機電一體化系統的建模分析技術在機械工程中的應用

賀江澤

（山西鄉寧焦煤集團臺頭前灣煤業有限公司， 山西 鄉寧 042100）

引言

在全球化發展趨勢不斷加速的今天，各企業均在不斷尋找新的能夠提高機械設計速度和可靠性的方法，以解決現有的機械系統、電氣系統分開設計，在試制階段才進行組合所存在的周期長、可靠性差、成本高的缺陷[1]。本文提出了機電一體化系統的建模分析方案在工程機械設計中的應用原理，構建了機電協同化仿真應用平臺，為機電產品的聯合仿真分析提供了一個完整的框架，解決了現有仿真平臺無法進行模型機電聯動運行分析的難題。

1 機電一體化協同建模

機械工程中的機電一體化協同建模主要包括建模與仿真高層體系結構、數據標準化體系和數據信息交互體系，其中協同建模的關鍵在于建模與仿真高層體系結構（簡稱HLA），其體系結構是一個面向建模和仿真分析對象的體系結構，能夠為三維建模和仿真提供相互分離的體系結構，實現各個模塊獨立建模、聯合仿真運行，其主要的優點在于能夠使各模塊進行獨立的更新和升級，從而保證整個一體化協同建模體系的先進性和對分析結果的準確性。

該機電一體化協同建模能夠根據所應用行業的不同實現聯邦模塊[2]的快速融合與配置，在運行分析是無需考慮建模對象的實際應用規則，而是關注于如何將機械和電氣模型進行聯合和協同操作，將本土的聯邦模塊集成為一個整體的系統，該結構的優點在于能夠實現多個計算機系統的分布式的聯合仿真分析，有效提升機械設計的聯合仿真分析速度和準確性，在建模與仿真高層體系結構下，各個聯邦成員和RTI運行支撐系統共同構成了一個開放式的機電一體化協同工作平臺，使整個系統具有極強的擴展性，其整體結構如圖1所示[3]。

圖1 機電一體化協同建模理論示意圖

2UPM建模方案

UPM是統一產品模型的統稱，UPM產品模型不僅能夠反映出機械工程產品在整個生命期內的數據信息，而且能夠在不同的設計階段對模型的屬性進行變更、合并，能夠使各機械部件所表達的數據信息具有高度的一致性。該建模方案還具有高度的可擴展性，便于產品在任何階段的調整和轉換。在進行具體設計時，設計開發人員從UPM模型中構建產品的屬性和結構信息，在開發過程中根據實際情況對模型屬性和結構進行修改、完善，整個開發團隊完全在同一個模型庫內建模，一個人所負責部分產品信息的變化均會反應到臨近結構上，使臨近結構的設計人員能夠直接在系統內對配合結構進行修正，實現了快速建模分析，而且整個建模過程實現了自下而上的集成化建模，能夠有效地確保產品數據的一致性，UPM統一建模過程如下頁圖2所示[4]。

3 機電一體化建模接口確認

在進行機電一體化建模聯合分析時，需要將不同的仿真分析軟件聯合運行，因此需要有一個通用、融合、高速的數據信息接口，在接口處需要設置專用的聯合仿真接口軟件實現對各個應用模塊的有機連接和分析。對于聯合仿真分析時的數據通信，由于單位時間內的數據通信需求極大，而且要求傳輸穩定性好，因此采用了總線數據通信模塊，將各個仿真模塊通過統一的數據接口連接到數據總線上，在計算機總線控制下實現各個模塊之間的數據通信和傳輸。

目前國際上通用的聯合數據仿真的總線通信標準為HLA標準[5]，該標準能夠有效解決各個仿真分析軟件之間的數據傳輸和轉換問題，目前已經成為國際標準主推的新一代的數據通信模式，其通信結構如圖3所示。

圖2 UPM統一建模過程結構示意圖

4 結語

通過以上分析可知，采用新的機電一體化系統的建模分析方案，能夠有效實現機械系統和電氣系統的聯動運行分析，解決了傳統的不同的分析軟件無法進行聯合運行的情況，目前該類機電一體化系統的建模分析方案已在機械工程行業進行了應用，根據實際應用結果表明能夠將機械設計周期縮短40%以上，能夠顯著提升產品的質量，降低生產周期和生產成本，具有極大的應用推廣價值。

圖3 仿真軟件聯合總線通信結構示意圖