機電一體化系統(tǒng)的建模分析技術在機械工程中的應用

賀江澤

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團臺頭前灣煤業(yè)有限公司， 山西 鄉(xiāng)寧 042100）

引言

在全球化發(fā)展趨勢不斷加速的今天，各企業(yè)均在不斷尋找新的能夠提高機械設計速度和可靠性的方法，以解決現(xiàn)有的機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)分開設計，在試制階段才進行組合所存在的周期長、可靠性差、成本高的缺陷[1]。本文提出了機電一體化系統(tǒng)的建模分析方案在工程機械設計中的應用原理，構建了機電協(xié)同化仿真應用平臺，為機電產(chǎn)品的聯(lián)合仿真分析提供了一個完整的框架，解決了現(xiàn)有仿真平臺無法進行模型機電聯(lián)動運行分析的難題。

1 機電一體化協(xié)同建模

機械工程中的機電一體化協(xié)同建模主要包括建模與仿真高層體系結構、數(shù)據(jù)標準化體系和數(shù)據(jù)信息交互體系，其中協(xié)同建模的關鍵在于建模與仿真高層體系結構（簡稱HLA），其體系結構是一個面向建模和仿真分析對象的體系結構，能夠為三維建模和仿真提供相互分離的體系結構，實現(xiàn)各個模塊獨立建模、聯(lián)合仿真運行，其主要的優(yōu)點在于能夠使各模塊進行獨立的更新和升級，從而保證整個一體化協(xié)同建模體系的先進性和對分析結果的準確性。

該機電一體化協(xié)同建模能夠根據(jù)所應用行業(yè)的不同實現(xiàn)聯(lián)邦模塊[2]的快速融合與配置，在運行分析是無需考慮建模對象的實際應用規(guī)則，而是關注于如何將機械和電氣模型進行聯(lián)合和協(xié)同操作，將本土的聯(lián)邦模塊集成為一個整體的系統(tǒng)，該結構的優(yōu)點在于能夠?qū)崿F(xiàn)多個計算機系統(tǒng)的分布式的聯(lián)合仿真分析，有效提升機械設計的聯(lián)合仿真分析速度和準確性，在建模與仿真高層體系結構下，各個聯(lián)邦成員和RTI運行支撐系統(tǒng)共同構成了一個開放式的機電一體化協(xié)同工作平臺，使整個系統(tǒng)具有極強的擴展性，其整體結構如圖1所示[3]。

圖1 機電一體化協(xié)同建模理論示意圖

2UPM建模方案

UPM是統(tǒng)一產(chǎn)品模型的統(tǒng)稱，UPM產(chǎn)品模型不僅能夠反映出機械工程產(chǎn)品在整個生命期內(nèi)的數(shù)據(jù)信息，而且能夠在不同的設計階段對模型的屬性進行變更、合并，能夠使各機械部件所表達的數(shù)據(jù)信息具有高度的一致性。該建模方案還具有高度的可擴展性，便于產(chǎn)品在任何階段的調(diào)整和轉(zhuǎn)換。在進行具體設計時，設計開發(fā)人員從UPM模型中構建產(chǎn)品的屬性和結構信息，在開發(fā)過程中根據(jù)實際情況對模型屬性和結構進行修改、完善，整個開發(fā)團隊完全在同一個模型庫內(nèi)建模，一個人所負責部分產(chǎn)品信息的變化均會反應到臨近結構上，使臨近結構的設計人員能夠直接在系統(tǒng)內(nèi)對配合結構進行修正，實現(xiàn)了快速建模分析，而且整個建模過程實現(xiàn)了自下而上的集成化建模，能夠有效地確保產(chǎn)品數(shù)據(jù)的一致性，UPM統(tǒng)一建模過程如下頁圖2所示[4]。

3 機電一體化建模接口確認

在進行機電一體化建模聯(lián)合分析時，需要將不同的仿真分析軟件聯(lián)合運行，因此需要有一個通用、融合、高速的數(shù)據(jù)信息接口，在接口處需要設置專用的聯(lián)合仿真接口軟件實現(xiàn)對各個應用模塊的有機連接和分析。對于聯(lián)合仿真分析時的數(shù)據(jù)通信，由于單位時間內(nèi)的數(shù)據(jù)通信需求極大，而且要求傳輸穩(wěn)定性好，因此采用了總線數(shù)據(jù)通信模塊，將各個仿真模塊通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口連接到數(shù)據(jù)總線上，在計算機總線控制下實現(xiàn)各個模塊之間的數(shù)據(jù)通信和傳輸。

目前國際上通用的聯(lián)合數(shù)據(jù)仿真的總線通信標準為HLA標準[5]，該標準能夠有效解決各個仿真分析軟件之間的數(shù)據(jù)傳輸和轉(zhuǎn)換問題，目前已經(jīng)成為國際標準主推的新一代的數(shù)據(jù)通信模式，其通信結構如圖3所示。

圖2 UPM統(tǒng)一建模過程結構示意圖

4 結語

通過以上分析可知，采用新的機電一體化系統(tǒng)的建模分析方案，能夠有效實現(xiàn)機械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的聯(lián)動運行分析，解決了傳統(tǒng)的不同的分析軟件無法進行聯(lián)合運行的情況，目前該類機電一體化系統(tǒng)的建模分析方案已在機械工程行業(yè)進行了應用，根據(jù)實際應用結果表明能夠?qū)C械設計周期縮短40%以上，能夠顯著提升產(chǎn)品的質(zhì)量，降低生產(chǎn)周期和生產(chǎn)成本，具有極大的應用推廣價值。

圖3 仿真軟件聯(lián)合總線通信結構示意圖