以虛擬原型技術(shù)為基礎(chǔ)的機電一體化建模探析

祝顯浪

摘 要：近年來，機電一體化產(chǎn)品需求發(fā)生了巨大變化，將同時面向控制、電子以及機械等多個領(lǐng)域，對產(chǎn)品研發(fā)能力提出了新的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的仿真設(shè)計已越來越無法滿足現(xiàn)實需求，急需新的技術(shù)改進。虛擬原型技術(shù)作為可以反映產(chǎn)品本質(zhì)特性的多域數(shù)字模型，可契合精細(xì)化技術(shù)要求，符合復(fù)雜多變的現(xiàn)實需求。本文立足于以虛擬原型技術(shù)為基礎(chǔ)的機電一體化建模需求分析、基本流程，通過實證分析提出機電一體化建模，以期為機械制造科學(xué)化生產(chǎn)奠定良好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：虛擬原型 機電一體化 建模

0 引言

為有效提高研發(fā)效率，各產(chǎn)品制造逐漸朝著小批量、多品種的方向快速演化，特別是高技術(shù)的復(fù)雜新產(chǎn)品，必須滿足多領(lǐng)域的交互設(shè)計，否則將極大的降低成品率，為此，在傳統(tǒng)產(chǎn)品研發(fā)模式下，如何展開機電一體化建模成為亟待解決的重要課題[1]。基于此，本文提出了一種新的思路，即以“虛擬原型”為核心，通過機械、電氣與控制建模，構(gòu)建同步動態(tài)閉環(huán)，在產(chǎn)品設(shè)計前期，以較低的成本展現(xiàn)出不同的設(shè)計功能及方案，并對產(chǎn)品予以全方位的評價與測試，防止實物樣機反復(fù)制造，避免設(shè)計錯誤。

1 以虛擬原型技術(shù)為基礎(chǔ)的機電一體化建模需求分析

1.1 機電一體化產(chǎn)品特性

機電一體化產(chǎn)品涵蓋了產(chǎn)品設(shè)計中諸多需求，包括人機界面設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、數(shù)據(jù)庫與記錄、離散邏輯設(shè)計、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計、數(shù)字信號處理、傳感器及信號調(diào)理設(shè)計、電機與執(zhí)行器設(shè)計以及機械設(shè)計等等，為此，機電一體化產(chǎn)品設(shè)計的要求也更高。基于虛擬原型技術(shù)的機電一體化建模，便是優(yōu)先考慮機電一體化產(chǎn)品特性，從而采取的科學(xué)設(shè)計辦法[2]。

1.2 產(chǎn)品市場需求

一方面，在貿(mào)易自由化進程加快的背景下，市場競爭日趨激烈，對機電一體化產(chǎn)品的需求也越來越大。另一方面，由于科學(xué)技術(shù)的進步，尤其是計算機技術(shù)、微電子技術(shù)以及信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，為滿足用戶對產(chǎn)品的多樣化、個性化的要求，許多高技術(shù)被投入到了機電一體化產(chǎn)品中。特別是對于較為復(fù)雜的機電一體化產(chǎn)品，傳統(tǒng)開發(fā)模式難以滿足多個領(lǐng)域的優(yōu)化組合與交互式設(shè)計，虛擬原型技術(shù)通過多域交互協(xié)作中的優(yōu)勢，滿足產(chǎn)品市場需求。

1.3 產(chǎn)品開發(fā)流程

目前，不管是機械產(chǎn)品還是機電一體化產(chǎn)品，都經(jīng)歷了從傳統(tǒng)串行開發(fā)到并行工程的設(shè)計過程。其中，串行開發(fā)的優(yōu)點在于把一個復(fù)雜的程序轉(zhuǎn)換成一個可管理的操作序列，其不足之處在于未充分考慮各環(huán)節(jié)的平行性，造成開發(fā)風(fēng)險大、成本高以及周期長。并行工程可以摒棄傳統(tǒng)串行開發(fā)的不足，在設(shè)計流程的每一個階段都盡量做到同時進行，從而有機整合開發(fā)的整個過程，注重協(xié)作設(shè)計[3]。然而，過度重視并行化也不具有科學(xué)性，產(chǎn)品開發(fā)過程中平行度的提升，也會提高錯誤率，為此，需要先進的設(shè)計方法來予以支持。

1.4 產(chǎn)品開發(fā)工具和平臺

CAD在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用，已由CAX/DFX技術(shù)逐漸向CAX/DFX/DFX等多個領(lǐng)域擴展，機電一體化是一種將軟件、電子以及機械等結(jié)合在一起的技術(shù)，功能豐富齊全。但是，因為各開發(fā)工具一般都是彼此獨立的，所以很難進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化，就算是模擬，也無法將機械、電氣與控制等性能充分地考慮進去，更無法整體評價機電一體化產(chǎn)品形成，而虛擬原型技術(shù)則可剛好滿足這一需求。

2 以虛擬原型技術(shù)為基礎(chǔ)的機電一體化建模基本流程

在需求分析基礎(chǔ)上，本文擬采用虛擬原型技術(shù)，構(gòu)建機電一體化建模基本流程，即在明確實際需求后，從產(chǎn)品概念設(shè)計出發(fā)，直接面向虛擬原型接口，虛擬原型技術(shù)經(jīng)仿真設(shè)計、測試驗證，再次反饋給概念設(shè)計（設(shè)計方案），形成同步動態(tài)閉環(huán)，實現(xiàn)迭代過程，令機電一體化產(chǎn)品設(shè)計更具可行性與可拓展性。

在開發(fā)過程中，可以分為兩個迭代階段：第一迭代階段是以產(chǎn)品設(shè)計方案（概念設(shè)計）為目標(biāo)的迭代，以設(shè)計方案、要求為目標(biāo)，以充分滿足產(chǎn)品設(shè)計需求；第二迭代階段以虛擬原型技術(shù)為基礎(chǔ)，通過模擬設(shè)計、功能測試等手段，對樣機予以優(yōu)化。具體而言，主要包括如下步驟

第一，概念設(shè)計過程。在概念設(shè)計時，要采用“組合-分解”的方法，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計需求提出具體的設(shè)計目標(biāo)，并細(xì)化為功能單位，對其予以歸類，最終展開綜合集成，獲得一組功能原型的設(shè)計方案。

第二，虛擬原型過程。集成各個功能區(qū)域，形成相對完善的設(shè)計平臺，在此基礎(chǔ)上，對各領(lǐng)域予以建模，使各領(lǐng)域之間能夠聯(lián)通、協(xié)作，構(gòu)建虛擬樣機。

第三，仿真設(shè)計過程。在虛擬原型基礎(chǔ)上，結(jié)合機電一體化產(chǎn)品設(shè)計指標(biāo)，對單域、多域予以仿真，獲得仿真數(shù)據(jù)，形成動態(tài)閉環(huán)設(shè)計。

第四，測試驗證過程。通過可制造性測試、專業(yè)測試、整機性能測試以及軟硬件測試驗證等多種形式，將測試結(jié)果反饋給概念設(shè)計階段，確保達到最優(yōu)的機電一體化產(chǎn)品。

3 以虛擬原型技術(shù)為基礎(chǔ)的機電一體化建模實證分析

3.1 基本原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）基本原理。虛擬原型技術(shù)基于CAX/DFX的并行設(shè)計理念，涵蓋產(chǎn)品的電子與控制模型、功能性能模擬模型、外觀模型以及CAD模型，在此基礎(chǔ)上，可通過計算機軟件構(gòu)建其力學(xué)模型，展開虛擬工作條件下的性能參數(shù)可視化分析，并基于模擬結(jié)果對其予以優(yōu)化、改進。利用虛擬原型技術(shù)，有助于生產(chǎn)出實體樣機前對產(chǎn)品整體性能形成初步認(rèn)識，降低開發(fā)成本與周期，增強產(chǎn)品的競爭能力。

本實證分析的機電一體化建模方法，主要包括以下幾個方面：第一，在對產(chǎn)品需求分析的基礎(chǔ)上，通過對設(shè)計指單獨設(shè)計，施行模擬和可視化處理。第二，利用CAX/DFX技術(shù)，對所需要的虛擬現(xiàn)實環(huán)境予以建模，構(gòu)建產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與性能模型，實現(xiàn)虛擬原型的生成。第三，在合成虛擬設(shè)計環(huán)境中對產(chǎn)品進行解析模擬，并通過界面與真實環(huán)境進行交互，對虛擬原型予以驗證與優(yōu)化，實現(xiàn)從虛擬原型到實體原型的轉(zhuǎn)變，便于后續(xù)的樣機研制與試驗驗證。

（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。3D立體模型是最常用的產(chǎn)品陳列方式，且多為參數(shù)化模型，不僅能夠精確地刻畫出產(chǎn)品的幾何信息及主要性能參數(shù)，而且還可以將相關(guān)信息嵌入到模型中，如控制算法、加工信息等。目前市面上的 CAD/CAM軟件包大多都是對零部件進行設(shè)計，對有經(jīng)驗的設(shè)計者而言，用SolidWorks與LabVIEW相結(jié)合的三維建模軟件進行動力學(xué)分析，可以得到理想的結(jié)果。

3.2 3D CAD機械建模電氣與控制建模

（1）零件設(shè)計。平面幾何要素如點、線以及弧等組成的閉合或非閉合幾何體，通常由三個維度組成，即尺寸、形狀以及幾何關(guān)系。三維實體建模采用基于特定平面的手繪草圖，采用特征建模的方法對其進行建模，特征是建立3-D實體基礎(chǔ)要素，通過對二維平面圖建模，得到了3D零件的特征模型，也就是產(chǎn)品零件。

比如，對于錐形階梯軸，先在草圖編輯環(huán)境中繪制對應(yīng)的平面幾何圖，然后通過旋轉(zhuǎn)特征來產(chǎn)生臺階軸線。其次打開SolidWorks，進入到設(shè)計環(huán)境中創(chuàng)建一個新的草圖，并予以修改，在“文件”菜單中選擇“零件”命令，通過繪圖界面中使用線性工具繪制出所顯示的幾何形狀，然后使用尺寸標(biāo)記工具對其予以尺寸標(biāo)記，最后根據(jù)特征自動生成三維實體。最后，在“特征”工具欄中，選中“旋轉(zhuǎn)平臺/基座”，并設(shè)置相關(guān)的參數(shù)，并得到機電一體化產(chǎn)品3D模型[4]。

（2）裝配設(shè)計。各個部件被設(shè)計成一個完整的機械，以完成某種功能，在實際建模過程中，首先要用SolidWorks中的裝配函數(shù)將已完成的零件予以裝配，然后再對所建立的模型進行各項分析、檢測。其中，利用 SolidWorks的裝配功能，使已有的零件容易被添加到裝配體中，并增加不同的裝配關(guān)系，也可通過鼠標(biāo)拖拽尚未完成位置的零件，展開有限的運動仿真，以了解其整體設(shè)計是否達到了預(yù)定的目的，同時還進行了體積和碰撞干涉的檢查。在 SolidWorks軟件中，主要有機械配合及標(biāo)準(zhǔn)配合，其中，標(biāo)準(zhǔn)配合是指將零件組裝到一個組裝體內(nèi)，如并聯(lián)配合、共軸配合以及同心/共軸配合等，而機械配合則是指零件之間的相對運動，如凸輪配合、螺桿配合以及齒輪配合等。在虛擬裝配設(shè)計中，主要以標(biāo)準(zhǔn)配合為主，而在仿真運行、傳動設(shè)計等方面，則可通過機械配合來予以實現(xiàn)[5]。

在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于SolidWorks的裝配方法，比如，要建立一個銑床裝配體，需要安裝的零件則將包括pin（銷釘）、clamp（鎖模）、pillar（柱桿）、scale（刻度）、head（編碼頭）、bracket（托座）、table（工作臺）、saddle（床鞍）以及knee（升降臺）等。

（3）機電一體化聯(lián)合建模。在虛擬儀器平臺上，利用SolidWorks與LabVIEW相結(jié)合的方法，對各部分的功能組件予以添加、優(yōu)化。本文提出了一種基于裝配體特性的裝配體建模方法，通過對裝配體構(gòu)型參數(shù)的模擬，實現(xiàn)對裝配體構(gòu)型參數(shù)的模擬，實現(xiàn)實際仿真設(shè)計。在SolidWorks軟件中可以進行三種運動研究，即運動分析形式、基本運動形式以及動畫形式，而在LabVIEW中，則以動作分析形式為主。在 SolidWorks軟件平臺中，增加了虛擬傳感器、虛擬限位裝置以及虛擬馬達等，并通過與LabVIEW接口，將力矩、加速度、位置以及運動速度等信息輸入其中，展開運動的分析和設(shè)計。

3.3 電氣與控制建模

（1）電氣建模。完成了系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)之間的互動，對系統(tǒng)參數(shù)予以設(shè)置，并對控制接口進行設(shè)計。LabVIEW軟件主要包括前、后面板程序框圖設(shè)計，NI SoftMotion則可為其提供豐富的功能函數(shù)模塊。

第一，創(chuàng)建電機。在三維建模中，電動機是使零件作直線或回轉(zhuǎn)運動的動力源。因此，可以將其分成兩種，一種是線性電機，一種是旋轉(zhuǎn)電機。在添加過程中設(shè)置的參數(shù)都是一樣的，主要就是增加電機的運動類型、方向以及位置等。

第二，創(chuàng)建傳感器。傳感器是裝配體運動研究中的一個重要組成部分，是對裝配體運動進行反饋的一個重要環(huán)節(jié)。其主要功能包括SolidWorks模擬數(shù)據(jù)、Motion數(shù)據(jù)質(zhì)、接近度、干涉檢測、測量以及量特性等，使用戶能夠設(shè)置設(shè)計目標(biāo)。該傳感器可以監(jiān)測多個實例的測試結(jié)果，如果有超過某個設(shè)計指標(biāo)，就會給用戶進行告警。在較為復(fù)雜的機電一體化產(chǎn)品設(shè)計中，增加傳感器尤為必要，比如在直線一級倒立擺系統(tǒng)中加裝了一個傳感器，用來測量角加速度、角唯一，并以圖表的方式向用戶提供了相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

（2）控制建模。對機電一體化產(chǎn)品而言，控制模塊是整個系統(tǒng)的生命。在此基礎(chǔ)上，利用函數(shù)算法與控制算法對運行軌跡予以規(guī)劃與控制，本文使用LabVIEW提供的庫功能來完成該系統(tǒng)的功能。LabVIEW為用戶提供了大量的功能函數(shù)，使用戶能夠直觀地看到各個函數(shù)的作用，并能很好地滿足用戶的需要。

控制建模設(shè)計的基本思路是：利用LabVIEW中的庫函數(shù)對控制和功能算法予以編程，通過LabVIEW中的有關(guān)模塊作為橋梁，把控制算法同SolidWorks中的電機模型、機械模型予以進行對接，構(gòu)成一個完整的機電一體化控制模型。在此基礎(chǔ)上，利用LabVIEW-SolidWorks對所建立的系統(tǒng)展開運行和分析，從而形成控制模型、馬達模型以及機械模型，實現(xiàn)機電一體化整體性能的最優(yōu)化。

3.4 控制算法設(shè)計

線性二次最優(yōu)控制是一種新的最優(yōu)控制方法，是一種常用的優(yōu)化控制方法，其目標(biāo)是尋找最優(yōu)控制參數(shù)u（t），使得二次性能泛函J達到極小值。當(dāng)系統(tǒng)為線性時，其最優(yōu)控制問題被稱作二次方程。同時，利用該方法求解線性二次方程組的最優(yōu)解，并將其作為狀態(tài)變量進行線性化處理，從而得到帶狀態(tài)反饋的閉環(huán)優(yōu)化控制系統(tǒng)。線性二次最優(yōu)控制的最大優(yōu)勢在于，當(dāng)控制系統(tǒng)處于可控狀態(tài)時，其穩(wěn)定性就會得到保證。表達公式如式1所示。

（1）

其中，R（t）為正定時變矩陣，Q（t）為半正定時變矩陣，S為半正定常數(shù)矩陣。

在性能泛函中，第一項是終端型代價函數(shù)，被積函數(shù)用于度量一個系統(tǒng)在控制過程中的誤差幅度。在被積函數(shù)中，第二項是一個代價函數(shù)，用于度量控制能力的大小。在本文中，把系統(tǒng)控制功能看作是當(dāng)外界擾動發(fā)生擾動，使得系統(tǒng)中的各個部分保持在相對于平衡態(tài)的狀態(tài)。在實際應(yīng)用中，R（t）、Q（t）以及S都是對稱的，并且大多采用對角矩陣。具體對角線要素的確定，需要結(jié)合工程實踐確定。

通常而言，僅需求解穩(wěn)定狀態(tài)就可求得方程的化簡，此時，里卡蒂方程的解會趨向于常數(shù)，這對于數(shù)值計算及控制器的設(shè)計都是非常有利的。在設(shè)計控制器時，設(shè)計者最關(guān)心的問題就是如何選取最小的控制矢量u（t），從而使系統(tǒng)的性能指標(biāo)滿足最小。在二次系統(tǒng)性能指數(shù)的積分范圍從0變?yōu)闊o限時，可以得出一個線性控制律。

3.5 仿真設(shè)計

基于前文建模分析，可以開展機電一體化仿真設(shè)計，以便于在控制、電氣、機械等方面的測試，為整個產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)優(yōu)化提供依據(jù)，具體而言，首先應(yīng)建立虛擬原型的機械模型，并以LabVIEW集成模塊加強聯(lián)系，編寫程序算法，再次，實現(xiàn)LabVIEW與3D CAD的協(xié)同仿真，展開機電產(chǎn)品性能測試。最后，總結(jié)仿真結(jié)果，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，為實際產(chǎn)品設(shè)計與制造提供依據(jù)。

4 結(jié)語

綜上所述，本文通過對機電一體化產(chǎn)品虛擬原型技術(shù)的研究，提出了一種新的機電一體化產(chǎn)品設(shè)計方法，以“機械-控制”為框架，在明確需求分析、基本流程的基礎(chǔ)上，展開機械建模、電氣與控制建模。

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