對于虛擬原型的機電一體化建模與仿真技術研究

引言：隨著科技的發展，機電一體化產品已經涉及到了機械、電氣、控制等領域，單功能、獨立領域的設計，已經無法滿足日益增長的需求，所以將機電一體化產品基于虛擬原型進行設計，是時代發展的必然趨勢。本文對于虛擬原型的機電一體化建模與仿真技術進行了研究。

機電一體化又被稱做機械電子工程，是機械工程與自動化的結合產品。隨著機電一體化技術的快速發展，機電一體化被人們廣泛接受，并普遍應用于各個領域，尤其是隨著計算機技術的發展，機電一體化技術進入了高速發展期。

一、對于虛擬原型的機電一體化建模技術研究

虛擬原型的機電一體化建模過程是以“機械-控制”為基礎框架，在綜合環境影響下，進行機械建模，電氣建模，以及控制建模。常用的建模與仿真軟件如SolidWorks，它是世界上第一個基于Windows系統開發的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品中的機械部分進行模型構建的過程，即利用SolidWorks 軟件對產品的機械部件進行零件設計、裝備設計、干涉檢查等內容。

①零件設計

零件設計是指利用SolidWorks 軟件對產品所需要的機械零件進行三維設計。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、圓弧等幾何元素構成的二維輪廓，是零件三維造型的基礎。

②裝配設計

基于虛擬原型的機電一體化產品的基礎元素是零件，一系列的零件構成了一個具有完整功能的結構，一系列的功能結構構成了一個完整的產品。所以在機械建模中，完成了零件設計以后，需要利用SolidWorks 軟件對三維零件進行裝配，使其成為一個完整的三維模型。

③干涉檢查

一個裝配成型的產品是極其復雜的，零件之間是否存在干涉問題，是無法通過肉眼進行檢查的，所以需要利用SolidWorks 軟件對三維模型進行干涉檢查，包括體積干涉檢查、運動碰撞干涉檢查等。如果檢查結果存在干涉，則需要對模型進行修正，直到檢查無干涉為止。

（二）電氣建模

電器建模是基于機械建模的基礎，對機械模型進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、PCB電路板等電氣功能附加在功能結構上，從而形成一個個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控制系統，運動控制系統主要包括運動控制、路徑規劃等。

二、對于虛擬原型的機電一體化仿真技術研究

對于虛擬原型的機電一體化仿真技術研究，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進行功能測試、原型修改、實體試制等。機電一體化產品的仿真技術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方面，即機械動力學仿真設計、機械運動學仿真設計、機械結構與有限元分析等。

①機械動力學仿真設計

機械動力學仿真設計是利用 SolidWorks的虛擬環境，在機械模型上添加一系列力學元素和運動元素，如摩擦力、電機等，之后在LabVIEW環境下仿真設計運動控制系統，對機械模型的運動性能，以及相關參數進行統一確定。

②機械運動學仿真設計

機械運動學仿真設計是利用SolidWorks的虛擬環境，對機械模型進行運動設計，從而進行機械模型運動的仿真、機械模型碰撞的偵測、機械模型運動軌跡的設計等。

③機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行結構分析和力學分析，利用SolidWorks 軟件的 Simulation 插件提供的數據用來參考和支持，可以對材料的應力需求、強度需求等因素進行分析，從而確定需求材料的特性，以及機械結構的幾何尺寸、傳動系選型等問題，并將機械運作的軌跡、速度和力矩等信息記錄下來，來進步一步優化整個機械部分的設計。

（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：時序邏輯控制、運動路徑規劃、傳動與連接件運動仿真設計等。

在模型設計階段，首先要利用SolidWorks軟件進行電氣仿真設計，完成對傳感器和電機等電氣特征元件的設置和應用，然后才能進行后續控制仿真設計，控制模型的時序邏輯，規劃模型的運動路徑等。

結束語

綜上所述，對于虛擬原型的機電一體化產品，首先要進行模型構建，依次進行機械模型構件、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品的三維模型，并利用仿真技術來進行功能測試、原型修改、實體試制等。

參考文獻

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（作者單位：河南省駐馬店正陽縣職業中等專業學校）

作者簡介

方玲（1986.08—），女，河南省駐馬店正陽縣職業中等專業學校中學二級教師。