基于虚拟原型的机电一体化建模与仿真技术分析

申运

（湖南潇湘技师学院，湖南永州，425000）

基于虚拟原型的机电一体化建模与仿真技术分析

申运

（湖南潇湘技师学院，湖南永州，425000）

随着我国虚拟技术的发展，它在各行各业中的应用更加广泛，尤其是虚拟原型技术能够更好地完善产品性能，提高设计效果。文章分析了虚拟原型技术的原理及机电一体化建模和仿真技术，期望更好的促进科学技术的发展，

虚拟原型；机电一体化；建模；仿真

0 引言

现代产品的研发和设计流程需要多个团队和学科领域相互协同，如何高效的实现产品设计，协调好各个子系统设计团队的工作和信息共享，提高产品设计效果，降低产品设计成本，缩短产品设计周期，值得思考。基于虚拟原型技术的机电一体化设计，包括建模和仿真两个过程，伴随着现代设计制造业的发展而迅速发展。通过该技术可以将电子、控制、软件、液压等多个不同学科领域的模型，组合得到一个更加完整的仿真模型，并获得最佳的设计方案。

1 虚拟原型技术的基本原理

采用虚拟原型技术进行产品设计的具体原理如下：首先通过分析得出产品设计的性能指标，采用不同的工具开发出不同的子模型，并将这些子模型组合在一起，利用计算机软件完成模型的塑造，整个过程可视，完成产品的概念设计，然后构建虚拟原型设计和仿真需要的虚拟真实环境，通过三维软件得出产品的3D模型，完成虚拟原型构建，最后在虚拟环境下对设计的产品性能进行仿真分析，使设计的系统性能更加完善，如图1所示。

2 基于虚拟原型的机电一体化设计技术的特点

机电一体化设计中应用虚拟原型技术的特点具体论述如下：一是，由于机电一体化建模过程中涉及到多个部分，因此需要对不同部分中的模型进行需求分析，掌握设计的重点和难点要素，同时还要积极了解不同部分产品设计之间的关系，这是做好机电产品一体化设计的基础和先决条件。二是，机电产品一体化设计过程中，不同部分之间存在模型对应关系，要充分对这种关系进行交互，才能使得到的模型数据具有交互性和动态性的特点，这是模型构建的关键；三是，在虚拟原型平台上对产品不同部分进行设计时，一定要以平台的综合效益发挥为基础，这样平台才能够使其成为各个领域建模工具的重要枢纽。四是，在设计机电一体化虚拟原型时，一定要以机电一体化产品的设计原则和理念为指导，妥善处理好设计模型与设计理念之间的关系。

图1 虚拟原型设计原理

3 机电系统主体建模与仿真技术研究

3.1 主体建模

3.1.1 产品功能模型

基于虚拟原型的机电一体设计需要首先构建产品的功能模型，其功能包括四部分：控制功能、动力功能、传感检测功能、操作功能、结构功能，主要由机械、电子和软件组成，设计中对应三个系统：执行系统、控制系统及传感检测子系统。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。

3.1.2 设计过程模型

机电一体化产品设计方案的过程模型包含三部分：功能层、行为层及结构层。功能层包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；行为层包含有检测、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。

3.2 基于虚拟原型机电一体化仿真设计的概述

在仿真过程中，以上述构建的机电一体化产品虚拟原型为基础，通过仿真分析可以优化整合产品设计系统的性能，达到良好的设计效果。本研究选择的仿真软件是Solidworks-LabVIEW进行联合仿真设计，具体过程如下：首先应用SolidWorks软件构件机电产品的机械模型，然后，通过LabVIEW软件将各个模块以集成的形式将各个模块联系在一起将建立的3D CAD机械模型与LabVIEW软件之间建立起联系，最后，利用LabVIEW软件编写控制算法，实现这两个软件之间的协同作用，对机电产品进行性能测试和评定，基于SolidWorks-LabVIEW进行联合仿真设计。由于文章篇幅有限，只论述设计的一部分，以机电产品的机械特性仿真设计中的机械结构、零件的有限元分析为例进行具体论述，该设计只使用Solidworks软件。

机械特性的仿真设计包括机械动力学仿真设计、机械零件的有限元分析及机械运行学仿真设计，其中机械结构及零部件的有限元分析就是利用Solidworks Simulation插件中分析机械部分的结构和力学分析，如使用的材料的安全性能及强度、应力等，通过分析可以确定转动系统选型及机械结构的几何尺寸等。在对产品的零部件进行设计时，为了确保设计产品的功能，通常会对一些重要的零部件进行线性动力、疲劳、热力、屈力、频率、静态等进行分析。

SolidWorks Simulation软件是一种分析软件，主要是对基于有限（FEA数值）技术的设计进行分析。采用SolidWorks Simulation软件分析装配体或零部件的FEA数值时，主要包括以下的步骤：在SolidWorks Simulation软件环境中构建需要的算法、确定材料、添加约束条件、载荷施加、网格划分、点击运行、得到运行结果进行分析。选取FrontRail零件为代表对零部件设计中有限元分析的重要性进行说明。（1）构建新的算法：在Simulation菜单中对需要的“算例”进行选择，同时给新构建的算法命名。（2）确定应用材料：在静态分析树中，通过单击右键可以选择需要的“应用材料”，在下拉菜单中左键单击“选择材料来源”就可以实现材料的选择，同时选择材料时还可以看见材料相关的附带信息。（3）添加约束条件：在Simulation Study树中，右键单击“夹具”并选择“固定几何体”，此时可以对模型进行转动，转动过程中确定需要施加载荷的面。（4）外部载荷：约束好模型之后，可以向模型施加外部载荷。右键单击“外部载荷”并选择“扭矩”，需要定义的载荷选项列出之后，可以在“扭矩”的属性管理器中进行相应的设置。（5）划分网格：网格划分好之后就可以进行有限元分析，网格划分完成之后，几何模型会划分成为多个有限个单元。右键单击“网格”选择“生成网格”功能，将会弹出窗口，对网格属性进行设置。（6）运行分析：当全部的准备工作准确无误的完成之后，选择分析方法，右键单击“静态分析”图标并选择“运行”，则会进行分析，分析完成之后得到分析结果，见图2。根据图2可知，最大的Von Mises应力、材料的最大屈服应力分别为621633.1（N/m^2）、282685049（N/m^2），图2中红颜色的即是。根据分析结果可以确定产品设计中需要的合适材料，同时我们还可以这样我们还可以变化相应的参数如外部的载荷力大写等，得到另一种分析结果，最终提高设计的零部件性能，达到设计的要求。总之，在机电一体化产品设计中涉及到的零部件都会进行这种分析，以确定零件的选材，并且保证设计的产品体积最小，安全性能最高，为机械模型的构建提供数据支撑。

图2 运行结果

4 结束语

随着虚拟技术的发展，它在机电一体化产品设计中等应用越来越广泛，通过虚拟原型仿真可以提高产品设计性能，因此，应该对这方面加强研究，建立常用的机电一体化仿真模型，形成一种快速的仿真软件系统，使其在实际设计过程中发挥更多的优势。同时还要加强仿真软件的研究，使其功能更加强大，不断提高机电产品的设计水平。

[1]夏端武.中职机电专业与本科自动化课程衔接的研究[J].才智,2014(27):227-228.

[2]李加旺.职业学校机电专业精品课程建设的思考[J].电子制作,2014(15):170.

[3]王友权.机电一体化非均匀运动产生综合装置研究[J].电子制作,2014(15):196-197.

Analysis of Mechatronics Modeling and Simulation Based on Virtual Prototype

Shen Yun
(Hunan Xiaoxiang technician college,Yongzhou Hunan,425000)

With the development of virtual technology in China,it is more widely used in all walks of life,especially the virtual prototype technology can improve the product performance and improve the design effect.This paper analyzes the principle of virtual prototyping technology and the integration of electromechanical modeling and simulation technology,and hopes to promote the development of science and technology

virtual prototyping;electromechanical integration;modeling;simulation

申运（1985-），男，湖南邵阳人，汉族，本科，助教，主要从事机电教学工作。