機電一體化產品虛擬樣機協同體系設計及其模型建構

曹新民　唐焱

摘要：本文在機電一體化的背景下，分析探討了虛擬樣機設計和建模，旨在提高產品設計的效率，實現企業的快速發展。

關鍵詞：機電一體化;虛擬樣機設計;模型建構

中圖分類號：TH-39 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）06-0175-02

0 引言

機電一體化是多種技術的結合，包括電子技術和計算機技術、信息轉換技術以及傳感技術，使之能夠研究出機電一體化的設備，能夠有效的促進技術的發展，在現代工業生產中得到了廣泛的推廣和應用。而虛擬樣機技術則是以先進的計算機技術為基礎，代替了傳統的物理樣機，具有一定的真實度，將虛擬樣機技術應用在產品的生產中能夠有效的促進生產效率的提高，實現企業經濟效益的提升，其技術的創新也促進了模型建構行業的發展。

1 虛擬樣機技術概述

1.1 虛擬樣機概念

虛擬樣機是以計算機技術為基礎，代替了傳統的物理樣機，在真實度上有了明顯的提高。虛擬樣機技術設計的主要環境是仿真、模型和仿真物的有效結合，能夠反映出產品的多種結構，實現了從專業理論到產品設計的過渡。在設計的過程中，會充分的結合產品所在的環境，在機電一體化的背景下，進行產品的全方位建模，結合虛擬領域和仿真技術領域，針對產品提出不同的意見和見解，與此同時，虛擬樣機技術和集成化的產品設計之間有非常重要的關系，是利用計算機的主要功能和機械系統構建一個數學模型，之后可以在仿真分析的基礎上，對產品的外觀、空間結構進行不斷的調整，直至制定出最佳的設計方案。

1.2 關鍵技術需求

虛擬樣機技術不僅包含了計算機技術、協同仿真技術、虛擬環境仿真校正技術的應用，還包含了集成環境技術、系統總體設計和綜合建模技術、過程管理技術等等，在協同設計中，不僅要對產品的外觀進行設計和調整，使其符合設計的要求，還要滿足產品的使用環境和實踐操作的要求，因此在設計的過程中是通過對產品的概念和系統進行初步的設計，之后建立相關的數學模型，通過模型能夠對產品進行綜合的分析，使產品能夠達到要求，滿足產品的操作和制作以及后期的銷毀過程需求。

1.3 產品設計方案

在虛擬樣機技術設計建模的過程中，首先第一點是要明確設計的任務，其根本任務就是滿足產品的設計時間，促進經濟效益的提升，提高產品的生產效率和質量問題，其次是對產品進行創新和改進，主要的流程包括產品的建模、測試和校驗，不斷的改正完成最終的設計。在操作流程中，建模主要指的是單個領域和多個領域的協同、約束建模，測試指的是虛擬測試機器和環境之間的過程，校驗是指在虛擬樣機設計好之后，按照相關的參數和數據對產品系統的性能進行分析和研究，而改進指的是將產品系統不斷的進行優化和細化，最主要的目的是為了設計方案和模型的形成[1]。

2 支撐環境分析

2.1 功能模型

功能模型的建構主要包含控制和傳感檢測、動力以及操作結構功能，主要分為物理和控制系統，是由機械、電子和軟件組成的，其中物理系統主要是由驅動和執行組成的，執行系統是對機構子系統實施執行，而控制系統主要是對信息進行處理，在模型建構的過程中，首先執行系統中的執行機構和元件會向傳感子系統發出檢測的信號，之后傳感系統會對信息處理的子系統發揮反饋的信號，再由處理的子系統向最開始的執行子系統發出最后的已控制信號。因此在功能模型建構的過程中，主要是將上述幾個子系統進行有效的結合和應用[2]。

2.2 設計過程模型

機電一體化產品設計的過程中主要包含功能層、行為層、結構層。功能層的主要職責是對機電系統的設備進行動作的分解、控制和制定動作。行為層的主要職責是對信息進行檢測、控制，以及過程中的信息傳輸。結構層主要包括傳感器、軟件和執行機構、控制器[3]。在機電一體化虛擬樣機設計的過程中，將理論知識和實踐經驗進行結合，確定系統的可操作性，通過最后的評估確定最佳的方案。在這個過程中對仿真模型的分解和組成的主要流程就是系統模型、子模型和元模型。其中的系統模型會分為三個子系統，經過多層的分解成為9個最小的模型單元。

3 虛擬樣機技術的產品設計和建模

3.1 利用CAD軟件建模仿真

在產品的裝配環節、成像環節和數據庫環節都可以使用CAD軟件完成建模仿真設計。在產品的裝配環節，可以利用CAD仿真技術將設計好的模型應用到裝配模型中，之后利用計算機技術完成對產品性能的檢測，實現零件的仿真，這樣的方式可以規避傳統生產過程中出現的問題，及時的對零件的生產進行檢測和調整，完成零件的獨立性管理。在成像環節中，CAD技術的應用能夠生成二維圖像，確保在設計的過程中實現了虛擬化管理的科學性。實現了技術的更新。在數據庫環節的應用具體是指利用CAD設計實現了信息資源的共享，在自主知識產權的管理過程中，將信息之間的資源進行有效的整合，完成了信息資源的管理和創新，將其嵌入到相應的系統中，設置引擎，對知識的資源進行歸納和總結，實現了智能化的升級，促進了知識的合理使用。

3.2 產品構件的分析和仿真

（1）結構軟件的優化。在產品進行結構設計分析的過程中，經常使用的技術就是ANSYS軟件，能夠針對機械設計的結構、流體和電磁場進行有效的檢測，實現了ANSYS和CAD的互補，將結構設計的優化和方針進行聯系，能夠對各項的資源進行整合，實現資源的優化管理。在ANSYS軟件使用的過程中，能夠對產品數據的結構進行分析，對相應的模板進行整理，并根據產品的實際情況，計算出不同情況的數據，從而實現了產品結構準確性的提高。結構優化模型能夠解決現有產品結構變量的問題，在分析中設置變量的數量，在期間對相應的變量進行檢測，能夠實現機械設計的優化分析。（2）產品結構優化的方法。在產品結構優化的過程中，可以利用數據的整合和圖形交換的方式從而實現結構的優化，在日常運用的過程中，圖形交互的方式更加符合消費者的標準，也可以滿足機械設計中更多的需求，解決更多的問題。比如說在產品結構設計的過程中，對構件進行詳細的分析，能夠制定出優化的方案，接近變量函數的需要，在不斷的測試中發現最優值，從而實現了產品構件的優化，提高了整體的合理性。

4 結語

綜上所述，在對虛擬樣機技術協同體系和建模分析研究的過程中，要掌握虛擬樣機技術基本的概念和理論，通過對支撐環境和日常的應用進行分析，實現設計方案的優化，促進了機電一體化產品生產技術的創新和發展，為企業的生產經營節省了時間和成本，提升了經濟效益。

參考文獻

[1] 王江月.虛擬樣機技術在機械產品設計中的應用[J].山東工業技術，2017（16）：43.

[2] 馬骉.基于虛擬樣機技術的機械產品設計及建模方法分析[J].現代制造技術與裝備，2016（11）：78-79.

[3] 常文泰，張冉，王利華，張雷剛.虛擬樣機技術及虛擬樣機試驗[J].軟件，2016（7）：84-88.

Design and Model Construction of Virtual Prototyping Collaborative System for Mechatronics Products

CAO Xin-min1， TANG Yan2

（1.College of Mechanical and Electrical Engineering， Guilin University of Electronic Science and Technology ， Guilin Guangxi 541004;2.Guangxi Mechanical and Electrical Technical College， Nanning Guangxi 530007）

Abstract：Aiming at the background of Mechatronics integration， this paper analyses and discusses the design and modeling of virtual prototype， aiming at improving the efficiency of product design and realizing the rapid development of enterprises.

Key words：mechatronics; virtual prototype design; model construction