基于虚拟原型的机电一体化设计技术浅析
摘要：随着社会的快速发展，各个学科之间相互交叉与渗透，机械工程、电力电子与控制工程的协同集成，促进了机电一体化技术的蓬勃兴起。在此前提下，虚拟化原型设计得到了充分的运用，在产品样机制造前，实现一次到位的产品开发定型，大量节约了产品的开发时间。虚拟设计是以现实为依据，在虚拟的场景下，以机械产品为研发设计对象进行开发的方法。
关键词：机电一体化技术 虚拟原型技术 同步仿真
中图分类号：TH-39 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）09-0197-01
1 机电一体化
1.1 机电一体化简介
机电一体化技术实现了机械、信息和微电子三门技术的交叉融合，通过相关软件将电子设备和机械设备结合成一个有机系统，在这个系统中融合了更为具体的自动控制技术、信息处理技术、伺服传动技术以及系统技术等。因此，机电一体化是一个实现多学科交叉的技术密集型系统工程。利用机电一体化技术，在机械设计和制造领域可以实现产品结构、性能以及材料的变更，达到缩小体积、改善性能、提高精度的目的。
1.2 机电一体化的前景
在当今科学技术发展日新月异的年代，各种新工艺和新技术不断涌现，间接地促进了机电一体化的持续向前发展，其特点主要体现在以下几个方面：
（1）智能化。机电一体化以控制理论为基础，通过吸收信息技术、人工智能、运筹学、心理学以及生理学等各种学科最新的设计思想，可以达到模拟人类思维的能力，在一定程度上代替人的脑力劳动，有利于更高水平地实现控制目标。
（2）微型化。目前，利用先进的半导体蚀刻技术已经可以将微米级别的机械元件生产出来，如果将这些元件用于实际的生产过程就没有必要区分机械部分和控制器，实现了机械和电子的完全融合，机体、CPU、执行机构和传感器等集成在一起而成为一种体积小的自律元件。微机电一体化产品有占有空间小、有效的节约能源以及运动敏捷灵活等特点。
（3）光机电一体化。由于机电一体化系统由能源系统、传感系统、机械系统和信息系统等多个部分组成，因此在机电一体化系统中引入光学技术可以充分利用光学技术的优点，对上述系统进行改进，使其性能更优越。
（4）产品绿色化。产品的绿色化是指产品在使用的过程中不会对生态环境造成破坏，并且在产品报废后还能被重复利用。因此，机电一体化产品在设计、研发及生产的过程中应符合保护生产环境和人类健康的要求，尽可能降低对生态环境的危害，不断提高资源的利用率。
2 机电一体化与虚拟原型技术
机电一体化的迅猛发展，取代了传统机械设计的固定模式，超越了动力机械和操作机械的范畴。机电一体化产品的研发设计过程经历了如下三个阶段：单行开发、并行操作的开发、基于虚拟原型的先进研发过程。
利用单行研发方式进行机械产品的设计时有研发周期长、研发成本高等缺点，同时产品的机械性能也得不到保证。而基于虚拟原型的并行设计方式充分融合了机电一体化技术的优点，改进了传统设计方式的不足之处，打破了各方面的设计壁垒，在样机制造完成之前就可以将产品不同功能的部分进行优化和改进，从而以最小的投入获得最好的设计效果。
虚拟一体化设计理念的提出全面考虑了机电系统中的虚实结合问题，对虚拟设计模式的思想更是进一步的完善和丰富。虚拟设计着重于产品前期的设计研发阶段，对于产品初步设计和详细设计阶段的应用日趋成熟，能很好的解决并行设计所带来的不足，满足复杂产品研发多领域的要求，更重要的是克服了传统设计所带来的问题。
3 虚拟原型的机电一体化的设计结合
虚拟原型技术在机械产品的研发设计和制造过程中扮演的角色越来越重，为后续的加工奠定了基础，具有传统的机械设计方法所不具有的优点，本文以具体的设计案例对此加以说明。图1为以基于虚拟原型设计的液压伺服机构，利用SolidWorks软件绘制。
如图1所示，利用SolidWorks软件所带的仿真插件，模拟此机构的运动。当给系统输入定值后，在采集模块softmotion将采集到的数据传递给线性马达，进而带动工作台运动。
此虚拟模型的液压机构，可以模拟液压系统在各种复杂情况下位移、压力和流量等参数的变化情况，通过液压流量公式将流量转化为工作台的速度。对采集到的数据，利用SolidWorks中的运动分析性能可进行驱动仿真，通过这样的虚拟模拟，不仅大大节约了研发的成本，节约了时间，还能更好的掌握机械产品各方面的性能，有利于提高产品的可靠性。
参考文献
[1]王惠能.基于虚拟原型的机电一体化设计研究[D].西安电子科技大学硕士学位论文， 2011.
[2]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.
[3]姜士湖，闫相桢.虚拟样机技术及其在国内的应用前景[J].机 械，2013，30（2）：5-7.
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