基于虚拟原型的机电一体化控制仿真与设计

祁明明　白志强

摘 要：以产品的虚拟原型为依据，阐述了基于机电一体化产品的虚拟原型的机械特性的仿真，主要包含：机械动力学与机械运动仿真设计，同时采用Lab VIEW与SolidWorks对产品一体化的联合仿真进行了设计，对产品零部件和装配体的仿真设计的方法进行了改进。

关键词：虚拟原型；机电一体化；控制仿真；机械特性

“机电一体化”就是将产品机械、电子与信息技术相结合，实现产品和生产过程最优的一种高新技术[1]。以产品的虚拟原型为依据，对机械运动及动力、控制等方面进行测试和仿真，可为产品各个零部件及装配体的设计与改进起到重要作用。对机电产品联合Lab VIEW与SolidWorks进行仿真设计，可使产品的虚拟原型在机械运动和系统控制方面与产品实际的运行工况更接近。因此，在产品的虚拟原型的机电一体化联合仿真的基础上，研究机电一体化产品的开发、设计以及改进具有重要的意义。

1 机械结构及零部件分析

产品重要的零部件的设计，必须对静态、屈力、热力、疲劳、频率、线性动力等方面进行细致的分析。SolidWorks Simulation集成于SolidWorks，采用SolidWorks Simulation可以对产品零部件或装配体进行有限元方面的分析与设计，也可对其进行动力学分析，获得机械运行状态时的力矩和驱动力和特定工况下应力、使用寿命、强度和安全等基本情况，可为为产品零部件或装配体的设计提供一定的指导和参考。

利用SolidWorks Simulation对产品的零部件或装配体进行有限元分析的一般步骤如图1所示。

采用SolidWorks Simulation对产品的装配体和所涉及到的每一个零部件进行有限元分析，有利于零部件和装配体材料的选择、产品合理尺寸的确定与优化，可大大提高产品零部件和装配体的安全性能。但是在产品实际应用中，在对产品的装配体和所涉及到的每一个零部件进行有限元分析的基础上开展设计时，必须遵循机械设计准则和理论，根据不同产品的设计要求与准则对零部件和装配体进行特定的有限元分析，这样才有利于设计出更好的、更符合要求的产品零部件和装配体。

2 机械动力学仿真设计

在 SolidWorks 环境下，通过对产品的机械模型进行机械动力学仿真，包括装配体在运动过程中对某一部件施加压力、引力、力矩以及接触力等的仿真分析。同时，与未采用SolidWorks Simulation对产品的装配体进行仿真的结果进行对比，可以获得真实的工作环境下，装配体以及零部件受到的外力影响，对产品各个零部件以及装配体材料的选择、尺寸的确定与优化，甚至整个设计系统的优化起到了十分重要的作用。

3 机械运动仿真设计

在完成对产品零部件和装配体的仿真设计分析之后，還需要对产品整体机构进行动态机械的模拟和仿真。为此，可以采用SolidWorks 软件的模拟动画制作功能对产品零部件、装配体以及产品整体机构进行机械运动的仿真分析，以便设计人员与用户更好的交流和展示产品的性能，采用SolidWorks进行机械运动仿真主要有三种类型的运动形式：动画形式、基本运动形式和 Motion 分析分式，可以通过这三种类型的运动形式对产品零部件和装配体进行动态仿真，以掌握其机械运动性能。

4 SolidWorks与LabVIEW联合仿真

采用SolidWorks 和 LabVIEW对产品各个零部件或装配体进行联合仿真设计与分析，在 SolidWorks与LabVIEW各自的设计环境下进行机械运动、控制和电气系统等方面的综合仿真设计，其基本方法是先建立LabVIEW与SolidWorks的内在联系，然后，按照预先制定好的模拟仿真方案对产品各个零部件或装配体进行仿真设计、分析，并在此过程中不断完善优化各个零部件或装配体的性能。

在 LabVIEW 平台上进行机电一体化产品虚拟原型的联合仿真设计的整个过程如图2所示。

按照预先制定好的设计要求，对机电一体化产品的虚拟原型开展从机械运动到电气系统、控制等方面的模拟仿真设计分析。通过采用SolidWorks 与LabVIEW对产品零件和装配体进行机械运动学、动力学等方面的模拟与仿真，可在一定程度上为产品机械构件及系统的设计的优化提供一定的指导和依据，同时可为产品的机械运动与动力方面的评价与分析、产品电机的选取等提供参考与支持。尤其是近年来，随着计算机技术、有限元软件的仿真模拟、机电产品一体化技术的发展，要求实现产品各种功能的同时，在产品一体化的实时性、可视性、智能性等方面提出了更高的要求。

因此，在上述基础上对产品零部件和装配体的仿真设计提出了一种新的改进方法，其过程主要有：

（1）机械模型的建立；

（2）产品机械运动仿真；

（3）产品装配体、零部件的VRML转化；

（4）建立产品装配体、零部件模拟仿真场景模型；

（5）编写装配体、零部件仿真控制算法；

（6）在上述基础上进行产品装配体、零部件的联合仿真。

5 结束语

阐述了基于机电一体化产品的虚拟原型的机械特性的仿真设计思路，对采用Lab VIEW与SolidWorks进行联合仿真的过程作出了设计。基于NI SoftMotion for SolidWorks操作平台，对产品零部件和装配体的仿真设计的方法进行了改进，在SolidWorks与LabVIEW操作平台的基础上，实现了产品机电一体化仿真设计的优势联合，有利于产品在性能、外观等方面进一步完善与更新。

参考文献

[1]朱喜林，张代治.机电一体化设计基础[M].北京：科学技术出版社，2004.

[2]张浩，冯长建.基于SolidWorks 软件的虚拟样机技术及其应用[J].煤矿机械，2004（9）：67-69.

[3]刘凯.一级倒立摆系统设计与 LQR 最优控制仿真[J].工业仪表与自动化装置，2012（3）：10-13.

[4]陈海霞，刘霞.虚拟原型技术在数控机床设计中的应用[J].机械制造与自动化，2011（3）：121-122.

[5]王惠能.基于虚拟原型的机电一体化设计研究[D].西安电子科技大学，2011.

作者简介：祁明明，男，现就职于山西潞安集团黑龙煤业有限公司，主要从事机电方面工作。