机电一体化产品虚拟样机协同体系设计及其模型建构

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　　摘要：本文在机电一体化的背景下，分析探讨了虚拟样机设计和建模，旨在提高产品设计的效率，实现企业的快速发展。
　　关键词：机电一体化;虚拟样机设计;模型建构
　　中图分类号：TH-39 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）06-0175-02
　　0 引言
　　机电一体化是多种技术的结合，包括电子技术和计算机技术、信息转换技术以及传感技术，使之能够研究出机电一体化的设备，能够有效的促进技术的发展，在现代工业生产中得到了广泛的推广和应用。而虚拟样机技术则是以先进的计算机技术为基础，代替了传统的物理样机，具有一定的真实度，将虚拟样机技术应用在产品的生产中能够有效的促进生产效率的提高，实现企业经济效益的提升，其技术的创新也促进了模型建构行业的发展。
　　1 虚拟样机技术概述
　　1.1 虚拟样机概念
　　虚拟样机是以计算机技术为基础，代替了传统的物理样机，在真实度上有了明显的提高。虚拟样机技术设计的主要环境是仿真、模型和仿真物的有效结合，能够反映出产品的多种结构，实现了从专业理论到产品设计的过渡。在设计的过程中，会充分的结合产品所在的环境，在机电一体化的背景下，进行产品的全方位建模，结合虚拟领域和仿真技术领域，针对产品提出不同的意见和见解，与此同时，虚拟样机技术和集成化的产品设计之间有非常重要的关系，是利用计算机的主要功能和机械系统构建一个数学模型，之后可以在仿真分析的基础上，对产品的外观、空间结构进行不断的调整，直至制定出最佳的设计方案。
　　1.2 关键技术需求
　　虚拟样机技术不仅包含了計算机技术、协同仿真技术、虚拟环境仿真校正技术的应用，还包含了集成环境技术、系统总体设计和综合建模技术、过程管理技术等等，在协同设计中，不仅要对产品的外观进行设计和调整，使其符合设计的要求，还要满足产品的使用环境和实践操作的要求，因此在设计的过程中是通过对产品的概念和系统进行初步的设计，之后建立相关的数学模型，通过模型能够对产品进行综合的分析，使产品能够达到要求，满足产品的操作和制作以及后期的销毁过程需求。
　　1.3 产品设计方案
　　在虚拟样机技术设计建模的过程中，首先第一点是要明确设计的任务，其根本任务就是满足产品的设计时间，促进经济效益的提升，提高产品的生产效率和质量问题，其次是对产品进行创新和改进，主要的流程包括产品的建模、测试和校验，不断的改正完成最终的设计。在操作流程中，建模主要指的是单个领域和多个领域的协同、约束建模，测试指的是虚拟测试机器和环境之间的过程，校验是指在虚拟样机设计好之后，按照相关的参数和数据对产品系统的性能进行分析和研究，而改进指的是将产品系统不断的进行优化和细化，最主要的目的是为了设计方案和模型的形成[1]。
　　2 支撑环境分析
　　2.1 功能模型
　　功能模型的建构主要包含控制和传感检测、动力以及操作结构功能，主要分为物理和控制系统，是由机械、电子和软件组成的，其中物理系统主要是由驱动和执行组成的，执行系统是对机构子系统实施执行，而控制系统主要是对信息进行处理，在模型建构的过程中，首先执行系统中的执行机构和元件会向传感子系统发出检测的信号，之后传感系统会对信息处理的子系统发挥反馈的信号，再由处理的子系统向最开始的执行子系统发出最后的已控制信号。因此在功能模型建构的过程中，主要是将上述几个子系统进行有效的结合和应用[2]。
　　2.2 设计过程模型
　　机电一体化产品设计的过程中主要包含功能层、行为层、结构层。功能层的主要职责是对机电系统的设备进行动作的分解、控制和制定动作。行为层的主要职责是对信息进行检测、控制，以及过程中的信息传输。结构层主要包括传感器、软件和执行机构、控制器[3]。在机电一体化虚拟样机设计的过程中，将理论知识和实践经验进行结合，确定系统的可操作性，通过最后的评估确定最佳的方案。在这个过程中对仿真模型的分解和组成的主要流程就是系统模型、子模型和元模型。其中的系统模型会分为三个子系统，经过多层的分解成为9个最小的模型单元。
　　3 虚拟样机技术的产品设计和建模
　　3.1 利用CAD软件建模仿真
　　在产品的装配环节、成像环节和数据库环节都可以使用CAD软件完成建模仿真设计。在产品的装配环节，可以利用CAD仿真技术将设计好的模型应用到装配模型中，之后利用计算机技术完成对产品性能的检测，实现零件的仿真，这样的方式可以规避传统生产过程中出现的问题，及时的对零件的生产进行检测和调整，完成零件的独立性管理。在成像环节中，CAD技术的应用能够生成二维图像，确保在设计的过程中实现了虚拟化管理的科学性。实现了技术的更新。在数据库环节的应用具体是指利用CAD设计实现了信息资源的共享，在自主知识产权的管理过程中，将信息之间的资源进行有效的整合，完成了信息资源的管理和创新，将其嵌入到相应的系统中，设置引擎，对知识的资源进行归纳和总结，实现了智能化的升级，促进了知识的合理使用。
　　3.2 产品构件的分析和仿真
　　（1）结构软件的优化。在产品进行结构设计分析的过程中，经常使用的技术就是ANSYS软件，能够针对机械设计的结构、流体和电磁场进行有效的检测，实现了ANSYS和CAD的互补，将结构设计的优化和方针进行联系，能够对各项的资源进行整合，实现资源的优化管理。在ANSYS软件使用的过程中，能够对产品数据的结构进行分析，对相应的模板进行整理，并根据产品的实际情况，计算出不同情况的数据，从而实现了产品结构准确性的提高。结构优化模型能够解决现有产品结构变量的问题，在分析中设置变量的数量，在期间对相应的变量进行检测，能够实现机械设计的优化分析。（2）产品结构优化的方法。在产品结构优化的过程中，可以利用数据的整合和图形交换的方式从而实现结构的优化，在日常运用的过程中，图形交互的方式更加符合消费者的标准，也可以满足机械设计中更多的需求，解决更多的问题。比如说在产品结构设计的过程中，对构件进行详细的分析，能够制定出优化的方案，接近变量函数的需要，在不断的测试中发现最优值，从而实现了产品构件的优化，提高了整体的合理性。 　　4 結语
　　综上所述，在对虚拟样机技术协同体系和建模分析研究的过程中，要掌握虚拟样机技术基本的概念和理论，通过对支撑环境和日常的应用进行分析，实现设计方案的优化，促进了机电一体化产品生产技术的创新和发展，为企业的生产经营节省了时间和成本，提升了经济效益。
　　参考文献
　　[1] 王江月.虚拟样机技术在机械产品设计中的应用[J].山东工业技术，2017（16）：43.
　　[2] 马骉.基于虚拟样机技术的机械产品设计及建模方法分析[J].现代制造技术与装备，2016（11）：78-79.
　　[3] 常文泰，张冉，王利华，张雷刚.虚拟样机技术及虚拟样机试验[J].软件，2016（7）：84-88.
　　Design and Model Construction of Virtual Prototyping Collaborative System for Mechatronics Products
　　CAO Xin-min1， TANG Yan2
　　（1.College of Mechanical and Electrical Engineering， Guilin University of Electronic Science and Technology ， Guilin Guangxi 541004;2.Guangxi Mechanical and Electrical Technical College， Nanning Guangxi 530007）
　　Abstract：Aiming at the background of Mechatronics integration， this paper analyses and discusses the design and modeling of virtual prototype， aiming at improving the efficiency of product design and realizing the rapid development of enterprises.
　　Key words：mechatronics; virtual prototype design; model construction
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