術(shù)得到進(jìn)一步的發(fā)展，也將會(huì)產(chǎn)生一種先進(jìn)的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)技術(shù)。所以，對(duì)于兩者之間的關(guān)系我們可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析和認(rèn)識(shí)：

（1）從產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)的思想來看，傳統(tǒng)的機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)通常是相對(duì)簡(jiǎn)單規(guī)范化的串行開發(fā)過程，這種設(shè)計(jì)思想雖然是復(fù)雜的開發(fā)活動(dòng)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(gè)環(huán)節(jié)之間的并行關(guān)系，導(dǎo)致產(chǎn)品開發(fā)周期長(zhǎng)，開發(fā)成本高。前期的環(huán)節(jié)對(duì)后期的環(huán)節(jié)考慮少，導(dǎo)致設(shè)計(jì)返工次數(shù)很高，更重要的是沒有充分估計(jì)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(duì)于復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

（2）從今后產(chǎn)品設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)來看，機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)屬于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的范疇，虛擬原型技術(shù)必然可以應(yīng)用到機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)之中。機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)基于多領(lǐng)域技術(shù)（計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感檢測(cè)技術(shù)、伺服傳動(dòng)技術(shù)和機(jī)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(shì)。

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(shè)計(jì)思想、虛擬原型技術(shù)與機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)系以及今后產(chǎn)品設(shè)計(jì)發(fā)展的趨勢(shì)分析了機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)。