基于虛擬原型的機電一體化控制仿真與設(shè)計

祁明明　白志強

摘 要：以產(chǎn)品的虛擬原型為依據(jù)，闡述了基于機電一體化產(chǎn)品的虛擬原型的機械特性的仿真，主要包含：機械動力學(xué)與機械運動仿真設(shè)計，同時采用Lab VIEW與SolidWorks對產(chǎn)品一體化的聯(lián)合仿真進行了設(shè)計，對產(chǎn)品零部件和裝配體的仿真設(shè)計的方法進行了改進。

關(guān)鍵詞：虛擬原型；機電一體化；控制仿真；機械特性

“機電一體化”就是將產(chǎn)品機械、電子與信息技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)產(chǎn)品和生產(chǎn)過程最優(yōu)的一種高新技術(shù)[1]。以產(chǎn)品的虛擬原型為依據(jù)，對機械運動及動力、控制等方面進行測試和仿真，可為產(chǎn)品各個零部件及裝配體的設(shè)計與改進起到重要作用。對機電產(chǎn)品聯(lián)合Lab VIEW與SolidWorks進行仿真設(shè)計，可使產(chǎn)品的虛擬原型在機械運動和系統(tǒng)控制方面與產(chǎn)品實際的運行工況更接近。因此，在產(chǎn)品的虛擬原型的機電一體化聯(lián)合仿真的基礎(chǔ)上，研究機電一體化產(chǎn)品的開發(fā)、設(shè)計以及改進具有重要的意義。

1 機械結(jié)構(gòu)及零部件分析

產(chǎn)品重要的零部件的設(shè)計，必須對靜態(tài)、屈力、熱力、疲勞、頻率、線性動力等方面進行細致的分析。SolidWorks Simulation集成于SolidWorks，采用SolidWorks Simulation可以對產(chǎn)品零部件或裝配體進行有限元方面的分析與設(shè)計，也可對其進行動力學(xué)分析，獲得機械運行狀態(tài)時的力矩和驅(qū)動力和特定工況下應(yīng)力、使用壽命、強度和安全等基本情況，可為為產(chǎn)品零部件或裝配體的設(shè)計提供一定的指導(dǎo)和參考。

利用SolidWorks Simulation對產(chǎn)品的零部件或裝配體進行有限元分析的一般步驟如圖1所示。

采用SolidWorks Simulation對產(chǎn)品的裝配體和所涉及到的每一個零部件進行有限元分析，有利于零部件和裝配體材料的選擇、產(chǎn)品合理尺寸的確定與優(yōu)化，可大大提高產(chǎn)品零部件和裝配體的安全性能。但是在產(chǎn)品實際應(yīng)用中，在對產(chǎn)品的裝配體和所涉及到的每一個零部件進行有限元分析的基礎(chǔ)上開展設(shè)計時，必須遵循機械設(shè)計準(zhǔn)則和理論，根據(jù)不同產(chǎn)品的設(shè)計要求與準(zhǔn)則對零部件和裝配體進行特定的有限元分析，這樣才有利于設(shè)計出更好的、更符合要求的產(chǎn)品零部件和裝配體。

2 機械動力學(xué)仿真設(shè)計

在 SolidWorks 環(huán)境下，通過對產(chǎn)品的機械模型進行機械動力學(xué)仿真，包括裝配體在運動過程中對某一部件施加壓力、引力、力矩以及接觸力等的仿真分析。同時，與未采用SolidWorks Simulation對產(chǎn)品的裝配體進行仿真的結(jié)果進行對比，可以獲得真實的工作環(huán)境下，裝配體以及零部件受到的外力影響，對產(chǎn)品各個零部件以及裝配體材料的選擇、尺寸的確定與優(yōu)化，甚至整個設(shè)計系統(tǒng)的優(yōu)化起到了十分重要的作用。

3 機械運動仿真設(shè)計

在完成對產(chǎn)品零部件和裝配體的仿真設(shè)計分析之后，還需要對產(chǎn)品整體機構(gòu)進行動態(tài)機械的模擬和仿真。為此，可以采用SolidWorks 軟件的模擬動畫制作功能對產(chǎn)品零部件、裝配體以及產(chǎn)品整體機構(gòu)進行機械運動的仿真分析，以便設(shè)計人員與用戶更好的交流和展示產(chǎn)品的性能，采用SolidWorks進行機械運動仿真主要有三種類型的運動形式：動畫形式、基本運動形式和 Motion 分析分式，可以通過這三種類型的運動形式對產(chǎn)品零部件和裝配體進行動態(tài)仿真，以掌握其機械運動性能。

4 SolidWorks與LabVIEW聯(lián)合仿真

采用SolidWorks 和 LabVIEW對產(chǎn)品各個零部件或裝配體進行聯(lián)合仿真設(shè)計與分析，在 SolidWorks與LabVIEW各自的設(shè)計環(huán)境下進行機械運動、控制和電氣系統(tǒng)等方面的綜合仿真設(shè)計，其基本方法是先建立LabVIEW與SolidWorks的內(nèi)在聯(lián)系，然后，按照預(yù)先制定好的模擬仿真方案對產(chǎn)品各個零部件或裝配體進行仿真設(shè)計、分析，并在此過程中不斷完善優(yōu)化各個零部件或裝配體的性能。

在 LabVIEW 平臺上進行機電一體化產(chǎn)品虛擬原型的聯(lián)合仿真設(shè)計的整個過程如圖2所示。

按照預(yù)先制定好的設(shè)計要求，對機電一體化產(chǎn)品的虛擬原型開展從機械運動到電氣系統(tǒng)、控制等方面的模擬仿真設(shè)計分析。通過采用SolidWorks 與LabVIEW對產(chǎn)品零件和裝配體進行機械運動學(xué)、動力學(xué)等方面的模擬與仿真，可在一定程度上為產(chǎn)品機械構(gòu)件及系統(tǒng)的設(shè)計的優(yōu)化提供一定的指導(dǎo)和依據(jù)，同時可為產(chǎn)品的機械運動與動力方面的評價與分析、產(chǎn)品電機的選取等提供參考與支持。尤其是近年來，隨著計算機技術(shù)、有限元軟件的仿真模擬、機電產(chǎn)品一體化技術(shù)的發(fā)展，要求實現(xiàn)產(chǎn)品各種功能的同時，在產(chǎn)品一體化的實時性、可視性、智能性等方面提出了更高的要求。

因此，在上述基礎(chǔ)上對產(chǎn)品零部件和裝配體的仿真設(shè)計提出了一種新的改進方法，其過程主要有：

（1）機械模型的建立；

（2）產(chǎn)品機械運動仿真；

（3）產(chǎn)品裝配體、零部件的VRML轉(zhuǎn)化；

（4）建立產(chǎn)品裝配體、零部件模擬仿真場景模型；

（5）編寫裝配體、零部件仿真控制算法；

（6）在上述基礎(chǔ)上進行產(chǎn)品裝配體、零部件的聯(lián)合仿真。

5 結(jié)束語

闡述了基于機電一體化產(chǎn)品的虛擬原型的機械特性的仿真設(shè)計思路，對采用Lab VIEW與SolidWorks進行聯(lián)合仿真的過程作出了設(shè)計。基于NI SoftMotion for SolidWorks操作平臺，對產(chǎn)品零部件和裝配體的仿真設(shè)計的方法進行了改進，在SolidWorks與LabVIEW操作平臺的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了產(chǎn)品機電一體化仿真設(shè)計的優(yōu)勢聯(lián)合，有利于產(chǎn)品在性能、外觀等方面進一步完善與更新。

參考文獻

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作者簡介：祁明明，男，現(xiàn)就職于山西潞安集團黑龍煤業(yè)有限公司，主要從事機電方面工作。