以虚拟原型技术为基础的机电一体化建模探析

祝显浪

摘 要：近年来，机电一体化产品需求发生了巨大变化，将同时面向控制、电子以及机械等多个领域，对产品研发能力提出了新的挑战，传统的仿真设计已越来越无法满足现实需求，急需新的技术改进。虚拟原型技术作为可以反映产品本质特性的多域数字模型，可契合精细化技术要求，符合复杂多变的现实需求。本文立足于以虚拟原型技术为基础的机电一体化建模需求分析、基本流程，通过实证分析提出机电一体化建模，以期为机械制造科学化生产奠定良好基础。

关键词：虚拟原型 机电一体化 建模

0 引言

为有效提高研发效率，各产品制造逐渐朝着小批量、多品种的方向快速演化，特别是高技术的复杂新产品，必须满足多领域的交互设计，否则将极大的降低成品率，为此，在传统产品研发模式下，如何展开机电一体化建模成为亟待解决的重要课题[1]。基于此，本文提出了一种新的思路，即以“虚拟原型”为核心，通过机械、电气与控制建模，构建同步动态闭环，在产品设计前期，以较低的成本展现出不同的设计功能及方案，并对产品予以全方位的评价与测试，防止实物样机反复制造，避免设计错误。

1 以虚拟原型技术为基础的机电一体化建模需求分析

1.1 机电一体化产品特性

机电一体化产品涵盖了产品设计中诸多需求，包括人机界面设计、网络设计、数据库与记录、离散逻辑设计、嵌入式系统设计、数字信号处理、传感器及信号调理设计、电机与执行器设计以及机械设计等等，为此，机电一体化产品设计的要求也更高。基于虚拟原型技术的机电一体化建模，便是优先考虑机电一体化产品特性，从而采取的科学设计办法[2]。

1.2 产品市场需求

一方面，在贸易自由化进程加快的背景下，市场竞争日趋激烈，对机电一体化产品的需求也越来越大。另一方面，由于科学技术的进步，尤其是计算机技术、微电子技术以及信息技术的迅猛发展，为满足用户对产品的多样化、个性化的要求，许多高技术被投入到了机电一体化产品中。特别是对于较为复杂的机电一体化产品，传统开发模式难以满足多个领域的优化组合与交互式设计，虚拟原型技术通过多域交互协作中的优势，满足产品市场需求。

1.3 产品开发流程

目前，不管是机械产品还是机电一体化产品，都经历了从传统串行开发到并行工程的设计过程。其中，串行开发的优点在于把一个复杂的程序转换成一个可管理的操作序列，其不足之处在于未充分考虑各环节的平行性，造成开发风险大、成本高以及周期长。并行工程可以摒弃传统串行开发的不足，在设计流程的每一个阶段都尽量做到同时进行，从而有机整合开发的整个过程，注重协作设计[3]。然而，过度重视并行化也不具有科学性，产品开发过程中平行度的提升，也会提高错误率，为此，需要先进的设计方法来予以支持。

1.4 产品开发工具和平台

CAD在产品设计中的应用，已由CAX/DFX技术逐渐向CAX/DFX/DFX等多个领域扩展，机电一体化是一种将软件、电子以及机械等结合在一起的技术，功能丰富齐全。但是，因为各开发工具一般都是彼此独立的，所以很难进行数据的转化，就算是模拟，也无法将机械、电气与控制等性能充分地考虑进去，更无法整体评价机电一体化产品形成，而虚拟原型技术则可刚好满足这一需求。

2 以虚拟原型技术为基础的机电一体化建模基本流程

在需求分析基础上，本文拟采用虚拟原型技术，构建机电一体化建模基本流程，即在明确实际需求后，从产品概念设计出发，直接面向虚拟原型接口，虚拟原型技术经仿真设计、测试验证，再次反馈给概念设计（设计方案），形成同步动态闭环，实现迭代过程，令机电一体化产品设计更具可行性与可拓展性。

在开发过程中，可以分为两个迭代阶段：第一迭代阶段是以产品设计方案（概念设计）为目标的迭代，以设计方案、要求为目标，以充分满足产品设计需求；第二迭代阶段以虚拟原型技术为基础，通过模拟设计、功能测试等手段，对样机予以优化。具体而言，主要包括如下步骤

第一，概念设计过程。在概念设计时，要采用“组合-分解”的方法，根据产品设计需求提出具体的设计目标，并细化为功能单位，对其予以归类，最终展开综合集成，获得一组功能原型的设计方案。

第二，虚拟原型过程。集成各个功能区域，形成相对完善的设计平台，在此基础上，对各领域予以建模，使各领域之间能够联通、协作，构建虚拟样机。

第三，仿真设计过程。在虚拟原型基础上，结合机电一体化产品设计指标，对单域、多域予以仿真，获得仿真数据，形成动态闭环设计。

第四，测试验证过程。通过可制造性测试、专业测试、整机性能测试以及软硬件测试验证等多种形式，将测试结果反馈给概念设计阶段，确保达到最优的机电一体化产品。

3 以虚拟原型技术为基础的机电一体化建模实证分析

3.1 基本原理与系统结构

（1）基本原理。虚拟原型技术基于CAX/DFX的并行设计理念，涵盖产品的电子与控制模型、功能性能模拟模型、外观模型以及CAD模型，在此基础上，可通过计算机软件构建其力学模型，展开虚拟工作条件下的性能参数可视化分析，并基于模拟结果对其予以优化、改进。利用虚拟原型技术，有助于生产出实体样机前对产品整体性能形成初步认识，降低开发成本与周期，增强产品的竞争能力。

本实证分析的机电一体化建模方法，主要包括以下几个方面：第一，在对产品需求分析的基础上，通过对设计指单独设计，施行模拟和可视化处理。第二，利用CAX/DFX技术，对所需要的虚拟现实环境予以建模，构建产品的结构与性能模型，实现虚拟原型的生成。第三，在合成虚拟设计环境中对产品进行解析模拟，并通过界面与真实环境进行交互，对虚拟原型予以验证与优化，实现从虚拟原型到实体原型的转变，便于后续的样机研制与试验验证。

（2）系统结构。3D立体模型是最常用的产品陈列方式，且多为参数化模型，不仅能够精确地刻画出产品的几何信息及主要性能参数，而且还可以将相关信息嵌入到模型中，如控制算法、加工信息等。目前市面上的 CAD/CAM软件包大多都是对零部件进行设计，对有经验的设计者而言，用SolidWorks与LabVIEW相结合的三维建模软件进行动力学分析，可以得到理想的结果。

3.2 3D CAD机械建模电气与控制建模

（1）零件设计。平面几何要素如点、线以及弧等组成的闭合或非闭合几何体，通常由三个维度组成，即尺寸、形状以及几何关系。三维实体建模采用基于特定平面的手绘草图，采用特征建模的方法对其进行建模，特征是建立3-D实体基础要素，通过对二维平面图建模，得到了3D零件的特征模型，也就是产品零件。

比如，对于锥形阶梯轴，先在草图编辑环境中绘制对应的平面几何图，然后通过旋转特征来产生台阶轴线。其次打开SolidWorks，进入到设计环境中创建一个新的草图，并予以修改，在“文件”菜单中选择“零件”命令，通过绘图界面中使用线性工具绘制出所显示的几何形状，然后使用尺寸标记工具对其予以尺寸标记，最后根据特征自动生成三维实体。最后，在“特征”工具栏中，选中“旋转平台/基座”，并设置相关的参数，并得到机电一体化产品3D模型[4]。

（2）装配设计。各个部件被设计成一个完整的机械，以完成某种功能，在实际建模过程中，首先要用SolidWorks中的装配函数将已完成的零件予以装配，然后再对所建立的模型进行各项分析、检测。其中，利用 SolidWorks的装配功能，使已有的零件容易被添加到装配体中，并增加不同的装配关系，也可通过鼠标拖拽尚未完成位置的零件，展开有限的运动仿真，以了解其整体设计是否达到了预定的目的，同时还进行了体积和碰撞干涉的检查。在 SolidWorks软件中，主要有机械配合及标准配合，其中，标准配合是指将零件组装到一个组装体内，如并联配合、共轴配合以及同心/共轴配合等，而机械配合则是指零件之间的相对运动，如凸轮配合、螺杆配合以及齿轮配合等。在虚拟装配设计中，主要以标准配合为主，而在仿真运行、传动设计等方面，则可通过机械配合来予以实现[5]。

在此基础上，提出了一种基于SolidWorks的装配方法，比如，要建立一个铣床装配体，需要安装的零件则将包括pin（销钉）、clamp（锁模）、pillar（柱杆）、scale（刻度）、head（编码头）、bracket（托座）、table（工作台）、saddle（床鞍）以及knee（升降台）等。

（3）机电一体化联合建模。在虚拟仪器平台上，利用SolidWorks与LabVIEW相结合的方法，对各部分的功能组件予以添加、优化。本文提出了一种基于装配体特性的装配体建模方法，通过对装配体构型参数的模拟，实现对装配体构型参数的模拟，实现实际仿真设计。在SolidWorks软件中可以进行三种运动研究，即运动分析形式、基本运动形式以及动画形式，而在LabVIEW中，则以动作分析形式为主。在 SolidWorks软件平台中，增加了虚拟传感器、虚拟限位装置以及虚拟马达等，并通过与LabVIEW接口，将力矩、加速度、位置以及运动速度等信息输入其中，展开运动的分析和设计。

3.3 电气与控制建模

（1）电气建模。完成了系统与监控系统之间的互动，对系统参数予以设置，并对控制接口进行设计。LabVIEW软件主要包括前、后面板程序框图设计，NI SoftMotion则可为其提供丰富的功能函数模块。

第一，创建电机。在三维建模中，电动机是使零件作直线或回转运动的动力源。因此，可以将其分成两种，一种是线性电机，一种是旋转电机。在添加过程中设置的参数都是一样的，主要就是增加电机的运动类型、方向以及位置等。

第二，创建传感器。传感器是装配体运动研究中的一个重要组成部分，是对装配体运动进行反馈的一个重要环节。其主要功能包括SolidWorks模拟数据、Motion数据质、接近度、干涉检测、测量以及量特性等，使用户能够设置设计目标。该传感器可以监测多个实例的测试结果，如果有超过某个设计指标，就会给用户进行告警。在较为复杂的机电一体化产品设计中，增加传感器尤为必要，比如在直线一级倒立摆系统中加装了一个传感器，用来测量角加速度、角唯一，并以图表的方式向用户提供了相应的数据。

（2）控制建模。对机电一体化产品而言，控制模块是整个系统的生命。在此基础上，利用函数算法与控制算法对运行轨迹予以规划与控制，本文使用LabVIEW提供的库功能来完成该系统的功能。LabVIEW为用户提供了大量的功能函数，使用户能够直观地看到各个函数的作用，并能很好地满足用户的需要。

控制建模设计的基本思路是：利用LabVIEW中的库函数对控制和功能算法予以编程，通过LabVIEW中的有关模块作为桥梁，把控制算法同SolidWorks中的电机模型、机械模型予以进行对接，构成一个完整的机电一体化控制模型。在此基础上，利用LabVIEW-SolidWorks对所建立的系统展开运行和分析，从而形成控制模型、马达模型以及机械模型，实现机电一体化整体性能的最优化。

3.4 控制算法设计

线性二次最优控制是一种新的最优控制方法，是一种常用的优化控制方法，其目标是寻找最优控制参数u（t），使得二次性能泛函J达到极小值。当系统为线性时，其最优控制问题被称作二次方程。同时，利用该方法求解线性二次方程组的最优解，并将其作为状态变量进行线性化处理，从而得到带状态反馈的闭环优化控制系统。线性二次最优控制的最大优势在于，当控制系统处于可控状态时，其稳定性就会得到保证。表达公式如式1所示。

（1）

其中，R（t）为正定时变矩阵，Q（t）为半正定时变矩阵，S为半正定常数矩阵。

在性能泛函中，第一项是终端型代价函数，被积函数用于度量一个系统在控制过程中的误差幅度。在被积函数中，第二项是一个代价函数，用于度量控制能力的大小。在本文中，把系统控制功能看作是当外界扰动发生扰动，使得系统中的各个部分保持在相对于平衡态的状态。在实际应用中，R（t）、Q（t）以及S都是对称的，并且大多采用对角矩阵。具体对角线要素的确定，需要结合工程实践确定。

通常而言，仅需求解稳定状态就可求得方程的化简，此时，里卡蒂方程的解会趋向于常数，这对于数值计算及控制器的设计都是非常有利的。在设计控制器时，设计者最关心的问题就是如何选取最小的控制矢量u（t），从而使系统的性能指标满足最小。在二次系统性能指数的积分范围从0变为无限时，可以得出一个线性控制律。

3.5 仿真设计

基于前文建模分析，可以开展机电一体化仿真设计，以便于在控制、电气、机械等方面的测试，为整个产品设计系统优化提供依据，具体而言，首先应建立虚拟原型的机械模型，并以LabVIEW集成模块加强联系，编写程序算法，再次，实现LabVIEW与3D CAD的协同仿真，展开机电产品性能测试。最后，总结仿真结果，实现优势互补，为实际产品设计与制造提供依据。

4 结语

综上所述，本文通过对机电一体化产品虚拟原型技术的研究，提出了一种新的机电一体化产品设计方法，以“机械-控制”为框架，在明确需求分析、基本流程的基础上，展开机械建模、电气与控制建模。

参考文献：

[1]申运.基于虚拟原型的机电一体化建模与仿真技术分析[J].电子测试，2017（10）：13-14.

[2]孙梅.基于虚拟原型的机电一体化建模与仿真技术研究[J].知识文库，2016（21）：214+237.

[3]李春菊.试论虚拟原型下机电一体化的建模与仿真技术[J].中国西部，2017（009）：93.

[4]张悦，周晚，帖兰，等.数字智能控制在机电一体化系统建模技术中的应用[J].自动化与仪器仪表，2023（01）：100-105+110.

[5]曹悦，吴凌九，秦绪佳，等.模型驱动复杂机电系统软件与物理并行概念设计[J].中国机械工程，2021，32（21）：2532-2541.