虛擬原型技術(shù)與機電一體化論文
虛擬原型技術(shù)與機電一體化論文【1】
摘 要 隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)向生產(chǎn)力逐步轉化，機電一體化產(chǎn)品的設計已經(jīng)涉及到機械、電氣和控制等眾多領(lǐng)域。
單領(lǐng)域、分散建模的設計方法已經(jīng)很難滿(mǎn)足產(chǎn)品綜合設計的要求。
通過(guò)對機電一體化技術(shù)與虛擬原型技術(shù)的深入研究并且將虛擬原型技術(shù)引入到機電一體化產(chǎn)品設計，得到基于虛擬原型的機電一體化設計技術(shù)，以滿(mǎn)足機電產(chǎn)品多領(lǐng)域交互設計的需求。
關(guān)鍵詞 虛擬原型 機電一體化 技術(shù)
隨著(zhù)全球經(jīng)濟的增速發(fā)展，制造行業(yè)之間的競爭日趨激烈，競爭的核心已經(jīng)轉移到以創(chuàng )新技術(shù)和高附加值為基礎的新產(chǎn)品的競爭。
作為制造行業(yè)的企業(yè)，一方面為了企業(yè)的可持續性發(fā)展，提高產(chǎn)品在制造行業(yè)的競爭力，就必須解決其產(chǎn)品的“T(時(shí)間)”、“Q(產(chǎn)品質(zhì)量)”、“C(成本)”、“S(售后服務(wù))”、“E(環(huán)境)” 等難題。
另一方面，隨著(zhù)計算機技術(shù)以及相關(guān)高新技術(shù)的快速發(fā)展，全球性的市場(chǎng)競爭日益激烈，產(chǎn)品消費結構不斷向多元化方向發(fā)展，面對無(wú)法預測的市場(chǎng)需求以及用戶(hù)對產(chǎn)品的個(gè)性化需求，企業(yè)就必須盡快改變品種，更新設計，縮短新產(chǎn)品的研發(fā)的周期，提高產(chǎn)品的設計質(zhì)量，降低產(chǎn)品的研發(fā)成本，進(jìn)行創(chuàng )新設計，這樣才能夠應對快速多變的市場(chǎng)需求以及用戶(hù)的需求，進(jìn)而使企業(yè)在激烈的競爭中立于不敗之地。
1虛擬原型技術(shù)的基本原理
虛擬原型技術(shù)是一種以CAX/DFX技術(shù)為基礎的并行設計思想，與傳統的串行設計思想相比，最大的優(yōu)點(diǎn)在于它將多領(lǐng)域技術(shù)設計的不同功能的子系統有機的結合起來(lái)，通過(guò)一定的關(guān)系形成一個(gè)動(dòng)態(tài)系統。
從構成上看，虛擬原型是由不同工具開(kāi)發(fā)的子模型組成的模型聯(lián)合體，主要包括：產(chǎn)品的CAD模型、外觀(guān)模型、功能和性能仿真模型以及電氣和控制模型等。
借助于這種技術(shù)，工程師們可以通過(guò)計算機軟件建立機械模型，利用各學(xué)科等領(lǐng)域的理論在虛擬工況環(huán)境下分析產(chǎn)品關(guān)鍵性能指標，進(jìn)一步進(jìn)行可視化處理，并根據仿真的數據結果對系統進(jìn)行完善和優(yōu)化。
通過(guò)虛擬原型技術(shù)，設計人員可以在實(shí)物樣機制造出來(lái)之前，通過(guò)計算機軟件在很大程度對產(chǎn)品的總體性能進(jìn)行了解，從而縮短研制時(shí)間，降低系統研制成本，提高了產(chǎn)品的競爭力。
2虛擬原型的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展應用
2.1虛擬原型的關(guān)鍵技術(shù)
雖然虛擬原型技術(shù)還處于發(fā)展的初期階段，還沒(méi)有形成一個(gè)完整的技術(shù)體系，但是一些關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)得到廣泛認可。
主要包括系統總體技術(shù)、支撐環(huán)境技術(shù)、虛擬現實(shí)技術(shù)、多領(lǐng)域協(xié)同仿真技術(shù)、一體化建模和信息/過(guò)程管理技術(shù)等。
2.1.1系統總體技術(shù)
系統總體技術(shù)從產(chǎn)品設計的全局出發(fā)，規定和協(xié)調子系統的運行和支持虛擬原型開(kāi)發(fā)的各部分之間的關(guān)系，使各個(gè)部分組成一個(gè)有機的整體，實(shí)現信息、資源的共享，最終完成總體的設計。
總體技術(shù)主要涉及規范化的標準、協(xié)議、集成技術(shù)和方法以及系統的運行模式等。
2.1.2支撐環(huán)境技術(shù)
虛擬原型支撐環(huán)境技術(shù)是一個(gè)支持并管理產(chǎn)品全生命周期虛擬化設計過(guò)程與性能評估的活動(dòng)，支持分布異地的團隊采用協(xié)同 CAX/DFX 技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)和實(shí)施虛擬樣機工程的集成應用系統平臺。
這種技術(shù)能提供相應數據、模型、CAX/DFX 設計工具等，而且還能支持復雜產(chǎn)品的設計活動(dòng)。
更重要的是這種技術(shù)還能支持虛擬原型開(kāi)發(fā)設計過(guò)程中組織、過(guò)程和技術(shù)三個(gè)重要組成部分的有機結合，并對虛擬產(chǎn)品數據/模型以及項目進(jìn)行管理和優(yōu)化，支持不同工具，能夠將不同的應用系統集成。
2.1.3虛擬原型技術(shù)的發(fā)展應用
虛擬原型技術(shù)是有多學(xué)科技術(shù)支撐的一門(mén)新興綜合性技術(shù)，發(fā)展前景廣闊，市場(chǎng)巨大。
虛擬原型技術(shù)面對產(chǎn)品設計的整個(gè)過(guò)程，使產(chǎn)品設計人員與用戶(hù)之間的相互聯(lián)系更加緊密，縮短研制的周期，降低技術(shù)的風(fēng)險，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，降低了產(chǎn)品的成本，增強了企業(yè)的競爭力。
在國內，由于虛擬原型技術(shù)在產(chǎn)品設計方面的絕對優(yōu)勢，使設計人員對其越來(lái)越親睞，從各個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的研究到開(kāi)發(fā)模式研究亦逐漸形成一定的規模。
這樣必將促進(jìn)這一先進(jìn)制造技術(shù)的推廣和應用，增強我國企業(yè)新產(chǎn)品的研發(fā)能力，提高我國企業(yè)在世界制造業(yè)中的地位。
虛擬原型技術(shù)在一些較發(fā)達國家，如美國、德國、日本等已得到廣泛的應用，應用涉及到汽車(chē)制造業(yè)、工程機械、航空航天業(yè)、造船業(yè)、機械電子工業(yè)、國防工業(yè)、通用機械到人機工程學(xué)、生物力學(xué)、醫學(xué)以及工程咨詢(xún)等眾多領(lǐng)域。
3虛擬原型技術(shù)與機電一體化產(chǎn)品設計
虛擬原型技術(shù)是一種以先進(jìn)建模技術(shù)、多領(lǐng)域仿真技術(shù)、信息管理技術(shù)、交互式用戶(hù)界面技術(shù)等為基礎的嶄新的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的方法，與傳統的機電產(chǎn)品設計思想和方法比較具有很多的優(yōu)點(diǎn)。
可以推想，將虛擬原型技術(shù)融入到機電一體化產(chǎn)品的設計中將會(huì )使機電一體化技術(shù)得到進(jìn)一步的發(fā)展，也將會(huì )產(chǎn)生一種先進(jìn)的機電一體化設計技術(shù)。
所以，對于兩者之間的關(guān)系我們可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析和認識：
(1)從產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設計的思想來(lái)看，傳統的機電一體化產(chǎn)品的設計通常是相對簡(jiǎn)單規范化的串行開(kāi)發(fā)過(guò)程，這種設計思想雖然是復雜的開(kāi)發(fā)活動(dòng)變得可理解、可管理，但是它沒(méi)有考慮到產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中各個(gè)環(huán)節之間的并行關(guān)系，導致產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期長(cháng)，開(kāi)發(fā)成本高。
前期的環(huán)節對后期的環(huán)節考慮少，導致設計返工次數很高，更重要的是沒(méi)有充分估計產(chǎn)品的可制造性，很難在早期發(fā)現并解決問(wèn)題，尤其是對于復雜的產(chǎn)品設計。
(2)從今后產(chǎn)品設計發(fā)展趨勢來(lái)看，機電一體化產(chǎn)品設計屬于產(chǎn)品設計的范疇，虛擬原型技術(shù)必然可以應用到機電一體化產(chǎn)品的設計之中。
機電一體化產(chǎn)品的設計基于多領(lǐng)域技術(shù)(計算機與信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、伺服傳動(dòng)技術(shù)和機械技術(shù)等)融合、交互，數字化、虛擬化也是今后發(fā)展的趨勢。
4本章小結
本章討論了虛擬原型技術(shù)的基本原理、組成部分、關(guān)鍵技術(shù)以及今后的發(fā)展，最后從產(chǎn)品設計思想、虛擬原型技術(shù)與機電產(chǎn)品設計的關(guān)系以及今后產(chǎn)品設計發(fā)展的趨勢分析了機電一體化產(chǎn)品設計。
虛擬原型的機電一體化建模與仿真技術(shù)論文【2】
引言：隨著(zhù)科技的發(fā)展，機電一體化產(chǎn)品已經(jīng)涉及到了機械、電氣、控制等領(lǐng)域，單功能、獨立領(lǐng)域的設計，已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足日益增長(cháng)的需求，所以將機電一體化產(chǎn)品基于虛擬原型進(jìn)行設計，是時(shí)代發(fā)展的必然趨勢。本文對于虛擬原型的機電一體化建模與仿真技術(shù)進(jìn)行了研究。
機電一體化又被稱(chēng)做機械電子工程，是機械工程與自動(dòng)化的結合產(chǎn)品。隨著(zhù)機電一體化技術(shù)的快速發(fā)展，機電一體化被人們廣泛接受，并普遍應用于各個(gè)領(lǐng)域，尤其是隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展，機電一體化技術(shù)進(jìn)入了高速發(fā)展期。
一、對于虛擬原型的機電一體化建模技術(shù)研究
虛擬原型的機電一體化建模過(guò)程是以“機械-控制”為基礎框架，在綜合環(huán)境影響下，進(jìn)行機械建模，電氣建模，以及控制建模。常用的建模與仿真軟件如SolidWorks，它是世界上第一個(gè)基于Windows系統開(kāi)發(fā)的CAD軟件。
(一)機械建模
機械建模是對基于虛擬原型的機電一體化產(chǎn)品中的機械部分進(jìn)行模型構建的過(guò)程，即利用SolidWorks 軟件對產(chǎn)品的機械部件進(jìn)行零件設計、裝備設計、干涉檢查等內容。
�、倭慵O計
零件設計是指利用SolidWorks 軟件對產(chǎn)品所需要的機械零件進(jìn)行三維設計。零件的三維造型是通過(guò)其特征來(lái)實(shí)行的，造型本身只是平面上的草圖。所謂的特征，就是零件的基本元素;而草圖，是零件的點(diǎn)、線(xiàn)、圓弧等幾何元素構成的二維輪廓，是零件三維造型的基礎。
�、谘b配設計
基于虛擬原型的機電一體化產(chǎn)品的基礎元素是零件，一系列的零件構成了一個(gè)具有完整功能的結構，一系列的功能結構構成了一個(gè)完整的產(chǎn)品。所以在機械建模中，完成了零件設計以后，需要利用SolidWorks 軟件對三維零件進(jìn)行裝配，使其成為一個(gè)完整的三維模型。
�、鄹缮鏅z查
一個(gè)裝配成型的產(chǎn)品是極其復雜的，零件之間是否存在干涉問(wèn)題，是無(wú)法通過(guò)肉眼進(jìn)行檢查的，所以需要利用SolidWorks 軟件對三維模型進(jìn)行干涉檢查，包括體積干涉檢查、運動(dòng)碰撞干涉檢查等。如果檢查結果存在干涉，則需要對模型進(jìn)行修正，直到檢查無(wú)干涉為止。
(二)電氣建模
電器建模是基于機械建模的基礎，對機械模型進(jìn)行電氣功能添加的過(guò)程。比如，可以利用SolidWorks 軟件將限位器、位置傳感器、電機、PCB電路板等電氣功能附加在功能結構上，從而形成一個(gè)個(gè)具有電氣特征的功能部件，最終將機械模型轉化成機電一體化的三維模型。
(三)控制建模
控制建模是指利用SolidWorks 軟件的NI SoftMotion模塊設計控制程序，從而控制機械一體化模型的運動(dòng)控制系統，運動(dòng)控制系統主要包括運動(dòng)控制、路徑規劃等。
二、對于虛擬原型的機電一體化仿真技術(shù)研究
對于虛擬原型的機電一體化仿真技術(shù)研究，其主要目的是利用機械建模、電氣建模和控制建模等構建的三維模型來(lái)進(jìn)行功能測試、原型修改、實(shí)體試制等。機電一體化產(chǎn)品的仿真技術(shù)包含機械特性仿真設計、電氣和控制仿真設計等方面。
(一)機械特性仿真設計
機械特性仿真設計主要包括三個(gè)方面，即機械動(dòng)力學(xué)仿真設計、機械運動(dòng)學(xué)仿真設計、機械結構與有限元分析等。
�、贆C械動(dòng)力學(xué)仿真設計
機械動(dòng)力學(xué)仿真設計是利用 SolidWorks的虛擬環(huán)境，在機械模型上添加一系列力學(xué)元素和運動(dòng)元素，如摩擦力、電機等，之后在LabVIEW環(huán)境下仿真設計運動(dòng)控制系統，對機械模型的運動(dòng)性能，以及相關(guān)參數進(jìn)行統一確定。
�、跈C械運動(dòng)學(xué)仿真設計
機械運動(dòng)學(xué)仿真設計是利用SolidWorks的虛擬環(huán)境，對機械模型進(jìn)行運動(dòng)設計，從而進(jìn)行機械模型運動(dòng)的仿真、機械模型碰撞的偵測、機械模型運動(dòng)軌跡的設計等。
�、蹤C械結構與有限元分析
機械結構與有限元分析是對機械模型的功能部件進(jìn)行結構分析和力學(xué)分析，利用SolidWorks 軟件的 Simulation 插件提供的數據用來(lái)參考和支持，可以對材料的應力需求、強度需求等因素進(jìn)行分析，從而確定需求材料的特性，以及機械結構的幾何尺寸、傳動(dòng)系選型等問(wèn)題，并將機械運作的軌跡、速度和力矩等信息記錄下來(lái)，來(lái)進(jìn)步一步優(yōu)化整個(gè)機械部分的設計。
(二)電氣和控制仿真設計
電氣和控制仿真設計包括電氣仿真設計和控制仿真設計兩方面，其中電氣仿真設計的主要內容是：傳感器的設置和應用、電機的設置和應用;控制仿真設計的主要內容是：時(shí)序邏輯控制、運動(dòng)路徑規劃、傳動(dòng)與連接件運動(dòng)仿真設計等。
在模型設計階段，首先要利用SolidWorks軟件進(jìn)行電氣仿真設計，完成對傳感器和電機等電氣特征元件的設置和應用，然后才能進(jìn)行后續控制仿真設計，控制模型的時(shí)序邏輯，規劃模型的運動(dòng)路徑等。
結束語(yǔ)
綜上所述，對于虛擬原型的機電一體化產(chǎn)品，首先要進(jìn)行模型構建，依次進(jìn)行機械模型構件、電氣模型構建、控制模型構建，最終形成完整的基于虛擬原型的機電一體化產(chǎn)品的三維模型，并利用仿真技術(shù)來(lái)進(jìn)行功能測試、原型修改、實(shí)體試制等。
參考文獻
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