淺談虛擬樣機(jī)技術(shù)及其建模與仿真

黃迪

摘 要 虛擬樣機(jī)技術(shù)以計(jì)算機(jī)技術(shù)為依托，綜合多學(xué)科技術(shù)為產(chǎn)品全生命周期的設(shè)計(jì)和評(píng)估提供技術(shù)支持。設(shè)計(jì)者可在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品特性分析，使之能夠快速響應(yīng)市場(chǎng)要求，從而打破傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，節(jié)約了設(shè)計(jì)資本。本文主要介紹建模與仿真涉及的機(jī)械、控制以及協(xié)同仿真領(lǐng)域，從單個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的建模到多個(gè)領(lǐng)域的協(xié)同建模以及最后的協(xié)同仿真所需要的方法以及實(shí)現(xiàn)的過(guò)程。

關(guān)鍵詞 虛擬樣機(jī) 建模 仿真

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

On the Virtual Prototype Technology and its Modeling and Simulation

HUANG Di

（Huazhong University of Science and Technology Wenhua College， Wuhan， Hubei 430074）

Abstract Virtual prototyping technology to computer technology as the basis， a comprehensive multi-disciplinary technology to provide technical support for the design and evaluation of the product life cycle. Designers can achieve product design and product characterization in a virtual environment， so that it can respond quickly to market requirements， thus breaking the traditional design approach， shorten design time， saving design capital. This paper describes the machinery involved in modeling and simulation， control， and co-simulation areas， collaborative modeling and simulation methods needed for the final collaborative modeling from single to multiple disciplines and areas of the implementation process.

Key words virtual prototype； modeling； simulation

0 引言

由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)電一體化產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)經(jīng)歷了串、并行開(kāi)發(fā)，到基于虛擬樣機(jī)的開(kāi)發(fā)過(guò)程。而開(kāi)發(fā)過(guò)程中解決多領(lǐng)域協(xié)同設(shè)計(jì)的有效途徑就涉及到了虛擬樣機(jī)技術(shù)。它的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)涉及機(jī)械、可視化、協(xié)同仿真、數(shù)據(jù)庫(kù)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，它提供一種加快機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)程新的技術(shù)方法和支持環(huán)境。

1 虛擬樣機(jī)技術(shù)的概述

1.1 虛擬樣機(jī)技術(shù)的定義

虛擬樣機(jī)是在CAD/CAM/CAE和物理樣機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它包含有所有產(chǎn)品的關(guān)鍵特征。

它是以一定關(guān)系模擬一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，在一個(gè)或多個(gè)領(lǐng)域模型上，依賴不同子系統(tǒng)的集成，采用計(jì)算機(jī)輔助的方法，以達(dá)到認(rèn)識(shí)現(xiàn)實(shí)或輔助設(shè)計(jì)的目的。

1.2 虛擬樣機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和局限性

在機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，若采用實(shí)物驗(yàn)證的方法的傳統(tǒng)機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)。首先是對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行局部設(shè)計(jì)，加工出物理樣機(jī)，再進(jìn)行調(diào)試，再對(duì)其各種行為進(jìn)行評(píng)估。若不滿足使用要求則選擇返回修改設(shè)計(jì)，然后再加工出新的樣機(jī)，如此反復(fù)評(píng)估直至滿足所需要求為止。

虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用在機(jī)電產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟相差不大，主要差別是虛擬樣機(jī)技術(shù)集合各個(gè)領(lǐng)域的理論和技術(shù)在計(jì)算機(jī)上直接進(jìn)行建模與仿真，它在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，能夠?qū)Ξa(chǎn)品使用、制造、維護(hù)等行為進(jìn)行評(píng)估分析，優(yōu)化產(chǎn)品性能指標(biāo)，保證設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品能夠達(dá)到制造、使用和維護(hù)的要求，并且它的修改直接改變建模的數(shù)據(jù)即可。因此，虛擬樣機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：縮短了研發(fā)周期、節(jié)約研發(fā)資本、實(shí)現(xiàn)資源共享。

但是，虛擬樣機(jī)技術(shù)涉及的學(xué)科領(lǐng)域太廣，技術(shù)復(fù)雜，給設(shè)計(jì)者提出了很高的要求，而且，對(duì)于一些復(fù)雜的問(wèn)題的計(jì)算上無(wú)法得到精確的解，只能是盡量的將誤差控制在允許的范圍內(nèi)，所以技術(shù)本身的不成熟和不完善也在一定程度上制約了它的發(fā)展。而且在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行建模時(shí)，很難建立理想的、完整的模型，因此虛擬樣機(jī)始終無(wú)法取代物理樣機(jī)。①

1.3 虛擬樣機(jī)技術(shù)的支撐環(huán)境及關(guān)鍵技術(shù)

圖1 虛擬樣機(jī)支撐環(huán)境框架

虛擬樣機(jī)的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)當(dāng)中，在每一個(gè)階段都涉及到多個(gè)領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)，比如在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就涉及到CAD/CAM/CAE等CAX技術(shù)和DFX技術(shù)，在產(chǎn)品特性分析階段涉及到機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)等相關(guān)技術(shù)，而在分析結(jié)果的時(shí)候又涉及到可視化技術(shù)和動(dòng)畫(huà)技術(shù)。因此，虛擬樣機(jī)技術(shù)需要強(qiáng)大的支撐環(huán)境來(lái)保證這些相關(guān)技術(shù)的操作和相互之間的數(shù)據(jù)交流平臺(tái)，其所需要的支持環(huán)境框圖如圖1②所示

在這些支撐環(huán)境中，存在一些關(guān)鍵技術(shù)，這些關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展情況直接影響著整個(gè)支撐環(huán)境的發(fā)展。比如多領(lǐng)域的協(xié)同仿真——“建模-仿真-評(píng)估/優(yōu)化”一體化平臺(tái)、高層建模技術(shù)、仿真模型庫(kù)構(gòu)建與管理技術(shù)以及分布式協(xié)同仿真技術(shù)等。

1.4 虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀

虛擬仿真技術(shù)在美國(guó)、德國(guó)等一些發(fā)達(dá)國(guó)家早已被廣泛地應(yīng)用于汽車制造、機(jī)械工程、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域，產(chǎn)品的涉及由簡(jiǎn)單的照相機(jī)快門技術(shù)到龐大的工程機(jī)械技術(shù)，如John Deere 公司通過(guò)虛擬樣機(jī)技術(shù)找到了在重載下工程機(jī)械的自激振動(dòng)問(wèn)題的原因，并提出了改進(jìn)方案，這同樣在虛擬樣機(jī)上得到了驗(yàn)證。endprint

國(guó)外的虛擬樣機(jī)技術(shù)已走向商業(yè)化，美國(guó)機(jī)械動(dòng)力學(xué)公司的機(jī)械系統(tǒng)自動(dòng)動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS是目前比較有影響力的軟件。其中ADAMS占據(jù)了市場(chǎng)的50 % 以上，其它軟件的還有Folw3D、ANSYS 等等。

國(guó)內(nèi)的企業(yè)虛擬樣機(jī)技術(shù)主要是集成現(xiàn)成的國(guó)外軟件應(yīng)用上，如PRO/E、ADAMS、ANSYS 等，國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)國(guó)外軟件的依賴性強(qiáng)。有些單位會(huì)為了滿足設(shè)計(jì)分析的需要而采用對(duì)市場(chǎng)上現(xiàn)有軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

2 虛擬樣機(jī)的模型建立

2.1 虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)原理

作為研究動(dòng)態(tài)系統(tǒng)行為的有效方法，虛擬樣機(jī)涉及幾何信息，同時(shí)虛擬樣機(jī)系統(tǒng)具有運(yùn)動(dòng)模擬、操作模擬和動(dòng)力學(xué)模擬等物理邊界條件，提供人機(jī)交互虛擬現(xiàn)實(shí)三維場(chǎng)景的工具。其一般設(shè)計(jì)原理可歸結(jié)為如圖2所示。

圖2 虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)原理圖

2.2 機(jī)電產(chǎn)品的功能模型分析

影響此類機(jī)電產(chǎn)品系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程和設(shè)計(jì)方法是在功能邏輯上的構(gòu)成方式和在物理上的組成方式。在物理組成上，機(jī)電一體化產(chǎn)品包含機(jī)械結(jié)構(gòu)，機(jī)電接口、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)等多種電子、機(jī)械零部件。③

將機(jī)電一體化產(chǎn)品劃分為控制子系統(tǒng)、廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)、檢測(cè)子系統(tǒng)、傳感及信息處理的是上海交通大學(xué)的鄒慧君教授，④這就是所謂的三子系統(tǒng)論。如圖3所示：

圖3 機(jī)電系統(tǒng)的三子系統(tǒng)的組成及其關(guān)聯(lián)

圖4 廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)建模步驟框圖

2.3 廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)的建模與求解

廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩大部分，它們的建模與求解主要分為幾何建模、物理建模、數(shù)學(xué)建模、數(shù)值求解和結(jié)果分析，其步驟如圖4所示。

幾何建模，主要是建立所設(shè)計(jì)虛擬樣機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的幾何模型，它可以用幾何造型軟件Pro/E、UG等導(dǎo)入，也可以由ADAMS幾何造型模塊構(gòu)造，但有些軟件之間的相互導(dǎo)入需要接口模塊，例如Pro/E與ADAMS之間需要MECHANISM/Pro借口模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。⑤

物理建模，形成表達(dá)系統(tǒng)力學(xué)特性的物理模型，對(duì)幾何模型施加外力或外力矩、運(yùn)動(dòng)學(xué)約束、力元（內(nèi)力）、驅(qū)動(dòng)約束等物理模型要素。

數(shù)學(xué)建模，由物理模型組裝成系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程中的拉格朗日坐標(biāo)或笛卡爾坐標(biāo)建模方法創(chuàng)建各系數(shù)矩陣，得到系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。

2.4 控制子系統(tǒng)的建模與求解

可以利用MATLAB建立控制模型。驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)通常有開(kāi)環(huán)方式和閉環(huán)方式兩種，開(kāi)環(huán)方式是在驅(qū)動(dòng)器與執(zhí)行末端之間建立約束關(guān)聯(lián)，執(zhí)行末端為反向運(yùn)動(dòng)學(xué)驅(qū)動(dòng)；而閉環(huán)方式是以期望參考信號(hào)與傳感器探測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較從而得到控制信號(hào)。連續(xù)——離散混合信號(hào)處理的運(yùn)動(dòng)控制模型就是采用閉環(huán)控制方式。

2.5 協(xié)同建模

控制實(shí)現(xiàn)的多學(xué)科協(xié)同與多體動(dòng)力學(xué)的建?？梢栽贏DAMS/ Controls 模塊中的與控制仿真軟件的接口上。它首先導(dǎo)出ADAMS動(dòng)力學(xué)模型，然后導(dǎo)出動(dòng)力學(xué)模型到控制仿真環(huán)境最后構(gòu)建動(dòng)力學(xué)一控制集成模型。

3 虛擬樣機(jī)的仿真實(shí)現(xiàn)

在建立共享的集成模型基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真運(yùn)行，有基于MATLAB 和基于ADAMS 兩種解算方式：⑥

3.1 基于ADAMS的方式

求解線性或非線性的結(jié)果在在ADAMS 環(huán)境中虛擬樣機(jī)控制子模型的共享模型進(jìn)行仿真運(yùn)行。

3.2 基于MATLAB的方式

機(jī)械動(dòng)力學(xué)解算通過(guò)在MATLAB 環(huán)境中植入的ADAMS 模塊控制運(yùn)用解算控制仿真軟件求解器，它們通過(guò)S函數(shù)（S-function）或狀態(tài)空間（state -space）進(jìn)行接口變量的聯(lián)系，在MATLAB/ Simulink 中觀察并輸出仿真曲線，同時(shí)，可以觀察到虛擬樣機(jī)的三維仿真運(yùn)行動(dòng)畫(huà)和生成仿真結(jié)果數(shù)據(jù)文件。

4 小結(jié)

虛擬樣機(jī)技術(shù)為機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)支持環(huán)境和新的方法，它與傳統(tǒng)的技術(shù)相比，縮短了研發(fā)周期、節(jié)約研發(fā)資本，實(shí)現(xiàn)資源共享、提高產(chǎn)品質(zhì)量，因此它目前廣泛用于汽車制造、航空航天、機(jī)械工程、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。

整個(gè)虛擬樣機(jī)技術(shù)的關(guān)鍵是虛擬樣機(jī)的仿真和實(shí)現(xiàn)，從單個(gè)領(lǐng)域的建模仿真到多個(gè)領(lǐng)域的協(xié)同仿真，從幾何建模到物理建模到數(shù)學(xué)建模到數(shù)值求解再到結(jié)果分析，這一系列的過(guò)程涉及到多個(gè)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。因此，要做好虛擬樣機(jī)技術(shù)，一方面要依賴于其本身技術(shù)的發(fā)展，另一方面則要求設(shè)計(jì)者本身具備過(guò)硬的專業(yè)技術(shù)知識(shí)以及配置完備的團(tuán)隊(duì)。

參考文獻(xiàn)

① 李丹，李印川.虛擬樣機(jī)技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀.機(jī)械，2008（6）總第35卷：2-3.

② 寧芊.機(jī)電一體化產(chǎn)品虛擬樣機(jī)協(xié)同建模與仿真技術(shù)研究.四川大學(xué)博士畢業(yè)論文，2006：21-22.

③ B.Jung，M.Latoschik， I. Wachsmuth： Knowledge- Based Assembly Simulation for Virtual Prototype Modeling. IECON'98- Proceedings of the 24th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society， Vol. 4， IEEE，1998：2152-2157.

④ 鄒慧君等.機(jī)電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的基本原理.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，1999.15（3）：14-17.

⑤ Zheng Wang， Zhenyu Liu ， Jianrong Tan， Yun Fu， Changjiang Wan，A virtual environment simulator for mechanical system dynamics with online interactive control，Advances in Engineering Software，2006：631–642.

⑥ 寧芊，殷國(guó)富，徐雷.機(jī)電系統(tǒng)虛擬樣機(jī)協(xié)同建模與仿真技術(shù)研究.中國(guó)機(jī)械工程，2006.17（13）：1405-1406.endprint