楊雁冰

武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院電信學(xué)院，湖北武漢 430000

基于SolidWorks與LabVIEW虛擬原型的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)

楊雁冰

武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院電信學(xué)院，湖北武漢 430000

虛擬設(shè)備的一體化設(shè)計(jì)主要在動(dòng)態(tài)仿真和虛擬制造中起著很大的作用。目前信息化時(shí)代發(fā)展，虛擬原型的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)越來(lái)越得到人們的關(guān)注。原型機(jī)的設(shè)計(jì)軟件有很多，在機(jī)械建模中SolidWorks的功能比較強(qiáng)大，因此值得研究與探討。

SolidWorks；LabVIEW；機(jī)電一體化

在當(dāng)今信息化發(fā)展中制造技術(shù)也在不斷融入虛擬原型技術(shù)，這種技術(shù)主要以CAX（計(jì)算機(jī)輔助多元化技術(shù)的總稱）和DFX（3D環(huán)繞音效技術(shù)）與三維仿真技術(shù)構(gòu)成的數(shù)字信息化設(shè)計(jì)。它能在原型機(jī)中模擬具有聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、觸覺(jué)以及各種需要的動(dòng)作、行為以及性能等各方面仿真。虛擬技術(shù)在最近五年發(fā)展中并不是一成不變的，它是在不斷適應(yīng)社會(huì)發(fā)展，形成動(dòng)態(tài)技術(shù)，在科學(xué)領(lǐng)域占有很重要的位置，并且繼承了以前的電子CAD等軟件功能，在此基礎(chǔ)中又將更多的建模技術(shù)和信息采集與繼承技術(shù)有機(jī)地結(jié)合為一個(gè)整體，特別是在模型、人、技術(shù)和管理這四者緊密結(jié)合。所以原型機(jī)的發(fā)展越來(lái)越快，帶動(dòng)的產(chǎn)業(yè)也越來(lái)越多。

1 概念設(shè)計(jì)之虛擬原型機(jī)的機(jī)電一體化

原型機(jī)主要用于原設(shè)備未生產(chǎn)定型前準(zhǔn)備，主要用三維軟件進(jìn)行建模，為后期三維交互設(shè)計(jì)建立了基礎(chǔ)。原型機(jī)主要的技術(shù)指標(biāo)是用來(lái)模擬生產(chǎn)和實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，并且在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)功能、布局以及產(chǎn)品外形尺寸設(shè)計(jì)中可以通過(guò)評(píng)價(jià)和分析來(lái)達(dá)到最佳的方案。

1.1 機(jī)電一體化的功能原型

機(jī)電一體化虛擬原型為機(jī)電一體化功能得到充分體現(xiàn)。經(jīng)典的生產(chǎn)設(shè)備主要有機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)組成，設(shè)計(jì)的學(xué)科知識(shí)比較多包括：機(jī)械設(shè)計(jì)、電子信息、軟硬件設(shè)計(jì)等方面，虛擬原型機(jī)在設(shè)計(jì)之初首先要對(duì)產(chǎn)品的功能模塊進(jìn)行分析，并且以功能為子單元系統(tǒng)分解，找到可以有效實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)方案。在功能與邏輯環(huán)節(jié)直接影響到原型機(jī)的運(yùn)行過(guò)程和實(shí)現(xiàn)功能。

1.2 虛擬原型機(jī)電一體化產(chǎn)品深化設(shè)計(jì)與虛擬樣機(jī)測(cè)試

虛擬原型機(jī)設(shè)計(jì)中期，需要進(jìn)行功能、模塊和電氣連接分析，得出的結(jié)果用可視化技術(shù)和三維動(dòng)畫(huà)仿真技術(shù)來(lái)顯現(xiàn)，這樣可以在出現(xiàn)的問(wèn)題中及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。所以說(shuō)虛擬樣機(jī)不僅僅是一個(gè)模型原型，還是一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)仿真動(dòng)畫(huà)和人機(jī)交互功能的真實(shí)樣機(jī)，在場(chǎng)景中設(shè)計(jì)了現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)環(huán)境，效果逼真，再利用第三方軟件比如Unity3d、 LabVIEW等軟件對(duì)模型進(jìn)行交互和界面設(shè)計(jì)從而達(dá)到虛擬模型功能實(shí)現(xiàn)，可以測(cè)驗(yàn)出產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性、動(dòng)力學(xué)特性、設(shè)備強(qiáng)度、生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品自身壽命等技術(shù)指標(biāo)。目前產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，有很多任務(wù)是工人所不能完成，利用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與機(jī)械相結(jié)合可以突出虛擬原型機(jī)的優(yōu)勢(shì)，可以為生產(chǎn)企業(yè)或教育基地實(shí)現(xiàn)集成化管理、協(xié)同作業(yè)、極大地節(jié)約研發(fā)成本、提高開(kāi)發(fā)效率、縮短研發(fā)周期。

2 虛擬原型機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)虛擬環(huán)境

原型機(jī)的設(shè)計(jì)首先采用三維軟件分別對(duì)設(shè)備外殼、機(jī)電系統(tǒng)、功能模塊建模，當(dāng)產(chǎn)品模型組件完成后需要對(duì)功能模塊進(jìn)行分解，然后選擇一款能夠與三維軟件同步的第三方軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬原型機(jī)的動(dòng)畫(huà)仿真控制和人機(jī)交互，產(chǎn)品的外形、結(jié)構(gòu)、尺寸、功能模塊和材質(zhì)能夠得到需求者認(rèn)可，這樣才按照設(shè)計(jì)的原型機(jī)進(jìn)行后期的加工制造。在本論文中主要用到兩款軟件：SolidWorks軟件和LabVIEW軟件。前者主要在虛擬設(shè)備建模中進(jìn)行設(shè)計(jì)，后者對(duì)相應(yīng)控制算法與功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這兩款軟件相關(guān)介紹如下。

2.1 機(jī)械三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks

在三維機(jī)械設(shè)計(jì)中有很多軟件，如UG、Pro/E、SolidWorks等軟件，在這幾款軟件中SolidWorks作為新款設(shè)計(jì)軟件，在業(yè)界設(shè)計(jì)軟件中占一席之地，它的運(yùn)行環(huán)境相對(duì)簡(jiǎn)單，在Windows系統(tǒng)中都可以順暢運(yùn)行，進(jìn)行高質(zhì)量的模型設(shè)計(jì)。在SolidWorks軟件內(nèi)部具有獨(dú)特的參數(shù)實(shí)體特征，并且功能非常強(qiáng)大，比現(xiàn)有UG、Pro/E等軟件的操作界面更簡(jiǎn)潔直觀。SolidWorks為整個(gè)原型機(jī)的設(shè)計(jì)提供100%可編輯，在軟件中可以隨時(shí)修改參數(shù)，零件設(shè)計(jì)、整機(jī)裝配和工程圖之間可以互相調(diào)用。除此之外，SolidWorks設(shè)計(jì)的零部件可以進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，文件能夠在VC++中進(jìn)行調(diào)用，它還具有較好的開(kāi)放性接口和功能擴(kuò)展性，為開(kāi)發(fā)者提供簡(jiǎn)單、良好的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

2.2 圖形化編程軟件LabVIEW

圖形開(kāi)發(fā)軟件有很多，目前比較流行的一款軟件就是LabVIEW。它為三維模型提供簡(jiǎn)單、穩(wěn)定的圖形化編程開(kāi)發(fā)環(huán)境，在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、機(jī)電和實(shí)驗(yàn)室研究中被廣泛應(yīng)用。LabVIEW也可以說(shuō)是一種標(biāo)準(zhǔn)的虛擬儀器控制和數(shù)據(jù)采集軟件，在它內(nèi)部集成了功能強(qiáng)大地可視化虛擬儀器，開(kāi)發(fā)者只需要根據(jù)原型機(jī)運(yùn)行機(jī)制與LabVIEW圖形虛擬環(huán)境通過(guò)編程能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)電一體化仿真，并且利用它可以方便地實(shí)現(xiàn)虛擬TCP/IP連接。LabVIEW在原型機(jī)開(kāi)發(fā)中占有很重要的地位，其自身的編程過(guò)程在圖形化界面操作中生動(dòng)有趣。

2.3 SolidWorks和LabVIEW搭建虛擬環(huán)境

SolidWorks機(jī)械設(shè)計(jì)軟件對(duì)原型機(jī)的機(jī)電控制部分組裝完成后，用該軟件集成的插件來(lái)完成三維模型格式輸出，達(dá)到仿真軟件能夠?qū)氲母袷健abVIEW軟件主要用來(lái)編寫(xiě)程序，針對(duì)原型機(jī)功能、結(jié)構(gòu)、運(yùn)行原理編寫(xiě)能夠?qū)崿F(xiàn)最好、最穩(wěn)定的程序，并且在開(kāi)發(fā)平臺(tái)中集成相關(guān)插件，能夠與SolidWorks軟件接口相連接，從而使原型機(jī)的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)更加真實(shí)和完美。搭建虛擬環(huán)境的基本思想主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的電氣控制、機(jī)械運(yùn)動(dòng)和協(xié)同仿真等功能。主要實(shí)現(xiàn)的過(guò)程是用LabVIEW軟件集成的模塊接口和SolidWorks軟件自身的功能插件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)接。SolidWorks軟件中的SolidWorksMotion插件用來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)械仿真運(yùn)行；LabVIEW模塊接口控制設(shè)計(jì)與仿真模塊用來(lái)進(jìn)行控制對(duì)象和算法的編程設(shè)計(jì)。

3 結(jié)論

在本論文中主要研究虛擬原型機(jī)的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)中所涉及到的兩款軟件SolidWorks軟件和LabVIEW軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單敘述，在此基礎(chǔ)上描述了軟件工具如何搭建模型和實(shí)現(xiàn)原型機(jī)在虛擬環(huán)境中進(jìn)行仿真。在以后發(fā)展中虛擬技術(shù)會(huì)不斷得到大量應(yīng)用，搭建產(chǎn)拼原型仿真和虛擬環(huán)境也會(huì)越來(lái)越簡(jiǎn)單，流程也會(huì)有所縮減。

[1]鄭相周，唐國(guó)元.機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2010.

[2]張承海.基于虛擬樣機(jī)的多連桿懸架系統(tǒng)運(yùn)行學(xué)仿真研究[D].武漢理工大學(xué)，2008.

[3]陳海霞，劉霞.虛擬原型技術(shù)在數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2011（3）：121-122.

TH-39

A

1674-6708（2015）148-0150-01

該論文來(lái)源于《SMT設(shè)備與維護(hù)仿真系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)》課題，項(xiàng)目編號(hào)為2013YK777