申運(yùn)

（湖南瀟湘技師學(xué)院，湖南永州，425000）

基于虛擬原型的機(jī)電一體化建模與仿真技術(shù)分析

申運(yùn)

（湖南瀟湘技師學(xué)院，湖南永州，425000）

隨著我國虛擬技術(shù)的發(fā)展，它在各行各業(yè)中的應(yīng)用更加廣泛，尤其是虛擬原型技術(shù)能夠更好地完善產(chǎn)品性能，提高設(shè)計(jì)效果。文章分析了虛擬原型技術(shù)的原理及機(jī)電一體化建模和仿真技術(shù)，期望更好的促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，

虛擬原型；機(jī)電一體化；建模；仿真

0 引言

現(xiàn)代產(chǎn)品的研發(fā)和設(shè)計(jì)流程需要多個(gè)團(tuán)隊(duì)和學(xué)科領(lǐng)域相互協(xié)同，如何高效的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，協(xié)調(diào)好各個(gè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的工作和信息共享，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效果，降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，值得思考?；谔摂M原型技術(shù)的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，包括建模和仿真兩個(gè)過程，伴隨著現(xiàn)代設(shè)計(jì)制造業(yè)的發(fā)展而迅速發(fā)展。通過該技術(shù)可以將電子、控制、軟件、液壓等多個(gè)不同學(xué)科領(lǐng)域的模型，組合得到一個(gè)更加完整的仿真模型，并獲得最佳的設(shè)計(jì)方案。

1 虛擬原型技術(shù)的基本原理

采用虛擬原型技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的具體原理如下：首先通過分析得出產(chǎn)品設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)，采用不同的工具開發(fā)出不同的子模型，并將這些子模型組合在一起，利用計(jì)算機(jī)軟件完成模型的塑造，整個(gè)過程可視，完成產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)，然后構(gòu)建虛擬原型設(shè)計(jì)和仿真需要的虛擬真實(shí)環(huán)境，通過三維軟件得出產(chǎn)品的3D模型，完成虛擬原型構(gòu)建，最后在虛擬環(huán)境下對設(shè)計(jì)的產(chǎn)品性能進(jìn)行仿真分析，使設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能更加完善，如圖1所示。

2 基于虛擬原型的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)技術(shù)的特點(diǎn)

機(jī)電一體化設(shè)計(jì)中應(yīng)用虛擬原型技術(shù)的特點(diǎn)具體論述如下：一是，由于機(jī)電一體化建模過程中涉及到多個(gè)部分，因此需要對不同部分中的模型進(jìn)行需求分析，掌握設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)要素，同時(shí)還要積極了解不同部分產(chǎn)品設(shè)計(jì)之間的關(guān)系，這是做好機(jī)電產(chǎn)品一體化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和先決條件。二是，機(jī)電產(chǎn)品一體化設(shè)計(jì)過程中，不同部分之間存在模型對應(yīng)關(guān)系，要充分對這種關(guān)系進(jìn)行交互，才能使得到的模型數(shù)據(jù)具有交互性和動態(tài)性的特點(diǎn)，這是模型構(gòu)建的關(guān)鍵；三是，在虛擬原型平臺上對產(chǎn)品不同部分進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，一定要以平臺的綜合效益發(fā)揮為基礎(chǔ)，這樣平臺才能夠使其成為各個(gè)領(lǐng)域建模工具的重要樞紐。四是，在設(shè)計(jì)機(jī)電一體化虛擬原型時(shí)，一定要以機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原則和理念為指導(dǎo)，妥善處理好設(shè)計(jì)模型與設(shè)計(jì)理念之間的關(guān)系。

圖1 虛擬原型設(shè)計(jì)原理

3 機(jī)電系統(tǒng)主體建模與仿真技術(shù)研究

3.1 主體建模

3.1.1 產(chǎn)品功能模型

基于虛擬原型的機(jī)電一體設(shè)計(jì)需要首先構(gòu)建產(chǎn)品的功能模型，其功能包括四部分：控制功能、動力功能、傳感檢測功能、操作功能、結(jié)構(gòu)功能，主要由機(jī)械、電子和軟件組成，設(shè)計(jì)中對應(yīng)三個(gè)系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及傳感檢測子系統(tǒng)。首先，執(zhí)行系統(tǒng)中驅(qū)動元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)會向傳感子系統(tǒng)發(fā)出檢測信號；然后，傳感系統(tǒng)向信息處理子系統(tǒng)發(fā)出反饋信號；最后，處理子系統(tǒng)會向執(zhí)行子系統(tǒng)發(fā)送控制信號，從而將這幾種子系統(tǒng)更好地綜合。

3.1.2 設(shè)計(jì)過程模型

機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的過程模型包含三部分：功能層、行為層及結(jié)構(gòu)層。功能層包含有機(jī)電系統(tǒng)功能的理解、動作、分解以及控制和執(zhí)行動作子功能；行為層包含有檢測、控制過程和執(zhí)行動作；結(jié)構(gòu)層，主要含有傳感器、軟件及控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同時(shí)通過機(jī)電系統(tǒng)的結(jié)合理論，確定系統(tǒng)是否可行，最后通過評估，確定最佳的設(shè)計(jì)方案。

3.2 基于虛擬原型機(jī)電一體化仿真設(shè)計(jì)的概述

在仿真過程中，以上述構(gòu)建的機(jī)電一體化產(chǎn)品虛擬原型為基礎(chǔ)，通過仿真分析可以優(yōu)化整合產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能，達(dá)到良好的設(shè)計(jì)效果。本研究選擇的仿真軟件是Solidworks-LabVIEW進(jìn)行聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)，具體過程如下：首先應(yīng)用SolidWorks軟件構(gòu)件機(jī)電產(chǎn)品的機(jī)械模型，然后，通過LabVIEW軟件將各個(gè)模塊以集成的形式將各個(gè)模塊聯(lián)系在一起將建立的3D CAD機(jī)械模型與LabVIEW軟件之間建立起聯(lián)系，最后，利用LabVIEW軟件編寫控制算法，實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)軟件之間的協(xié)同作用，對機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)行性能測試和評定，基于SolidWorks-LabVIEW進(jìn)行聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)。由于文章篇幅有限，只論述設(shè)計(jì)的一部分，以機(jī)電產(chǎn)品的機(jī)械特性仿真設(shè)計(jì)中的機(jī)械結(jié)構(gòu)、零件的有限元分析為例進(jìn)行具體論述，該設(shè)計(jì)只使用Solidworks軟件。

機(jī)械特性的仿真設(shè)計(jì)包括機(jī)械動力學(xué)仿真設(shè)計(jì)、機(jī)械零件的有限元分析及機(jī)械運(yùn)行學(xué)仿真設(shè)計(jì)，其中機(jī)械結(jié)構(gòu)及零部件的有限元分析就是利用Solidworks Simulation插件中分析機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)和力學(xué)分析，如使用的材料的安全性能及強(qiáng)度、應(yīng)力等，通過分析可以確定轉(zhuǎn)動系統(tǒng)選型及機(jī)械結(jié)構(gòu)的幾何尺寸等。在對產(chǎn)品的零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，為了確保設(shè)計(jì)產(chǎn)品的功能，通常會對一些重要的零部件進(jìn)行線性動力、疲勞、熱力、屈力、頻率、靜態(tài)等進(jìn)行分析。

SolidWorks Simulation軟件是一種分析軟件，主要是對基于有限（FEA數(shù)值）技術(shù)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。采用SolidWorks Simulation軟件分析裝配體或零部件的FEA數(shù)值時(shí)，主要包括以下的步驟：在SolidWorks Simulation軟件環(huán)境中構(gòu)建需要的算法、確定材料、添加約束條件、載荷施加、網(wǎng)格劃分、點(diǎn)擊運(yùn)行、得到運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行分析。選取FrontRail零件為代表對零部件設(shè)計(jì)中有限元分析的重要性進(jìn)行說明。（1）構(gòu)建新的算法：在Simulation菜單中對需要的“算例”進(jìn)行選擇，同時(shí)給新構(gòu)建的算法命名。（2）確定應(yīng)用材料：在靜態(tài)分析樹中，通過單擊右鍵可以選擇需要的“應(yīng)用材料”，在下拉菜單中左鍵單擊“選擇材料來源”就可以實(shí)現(xiàn)材料的選擇，同時(shí)選擇材料時(shí)還可以看見材料相關(guān)的附帶信息。（3）添加約束條件：在Simulation Study樹中，右鍵單擊“夾具”并選擇“固定幾何體”，此時(shí)可以對模型進(jìn)行轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動過程中確定需要施加載荷的面。（4）外部載荷：約束好模型之后，可以向模型施加外部載荷。右鍵單擊“外部載荷”并選擇“扭矩”，需要定義的載荷選項(xiàng)列出之后，可以在“扭矩”的屬性管理器中進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。（5）劃分網(wǎng)格：網(wǎng)格劃分好之后就可以進(jìn)行有限元分析，網(wǎng)格劃分完成之后，幾何模型會劃分成為多個(gè)有限個(gè)單元。右鍵單擊“網(wǎng)格”選擇“生成網(wǎng)格”功能，將會彈出窗口，對網(wǎng)格屬性進(jìn)行設(shè)置。（6）運(yùn)行分析：當(dāng)全部的準(zhǔn)備工作準(zhǔn)確無誤的完成之后，選擇分析方法，右鍵單擊“靜態(tài)分析”圖標(biāo)并選擇“運(yùn)行”，則會進(jìn)行分析，分析完成之后得到分析結(jié)果，見圖2。根據(jù)圖2可知，最大的Von Mises應(yīng)力、材料的最大屈服應(yīng)力分別為621633.1（N/m^2）、282685049（N/m^2），圖2中紅顏色的即是。根據(jù)分析結(jié)果可以確定產(chǎn)品設(shè)計(jì)中需要的合適材料，同時(shí)我們還可以這樣我們還可以變化相應(yīng)的參數(shù)如外部的載荷力大寫等，得到另一種分析結(jié)果，最終提高設(shè)計(jì)的零部件性能，達(dá)到設(shè)計(jì)的要求?？傊?，在機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)中涉及到的零部件都會進(jìn)行這種分析，以確定零件的選材，并且保證設(shè)計(jì)的產(chǎn)品體積最小，安全性能最高，為機(jī)械模型的構(gòu)建提供數(shù)據(jù)支撐。

圖2 運(yùn)行結(jié)果

4 結(jié)束語

隨著虛擬技術(shù)的發(fā)展，它在機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)中等應(yīng)用越來越廣泛，通過虛擬原型仿真可以提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)性能，因此，應(yīng)該對這方面加強(qiáng)研究，建立常用的機(jī)電一體化仿真模型，形成一種快速的仿真軟件系統(tǒng)，使其在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中發(fā)揮更多的優(yōu)勢。同時(shí)還要加強(qiáng)仿真軟件的研究，使其功能更加強(qiáng)大，不斷提高機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平。

[1]夏端武.中職機(jī)電專業(yè)與本科自動化課程銜接的研究[J].才智,2014(27):227-228.

[2]李加旺.職業(yè)學(xué)校機(jī)電專業(yè)精品課程建設(shè)的思考[J].電子制作,2014(15):170.

[3]王友權(quán).機(jī)電一體化非均勻運(yùn)動產(chǎn)生綜合裝置研究[J].電子制作,2014(15):196-197.

Analysis of Mechatronics Modeling and Simulation Based on Virtual Prototype

Shen Yun
(Hunan Xiaoxiang technician college,Yongzhou Hunan,425000)

With the development of virtual technology in China,it is more widely used in all walks of life,especially the virtual prototype technology can improve the product performance and improve the design effect.This paper analyzes the principle of virtual prototyping technology and the integration of electromechanical modeling and simulation technology,and hopes to promote the development of science and technology

virtual prototyping;electromechanical integration;modeling;simulation

申運(yùn)（1985-），男，湖南邵陽人，漢族，本科，助教，主要從事機(jī)電教學(xué)工作。