機電一體化產品功能原型設計要點探究

王 嬌

（山東華邦建設集團有限公司，山東 濰坊 262500）

隨著科技的不斷進步，機電一體化產品在各個行業中具有越來越重要的左右。機電一體化產品是指將機械和電子技術有機結合在一起，使產品在功能、性能和效率上得到全面提升。在機電一體化產品研發過程中，功能原型設計是一個關鍵環節，通過制作一個早期版本的產品原型，以驗證并改進產品的功能設計和性能。一方面，在進行功能原型設計之前，需要對產品的功能需求進行詳細分析，了解產品應具備的功能和特性，明確功能實現的關鍵要求，以便在設計過程中有針對性地制定策略。另一方面，功能原型設計不是一次性完成的，需要進行快速迭代和測試。通過制作初步原型，驗證其功能和性能，并根據測試結果進行改進和優化，逐步實現產品設計目標。

1 基于虛擬原型機電一體化產品設計

1.1 需求分析

基于虛擬原型的機電一體化設計技術是目前發展迅速且廣泛應用的設計方法之一。它將虛擬現實和仿真技術應用于產品設計領域，通過創建虛擬的產品原型，以模擬和驗證機械、電子控制系統的功能與性能。

在需求分析方面，基于虛擬原型的機電一體化設計技術有多個關鍵需求，這些需求在提升設計效率和產品質量方面具有重要作用[1]。

首先，仿真與驗證需求對機電一體化產品的設計至關重要。通過虛擬原型技術，設計師可以建立真實的模型，并進行各種仿真分析，如結構強度、運動學分析和電子電路仿真等。這有助于驗證設計的可行性，避免在實際制造階段出現問題，并減少試錯成本。在該文研究中，相關工作人員引入PID控制器模型，并通過該模型收集反饋控制器實際參數，如公式（1）所示。

式中：u（t）代表控制器的輸出信號；Kp、Ki、Kd分別代表比例增益、積分增益和微分增益；e（t）代表參考信號與實際輸出間的誤差；∫e（t）dt代表誤差的積分項；代表誤差的微分項。

其次，基于虛擬原型的機電一體化設計技術需要滿足多學科協同需求。機電一體化產品設計涉及機械工程、電子工程和控制工程等多個學科領域的知識。虛擬原型技術應提供一個統一平臺，使不同學科的專家能夠協同工作、共享設計信息、評估設計方案并快速進行反饋和調整。再次，實時性與交互性需求是基于虛擬原型設計技術中的重要考量因素。設計師需要能夠與虛擬原型進行實時交互，并觀察其動態變化，這有助于直觀地理解產品的工作原理和性能特征，并根據需要對設計即時進行修改和優化。設計師需要準確地建立機械構件、電子元器件和控制系統的模型，并精細地調整它們間的關系。虛擬原型技術應具備高精度的建模能力，以確保設計結果的準確性和可靠性。通過直觀的可視化界面和豐富的可視化效果，設計師可以更好地理解和評估產品的結構和功能，這有助于提高設計溝通和決策的效率，并促使設計師更好地理解產品特性和性能[2]。

最后，數據集成與管理需求也是基于虛擬原型的機電一體化設計技術中不可忽視的方面。設計師需要方便地導入、管理和共享各種數據，如CAD模型、元器件庫和仿真結果等。虛擬原型技術應提供完善的數據管理功能，確保設計過程中數據的一致性和互通性，從而提高設計效率和產品質量。

1.2 基本思路

基于虛擬原型的機電一體化聯合設計是一種集成化的設計方法，旨在通過數字化模型和仿真技術來加快產品設計流程、減少成本并提高質量。該設計方法的基本思路包括模塊化設計、參數化建模、虛擬測試與驗證、多學科集成、協同優化和真實數據反饋。

首先，在模塊化設計方面，將機械、電氣和控制系統等不同模塊進行分離和定義，確保各個模塊能獨立設計和開發。通過模塊化設計，可以實現并行協同設計，使不同團隊能同時進行各自的設計工作，以提高設計效率。其次，通過使用參數化建模技術，設計人員可以輕松創建幾何模型，并通過調整參數來修改模型的尺寸、形狀和特性。這種靈活性使快速的設計迭代和優化成為可能，從而能更好地滿足產品需求。通過使用仿真工具對設計進行虛擬測試和驗證，可以在計算機中運行模擬和分析，評估機電一體化系統的性能、可靠性和耐久性，而無須進行物理樣機制造和試驗。該虛擬測試能夠更早地發現問題并改進，從而大大縮短產品開發周期。最后，通過全面考慮不同學科間的相互影響，可以驗證設計的完整性和可行性，并解決可能存在的沖突和問題。該綜合性設計方法有助于減少后續實際制造和測試過程中的問題和風險。建立設計優化目標和約束條件，并采用協同優化算法，找到機電一體化系統的最佳設計方案，同時滿足性能、成本和可制造性等需求。這種綜合考慮不同設計指標的優化過程可以提高產品的整體性能和競爭力，根據實際測試數據和反饋信息，不斷改進虛擬原型模型和仿真結果的準確性，有助于提高模型的可信度和設計信心，從而減少后續實際制造和測試過程中的問題和風險（基于虛擬原型的機電一體化產品設計流程如圖1所示）。

2 機電一體化產品功能原型設計

2.1 設計特點

機電一體化功能原型設計是指在產品設計過程中，將機械、電氣和控制等功能模塊相互融合，以實現產品在機械運動、電氣控制和信息傳輸等方面的完整功能[3]。

第一，一體化設計。機電一體化功能原型設計將傳統的機械、電氣和控制設計集成在一起，構建一個整體的系統原型。通過緊密配合和相互作用，各個功能模塊可以協同工作，形成一個完整的機電一體化系統。

第二，多學科交叉。該設計方法涉及多個學科領域，包括機械工程、電氣工程和控制工程等。設計團隊需要具備跨學科的知識和技能，以便在整個設計過程中進行有效溝通和協作。例如該文研究中引入轉子動力學公式，如公式（2）所示，通過該公式分析并優化傳動系統的性能。

式中：α代表轉子角加速度；Tm代表驅動扭矩；TI代表負載扭矩。

第三，參數化建模。機電一體化功能原型設計采用參數化建模技術，通過定義參數和公式來創建幾何模型、控制算法和電氣元件等。這種靈活的建模方法能更容易且快捷地對設計進行修改和優化。建模過程中，研究人員引入傅里葉級數公式，利用該公式進行信號處理和頻譜分析等工作，如公式（3）所示。

第四，設計迭代和優化。機電一體化功能原型設計允許設計團隊進行快速的設計迭代和優化。通過修改參數、調整控制算法或改變組件配置，快速評估不同設計方案的優劣，并選擇最佳方案來滿足產品需求[4]。

第五，數據共享和協同工作。該設計方法鼓勵設計團隊間的密切合作和信息共享。通過共享設計數據和模型，團隊成員可以更好地理解系統的整體結構和功能，并進行協同工作，提高設計效率和質量。考慮機電一體化產品可能涉及液體或氣體在流動過程中的能量轉換問題，因此引入達朗貝爾定律，如公式（4）所示。

式中：ρ代表流體密度；g代表重力加速度；h代表高度；v代表液體或氣體的流速；P代表壓力。

第六，自動化制造準備。機電一體化功能原型設計可以為后續的自動化制造準備奠定基礎。通過集成設計數據、制造工藝規劃和生產線布局等信息，可以更好地銜接設計和制造，提高生產效率和質量控制。

2.2 基該方法

機電一體化功能原型設計是產品設計階段中一個非常重要的環節，通過提出具體設計指標、制定功能單元設計方案以及確定整合與綜合方案，最終實現產品的功能原型設計（如圖2所示）。

圖2 機電一體化系統設計

進行機電一體化功能原型設計時，通常需要遵循的步驟如下：第一步是從產品設計需求出發，提出具體的設計指標，并對其進行分析、歸納和分類整合。這就需要進行系統工程思考和機電一體化思考，以確保各個設計領域間的協同作用，從而形成一個完整的系統。第二步是針對各個功能單元制定相應的設計方案。該方案涉及機械、電氣、控制和軟硬件等領域，確定設計方法、設計目標、交互方式以及所使用的軟件工具和基本流程。制定這些方案時，需要綜合考慮功能、性能、可制造性、經濟性、環保性和安全性等多個因素。第三步是將各個功能單元的設計方案進行整合，確定最終的綜合方案。基于整體設計，選擇合適的功能單元設計方案作為各領域的設計方案，并制定總體方案來完成功能原型設計。在該過程中，需要明確虛擬原型設計的依據，并指導產品的原型設計。

通過以上步驟，機電一體化功能原型設計可以將產品設計需求具體化和細化，最終得到可用于指導產品原型設計的方案。在該過程中，不僅需要考慮各個領域的設計要求，還需要綜合各種因素來確保設計方案的合理性和可行性。只有經過充分的設計和整合，才能得到功能完備、性能優良、制造可行、經濟環保且安全可靠的產品設計原型。

2.3 開發模式

機電一體化產品的設計方案是在產品功能需求的基礎上進行分解和結合的過程，旨在實現產品的高效性、可靠性和便捷性。功能需求分析是設計方案形成的關鍵環節，通過對產品功能進行細致分析，確定產品所需的性能指標和技術指標，為后續的設計工作提供明確的目標和依據。進而逐步細化設計方案，包括詳細的設計方法、步驟和目標等內容。

在方案設計中，設計師需要借助各種工具和技術來滿足產品的設計需求。一種常用的方法是使用3D機械模型，通過建立真實模擬的物理結構，來呈現機電一體化產品的形態和特征。該模型不僅可以展示產品的機械組成部分，還可以準確顯示電氣元件、控制系統以及各個部件間的相互作用。另外，控制設計軟件架構也是實現機電一體化產品設計的重要手段之一。通過合理的軟件架構設計，可以對產品進行智能化控制和優化調試，提高產品的性能和穩定性（機電一體化產品功能原型設計開發模式如圖3所示）。

圖3 機電一體化產品功能原型設計開發模式

此外，還可以運用其他輔助工具和技術，例如虛擬仿真和試驗驗證來優化設計方案。虛擬仿真技術可以在計算機環境下模擬產品的工作過程，幫助設計師發現問題并進行改進。而試驗驗證則是在實際環境中對設計方案進行驗證和測試，以確保產品在不同工況下的穩定運行。

3 機電一體化產品功能原型設計仿真

為驗證機電一體化產品功能原型的有效性，研究人員針對該產品進行仿真試驗。

3.1 機械結構設計

確定產品的外形尺寸和結構要求，該文仿真試驗使用的產品的尺寸為30cm×20cm×10cm。在材料選擇上，采用具有高強度和輕質特點的鋁合金材料。考慮機械傳動部件的設計，例如軸、齒輪、帶等，確保傳動效率和可靠性。使用CAD軟件進行三維模型設計，并進行結構強度仿真分析，確保設計的可行性。

3.2 電路設計

研究人員設計了一個穩壓電源電路，輸出電壓為12V。使用電路設計軟件設計電路原理圖和PCB電路板。例如使用Altium Designer進行原理圖設計和布局布線。制作并組裝實際的電路板，進行電路連通性測試、電氣性能測試以及故障排除。

3.3 控制算法設計

確定產品的控制需求和功能，例如位置、速度以及力控制等。根據需求設計控制算法，例如PID控制器、模糊控制器等。研究人員采用PID控制算法進行位置閉環控制。

3.4 仿真結果分析

機械結構設計仿真試驗結果見表1。首先，通過有限元分析等方法，得出最大應力為50MPa，安全系數為2.5，表明機械結構在設計要求的負載下具備足夠的強度和安全性。其次，試驗結果顯示系統的響應時間為0.2s，符合設計要求，并且精度誤差為±0.5cm，即運動系統的位置誤差為±0.5cm 。最后，通過數值模擬分析得出機械結構的最大變形為0.1cm，滿足設計要求。

表1 機械結構設計仿真試驗結果

電路設計仿真試驗結果見表2。首先，仿真驗證顯示輸出電壓穩定在（12±0.2）V，表明電源電路能夠提供穩定的電源供應，完全滿足電氣元件的工作要求，表明設計的電源電路具備良好的穩定性和可靠性。通過模擬測試，研究人員驗證了電路在不同負載條件下能夠保持輸出電壓的穩定性，連接的電氣元件能正常工作并得到充分的電氣供應。其次，驅動仿真驗證結果表明電機成功啟動，并且能夠準確進行位置控制。仿真數據展示了電機的運動軌跡和準確性，證明了電路設計的有效性和性能優越性。因為位置控制是許多機電系統的核心功能之一，所以這對機電一體化產品的實際應用非常重要。通過仿真驗證，研究人員確認了設計的電路能夠成功驅動電機，并穩定地將其控制在所需的位置范圍內。最后，仿真測試表明電路的驅動能力達到設計要求，能夠提供最大驅動電流為1.5A的輸出。表明電路能夠滿足設計和實際應用中的電流需求。通過對電流波形和幅值進行仿真分析，研究人員確保了電路的可靠性和性能，并得出結論：電路能夠穩定輸出足夠的電流，以驅動連接的電氣元件和電機，并滿足系統需求。

表2 電路設計仿真試驗結果

基于上述仿真試驗結果數據的論證，所得結論如下：機電一體化產品功能原型設計是有效的，設計的系統能夠滿足預期要求，并具備良好的性能和可靠性，為進一步的實際制造與應用奠定了堅實基礎。通過仿真驗證，研究人員評估了電路的性能和穩定性，確保其適合實際應用的可行性，為產品的進一步開發和改進提供指導，并增強產品在市場上的競爭力[5]。

4 結語

該論文主要研究了虛擬原型及其設計技術、機電一體化產品特性和設計特點，將虛擬原型設計技術引入機電一體化產品設計中，提出并深入研究了基于虛擬原型的機電一體化設計技術。

第一，該文強調了需求分析的重要性。只有準確理解用戶需求，才能設計出滿足其期望的功能原型。通過與用戶溝通和反復修改，該文不斷優化設計方案，確保最終的產品能夠真正滿足用戶的需求。

第二，該文強調了跨學科協作的必要性。機電一體化產品的設計涉及多個領域的知識，需要不同專業領域的人才密切合作。在功能原型設計過程中，工程師、設計師和市場營銷人員等各個角色都應參與其中，共同協調推動項目的進展。

第三，該文還討論了原型快速迭代的重要性。在功能原型設計過程中，需要保持靈活性和敏捷性，及時根據用戶反饋和技術驗證結果進行修改和優化。通過不斷地迭代，可以及早發現問題并加以解決，最終提供更好的產品體驗。

第四，該文強調了測試驗證的必要性。在功能原型設計完成后，必須進行嚴格的測試和驗證，以確保產品的可靠性和穩定性。通過模擬真實使用環境和情景，可以發現潛在的問題并進行調整，為產品的后續開發奠定堅實基礎。

綜上所述，機電一體化產品功能原型設計是一個復雜而關鍵的過程，需要深入理解用戶需求、跨學科協作、快速迭代和測試驗證。只有在這些要點的指導下，才能設計出更具競爭力和創新性的產品，滿足用戶需求，推動機電一體化技術的發展。