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虛擬原型技術(shù)與機(jī)電一體化論文
虛擬原型技術(shù)與機(jī)電一體化論文【1】
摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)向生產(chǎn)力逐步轉(zhuǎn)化，機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計已經(jīng)涉及到機(jī)械、電氣和控制等眾多領(lǐng)域。
單領(lǐng)域、分散建模的設(shè)計方法已經(jīng)很難滿足產(chǎn)品綜合設(shè)計的要求。
通過對機(jī)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(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計，得到基于虛擬原型的機(jī)電一體化設(shè)計技術(shù)，以滿足機(jī)電產(chǎn)品多領(lǐng)域交互設(shè)計的需求。
關(guān)鍵詞 虛擬原型 機(jī)電一體化 技術(shù)
隨著全球經(jīng)濟(jì)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(zhuǎn)移到以創(chuàng)新技術(shù)和高附加值為基礎(chǔ)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(xù)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，隨著計算機(jī)技術(shù)以及相關(guān)高新技術(shù)的快速發(fā)展，全球性的市場競爭日益激烈，產(chǎn)品消費結(jié)構(gòu)不斷向多元化方向發(fā)展，面對無法預(yù)測的市場需求以及用戶對產(chǎn)品的個性化需求，企業(yè)就必須盡快改變品種，更新設(shè)計，縮短新產(chǎn)品的研發(fā)的周期，提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量，降低產(chǎn)品的研發(fā)成本，進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，這樣才能夠應(yīng)對快速多變的市場需求以及用戶的需求，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(chǔ)的并行設(shè)計思想，與傳統(tǒng)的串行設(shè)計思想相比，最大的優(yōu)點在于它將多領(lǐng)域技術(shù)設(shè)計的不同功能的子系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合起來，通過一定的關(guān)系形成一個動態(tài)系統(tǒng)。
從構(gòu)成上看，虛擬原型是由不同工具開發(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)，工程師們可以通過計算機(jī)軟件建立機(jī)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(biāo)，進(jìn)一步進(jìn)行可視化處理，并根據(jù)仿真的數(shù)據(jù)結(jié)果對系統(tǒng)進(jìn)行完善和優(yōu)化。
通過虛擬原型技術(shù)，設(shè)計人員可以在實物樣機(jī)制造出來之前，通過計算機(jī)軟件在很大程度對產(chǎn)品的總體性能進(jìn)行了解，從而縮短研制時間，降低系統(tǒng)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(yīng)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，還沒有形成一個完整的技術(shù)體系，但是一些關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可。
主要包括系統(tǒng)總體技術(shù)、支撐環(huán)境技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、多領(lǐng)域協(xié)同仿真技術(shù)、一體化建模和信息/過程管理技術(shù)等。
2.1.1系統(tǒng)總體技術(shù)
系統(tǒng)總體技術(shù)從產(chǎn)品設(shè)計的全局出發(fā)，規(guī)定和協(xié)調(diào)子系統(tǒng)的運行和支持虛擬原型開發(fā)的各部分之間的關(guān)系，使各個部分組成一個有機(jī)的整體，實現(xiàn)信息、資源的共享，最終完成總體的設(shè)計。
總體技術(shù)主要涉及規(guī)范化的標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議、集成技術(shù)和方法以及系統(tǒng)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)是一個支持并管理產(chǎn)品全生命周期虛擬化設(shè)計過程與性能評估的活動，支持分布異地的團(tuán)隊采用協(xié)同 CAX/DFX 技術(shù)來開發(fā)和實施虛擬樣機(jī)工程的集成應(yīng)用系統(tǒng)平臺。
這種技術(shù)能提供相應(yīng)數(shù)據(jù)、模型、CAX/DFX 設(shè)計工具等，而且還能支持復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計活動。
更重要的是這種技術(shù)還能支持虛擬原型開發(fā)設(shè)計過程中組織、過程和技術(shù)三個重要組成部分的有機(jī)結(jié)合，并對虛擬產(chǎn)品數(shù)據(jù)/模型以及項目進(jìn)行管理和優(yōu)化，支持不同工具，能夠?qū)⒉煌膽?yīng)用系統(tǒng)集成。
2.1.3虛擬原型技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用
虛擬原型技術(shù)是有多學(xué)科技術(shù)支撐的一門新興綜合性技術(shù)，發(fā)展前景廣闊，市場巨大。
虛擬原型技術(shù)面對產(chǎn)品設(shè)計的整個過程，使產(chǎn)品設(shè)計人員與用戶之間的相互聯(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(qiáng)了企業(yè)的競爭力。
在國內(nèi)，由于虛擬原型技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計方面的絕對優(yōu)勢，使設(shè)計人員對其越來越親睞，從各個關(guān)鍵技術(shù)的研究到開發(fā)模式研究亦逐漸形成一定的規(guī)模。
這樣必將促進(jìn)這一先進(jìn)制造技術(shù)的推廣和應(yīng)用，增強(qiáng)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(dá)國家，如美國、德國、日本等已得到廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用涉及到汽車制造業(yè)、工程機(jī)械、航空航天業(yè)、造船業(yè)、機(jī)械電子工業(yè)、國防工業(yè)、通用機(jī)械到人機(jī)工程學(xué)、生物力學(xué)、醫(yī)學(xué)以及工程咨詢等眾多領(lǐng)域。
3虛擬原型技術(shù)與機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)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)、交互式用戶界面技術(shù)等為基礎(chǔ)的嶄新的產(chǎn)品開發(fā)的方法，與傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計思想和方法比較具有很多的優(yōu)點。
可以推想，將虛擬原型技術(shù)融入到機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計中將會使機(jī)電一體化技術(shù)得到進(jìn)一步的發(fā)展，也將會產(chǎn)生一種先進(jìn)的機(jī)電一體化設(shè)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方面進(jìn)行分析和認(rèn)識：
(1)從產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計的思想來看，傳統(tǒng)的機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計通常是相對簡單規(guī)范化的串行開發(fā)過程，這種設(shè)計思想雖然是復(fù)雜的開發(fā)活動變得可理解、可管理，但是它沒有考慮到產(chǎn)品開發(fā)過程中各個環(huán)節(jié)之間的并行關(guān)系，導(dǎo)致產(chǎn)品開發(fā)周期長，開發(fā)成本高。
前期的環(huán)節(jié)對后期的環(huán)節(jié)考慮少，導(dǎo)致設(shè)計返工次數(shù)很高，更重要的是沒有充分估計產(chǎn)品的可制造性，很難在早期發(fā)現(xiàn)并解決問題，尤其是對于復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計。
(2)從今后產(chǎn)品設(shè)計發(fā)展趨勢來看，機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計屬于產(chǎn)品設(shè)計的范疇，虛擬原型技術(shù)必然可以應(yīng)用到機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計之中。
機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計基于多領(lǐng)域技術(shù)(計算機(jī)與信息技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、伺服傳動技術(shù)和機(jī)械技術(shù)等)融合、交互，數(shù)字化、虛擬化也是今后發(fā)展的趨勢。
4本章小結(jié)
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(shè)計思想、虛擬原型技術(shù)與機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計的關(guān)系以及今后產(chǎn)品設(shè)計發(fā)展的趨勢分析了機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計。
虛擬原型的機(jī)電一體化建模與仿真技術(shù)論文【2】
引言：隨著科技的發(fā)展，機(jī)電一體化產(chǎn)品已經(jīng)涉及到了機(jī)械、電氣、控制等領(lǐng)域，單功能、獨立領(lǐng)域的設(shè)計，已經(jīng)無法滿足日益增長的需求，所以將機(jī)電一體化產(chǎn)品基于虛擬原型進(jìn)行設(shè)計，是時代發(fā)展的必然趨勢。本文對于虛擬原型的機(jī)電一體化建模與仿真技術(shù)進(jìn)行了研究。
機(jī)電一體化又被稱做機(jī)械電子工程，是機(jī)械工程與自動化的結(jié)合產(chǎn)品。隨著機(jī)電一體化技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)電一體化被人們廣泛接受，并普遍應(yīng)用于各個領(lǐng)域，尤其是隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)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(jī)電一體化建模技術(shù)研究
虛擬原型的機(jī)電一體化建模過程是以“機(jī)械-控制”為基礎(chǔ)框架，在綜合環(huán)境影響下，進(jìn)行機(jī)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，它是世界上第一個基于Windows系統(tǒng)開發(fā)的CAD軟件。
(一)機(jī)械建模
機(jī)械建模是對基于虛擬原型的機(jī)電一體化產(chǎn)品中的機(jī)械部分進(jìn)行模型構(gòu)建的過程，即利用SolidWorks 軟件對產(chǎn)品的機(jī)械部件進(jìn)行零件設(shè)計、裝備設(shè)計、干涉檢查等內(nèi)容。
�、倭慵O(shè)計
零件設(shè)計是指利用SolidWorks 軟件對產(chǎn)品所需要的機(jī)械零件進(jìn)行三維設(shè)計。零件的三維造型是通過其特征來實行的，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、線、圓弧等幾何元素構(gòu)成的二維輪廓，是零件三維造型的基礎(chǔ)。
�、谘b配設(shè)計
基于虛擬原型的機(jī)電一體化產(chǎn)品的基礎(chǔ)元素是零件，一系列的零件構(gòu)成了一個具有完整功能的結(jié)構(gòu)，一系列的功能結(jié)構(gòu)構(gòu)成了一個完整的產(chǎn)品。所以在機(jī)械建模中，完成了零件設(shè)計以后，需要利用SolidWorks 軟件對三維零件進(jìn)行裝配，使其成為一個完整的三維模型。
�、鄹缮鏅z查
一個裝配成型的產(chǎn)品是極其復(fù)雜的，零件之間是否存在干涉問題，是無法通過肉眼進(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、運動碰撞干涉檢查等。如果檢查結(jié)果存在干涉，則需要對模型進(jìn)行修正，直到檢查無干涉為止。
(二)電氣建模
電器建模是基于機(jī)械建模的基礎(chǔ)，對機(jī)械模型進(jìn)行電氣功能添加的過程。比如，可以利用SolidWorks 軟件將限位器、位置傳感器、電機(jī)、PCB電路板等電氣功能附加在功能結(jié)構(gòu)上，從而形成一個個具有電氣特征的功能部件，最終將機(jī)械模型轉(zhuǎn)化成機(jī)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(shè)計控制程序，從而控制機(jī)械一體化模型的運動控制系統(tǒng)，運動控制系統(tǒng)主要包括運動控制、路徑規(guī)劃等。
二、對于虛擬原型的機(jī)電一體化仿真技術(shù)研究
對于虛擬原型的機(jī)電一體化仿真技術(shù)研究，其主要目的是利用機(jī)械建模、電氣建模和控制建模等構(gòu)建的三維模型來進(jìn)行功能測試、原型修改、實體試制等。機(jī)電一體化產(chǎn)品的仿真技術(shù)包含機(jī)械特性仿真設(shè)計、電氣和控制仿真設(shè)計等方面。
(一)機(jī)械特性仿真設(shè)計
機(jī)械特性仿真設(shè)計主要包括三個方面，即機(jī)械動力學(xué)仿真設(shè)計、機(jī)械運動學(xué)仿真設(shè)計、機(jī)械結(jié)構(gòu)與有限元分析等。
�、贆C(jī)械動力學(xué)仿真設(shè)計
機(jī)械動力學(xué)仿真設(shè)計是利用 SolidWorks的虛擬環(huán)境，在機(jī)械模型上添加一系列力學(xué)元素和運動元素，如摩擦力、電機(jī)等，之后在LabVIEW環(huán)境下仿真設(shè)計運動控制系統(tǒng)，對機(jī)械模型的運動性能，以及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一確定。
�、跈C(jī)械運動學(xué)仿真設(shè)計
機(jī)械運動學(xué)仿真設(shè)計是利用SolidWorks的虛擬環(huán)境，對機(jī)械模型進(jìn)行運動設(shè)計，從而進(jìn)行機(jī)械模型運動的仿真、機(jī)械模型碰撞的偵測、機(jī)械模型運動軌跡的設(shè)計等。
�、蹤C(jī)械結(jié)構(gòu)與有限元分析
機(jī)械結(jié)構(gòu)與有限元分析是對機(jī)械模型的功能部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和力學(xué)分析，利用SolidWorks 軟件的 Simulation 插件提供的數(shù)據(jù)用來參考和支持，可以對材料的應(yīng)力需求、強(qiáng)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(jī)械結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、傳動系選型等問題，并將機(jī)械運作的軌跡、速度和力矩等信息記錄下來，來進(jìn)步一步優(yōu)化整個機(jī)械部分的設(shè)計。
(二)電氣和控制仿真設(shè)計
電氣和控制仿真設(shè)計包括電氣仿真設(shè)計和控制仿真設(shè)計兩方面，其中電氣仿真設(shè)計的主要內(nèi)容是：傳感器的設(shè)置和應(yīng)用、電機(jī)的設(shè)置和應(yīng)用;控制仿真設(shè)計的主要內(nèi)容是：時序邏輯控制、運動路徑規(guī)劃、傳動與連接件運動仿真設(shè)計等。
在模型設(shè)計階段，首先要利用SolidWorks軟件進(jìn)行電氣仿真設(shè)計，完成對傳感器和電機(jī)等電氣特征元件的設(shè)置和應(yīng)用，然后才能進(jìn)行后續(xù)控制仿真設(shè)計，控制模型的時序邏輯，規(guī)劃模型的運動路徑等。
結(jié)束語
綜上所述，對于虛擬原型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，首先要進(jìn)行模型構(gòu)建，依次進(jìn)行機(jī)械模型構(gòu)件、電氣模型構(gòu)建、控制模型構(gòu)建，最終形成完整的基于虛擬原型的機(jī)電一體化產(chǎn)品的三維模型，并利用仿真技術(shù)來進(jìn)行功能測試、原型修改、實體試制等。
參考文獻(xiàn)
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