虚拟原型技术与机电一体化论文
虚拟原型技术与机电一体化论文【1】
摘 要 随着科学技术向生产力逐步转化，机电一体化产品的设计已经涉及到机械、电气和控制等众多领域。
单领域、分散建模的设计方法已经很难满足产品综合设计的要求。
通过对机电一体化技术与虚拟原型技术的深入研究并且将虚拟原型技术引入到机电一体化产品设计，得到基于虚拟原型的机电一体化设计技术，以满足机电产品多领域交互设计的需求。
关键词 虚拟原型 机电一体化 技术
随着全球经济的增速发展，制造行业之间的竞争日趋激烈，竞争的核心已经转移到以创新技术和高附加值为基础的新产品的竞争。
作为制造行业的企业，一方面为了企业的可持续性发展，提高产品在制造行业的竞争力，就必须解决其产品的“T(时间)”、“Q(产品质量)”、“C(成本)”、“S(售后服务)”、“E(环境)” 等难题。
另一方面，随着计算机技术以及相关高新技术的快速发展，全球性的市场竞争日益激烈，产品消费结构不断向多元化方向发展，面对无法预测的市场需求以及用户对产品的个性化需求，企业就必须尽快改变品种，更新设计，缩短新产品的研发的周期，提高产品的设计质量，降低产品的研发成本，进行创新设计，这样才能够应对快速多变的市场需求以及用户的需求，进而使企业在激烈的竞争中立于不败之地。
1虚拟原型技术的基本原理
虚拟原型技术是一种以CAX/DFX技术为基础的并行设计思想，与传统的串行设计思想相比，最大的优点在于它将多领域技术设计的不同功能的子系统有机的结合起来，通过一定的关系形成一个动态系统。
从构成上看，虚拟原型是由不同工具开发的子模型组成的模型联合体，主要包括：产品的CAD模型、外观模型、功能和性能仿真模型以及电气和控制模型等。
借助于这种技术，工程师们可以通过计算机软件建立机械模型，利用各学科等领域的理论在虚拟工况环境下分析产品关键性能指标，进一步进行可视化处理，并根据仿真的数据结果对系统进行完善和优化。
通过虚拟原型技术，设计人员可以在实物样机制造出来之前，通过计算机软件在很大程度对产品的总体性能进行了解，从而缩短研制时间，降低系统研制成本，提高了产品的竞争力。
2虚拟原型的关键技术及发展应用
2.1虚拟原型的关键技术
虽然虚拟原型技术还处于发展的初期阶段，还没有形成一个完整的技术体系，但是一些关键技术已经得到广泛认可。
主要包括系统总体技术、支撑环境技术、虚拟现实技术、多领域协同仿真技术、一体化建模和信息/过程管理技术等。
2.1.1系统总体技术
系统总体技术从产品设计的全局出发，规定和协调子系统的运行和支持虚拟原型开发的各部分之间的关系，使各个部分组成一个有机的整体，实现信息、资源的共享，最终完成总体的设计。
总体技术主要涉及规范化的标准、协议、集成技术和方法以及系统的运行模式等。
2.1.2支撑环境技术
虚拟原型支撑环境技术是一个支持并管理产品全生命周期虚拟化设计过程与性能评估的活动，支持分布异地的团队采用协同 CAX/DFX 技术来开发和实施虚拟样机工程的集成应用系统平台。
这种技术能提供相应数据、模型、CAX/DFX 设计工具等，而且还能支持复杂产品的设计活动。
更重要的是这种技术还能支持虚拟原型开发设计过程中组织、过程和技术三个重要组成部分的有机结合，并对虚拟产品数据/模型以及项目进行管理和优化，支持不同工具，能够将不同的应用系统集成。
2.1.3虚拟原型技术的发展应用
虚拟原型技术是有多学科技术支撑的一门新兴综合性技术，发展前景广阔，市场巨大。
虚拟原型技术面对产品设计的整个过程，使产品设计人员与用户之间的相互联系更加紧密，缩短研制的周期，降低技术的风险，提高产品的质量，降低了产品的成本，增强了企业的竞争力。
在国内，由于虚拟原型技术在产品设计方面的绝对优势，使设计人员对其越来越亲睐，从各个关键技术的研究到开发模式研究亦逐渐形成一定的规模。
这样必将促进这一先进制造技术的推广和应用，增强我国企业新产品的研发能力，提高我国企业在世界制造业中的地位。
虚拟原型技术在一些较发达国家，如美国、德国、日本等已得到广泛的应用，应用涉及到汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防工业、通用机械到人机工程学、生物力学、医学以及工程咨询等众多领域。
3虚拟原型技术与机电一体化产品设计
虚拟原型技术是一种以先进建模技术、多领域仿真技术、信息管理技术、交互式用户界面技术等为基础的崭新的产品开发的方法，与传统的机电产品设计思想和方法比较具有很多的`优点。
可以推想，将虚拟原型技术融入到机电一体化产品的设计中将会使机电一体化技术得到进一步的发展，也将会产生一种先进的机电一体化设计技术。
所以，对于两者之间的关系我们可以从以下几个方面进行分析和认识：
(1)从产品的开发设计的思想来看，传统的机电一体化产品的设计通常是相对简单规范化的串行开发过程，这种设计思想虽然是复杂的开发活动变得可理解、可管理，但是它没有考虑到产品开发过程中各个环节之间的并行关系，导致产品开发周期长，开发成本高。
前期的环节对后期的环节考虑少，导致设计返工次数很高，更重要的是没有充分估计产品的可制造性，很难在早期发现并解决问题，尤其是对于复杂的产品设计。
(2)从今后产品设计发展趋势来看，机电一体化产品设计属于产品设计的范畴，虚拟原型技术必然可以应用到机电一体化产品的设计之中。
机电一体化产品的设计基于多领域技术(计算机与信息技术、自动控制技术、传感检测技术、伺服传动技术和机械技术等)融合、交互，数字化、虚拟化也是今后发展的趋势。
4本章小结
本章讨论了虚拟原型技术的基本原理、组成部分、关键技术以及今后的发展，最后从产品设计思想、虚拟原型技术与机电产品设计的关系以及今后产品设计发展的趋势分析了机电一体化产品设计。
虚拟原型的机电一体化建模与仿真技术论文【2】
引言：随着科技的发展，机电一体化产品已经涉及到了机械、电气、控制等领域，单功能、独立领域的设计，已经无法满足日益增长的需求，所以将机电一体化产品基于虚拟原型进行设计，是时代发展的必然趋势。本文对于虚拟原型的机电一体化建模与仿真技术进行了研究。
机电一体化又被称做机械电子工程，是机械工程与自动化的结合产品。随着机电一体化技术的快速发展，机电一体化被人们广泛接受，并普遍应用于各个领域，尤其是随着计算机技术的发展，机电一体化技术进入了高速发展期。
一、对于虚拟原型的机电一体化建模技术研究
虚拟原型的机电一体化建模过程是以“机械-控制”为基础框架，在综合环境影响下，进行机械建模，电气建模，以及控制建模。常用的建模与仿真软件如SolidWorks，它是世界上第一个基于Windows系统开发的CAD软件。
(一)机械建模
机械建模是对基于虚拟原型的机电一体化产品中的机械部分进行模型构建的过程，即利用SolidWorks 软件对产品的机械部件进行零件设计、装备设计、干涉检查等内容。
①零件设计
零件设计是指利用SolidWorks 软件对产品所需要的机械零件进行三维设计。零件的三维造型是通过其特征来实行的，造型本身只是平面上的草图。所谓的特征，就是零件的基本元素;而草图，是零件的点、线、圆弧等几何元素构成的二维轮廓，是零件三维造型的基础。
②装配设计
基于虚拟原型的机电一体化产品的基础元素是零件，一系列的零件构成了一个具有完整功能的结构，一系列的功能结构构成了一个完整的产品。所以在机械建模中，完成了零件设计以后，需要利用SolidWorks 软件对三维零件进行装配，使其成为一个完整的三维模型。
③干涉检查
一个装配成型的产品是极其复杂的，零件之间是否存在干涉问题，是无法通过肉眼进行检查的，所以需要利用SolidWorks 软件对三维模型进行干涉检查，包括体积干涉检查、运动碰撞干涉检查等。如果检查结果存在干涉，则需要对模型进行修正，直到检查无干涉为止。
(二)电气建模
电器建模是基于机械建模的基础，对机械模型进行电气功能添加的过程。比如，可以利用SolidWorks 软件将限位器、位置传感器、电机、PCB电路板等电气功能附加在功能结构上，从而形成一个个具有电气特征的功能部件，最终将机械模型转化成机电一体化的三维模型。
(三)控制建模
控制建模是指利用SolidWorks 软件的NI SoftMotion模块设计控制程序，从而控制机械一体化模型的运动控制系统，运动控制系统主要包括运动控制、路径规划等。
二、对于虚拟原型的机电一体化仿真技术研究
对于虚拟原型的机电一体化仿真技术研究，其主要目的是利用机械建模、电气建模和控制建模等构建的三维模型来进行功能测试、原型修改、实体试制等。机电一体化产品的仿真技术包含机械特性仿真设计、电气和控制仿真设计等方面。
(一)机械特性仿真设计
机械特性仿真设计主要包括三个方面，即机械动力学仿真设计、机械运动学仿真设计、机械结构与有限元分析等。
①机械动力学仿真设计
机械动力学仿真设计是利用 SolidWorks的虚拟环境，在机械模型上添加一系列力学元素和运动元素，如摩擦力、电机等，之后在LabVIEW环境下仿真设计运动控制系统，对机械模型的运动性能，以及相关参数进行统一确定。
②机械运动学仿真设计
机械运动学仿真设计是利用SolidWorks的虚拟环境，对机械模型进行运动设计，从而进行机械模型运动的仿真、机械模型碰撞的侦测、机械模型运动轨迹的设计等。
③机械结构与有限元分析
机械结构与有限元分析是对机械模型的功能部件进行结构分析和力学分析，利用SolidWorks 软件的 Simulation 插件提供的数据用来参考和支持，可以对材料的应力需求、强度需求等因素进行分析，从而确定需求材料的特性，以及机械结构的几何尺寸、传动系选型等问题，并将机械运作的轨迹、速度和力矩等信息记录下来，来进步一步优化整个机械部分的设计。
(二)电气和控制仿真设计
电气和控制仿真设计包括电气仿真设计和控制仿真设计两方面，其中电气仿真设计的主要内容是：传感器的设置和应用、电机的设置和应用;控制仿真设计的主要内容是：时序逻辑控制、运动路径规划、传动与连接件运动仿真设计等。
在模型设计阶段，首先要利用SolidWorks软件进行电气仿真设计，完成对传感器和电机等电气特征元件的设置和应用，然后才能进行后续控制仿真设计，控制模型的时序逻辑，规划模型的运动路径等。
结束语
综上所述，对于虚拟原型的机电一体化产品，首先要进行模型构建，依次进行机械模型构件、电气模型构建、控制模型构建，最终形成完整的基于虚拟原型的机电一体化产品的三维模型，并利用仿真技术来进行功能测试、原型修改、实体试制等。
参考文献
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