对于虚拟原型的机电一体化建模与仿真技术研究

引言：随着科技的发展，机电一体化产品已经涉及到了机械、电气、控制等领域，单功能、独立领域的设计，已经无法满足日益增长的需求，所以将机电一体化产品基于虚拟原型进行设计，是时代发展的必然趋势。本文对于虚拟原型的机电一体化建模与仿真技术进行了研究。

机电一体化又被称做机械电子工程，是机械工程与自动化的结合产品。随着机电一体化技术的快速发展，机电一体化被人们广泛接受，并普遍应用于各个领域，尤其是随着计算机技术的发展，机电一体化技术进入了高速发展期。

一、对于虚拟原型的机电一体化建模技术研究

虚拟原型的机电一体化建模过程是以“机械-控制”为基础框架，在综合环境影响下，进行机械建模，电气建模，以及控制建模。常用的建模与仿真软件如SolidWorks，它是世界上第一个基于Windows系统开发的CAD软件。

（一）机械建模

机械建模是对基于虚拟原型的机电一体化产品中的机械部分进行模型构建的过程，即利用SolidWorks 软件对产品的机械部件进行零件设计、装备设计、干涉检查等内容。

①零件设计

零件设计是指利用SolidWorks 软件对产品所需要的机械零件进行三维设计。零件的三维造型是通过其特征来实行的，造型本身只是平面上的草图。所谓的特征，就是零件的基本元素；而草图，是零件的点、线、圆弧等几何元素构成的二维轮廓，是零件三维造型的基础。

②装配设计

基于虚拟原型的机电一体化产品的基础元素是零件，一系列的零件构成了一个具有完整功能的结构，一系列的功能结构构成了一个完整的产品。所以在机械建模中，完成了零件设计以后，需要利用SolidWorks 软件对三维零件进行装配，使其成为一个完整的三维模型。

③干涉检查

一个装配成型的产品是极其复杂的，零件之间是否存在干涉问题，是无法通过肉眼进行检查的，所以需要利用SolidWorks 软件对三维模型进行干涉检查，包括体积干涉检查、运动碰撞干涉检查等。如果检查结果存在干涉，则需要对模型进行修正，直到检查无干涉为止。

（二）电气建模

电器建模是基于机械建模的基础，对机械模型进行电气功能添加的过程。比如，可以利用SolidWorks 软件将限位器、位置传感器、电机、PCB电路板等电气功能附加在功能结构上，从而形成一个个具有电气特征的功能部件，最终将机械模型转化成机电一体化的三维模型。

（三）控制建模

控制建模是指利用SolidWorks 软件的NI SoftMotion模块设计控制程序，从而控制机械一体化模型的运动控制系统，运动控制系统主要包括运动控制、路径规划等。

二、对于虚拟原型的机电一体化仿真技术研究

对于虚拟原型的机电一体化仿真技术研究，其主要目的是利用机械建模、电气建模和控制建模等构建的三维模型来进行功能测试、原型修改、实体试制等。机电一体化产品的仿真技术包含机械特性仿真设计、电气和控制仿真设计等方面。

（一）机械特性仿真设计

机械特性仿真设计主要包括三个方面，即机械动力学仿真设计、机械运动学仿真设计、机械结构与有限元分析等。

①机械动力学仿真设计

机械动力学仿真设计是利用 SolidWorks的虚拟环境，在机械模型上添加一系列力学元素和运动元素，如摩擦力、电机等，之后在LabVIEW环境下仿真设计运动控制系统，对机械模型的运动性能，以及相关参数进行统一确定。

②机械运动学仿真设计

机械运动学仿真设计是利用SolidWorks的虚拟环境，对机械模型进行运动设计，从而进行机械模型运动的仿真、机械模型碰撞的侦测、机械模型运动轨迹的设计等。

③机械结构与有限元分析

机械结构与有限元分析是对机械模型的功能部件进行结构分析和力学分析，利用SolidWorks 软件的 Simulation 插件提供的数据用来参考和支持，可以对材料的应力需求、强度需求等因素进行分析，从而确定需求材料的特性，以及机械结构的几何尺寸、传动系选型等问题，并将机械运作的轨迹、速度和力矩等信息记录下来，来进步一步优化整个机械部分的设计。

（二）电气和控制仿真设计

电气和控制仿真设计包括电气仿真设计和控制仿真设计两方面，其中电气仿真设计的主要内容是：传感器的设置和应用、电机的设置和应用；控制仿真设计的主要内容是：时序逻辑控制、运动路径规划、传动与连接件运动仿真设计等。

在模型设计阶段，首先要利用SolidWorks软件进行电气仿真设计，完成对传感器和电机等电气特征元件的设置和应用，然后才能进行后续控制仿真设计，控制模型的时序逻辑，规划模型的运动路径等。

结束语

综上所述，对于虚拟原型的机电一体化产品，首先要进行模型构建，依次进行机械模型构件、电气模型构建、控制模型构建，最终形成完整的基于虚拟原型的机电一体化产品的三维模型，并利用仿真技术来进行功能测试、原型修改、实体试制等。

参考文献

[1]樊美娟.基于虚拟原型的机电一体化技术及其在Stewart平台上的应用[D].西安电子科技大学，2012.

[2]徐章锁.基于虚拟原型的机电一体化建模与仿真技术研究[D].西安电子科技大学，2013.

[3]武文佳.基于SolidWorks&；LabVIEW的虚拟原型机电一体化设计技术研究[D].西安电子科技大学，2012.

[4]钱碧波，潘晓弘，程耀东等.虚拟原型技术及其在快速产品开发中的应用[J].机电一体化，2001，（2）：44-47.

[5]Javier Gutierrez，Christian Fritz，Stephen Endersby等.虚拟原型技术与机电一体化设计结合[J].中国电子商情·基础电子，2010，（11）：44-45.

（作者单位：河南省驻马店正阳县职业中等专业学校）

作者简介

方玲（1986.08—），女，河南省驻马店正阳县职业中等专业学校中学二级教师。