對(duì)于虛擬原型的機(jī)電一體化建模與仿真技術(shù)研究

引言：隨著科技的發(fā)展，機(jī)電一體化產(chǎn)品已經(jīng)涉及到了機(jī)械、電氣、控制等領(lǐng)域，單功能、獨(dú)立領(lǐng)域的設(shè)計(jì)，已經(jīng)無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的需求，所以將機(jī)電一體化產(chǎn)品基于虛擬原型進(jìn)行設(shè)計(jì)，是時(shí)代發(fā)展的必然趨勢(shì)。本文對(duì)于虛擬原型的機(jī)電一體化建模與仿真技術(shù)進(jìn)行了研究。

機(jī)電一體化又被稱(chēng)做機(jī)械電子工程，是機(jī)械工程與自動(dòng)化的結(jié)合產(chǎn)品。隨著機(jī)電一體化技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)電一體化被人們廣泛接受，并普遍應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，尤其是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)電一體化技術(shù)進(jìn)入了高速發(fā)展期。

一、對(duì)于虛擬原型的機(jī)電一體化建模技術(shù)研究

虛擬原型的機(jī)電一體化建模過(guò)程是以“機(jī)械-控制”為基礎(chǔ)框架，在綜合環(huán)境影響下，進(jìn)行機(jī)械建模，電氣建模，以及控制建模。常用的建模與仿真軟件如SolidWorks，它是世界上第一個(gè)基于Windows系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的CAD軟件。

（一）機(jī)械建模

機(jī)械建模是對(duì)基于虛擬原型的機(jī)電一體化產(chǎn)品中的機(jī)械部分進(jìn)行模型構(gòu)建的過(guò)程，即利用SolidWorks 軟件對(duì)產(chǎn)品的機(jī)械部件進(jìn)行零件設(shè)計(jì)、裝備設(shè)計(jì)、干涉檢查等內(nèi)容。

①零件設(shè)計(jì)

零件設(shè)計(jì)是指利用SolidWorks 軟件對(duì)產(chǎn)品所需要的機(jī)械零件進(jìn)行三維設(shè)計(jì)。零件的三維造型是通過(guò)其特征來(lái)實(shí)行的，造型本身只是平面上的草圖。所謂的特征，就是零件的基本元素；而草圖，是零件的點(diǎn)、線、圓弧等幾何元素構(gòu)成的二維輪廓，是零件三維造型的基礎(chǔ)。

②裝配設(shè)計(jì)

基于虛擬原型的機(jī)電一體化產(chǎn)品的基礎(chǔ)元素是零件，一系列的零件構(gòu)成了一個(gè)具有完整功能的結(jié)構(gòu)，一系列的功能結(jié)構(gòu)構(gòu)成了一個(gè)完整的產(chǎn)品。所以在機(jī)械建模中，完成了零件設(shè)計(jì)以后，需要利用SolidWorks 軟件對(duì)三維零件進(jìn)行裝配，使其成為一個(gè)完整的三維模型。

③干涉檢查

一個(gè)裝配成型的產(chǎn)品是極其復(fù)雜的，零件之間是否存在干涉問(wèn)題，是無(wú)法通過(guò)肉眼進(jìn)行檢查的，所以需要利用SolidWorks 軟件對(duì)三維模型進(jìn)行干涉檢查，包括體積干涉檢查、運(yùn)動(dòng)碰撞干涉檢查等。如果檢查結(jié)果存在干涉，則需要對(duì)模型進(jìn)行修正，直到檢查無(wú)干涉為止。

（二）電氣建模

電器建模是基于機(jī)械建模的基礎(chǔ)，對(duì)機(jī)械模型進(jìn)行電氣功能添加的過(guò)程。比如，可以利用SolidWorks 軟件將限位器、位置傳感器、電機(jī)、PCB電路板等電氣功能附加在功能結(jié)構(gòu)上，從而形成一個(gè)個(gè)具有電氣特征的功能部件，最終將機(jī)械模型轉(zhuǎn)化成機(jī)電一體化的三維模型。

（三）控制建模

控制建模是指利用SolidWorks 軟件的NI SoftMotion模塊設(shè)計(jì)控制程序，從而控制機(jī)械一體化模型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括運(yùn)動(dòng)控制、路徑規(guī)劃等。

二、對(duì)于虛擬原型的機(jī)電一體化仿真技術(shù)研究

對(duì)于虛擬原型的機(jī)電一體化仿真技術(shù)研究，其主要目的是利用機(jī)械建模、電氣建模和控制建模等構(gòu)建的三維模型來(lái)進(jìn)行功能測(cè)試、原型修改、實(shí)體試制等。機(jī)電一體化產(chǎn)品的仿真技術(shù)包含機(jī)械特性仿真設(shè)計(jì)、電氣和控制仿真設(shè)計(jì)等方面。

（一）機(jī)械特性仿真設(shè)計(jì)

機(jī)械特性仿真設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)方面，即機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真設(shè)計(jì)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)與有限元分析等。

①機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真設(shè)計(jì)

機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真設(shè)計(jì)是利用 SolidWorks的虛擬環(huán)境，在機(jī)械模型上添加一系列力學(xué)元素和運(yùn)動(dòng)元素，如摩擦力、電機(jī)等，之后在LabVIEW環(huán)境下仿真設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)機(jī)械模型的運(yùn)動(dòng)性能，以及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一確定。

②機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真設(shè)計(jì)

機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真設(shè)計(jì)是利用SolidWorks的虛擬環(huán)境，對(duì)機(jī)械模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)，從而進(jìn)行機(jī)械模型運(yùn)動(dòng)的仿真、機(jī)械模型碰撞的偵測(cè)、機(jī)械模型運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)計(jì)等。

③機(jī)械結(jié)構(gòu)與有限元分析

機(jī)械結(jié)構(gòu)與有限元分析是對(duì)機(jī)械模型的功能部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和力學(xué)分析，利用SolidWorks 軟件的 Simulation 插件提供的數(shù)據(jù)用來(lái)參考和支持，可以對(duì)材料的應(yīng)力需求、強(qiáng)度需求等因素進(jìn)行分析，從而確定需求材料的特性，以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、傳動(dòng)系選型等問(wèn)題，并將機(jī)械運(yùn)作的軌跡、速度和力矩等信息記錄下來(lái)，來(lái)進(jìn)步一步優(yōu)化整個(gè)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)。

（二）電氣和控制仿真設(shè)計(jì)

電氣和控制仿真設(shè)計(jì)包括電氣仿真設(shè)計(jì)和控制仿真設(shè)計(jì)兩方面，其中電氣仿真設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是：傳感器的設(shè)置和應(yīng)用、電機(jī)的設(shè)置和應(yīng)用；控制仿真設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是：時(shí)序邏輯控制、運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃、傳動(dòng)與連接件運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)計(jì)等。

在模型設(shè)計(jì)階段，首先要利用SolidWorks軟件進(jìn)行電氣仿真設(shè)計(jì)，完成對(duì)傳感器和電機(jī)等電氣特征元件的設(shè)置和應(yīng)用，然后才能進(jìn)行后續(xù)控制仿真設(shè)計(jì)，控制模型的時(shí)序邏輯，規(guī)劃模型的運(yùn)動(dòng)路徑等。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，對(duì)于虛擬原型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，首先要進(jìn)行模型構(gòu)建，依次進(jìn)行機(jī)械模型構(gòu)件、電氣模型構(gòu)建、控制模型構(gòu)建，最終形成完整的基于虛擬原型的機(jī)電一體化產(chǎn)品的三維模型，并利用仿真技術(shù)來(lái)進(jìn)行功能測(cè)試、原型修改、實(shí)體試制等。

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（作者單位：河南省駐馬店正陽(yáng)縣職業(yè)中等專(zhuān)業(yè)學(xué)校）

作者簡(jiǎn)介

方玲（1986.08—），女，河南省駐馬店正陽(yáng)縣職業(yè)中等專(zhuān)業(yè)學(xué)校中學(xué)二級(jí)教師。