虚拟样机在机电一体化的可行性研究

吕福玲

1 机电一体化的发展

现代科学技术的发展，推动了不同学科的相互交叉与渗透。机械工程与电子计算机、自动控制的协同集成，促成了机电一体化（Mechatronics）技术的兴起与蓬勃发展。目前，机电一体化技术的基本特征可概括为[[1]：从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测试技术、电力电子技术、信号变换技术以及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织结构目标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整个系统最优化的系统功能技术。由此而产生的功能系统，则成为一个机电一体化产品。

机电一体化产品的开发也同其他产品一样，经历了从传统的串行开发到并行开发，到先进的基于虚拟样机的开发过程。在基于虚拟样机的机电一体化产品开发流程中进一步加大了并行化程度，将强调重点从上下游设计开发的并行活动转移到多学科领域协同设计与仿真上来。开发过程中常常会涉及到多个学科领域专家的协作，虚拟样机技术正是解决多专家协同设计的有效途径。20世纪90年代初，机电一体化产品设计主要指设计参数的产生与优化，系统性能及行为的仿真，所涉及的设计理论与方法主要有：整体最优化理论、智能化设计理论、柔性化设计理论、网络化设计理论、融合原理与可靠性原理等。20世纪90年代后半期以来，产品竞争开始加速由生产阶段前移至设计阶段，对机电一体化系统的研究重点也从详细设计阶段、改进设计阶段前移至概念设计阶段。探求一套适合机电一体化系统特点的概念设计方法成为机电一体化产品创新设计的关键。而基于虚拟样机的设计思路也是解决机电一体化产品前期概念设计需求的有效方法。

针对机电一体化产品开发技术发展的需要，进行基于虚拟样机的机电产品协同设计环境的能模型、体系结构和实施关键技术等内容的研究，重点探讨广义执行机构子系统动力学建模仿真、多学科协同工作机制、仿真模型库的组织结构及构建方法、机电一体化产品分布式协同仿真的基本原理和实现方法。目的是为加快机电一体化产品概念设计的进程提供一种新的技术方法和支持环境，希望带来更多的创新灵感。

2 虚拟样机设计原理与关键技术分析

虚拟样机（virtual prototype， VP）是在CAD/CAM/CAE和物理样机基础上发展起来的，其基础为多体系统动力学、结构有限元理论、其它领域物理系统的建模与仿真理论等，以及多领域物理系统混合建模与仿真理论，是产品的多领域数字化模型的集合体，包含有真实产品的所有关键特征，一些学者给出虚拟样机的三个要素：进行功能分析的仿真模型、表达几何形状与结构的CAD模型和用于实现可视化与表达的虚拟环境模型。虚拟样机是在一个或多个领域模型上，依赖不同子系统的集成，以一定关系模拟（仿真）一个动态系统，采用计算机辅助的方法，借助渲染与场景设置，利用几何数据生成产品的逼真效果图，产生能用此方式评价的三维模型，以达到认识现实或辅助设计的目的。其一般设计原理可归结为。虚拟样机作为研究动态系统行为的有效方法，不仅涉及几何信息，还提供人机交互虚拟现实三维场景的工具；同时虚拟样机系统具有考虑干涉、操作模拟、运动模拟或动力学模拟等物理边界条件的可能性。通过应用虚拟样机，人们可在早期产品规划阶段预示产品特性，了解所采用制造方法的结果或制订的加工进程的可行性。这样，可以避免在产品制造后期才发现问题和错误而带来的损失。在产品设计中，由于受到领域知识与主观愿望的制约，每个领域的专家总是会过多地考虑产品某一方面的性能或指标，而忽略了产品的综合指标。特别是在机电一体化产品设计中，多个领域专家协作是不可避免的。虚拟样机正是解决多专家协同设计的有效途径。

3 虚拟样机关键使能技术

虚拟样机技术是以并行工程思想为指导，以CAX/DFX技术为基础，以协同仿真技术为核心的先进数字化设计方法。虚拟样机技术正处于发展阶段，还没有一个公认的、完整的技术组成框架，但如下的一些关键技术已得到广泛认同。

1.系统总体与集成环境技术。系统总体技术从全局出发，考虑支持虚拟样机开发的各部分之间的关系，规定和协调各子系统的运行，并将它们组成有机的整体，实现信息和资源共享，完成总体目标。总体技术涉及规范化体系结构和采用的标准、规范与协议、网络与数据库技术、系统集成技术和集成方法以及系统运行模式等。虚拟样机集成环境是一个支持并管理产品全生命周期虚拟化设计过程与性能评估活动，支持分布采用协同CAX/DFX技术来开发和实施虚拟样机工程的集成应用系统平台。它能提供相应数据、模型库、CAX/DFX设计工具、相关模拟器/仿真应用系统、协同仿真平台和可视化环境、基于知识管理的协同环境等，支持产品全生命周期的设计活动、仿真和分析活动；能支持虚拟样机开发过程中组织、技术和过程三个要素的有机结合，支持虚拟产品数据、模型和项目的管理与优化，支持不同工具、不同应用系统的集成。

2.多学科领域协同建模技术。多学科协同建模技术通过提供一个逻辑上一致、可描述产品全生命周期相关的各类信息的公共产品模型描述方法，支持各类不同模型的信息共享、集成与协同运行，实现不同层次上产品的构造、功能和行为的描述与模拟；支持模型在产品全生命周期上的一致表示与信息交换和共享，实现在产品全生命周期上的应用；支持模型相关数据信息的映射、提炼与交换，实现对产品全方位的协同测试、分析与评估；支持虚拟产品各类模型的协同建模与协同仿真活动，实现开发环境与运行环境的紧密集成。从当前建模技术的发展趋势上看，采用层次化建模和模型抽象技术、多模式建模概念、并行和分布式建模技术、基于元模型的建模和基于知识的建模技术是未来复杂产品建模技术的发展方向。

3.协同仿真技术协同仿真技术是基于建模技术、分布仿真技术和信息管理技术的综合应用技术，是在各领域建模、仿真分析工具和CAX/DFX技术基础上的进一步发展。协同仿真即包含在时间轴上对产品全生命周期的单点仿真分析，也强调在同一时间点上对象在系统层面上的联合仿真分析。协同仿真技术是不同的人员采用各自领域专业设计与分析工具协同地开发复杂系统的一条有效途径。复杂产品协同仿真实验技术主要解决由不同工具、不同算法，甚至不同描述语言实现的分布、异构模型之间的互操作与分布式仿真问题，以及在系统层次上对虚拟产品进行外观、功能与行为的模拟和分析问题。协同仿真运行管理技术负责管理在协同仿真运行中各类模型的状态及其流程设计与管理等。

4 虚拟样机在机电一体化中的意义

机电一体化产品方案创新设计迫切需要解决的关键问题是：创新方案的产生、创新方案的表达、创新方案的计算机辅助实现[4]。前两个问题己有很多学者作了大量研究与应用工作。针对第三个问题，即机电一体化系统方案设计的计算机辅助实现，涉及到虚拟样机技术及其支撑平台。基于虚拟样机技术的机电一体化产品设计支撑平台是计算机辅助方案创新的重要辅助工具，是实现机电一体化产品创新的关键。