２０１４年第７期 电子信息科学与技术 对于虚拟原型的机电一体化建模与仿真技术研究 ■方 玲 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 电气和控制仿真设计等方面。 （一）机械特性仿真设计 等领域，单功能、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 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 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 ． 、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“机械一控制”为基础框架， 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。 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 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 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。 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～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 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 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。 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 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， 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 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 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 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 ＳｏｆｔＭｏｆｉｏｎ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 ［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［Ｂ］． 西安电子科技大学，２０１３． ［３］武文佳．基于ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ＆ａｍｐ：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 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、 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（１９８６．０８一），女，河南省驻马店正阳县职业中等专业学校中学二级教师。 ・ ３５ ・
