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

范向紅

摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代行業(yè)的發(fā)展。同時(shí)，隨著科學(xué)技術(shù)不斷的進(jìn)步，我國(guó)機(jī)械工程有效結(jié)合自動(dòng)化技術(shù)，形成新領(lǐng)域的機(jī)械電子工程。尤其是虛擬樣機(jī)技術(shù)，結(jié)合了多種領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，從而更好地完善產(chǎn)品性能。文章研究了機(jī)電一體化產(chǎn)品虛擬樣機(jī)協(xié)同建模與仿真技術(shù)，分析該設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)及模型庫(kù)的構(gòu)建原理，并提出相關(guān)的見(jiàn)解，從而更好地促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化產(chǎn)品；虛擬樣機(jī)；建模與仿真

機(jī)電一體化是由機(jī)械學(xué)和電子學(xué)組成的，靈活地運(yùn)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、傳感技術(shù)以及信息轉(zhuǎn)換等技術(shù)，使其多項(xiàng)技術(shù)有效結(jié)合，研發(fā)出機(jī)電一體化設(shè)備，從而更好地帶動(dòng)該技術(shù)的發(fā)展。其中的虛擬樣機(jī)技術(shù)，是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，使其具有一定的功能真實(shí)度，更好地代替物理樣機(jī)，并有效地推動(dòng)建模和仿真領(lǐng)域的發(fā)展。

1.虛擬樣機(jī)技術(shù)分析

虛擬樣機(jī)技術(shù)充分利用建模技術(shù)、仿真技術(shù)、信息設(shè)計(jì)以及管理技術(shù)，對(duì)于機(jī)電一體化產(chǎn)品進(jìn)行全壽命及全結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作，同時(shí)進(jìn)行綜合分析、評(píng)估和管理。隨著我國(guó)安全第一、質(zhì)量第一生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的提出，國(guó)家對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品的全生命周期管理意識(shí)在不斷加強(qiáng)，在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，也有效地提高了經(jīng)濟(jì)效益，因此，虛擬樣機(jī)技術(shù)具有很大的發(fā)展空間。

1.1虛擬樣機(jī)概念分析

其定義是指基于計(jì)算機(jī)技術(shù)，有效地代替物理樣機(jī)，同時(shí)具有標(biāo)準(zhǔn)的真實(shí)度。其設(shè)計(jì)是指代替物理樣機(jī)之后，對(duì)于候選設(shè)計(jì)進(jìn)行有效的評(píng)估。其環(huán)境是指模型、仿真和仿真物的綜合，將產(chǎn)品的多種結(jié)構(gòu)良好結(jié)合，使其完成理論到設(shè)計(jì)的過(guò)渡。該技術(shù)會(huì)充分利用其環(huán)境，對(duì)于機(jī)電一體化產(chǎn)品進(jìn)行全方位的建模研究，并利用虛擬和仿真領(lǐng)域的綜合，為機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供不同的見(jiàn)解。同時(shí)，虛擬樣機(jī)技術(shù)與集成化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是有關(guān)系的，是在建立物理樣機(jī)之前，利用基于計(jì)算機(jī)的功能及機(jī)械系統(tǒng)，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，然后通過(guò)仿真分析確定該結(jié)構(gòu)在實(shí)際情況下的特征，如外觀、空間結(jié)構(gòu)及動(dòng)力學(xué)等，通過(guò)不斷調(diào)整，得到最佳的設(shè)計(jì)計(jì)劃。

1.2關(guān)鍵技術(shù)及需求

虛擬樣機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括系統(tǒng)總體技術(shù)、集成環(huán)境技術(shù)、綜合建模技術(shù)、協(xié)同仿真技術(shù)、過(guò)程管理技術(shù)、虛擬環(huán)境仿真及校正技術(shù)。對(duì)于該技術(shù)的設(shè)計(jì)，不僅需要滿足功能規(guī)定的外觀要求，同時(shí)還要滿足產(chǎn)品使用環(huán)境及操作等條件，是通過(guò)對(duì)于產(chǎn)品的概念、創(chuàng)新、系統(tǒng)等設(shè)計(jì)階段，建立數(shù)學(xué)模型，通過(guò)數(shù)學(xué)模型，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行綜合分析，使其產(chǎn)品在達(dá)到規(guī)定行為的需求時(shí)，還符合產(chǎn)品操作、制造及銷毀等過(guò)程的需求。

1.3虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案

首先，明確設(shè)計(jì)的任務(wù)，即產(chǎn)品需節(jié)省時(shí)間和經(jīng)濟(jì)，同時(shí)有效提高質(zhì)量和效率，然后在再改進(jìn)產(chǎn)品。流程包括建模、測(cè)試、校驗(yàn)、改正及目的操作。其中，建模主要是指單領(lǐng)域、多領(lǐng)域協(xié)同、約束、驅(qū)動(dòng)等模型。測(cè)試是虛擬測(cè)試機(jī)器和環(huán)境、測(cè)量、方針等過(guò)程。校驗(yàn)是指按照系統(tǒng)的性能，對(duì)參數(shù)進(jìn)行敏感性的分析等。改進(jìn)主要是指細(xì)化、迭代、優(yōu)化。目的操作主要是指方案生成、模板設(shè)計(jì)等操作。校驗(yàn)和改進(jìn)及目的操作之間有著評(píng)估分析的聯(lián)系，即對(duì)于校驗(yàn)的評(píng)估分析，確定結(jié)果是否合理，當(dāng)結(jié)果不合理時(shí)，就要進(jìn)行改進(jìn)環(huán)節(jié)；當(dāng)評(píng)估分析結(jié)果合理時(shí)，就可以進(jìn)行目的操作。

1.4產(chǎn)品虛擬樣機(jī)的組成

基于機(jī)械控制協(xié)同的機(jī)電一體化產(chǎn)品，虛擬樣機(jī)模型的構(gòu)成如圖1所示，行為模型由產(chǎn)品子系統(tǒng)組成，且具有層次性等特點(diǎn)。

2.支撐環(huán)境分析

2.1產(chǎn)品功能模型

產(chǎn)品的功能主要包括控制、動(dòng)力、傳感檢測(cè)、操作及結(jié)構(gòu)功能。主要由機(jī)械、電子和軟件組成，主要?jiǎng)澐譃槲锢砗涂刂葡到y(tǒng)，其中，物理系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)、執(zhí)行等。機(jī)電系統(tǒng)中3個(gè)系統(tǒng)的關(guān)系是，執(zhí)行系統(tǒng)是指廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)，控制系統(tǒng)包括信息處理、控制以及傳感檢測(cè)子系統(tǒng)。首先，執(zhí)行系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)會(huì)向傳感子系統(tǒng)發(fā)出檢測(cè)信號(hào)；然后，傳感系統(tǒng)向信息處理子系統(tǒng)發(fā)出反饋信號(hào)；最后，處理子系統(tǒng)會(huì)向執(zhí)行子系統(tǒng)發(fā)送控制信號(hào)，從而將這幾種子系統(tǒng)更好地綜合。

2.2設(shè)計(jì)過(guò)程模型

機(jī)電一體化產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)過(guò)程模型主要包括：功能層，含有機(jī)電系統(tǒng)功能的理解、動(dòng)作、分解以及控制和執(zhí)行動(dòng)作子功能；行為層，含有檢測(cè)、控制過(guò)程和執(zhí)行動(dòng)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(guò)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(guò)評(píng)估，確定最佳的設(shè)計(jì)方案。其中，仿真模型的分解和組合的流程主要包括系統(tǒng)模型、子模型以及元模型3層，其中系統(tǒng)模型會(huì)分解成3個(gè)子系統(tǒng)模型，繼續(xù)經(jīng)過(guò)多層分解成9個(gè)最小模型單元；同時(shí)每3個(gè)最小模型單元，通過(guò)合并成1個(gè)最小模型單元，繼續(xù)多層組合成子系統(tǒng)模型，再經(jīng)過(guò)組合成系統(tǒng)模型。

3.機(jī)電系統(tǒng)主體建模與仿真技術(shù)研究

廣義執(zhí)行元件不僅是驅(qū)動(dòng)元件以及執(zhí)行結(jié)構(gòu)的綜合，同時(shí)也是機(jī)電系統(tǒng)的主體。對(duì)此，本文主要研究該結(jié)構(gòu)在驅(qū)動(dòng)情況下的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)特征。

3.1運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)研究

運(yùn)動(dòng)學(xué)是根據(jù)微動(dòng)驅(qū)動(dòng)、多自由度以及等、變轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)確定元件，與運(yùn)動(dòng)鏈的運(yùn)動(dòng)探究及綜合，構(gòu)建不同的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，從而進(jìn)行有效的研究。其中，動(dòng)力學(xué)通過(guò)不同系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程的建立，在驅(qū)動(dòng)函數(shù)基礎(chǔ)上，確定執(zhí)行構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)態(tài)情況。對(duì)于動(dòng)力學(xué)的研究，還會(huì)涉及正、逆問(wèn)題，主要是指根據(jù)作用力、力矩，建立相關(guān)模型，從而求出運(yùn)動(dòng)軌跡。相反，逆問(wèn)題就是己知運(yùn)功軌跡求的作用力。

3.2建模方法分析

對(duì)于廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)的建模方法，主要是利用ADAMS為基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)學(xué)，或是動(dòng)力學(xué)的建模方式。其中涉及（非）線性代數(shù)方程以及積分算法等。

3.3仿真方法

同時(shí)利用建模方法的軟件，利用參數(shù)化分析法，如參數(shù)化點(diǎn)坐標(biāo)、設(shè)計(jì)變量、參數(shù)運(yùn)動(dòng)式、參數(shù)表達(dá)式等。主要的流程是結(jié)合構(gòu)件、驅(qū)動(dòng)和力進(jìn)行建模，然后通過(guò)，對(duì)于生成的結(jié)果，即設(shè)計(jì)是否最優(yōu)，當(dāng)結(jié)果為是時(shí)，會(huì)進(jìn)行仿真結(jié)果后處理，并繪制循環(huán)目標(biāo)函數(shù)，以及變量之間的關(guān)系曲線，輸出仿真動(dòng)畫并將結(jié)果進(jìn)行列表、分析；當(dāng)結(jié)果為不是最優(yōu)時(shí)，此時(shí)需要改變?cè)O(shè)計(jì)的變量值，調(diào)整建模，再進(jìn)行求解器解算，將結(jié)果進(jìn)行分析的循環(huán)，直到求解器解算的結(jié)果顯示設(shè)計(jì)是最佳的，同時(shí)還可以運(yùn)用SimMechanics模型的仿真方法進(jìn)行分析。

4.產(chǎn)品結(jié)構(gòu)控制綜合分析

4.1綜合特性

基于物理模型進(jìn)行的仿真模型，其中物理模型主要包括協(xié)同以及能量與信息耦合的子系統(tǒng)。同時(shí)，產(chǎn)品中的執(zhí)行結(jié)構(gòu)，主要是進(jìn)行能量的傳換，與物理模型的能量子系統(tǒng)相互對(duì)應(yīng)。而機(jī)電系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)和控制的綜合，主要體現(xiàn)在時(shí)間與時(shí)序、空間的協(xié)同，以及控制和運(yùn)動(dòng)精度的相互性，同時(shí)還有結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的可控性，堅(jiān)持控制器穩(wěn)定、追蹤以及安全可靠控制的原則，使其控制系統(tǒng)的控制器有效配合。

4.2仿真建模技術(shù)分析

建模是為了能量更好地轉(zhuǎn)換，其中鍵合圖方法是針對(duì)于動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，完成能量轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存以及消耗的結(jié)構(gòu)分卡斤，將不同性能的變量通過(guò)能量守恒定律，轉(zhuǎn)換為共軛變量，即勢(shì)、流變量，使其對(duì)于這2種類型的變量綜合，完成不同范圍內(nèi)的模型交互。同時(shí)還有多極點(diǎn)建模方法，是將共軛變量進(jìn)行綜合，使其模型交互成對(duì)出現(xiàn)，從而更好地拓展建模領(lǐng)域。而方框圖方法則是利用基礎(chǔ)的控制模塊，將其利用線段進(jìn)行連接，此時(shí)的模塊都是由傳遞函數(shù)綜合而成，不僅可以將控制系統(tǒng)進(jìn)行很好的表達(dá)，同時(shí)也能輕易地獲得傳遞參數(shù)，從而有效的分析系統(tǒng)。

5.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文通過(guò)對(duì)于機(jī)電一體化產(chǎn)品虛擬樣機(jī)協(xié)同建模與仿真技術(shù)的分析，掌握了機(jī)電系統(tǒng)的產(chǎn)品功能模型，從而合理地分析產(chǎn)品、結(jié)構(gòu)與控制的特征。通過(guò)動(dòng)力學(xué)以及運(yùn)動(dòng)學(xué)的特點(diǎn)、建模仿真技術(shù)的分析、以及仿真環(huán)境，從而更好地表明其建模方式。借助結(jié)構(gòu)額和控制的協(xié)同，總結(jié)出具有多功能、多層次的仿真建模方式，從而更好地優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，積極地促進(jìn)國(guó)家科學(xué)技術(shù)、科技創(chuàng)新以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。