机电一体化产品虚拟样机协同建模与仿真技术研究

范向红

摘要：随着我国经济的不断发展，传统的产品设计已经不能满足现代行业的发展。同时，随着科学技术不断的进步，我国机械工程有效结合自动化技术，形成新领域的机械电子工程。尤其是虚拟样机技术，结合了多种领域的先进技术，从而更好地完善产品性能。文章研究了机电一体化产品虚拟样机协同建模与仿真技术，分析该设计的体系结构及模型库的构建原理，并提出相关的见解，从而更好地促进科学技术的发展。

关键词：机电一体化产品；虚拟样机；建模与仿真

机电一体化是由机械学和电子学组成的，灵活地运用先进的计算机技术、电子技术、传感技术以及信息转换等技术，使其多项技术有效结合，研发出机电一体化设备，从而更好地带动该技术的发展。其中的虚拟样机技术，是以计算机技术为基础，使其具有一定的功能真实度，更好地代替物理样机，并有效地推动建模和仿真领域的发展。

1.虚拟样机技术分析

虚拟样机技术充分利用建模技术、仿真技术、信息设计以及管理技术，对于机电一体化产品进行全寿命及全结构的设计工作，同时进行综合分析、评估和管理。随着我国安全第一、质量第一生产标准的提出，国家对于机械产品的全生命周期管理意识在不断加强，在提高生产效率的同时，也有效地提高了经济效益，因此，虚拟样机技术具有很大的发展空间。

1.1虚拟样机概念分析

其定义是指基于计算机技术，有效地代替物理样机，同时具有标准的真实度。其设计是指代替物理样机之后，对于候选设计进行有效的评估。其环境是指模型、仿真和仿真物的综合，将产品的多种结构良好结合，使其完成理论到设计的过渡。该技术会充分利用其环境，对于机电一体化产品进行全方位的建模研究，并利用虚拟和仿真领域的综合，为机电一体化产品设计提供不同的见解。同时，虚拟样机技术与集成化产品的设计是有关系的，是在建立物理样机之前，利用基于计算机的功能及机械系统，构建数学模型，然后通过仿真分析确定该结构在实际情况下的特征，如外观、空间结构及动力学等，通过不断调整，得到最佳的设计计划。

1.2关键技术及需求

虚拟样机的关键技术主要包括系统总体技术、集成环境技术、综合建模技术、协同仿真技术、过程管理技术、虚拟环境仿真及校正技术。对于该技术的设计，不仅需要满足功能规定的外观要求，同时还要满足产品使用环境及操作等条件，是通过对于产品的概念、创新、系统等设计阶段，建立数学模型，通过数学模型，对产品进行综合分析，使其产品在达到规定行为的需求时，还符合产品操作、制造及销毁等过程的需求。

1.3虚拟样机技术对于产品的设计方案

首先，明确设计的任务，即产品需节省时间和经济，同时有效提高质量和效率，然后在再改进产品。流程包括建模、测试、校验、改正及目的操作。其中，建模主要是指单领域、多领域协同、约束、驱动等模型。测试是虚拟测试机器和环境、测量、方针等过程。校验是指按照系统的性能，对参数进行敏感性的分析等。改进主要是指细化、迭代、优化。目的操作主要是指方案生成、模板设计等操作。校验和改进及目的操作之间有着评估分析的联系，即对于校验的评估分析，确定结果是否合理，当结果不合理时，就要进行改进环节；当评估分析结果合理时，就可以进行目的操作。

1.4产品虚拟样机的组成

基于机械控制协同的机电一体化产品，虚拟样机模型的构成如图1所示，行为模型由产品子系统组成，且具有层次性等特点。

2.支撑环境分析

2.1产品功能模型

产品的功能主要包括控制、动力、传感检测、操作及结构功能。主要由机械、电子和软件组成，主要划分为物理和控制系统，其中，物理系统包括驱动、执行等。机电系统中3个系统的关系是，执行系统是指广义执行机构子系统，控制系统包括信息处理、控制以及传感检测子系统。首先，执行系统中驱动元件和执行机构会向传感子系统发出检测信号；然后，传感系统向信息处理子系统发出反馈信号；最后，处理子系统会向执行子系统发送控制信号，从而将这几种子系统更好地综合。

2.2设计过程模型

机电一体化产品的方案设计过程模型主要包括：功能层，含有机电系统功能的理解、动作、分解以及控制和执行动作子功能；行为层，含有检测、控制过程和执行动作；结构层，主要含有传感器、软件及控制器、执行机构，同时通过机电系统的结合理论，确定系统是否可行，最后通过评估，确定最佳的设计方案。其中，仿真模型的分解和组合的流程主要包括系统模型、子模型以及元模型3层，其中系统模型会分解成3个子系统模型，继续经过多层分解成9个最小模型单元；同时每3个最小模型单元，通过合并成1个最小模型单元，继续多层组合成子系统模型，再经过组合成系统模型。

3.机电系统主体建模与仿真技术研究

广义执行元件不仅是驱动元件以及执行结构的综合，同时也是机电系统的主体。对此，本文主要研究该结构在驱动情况下的运动和动力学特征。

3.1运动学、动力学研究

运动学是根据微动驱动、多自由度以及等、变转动或移动确定元件，与运动链的运动探究及综合，构建不同的运动学方程，从而进行有效的研究。其中，动力学通过不同系统的动力学方程的建立，在驱动函数基础上，确定执行构件的运动和动态情况。对于动力学的研究，还会涉及正、逆问题，主要是指根据作用力、力矩，建立相关模型，从而求出运动轨迹。相反，逆问题就是己知运功轨迹求的作用力。

3.2建模方法分析

对于广义执行机构的建模方法，主要是利用ADAMS为基础的运动学，或是动力学的建模方式。其中涉及（非）线性代数方程以及积分算法等。

3.3仿真方法

同时利用建模方法的软件，利用参数化分析法，如参数化点坐标、设计变量、参数运动式、参数表达式等。主要的流程是结合构件、驱动和力进行建模，然后通过，对于生成的结果，即设计是否最优，当结果为是时，会进行仿真结果后处理，并绘制循环目标函数，以及变量之间的关系曲线，输出仿真动画并将结果进行列表、分析；当结果为不是最优时，此时需要改变设计的变量值，调整建模，再进行求解器解算，将结果进行分析的循环，直到求解器解算的结果显示设计是最佳的，同时还可以运用SimMechanics模型的仿真方法进行分析。

4.产品结构控制综合分析

4.1综合特性

基于物理模型进行的仿真模型，其中物理模型主要包括协同以及能量与信息耦合的子系统。同时，产品中的执行结构，主要是进行能量的传换，与物理模型的能量子系统相互对应。而机电系统中结构和控制的综合，主要体现在时间与时序、空间的协同，以及控制和运动精度的相互性，同时还有结构子系统的可控性，坚持控制器稳定、追踪以及安全可靠控制的原则，使其控制系统的控制器有效配合。

4.2仿真建模技术分析

建模是为了能量更好地转换，其中键合图方法是针对于动力学系统，完成能量转换、储存以及消耗的结构分卡斤，将不同性能的变量通过能量守恒定律，转换为共轭变量，即势、流变量，使其对于这2种类型的变量综合，完成不同范围内的模型交互。同时还有多极点建模方法，是将共轭变量进行综合，使其模型交互成对出现，从而更好地拓展建模领域。而方框图方法则是利用基础的控制模块，将其利用线段进行连接，此时的模块都是由传递函数综合而成，不仅可以将控制系统进行很好的表达，同时也能轻易地获得传递参数，从而有效的分析系统。

5.结语

综上所述，本文通过对于机电一体化产品虚拟样机协同建模与仿真技术的分析，掌握了机电系统的产品功能模型，从而合理地分析产品、结构与控制的特征。通过动力学以及运动学的特点、建模仿真技术的分析、以及仿真环境，从而更好地表明其建模方式。借助结构额和控制的协同，总结出具有多功能、多层次的仿真建模方式，从而更好地优化设计方案，积极地促进国家科学技术、科技创新以及社会经济的发展。