以虛擬原型技術(shù)為基礎(chǔ)的機(jī)電一體化建模探析

祝顯浪

摘 要：近年來，機(jī)電一體化產(chǎn)品需求發(fā)生了巨大變化，將同時(shí)面向控制、電子以及機(jī)械等多個(gè)領(lǐng)域，對(duì)產(chǎn)品研發(fā)能力提出了新的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)已越來越無法滿足現(xiàn)實(shí)需求，急需新的技術(shù)改進(jìn)。虛擬原型技術(shù)作為可以反映產(chǎn)品本質(zhì)特性的多域數(shù)字模型，可契合精細(xì)化技術(shù)要求，符合復(fù)雜多變的現(xiàn)實(shí)需求。本文立足于以虛擬原型技術(shù)為基礎(chǔ)的機(jī)電一體化建模需求分析、基本流程，通過實(shí)證分析提出機(jī)電一體化建模，以期為機(jī)械制造科學(xué)化生產(chǎn)奠定良好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：虛擬原型 機(jī)電一體化 建模

0 引言

為有效提高研發(fā)效率，各產(chǎn)品制造逐漸朝著小批量、多品種的方向快速演化，特別是高技術(shù)的復(fù)雜新產(chǎn)品，必須滿足多領(lǐng)域的交互設(shè)計(jì)，否則將極大的降低成品率，為此，在傳統(tǒng)產(chǎn)品研發(fā)模式下，如何展開機(jī)電一體化建模成為亟待解決的重要課題[1]?；诖?，本文提出了一種新的思路，即以“虛擬原型”為核心，通過機(jī)械、電氣與控制建模，構(gòu)建同步動(dòng)態(tài)閉環(huán)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)前期，以較低的成本展現(xiàn)出不同的設(shè)計(jì)功能及方案，并對(duì)產(chǎn)品予以全方位的評(píng)價(jià)與測試，防止實(shí)物樣機(jī)反復(fù)制造，避免設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。

1 以虛擬原型技術(shù)為基礎(chǔ)的機(jī)電一體化建模需求分析

1.1 機(jī)電一體化產(chǎn)品特性

機(jī)電一體化產(chǎn)品涵蓋了產(chǎn)品設(shè)計(jì)中諸多需求，包括人機(jī)界面設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫與記錄、離散邏輯設(shè)計(jì)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理、傳感器及信號(hào)調(diào)理設(shè)計(jì)、電機(jī)與執(zhí)行器設(shè)計(jì)以及機(jī)械設(shè)計(jì)等等，為此，機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求也更高?；谔摂M原型技術(shù)的機(jī)電一體化建模，便是優(yōu)先考慮機(jī)電一體化產(chǎn)品特性，從而采取的科學(xué)設(shè)計(jì)辦法[2]。

1.2 產(chǎn)品市場需求

一方面，在貿(mào)易自由化進(jìn)程加快的背景下，市場競爭日趨激烈，對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品的需求也越來越大。另一方面，由于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)以及信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，為滿足用戶對(duì)產(chǎn)品的多樣化、個(gè)性化的要求，許多高技術(shù)被投入到了機(jī)電一體化產(chǎn)品中。特別是對(duì)于較為復(fù)雜的機(jī)電一體化產(chǎn)品，傳統(tǒng)開發(fā)模式難以滿足多個(gè)領(lǐng)域的優(yōu)化組合與交互式設(shè)計(jì)，虛擬原型技術(shù)通過多域交互協(xié)作中的優(yōu)勢，滿足產(chǎn)品市場需求。

1.3 產(chǎn)品開發(fā)流程

目前，不管是機(jī)械產(chǎn)品還是機(jī)電一體化產(chǎn)品，都經(jīng)歷了從傳統(tǒng)串行開發(fā)到并行工程的設(shè)計(jì)過程。其中，串行開發(fā)的優(yōu)點(diǎn)在于把一個(gè)復(fù)雜的程序轉(zhuǎn)換成一個(gè)可管理的操作序列，其不足之處在于未充分考慮各環(huán)節(jié)的平行性，造成開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)大、成本高以及周期長。并行工程可以摒棄傳統(tǒng)串行開發(fā)的不足，在設(shè)計(jì)流程的每一個(gè)階段都盡量做到同時(shí)進(jìn)行，從而有機(jī)整合開發(fā)的整個(gè)過程，注重協(xié)作設(shè)計(jì)[3]。然而，過度重視并行化也不具有科學(xué)性，產(chǎn)品開發(fā)過程中平行度的提升，也會(huì)提高錯(cuò)誤率，為此，需要先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法來予以支持。

1.4 產(chǎn)品開發(fā)工具和平臺(tái)

CAD在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，已由CAX/DFX技術(shù)逐漸向CAX/DFX/DFX等多個(gè)領(lǐng)域擴(kuò)展，機(jī)電一體化是一種將軟件、電子以及機(jī)械等結(jié)合在一起的技術(shù)，功能豐富齊全。但是，因?yàn)楦鏖_發(fā)工具一般都是彼此獨(dú)立的，所以很難進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化，就算是模擬，也無法將機(jī)械、電氣與控制等性能充分地考慮進(jìn)去，更無法整體評(píng)價(jià)機(jī)電一體化產(chǎn)品形成，而虛擬原型技術(shù)則可剛好滿足這一需求。

2 以虛擬原型技術(shù)為基礎(chǔ)的機(jī)電一體化建?；玖鞒?/p>

在需求分析基礎(chǔ)上，本文擬采用虛擬原型技術(shù)，構(gòu)建機(jī)電一體化建?；玖鞒?，即在明確實(shí)際需求后，從產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)出發(fā)，直接面向虛擬原型接口，虛擬原型技術(shù)經(jīng)仿真設(shè)計(jì)、測試驗(yàn)證，再次反饋給概念設(shè)計(jì)（設(shè)計(jì)方案），形成同步動(dòng)態(tài)閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)迭代過程，令機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)更具可行性與可拓展性。

在開發(fā)過程中，可以分為兩個(gè)迭代階段：第一迭代階段是以產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案（概念設(shè)計(jì)）為目標(biāo)的迭代，以設(shè)計(jì)方案、要求為目標(biāo)，以充分滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求；第二迭代階段以虛擬原型技術(shù)為基礎(chǔ)，通過模擬設(shè)計(jì)、功能測試等手段，對(duì)樣機(jī)予以優(yōu)化。具體而言，主要包括如下步驟

第一，概念設(shè)計(jì)過程。在概念設(shè)計(jì)時(shí)，要采用“組合-分解”的方法，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求提出具體的設(shè)計(jì)目標(biāo)，并細(xì)化為功能單位，對(duì)其予以歸類，最終展開綜合集成，獲得一組功能原型的設(shè)計(jì)方案。

第二，虛擬原型過程。集成各個(gè)功能區(qū)域，形成相對(duì)完善的設(shè)計(jì)平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)各領(lǐng)域予以建模，使各領(lǐng)域之間能夠聯(lián)通、協(xié)作，構(gòu)建虛擬樣機(jī)。

第三，仿真設(shè)計(jì)過程。在虛擬原型基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)指標(biāo)，對(duì)單域、多域予以仿真，獲得仿真數(shù)據(jù)，形成動(dòng)態(tài)閉環(huán)設(shè)計(jì)。

第四，測試驗(yàn)證過程。通過可制造性測試、專業(yè)測試、整機(jī)性能測試以及軟硬件測試驗(yàn)證等多種形式，將測試結(jié)果反饋給概念設(shè)計(jì)階段，確保達(dá)到最優(yōu)的機(jī)電一體化產(chǎn)品。

3 以虛擬原型技術(shù)為基礎(chǔ)的機(jī)電一體化建模實(shí)證分析

3.1 基本原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）基本原理。虛擬原型技術(shù)基于CAX/DFX的并行設(shè)計(jì)理念，涵蓋產(chǎn)品的電子與控制模型、功能性能模擬模型、外觀模型以及CAD模型，在此基礎(chǔ)上，可通過計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)建其力學(xué)模型，展開虛擬工作條件下的性能參數(shù)可視化分析，并基于模擬結(jié)果對(duì)其予以優(yōu)化、改進(jìn)。利用虛擬原型技術(shù)，有助于生產(chǎn)出實(shí)體樣機(jī)前對(duì)產(chǎn)品整體性能形成初步認(rèn)識(shí)，降低開發(fā)成本與周期，增強(qiáng)產(chǎn)品的競爭能力。

本實(shí)證分析的機(jī)電一體化建模方法，主要包括以下幾個(gè)方面：第一，在對(duì)產(chǎn)品需求分析的基礎(chǔ)上，通過對(duì)設(shè)計(jì)指單獨(dú)設(shè)計(jì)，施行模擬和可視化處理。第二，利用CAX/DFX技術(shù)，對(duì)所需要的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境予以建模，構(gòu)建產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與性能模型，實(shí)現(xiàn)虛擬原型的生成。第三，在合成虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境中對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行解析模擬，并通過界面與真實(shí)環(huán)境進(jìn)行交互，對(duì)虛擬原型予以驗(yàn)證與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)從虛擬原型到實(shí)體原型的轉(zhuǎn)變，便于后續(xù)的樣機(jī)研制與試驗(yàn)驗(yàn)證。

（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。3D立體模型是最常用的產(chǎn)品陳列方式，且多為參數(shù)化模型，不僅能夠精確地刻畫出產(chǎn)品的幾何信息及主要性能參數(shù)，而且還可以將相關(guān)信息嵌入到模型中，如控制算法、加工信息等。目前市面上的 CAD/CAM軟件包大多都是對(duì)零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者而言，用SolidWorks與LabVIEW相結(jié)合的三維建模軟件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，可以得到理想的結(jié)果。

3.2 3D CAD機(jī)械建模電氣與控制建模

（1）零件設(shè)計(jì)。平面幾何要素如點(diǎn)、線以及弧等組成的閉合或非閉合幾何體，通常由三個(gè)維度組成，即尺寸、形狀以及幾何關(guān)系。三維實(shí)體建模采用基于特定平面的手繪草圖，采用特征建模的方法對(duì)其進(jìn)行建模，特征是建立3-D實(shí)體基礎(chǔ)要素，通過對(duì)二維平面圖建模，得到了3D零件的特征模型，也就是產(chǎn)品零件。

比如，對(duì)于錐形階梯軸，先在草圖編輯環(huán)境中繪制對(duì)應(yīng)的平面幾何圖，然后通過旋轉(zhuǎn)特征來產(chǎn)生臺(tái)階軸線。其次打開SolidWorks，進(jìn)入到設(shè)計(jì)環(huán)境中創(chuàng)建一個(gè)新的草圖，并予以修改，在“文件”菜單中選擇“零件”命令，通過繪圖界面中使用線性工具繪制出所顯示的幾何形狀，然后使用尺寸標(biāo)記工具對(duì)其予以尺寸標(biāo)記，最后根據(jù)特征自動(dòng)生成三維實(shí)體。最后，在“特征”工具欄中，選中“旋轉(zhuǎn)平臺(tái)/基座”，并設(shè)置相關(guān)的參數(shù)，并得到機(jī)電一體化產(chǎn)品3D模型[4]。

（2）裝配設(shè)計(jì)。各個(gè)部件被設(shè)計(jì)成一個(gè)完整的機(jī)械，以完成某種功能，在實(shí)際建模過程中，首先要用SolidWorks中的裝配函數(shù)將已完成的零件予以裝配，然后再對(duì)所建立的模型進(jìn)行各項(xiàng)分析、檢測。其中，利用 SolidWorks的裝配功能，使已有的零件容易被添加到裝配體中，并增加不同的裝配關(guān)系，也可通過鼠標(biāo)拖拽尚未完成位置的零件，展開有限的運(yùn)動(dòng)仿真，以了解其整體設(shè)計(jì)是否達(dá)到了預(yù)定的目的，同時(shí)還進(jìn)行了體積和碰撞干涉的檢查。在 SolidWorks軟件中，主要有機(jī)械配合及標(biāo)準(zhǔn)配合，其中，標(biāo)準(zhǔn)配合是指將零件組裝到一個(gè)組裝體內(nèi)，如并聯(lián)配合、共軸配合以及同心/共軸配合等，而機(jī)械配合則是指零件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，如凸輪配合、螺桿配合以及齒輪配合等。在虛擬裝配設(shè)計(jì)中，主要以標(biāo)準(zhǔn)配合為主，而在仿真運(yùn)行、傳動(dòng)設(shè)計(jì)等方面，則可通過機(jī)械配合來予以實(shí)現(xiàn)[5]。

在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于SolidWorks的裝配方法，比如，要建立一個(gè)銑床裝配體，需要安裝的零件則將包括pin（銷釘）、clamp（鎖模）、pillar（柱桿）、scale（刻度）、head（編碼頭）、bracket（托座）、table（工作臺(tái)）、saddle（床鞍）以及knee（升降臺(tái)）等。

（3）機(jī)電一體化聯(lián)合建模。在虛擬儀器平臺(tái)上，利用SolidWorks與LabVIEW相結(jié)合的方法，對(duì)各部分的功能組件予以添加、優(yōu)化。本文提出了一種基于裝配體特性的裝配體建模方法，通過對(duì)裝配體構(gòu)型參數(shù)的模擬，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配體構(gòu)型參數(shù)的模擬，實(shí)現(xiàn)實(shí)際仿真設(shè)計(jì)。在SolidWorks軟件中可以進(jìn)行三種運(yùn)動(dòng)研究，即運(yùn)動(dòng)分析形式、基本運(yùn)動(dòng)形式以及動(dòng)畫形式，而在LabVIEW中，則以動(dòng)作分析形式為主。在 SolidWorks軟件平臺(tái)中，增加了虛擬傳感器、虛擬限位裝置以及虛擬馬達(dá)等，并通過與LabVIEW接口，將力矩、加速度、位置以及運(yùn)動(dòng)速度等信息輸入其中，展開運(yùn)動(dòng)的分析和設(shè)計(jì)。

3.3 電氣與控制建模

（1）電氣建模。完成了系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)之間的互動(dòng)，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)予以設(shè)置，并對(duì)控制接口進(jìn)行設(shè)計(jì)。LabVIEW軟件主要包括前、后面板程序框圖設(shè)計(jì)，NI SoftMotion則可為其提供豐富的功能函數(shù)模塊。

第一，創(chuàng)建電機(jī)。在三維建模中，電動(dòng)機(jī)是使零件作直線或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源。因此，可以將其分成兩種，一種是線性電機(jī)，一種是旋轉(zhuǎn)電機(jī)。在添加過程中設(shè)置的參數(shù)都是一樣的，主要就是增加電機(jī)的運(yùn)動(dòng)類型、方向以及位置等。

第二，創(chuàng)建傳感器。傳感器是裝配體運(yùn)動(dòng)研究中的一個(gè)重要組成部分，是對(duì)裝配體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行反饋的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。其主要功能包括SolidWorks模擬數(shù)據(jù)、Motion數(shù)據(jù)質(zhì)、接近度、干涉檢測、測量以及量特性等，使用戶能夠設(shè)置設(shè)計(jì)目標(biāo)。該傳感器可以監(jiān)測多個(gè)實(shí)例的測試結(jié)果，如果有超過某個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)，就會(huì)給用戶進(jìn)行告警。在較為復(fù)雜的機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，增加傳感器尤為必要，比如在直線一級(jí)倒立擺系統(tǒng)中加裝了一個(gè)傳感器，用來測量角加速度、角唯一，并以圖表的方式向用戶提供了相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

（2）控制建模。對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品而言，控制模塊是整個(gè)系統(tǒng)的生命。在此基礎(chǔ)上，利用函數(shù)算法與控制算法對(duì)運(yùn)行軌跡予以規(guī)劃與控制，本文使用LabVIEW提供的庫功能來完成該系統(tǒng)的功能。LabVIEW為用戶提供了大量的功能函數(shù)，使用戶能夠直觀地看到各個(gè)函數(shù)的作用，并能很好地滿足用戶的需要。

控制建模設(shè)計(jì)的基本思路是：利用LabVIEW中的庫函數(shù)對(duì)控制和功能算法予以編程，通過LabVIEW中的有關(guān)模塊作為橋梁，把控制算法同SolidWorks中的電機(jī)模型、機(jī)械模型予以進(jìn)行對(duì)接，構(gòu)成一個(gè)完整的機(jī)電一體化控制模型。在此基礎(chǔ)上，利用LabVIEW-SolidWorks對(duì)所建立的系統(tǒng)展開運(yùn)行和分析，從而形成控制模型、馬達(dá)模型以及機(jī)械模型，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化整體性能的最優(yōu)化。

3.4 控制算法設(shè)計(jì)

線性二次最優(yōu)控制是一種新的最優(yōu)控制方法，是一種常用的優(yōu)化控制方法，其目標(biāo)是尋找最優(yōu)控制參數(shù)u（t），使得二次性能泛函J達(dá)到極小值。當(dāng)系統(tǒng)為線性時(shí)，其最優(yōu)控制問題被稱作二次方程。同時(shí)，利用該方法求解線性二次方程組的最優(yōu)解，并將其作為狀態(tài)變量進(jìn)行線性化處理，從而得到帶狀態(tài)反饋的閉環(huán)優(yōu)化控制系統(tǒng)。線性二次最優(yōu)控制的最大優(yōu)勢在于，當(dāng)控制系統(tǒng)處于可控狀態(tài)時(shí)，其穩(wěn)定性就會(huì)得到保證。表達(dá)公式如式1所示。

（1）

其中，R（t）為正定時(shí)變矩陣，Q（t）為半正定時(shí)變矩陣，S為半正定常數(shù)矩陣。

在性能泛函中，第一項(xiàng)是終端型代價(jià)函數(shù)，被積函數(shù)用于度量一個(gè)系統(tǒng)在控制過程中的誤差幅度。在被積函數(shù)中，第二項(xiàng)是一個(gè)代價(jià)函數(shù)，用于度量控制能力的大小。在本文中，把系統(tǒng)控制功能看作是當(dāng)外界擾動(dòng)發(fā)生擾動(dòng)，使得系統(tǒng)中的各個(gè)部分保持在相對(duì)于平衡態(tài)的狀態(tài)。在實(shí)際應(yīng)用中，R（t）、Q（t）以及S都是對(duì)稱的，并且大多采用對(duì)角矩陣。具體對(duì)角線要素的確定，需要結(jié)合工程實(shí)踐確定。

通常而言，僅需求解穩(wěn)定狀態(tài)就可求得方程的化簡，此時(shí)，里卡蒂方程的解會(huì)趨向于常數(shù)，這對(duì)于數(shù)值計(jì)算及控制器的設(shè)計(jì)都是非常有利的。在設(shè)計(jì)控制器時(shí)，設(shè)計(jì)者最關(guān)心的問題就是如何選取最小的控制矢量u（t），從而使系統(tǒng)的性能指標(biāo)滿足最小。在二次系統(tǒng)性能指數(shù)的積分范圍從0變?yōu)闊o限時(shí)，可以得出一個(gè)線性控制律。

3.5 仿真設(shè)計(jì)

基于前文建模分析，可以開展機(jī)電一體化仿真設(shè)計(jì)，以便于在控制、電氣、機(jī)械等方面的測試，為整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)優(yōu)化提供依據(jù)，具體而言，首先應(yīng)建立虛擬原型的機(jī)械模型，并以LabVIEW集成模塊加強(qiáng)聯(lián)系，編寫程序算法，再次，實(shí)現(xiàn)LabVIEW與3D CAD的協(xié)同仿真，展開機(jī)電產(chǎn)品性能測試。最后，總結(jié)仿真結(jié)果，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，為實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造提供依據(jù)。

4 結(jié)語

綜上所述，本文通過對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品虛擬原型技術(shù)的研究，提出了一種新的機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，以“機(jī)械-控制”為框架，在明確需求分析、基本流程的基礎(chǔ)上，展開機(jī)械建模、電氣與控制建模。

參考文獻(xiàn)：

[1]申運(yùn).基于虛擬原型的機(jī)電一體化建模與仿真技術(shù)分析[J].電子測試，2017（10）：13-14.

[2]孫梅.基于虛擬原型的機(jī)電一體化建模與仿真技術(shù)研究[J].知識(shí)文庫，2016（21）：214+237.

[3]李春菊.試論虛擬原型下機(jī)電一體化的建模與仿真技術(shù)[J].中國西部，2017（009）：93.

[4]張悅，周晚，帖蘭，等.數(shù)字智能控制在機(jī)電一體化系統(tǒng)建模技術(shù)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2023（01）：100-105+110.

[5]曹悅，吳凌九，秦緒佳，等.模型驅(qū)動(dòng)復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)軟件與物理并行概念設(shè)計(jì)[J].中國機(jī)械工程，2021，32（21）：2532-2541.