基于虚拟原型的机电一体化建模与仿真技术研究 电气自动化专业

1、题目：基于虚拟原型的机电一体化设计建模与仿真技术研究摘 要随着科学技术向生产力逐步转化，机电一体化产品的设计已经涉及到机械、电气和控制等众多领域。单领域、分散建模的设计方法已经很难满足产品综合设计的要求。通过对机电一体化技术与虚拟原型技术的深入研究并且将虚拟原型技术引入到机电一体化产品设计，得到基于虚拟原型的机电一体化设计技术，以满足机电产品多领域交互设计的需求。本文基于SolidWorks 和LabVIEW软件研究了虚拟原型机电一体化设计技术， 以LabVIEW 集成的相关模块为纽带将 SolidWorks 和 LabVIEW 紧密联系，构建基于SolidWorks-LabVIEW 的机电一

2、体化产品的综合设计环境。其次，以直线一级倒立摆为例研究了机电一体化虚拟原型的数学建模、机械建模、电气建模、控制建模以及基于 LabVIEW 的控制算法的设计与仿真。最后，研究了基于虚拟原型机电一体化的仿真设计方法，包括机械、电气和控制等领域的仿真设计以及在基础上的综合仿真设计。将原来以 LabVIEW 集成的NI SoftMotion for SolidWorks 模块为桥梁的 SolidWorks-LabVIEW 联合设计方法进一步改进，使虚拟原型能够完成复杂系统的控制设计并且显著提高实时性和可视性。实例仿真实验表明，基于虚拟原型机电一体化产品设计方法能够有效解决传统设计方法遇到复杂控制算法

3、、实时性以及可视性等瓶颈问题，缩短研制周期， 节约开发成本，为机电一体化产品设计提供了全新的技术。关键词：机电一体化虚拟原型仿真SolidWorksLabVIEWAbstractWith the gradual transformation from science and technology to productivity, the development of electromechatronic integration products involved in many fields such as mechanics,electronics and control. so the m

4、ethods of the single field designing and distrbuted modeling have been difficult to meet the comprehensive design requirements of the product.by in-depth study of mechatronics technology and virtual prototyping technology ,a new electromechatronic integration technology based on virtual prototyping

5、technology which was applied into electromechatronic integration emerged,it can meet the requirements of the interaction design of the electromechatronic products in various fields.The paper researches the virtual prototype mechatronic design technology based on Soildworks and LabVIEW. Soildworks an

6、d LabVIEW was tied closely via LabVIEW integration some modules to make a the comprehensive design condition of electromechatronic integration based on Soildworks- LabVIEW.Second, the paper studies the modeling methods of the virtual prototype of electromechatronic integration including mathematical

7、 modeling, mechanical modeling, electrical modeling and the control algorithm design and simulation based on LabVIEW by the linear inverted pendulum.Finally,the paper focuses on the simulation design based on the virtual prototype of electromechatronic integration, including the fields of mechanical

8、, electrical and control. and the further improves the way of the SolidWorks-LabVIEW joint design based on LabVIEW integrated the NI SoftMotion for SolidWorks module.so virtual prototype able to complete the control desigh of complex system and significanfly improve real-time and visibility.The exam

9、ple simulation experiment results show that the design way based on virtual prototype electromechatronic integration can effectively solve the traditional mechatronics product design meeting to some bottleneck problems such as complex control algorithms, real-time and visibility. This way shorts the

10、 devlopment cycle of the mechatronics product and saves the development costs for the design of products providing a new technical approach.Keywords:MechatronicsVirtual-prototypeSimulationSolidworks LabVIEW目 录第一章 绪论11.1 课题研究背景与意义11.2 机电一体化技术概述11.2.1 机电一体化技术的发展及我国的发展情况21.2.2 机电一体化的意义31.2.3 机电一体化的相关技术

11、41.2.4 机电一体化技术的发展趋势51.3 论文研究的主要内容及论文章节安排6第二章 虚拟原型技术与机电一体化92.1 虚拟原型技术92.1.1 虚拟原型技术的基本原理92.1.2 虚拟原型技术的系统结构102.1.3 虚拟原型技术的优势112.1.4 虚拟原型的关键技术及发展应用132.2 虚拟原型技术与机电一体化产品设计152.3 本章小结16第三章 基于 SolidWorks&LabVIEW 虚拟原型的机电一体化设计173.1 基于虚拟原型的机电一体化产品设计概述173.2 基于虚拟原型机电一体化产品概念设计183.2.1 虚拟原型机电一体化产品概念设计的主要过程193.2.

12、2 机电一体化功能原型193.2.3 虚拟原型机电一体化产品深化设计与虚拟样机测试203.3 虚拟原型机电一体化产品设计虚拟环境213.3.1 软件工具介绍213.3.2 SolidWorks 和 LabVIEW 搭建虚拟环境233.4 本章小结26第四章 直线一级倒立摆虚拟原型设计与控制算法设计274.1 直线一级倒立摆虚拟原型的数学建模274.1.1 直线一级倒立摆数学模型的建立274.1.2 数学模型系统性能分析304.2 机电一体化产品机械模型设计324.2.1 机电一体化产品机械模型设计概述324.2.2 机电产品机械模型设计334.2.3 电气建模394.2.4 控制建模404.3

13、 控制算法设计414.4 本章小结44第五章 基于虚拟原型机电一体化的控制仿真设计455.1 基于虚拟原型机电一体化仿真设计的概述455.2 机械特性的仿真设计455.2.1 机械特性仿真设计概述455.2.2 机械结构及零部件的有限元分析465.2.3 机械动力学仿真设计495.2.4 机械运动仿真设计495.3 SolidWorks 与 LabVIEW 联合仿真设计515.4 本章小结59第六章 总结与展望616.1 总结616.2 展望62参考文献65第一章 绪论7第一章 绪论1.1 课题研究背景与意义“机电一体化”就是将机械、电子与信息技术进行有机结合，以实现工业产品和生产过程整体最优

14、化的一种高新技术。它是建立在精密机械技术、微电子技术、计算机和信息处理技术、自动控制技术、传感与测试技术、电力电子技术、伺服驱动技术、系统总线技术等现代新技术群体基础之上的一种高新科技。现在已形成以机械为主体，以控制和计算机为技术核心，机械、电气和计算机三分天下的实际格局。机电一体化的飞速发展，使传统的机械如虎添翼，超越了操作机械和动力机械的范畴。因此，机电一体化已经成为当今世界工业发展的主要趋势， 机/电工业要争生存、求发展，必须走机电一体化之路，这已是不再争论的共识。世界各国都将机电一体化列入本国高新技术发展的前沿领域，纷纷抢占该项技术的制高点。机电一体化产品的开发设计经历了一个从传统的串

15、行开发到并行工程的并行开发再到基于虚拟原型的先进开发过程。串行设计方式，开发周期长，资金成本高，最重要的是产品的机械性能差。而基于虚拟原型的并行方式，它是在机电一体化思想的统领下，利用虚拟原型技术打破设计各个方面的壁垒，能在虚拟样机制造完成前，对各种不同功能的部分进行独立的改进和优化，而且缩短了产品的开发周期，减少了资金投入，提高了产品的机械性能。另外，纵观机电一体化产品设计的历程，在 20 世纪 90 年代初期，机电一体化产品设计主要是指关键性能指标的设计与优化，系统性能的改进与仿真。机电一体化技术所涉及的理论和主要方法有：整体优化设计理论、智能化设计理论、网络化设计理论、融合原理与可靠性原

16、理等。20 世纪 90 年代后半期，随着市场竞争的日益激烈，机电一体化产品设计的重点已经由生产阶段前移到设计阶段，进而至概念设计阶段 。机电一体化产品创新设计的关键在于寻求一种适合机电一体化系统特点的概念设计方法。因此，研究基于虚拟原型的机电一体化产品设计技术对于机电一体化产品的开发设计具有重要的意义12。1.2 机电一体化技术概述机电一体化技术又称机械电子技术，是机械技术、电子技术和信息技术有机结合的产物。在国外，机电一体化被称为 Mechatronics，是日本人在 20 世纪 70 年代初提出来的，它是由英文 Mechanics 的前半部分和Electronics 的后半部分结合在一起构

17、成的一个新词，意思是机械技术和电子技术的有机结合，但是机电一体化并非是机械技术与电子技术的简单罗列或相加，而是把电子技术、信息技术、自动控制功能“揉和”到机械装置中去，通过技术的有机结合，使产品各部分的合理性和外部整体性达到最佳。1.2.1 机电一体化技术的发展及我国的发展情况现代科学技术的不断发展, 极大地促进了不同学科的交叉与渗透, 推进了工程领域的技术革新与发展。特别是随着计算机技术、大规模集成电路制造技术的不断发展, 计算机日益小型化, 功能增强, 抗干扰能力提高, 而且价格日益便宜, 这就为计算机应用于工业生产创造了条件。机电一体化技术是多学科多领域技术有机结合和相互渗透所形成的一种

18、综合性高新技术2。机电一体化技术的发展与其他学科技术的发展是一样的，同样经历了一个漫长而又艰难的过程。大体上可以分为三个阶段（1） 自发初级阶段这个阶段主要是指 20 世纪 60 年代以前，在这个时期，人们自觉不自觉地利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。尤其是机械产品和电子技术的结合，对二战后经济的恢复起到了积极的作用。但总的来说当时开发、设计与理论的研究都是出于自发的状态，这也是由于当时电子技术的发展出于初级阶段，尚未达到大规模发展机电一体化产品所需要的技术水平。（2） 蓬勃发展阶段20 世纪 70-80 年代为第二阶段，可称为蓬勃发展阶段。尤其是微电子技术为机电一体化带来勃勃生机。

19、这一时期，计算机技术、控制技术、通信技术的发展， 为机电一体化的发展奠定了技术基础。大规模、超大规模集成电路和微型计算机的迅猛发展，为机电一体化的发展提供了充分的物质基础，使得机电结合的形式更加灵活，内容更加丰富，应用更加广泛。（3） 智能化发展的新阶段20 世纪 90 年代后期，开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段，可编程序控制器、电力电子等的发展为机电一体化提供了有力的基础，尤其是激光技术、模糊技术、信息技术等新技术使机电一体化跃上新台阶。在这一阶段，对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法、学科体系和发展趋势都进行了深入研究。同时，由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域

20、取得的巨大进步，为机电一体化技术的开发展辟了广阔天地。这些研究将促使机电一体化逐渐形成完整的科学体系3。20 世纪 80 年代初，我国才逐步开始在机电一体化方面进行研究和应用，起步比较晚，所以面对全球经济市场的竞争，我国在这个领域面临严峻的形势。首先， 传统工业面临着用微电子技术改造的难题，工作量大；其次，用机电一体化技术加速产品更新换代，提高市场占有率压力大；最后，用机电一体化产品取代技术含量和附加值低的产品对于我国经济的发展有重要的意义。从市场需求的角度看， 由于我国在机电一体化领域发展的历史不长，差距较大，许多产品很难满足国民经济发展的需求，每年需进口大量的国外产品。面对如此艰巨的形势，

21、我国机电一体化工作应该从以下两方面入手，一方面，需将微电子技术引入传统产业，这样不仅能提高传统工业的技术水平，而且能解决目前资源能源短缺境况；另一方面，从机电一体化产品的更新换代入手大力发展其相关支持技术如自动化技术、数字化技术以及智能化技术等4。1.2.2 机电一体化的意义随着机电一体化相关技术的快速发展，机电产品的外观更加人性化、功能更加强大、体积和重量更加轻巧、可靠性更高等。与传统的机电产品相比机电一体化产品具有以下优势4：（1） 功能增强并且应用广泛机电一体化产品最显著的特点就是突破了原来传统机电产品的单技术和单功能的局限性，将多种技术与功能集成于一体，使其功能更加强大。而且能适应于不

22、同的场合和不同的领域，满足用户需求的应变能力较强。（2） 精度大大提高机电一体化技术简化了机构，减少了传动部件，从而使机械磨损、配合及受力变形等所引起的误差大大减少，同时由于采用计算机检测与控制技术补偿和校正因各种干扰造成的动态误差，从而达到单纯用机械技术所无法实现的工作精度。（3） 安全性和可靠性提高机电一体化产品一般具有自动监控、报警、自动诊断、自动保护、安全联锁控制等功能。这些功能能够避免人身伤害和设备事故的发生，提高了设备的安全性和可靠性。（4） 改善操作机电一体化产品采用计算机程序控制和数字显示，具有良好的人机界面，减少了操作按钮及手柄，改善了设备的操作性能，减少了操作人员的培训时间

23、，从而大大简化操作。（5） 提高柔性所谓柔性，即可以利用软件来改变机器的工作程序，以满足不同的需要。例如，工业机器人具有较多的运动自由度，手爪部分可以换用不同的工具，通过改变控制程序改变运动轨迹和运动姿态，以适应不同的作业要求。（6） 生产能力和工作质量提高目前的机电一体化产品都是集信息处理和自动控制功能于一身，而且其控制检测的灵敏度、精度以及范围都大大提高。通过自动控制系统可以使机械的执行机构精确地按照设计的要求完成预定的动作，使其避免了操作人员主观因素的影响，从而达到最佳操作，使产品质量和合格率得到很大的提高。同时，由于机电一体化产品是基于工作的自动化，所以生产力大大提高。例如，数控机床对

24、工件的加工稳定性大大提高，生产效率比普通机床提高了 5 到 6 倍5。机电一体化通过综合利用现代高新技术，在以上优势都取得了显著的技术效益、经济效益和社会效益，促使社会和科学技术又向前迈进了一大步。1.2.3 机电一体化的相关技术机电一体化是其相关技术相互渗透的产物，其发展所面临的关键技术可以归纳为机械技术、检测与传感器技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术、接口技术、监控与诊断技术和柔性制造系统6。（1） 机械技术机械技术是构成机电一体化产品的主体，一般采用新材料、新原理、新结构、新设计，以满足机电一体化产品体积小、重量轻、精度高、刚度大的要求，同时还要求产品本身动态性能好、热变形小

25、、磨损小等。（2） 检测与传感器技术检测与传感器技术是机电一体化的关键技术。如何从待测对象那里获得反映待测对象特征与状态的信号，将取决于传感器技术，而能否有效地利用这些信号所携带的丰富信息则取决于检测技术。在实际的机电一体化系统中，前者往往比后者更为重要。随着机电一体化技术的发展，传感器技术将成为机电一体化设备或产品向柔性化、功能化和智能化方向发展的重要基础技术。（3） 信息处理技术信息处理技术包括信息的输入、识别、转换、运算、存储以及输出技术，都依靠计算机来进行的，因此计算机技术与信息处理技术是密切相关的。机电一体化系统主要采用工业控制机进行信息处理。（4） 自动控制技术机电一体化系统的优劣

26、在很大程度上取决于控制系统的好坏。控制系统不仅与微电子技术以及系统本身的结构有关，更与所采用的控制技术密切相关。控制系统的系统观点就是灵活运用现有的机械、电子以及信息技术，采用系统工程的方法，使整个系统达到预期的最优目标。（5） 伺服驱动技术伺服驱动技术是机电一体化的一个重要的组成部分。它的作用是接受控制系统的指令，经过一定的转换和放大后，经伺服驱动装置（直流伺服电动机、功率步进电动机）和机械传动机构，实现机电一体化装置或系统的运动。它在很大程度上决定了机电一体化系统的加工性能。（6） 接口技术接口技术是研究机电一体化控制系统与外部设备之间如何交换信息的技术。在机电一体化系统中，计算机与外部设

27、备（执行机构、传感器等等）之间的连接和信息交换环节称为接口，接口功能的实现除硬件电路外，还应包括相应的接口软件（驱动程序），通常通过接口硬件和接口软件的结合来实现接口任务。接口技术将机电一体化产品的各个部分有机地连接成一体。（7） 监控与诊断技术监控与诊断技术对于保证机电一体化设备的可靠运行，充分发挥其效能具有重大的意义。监测应包括测量加工过程的物理状态、工艺状态以及工艺效果等方面的内容，诊断则可通过故障机理研究，根据设备故障模型，把设备诊断分为状态型诊断、性能型诊断和功能型诊断。通过诊断，可预测系统的功能以及可靠性， 识别故障的原因、部位以及程度，决定维修方案以及方法。（8） 柔性制造系统（

28、FMS）柔性制造系统是将计算机中央管理系统和输送系统连接起来的一组加工设 备，它不仅能进行自动化生产，而且还能在一定的范围内完成不同工种的加工任务。它解决了长期以来难以解决的机械加工高度自动化与高度柔性之间的矛盾， 是机电一体化的高技术典型产品。1.2.4 机电一体化技术的发展趋势机电一体化的目的是使产品具有多功能、高效率、高智能、高可靠性，并使产品向轻、薄、细、小、巧的方向发展。所以机电一体化技术的主要发展有以下几个方向7：（1） 智能化又称为“全息系统化”，智能化是未来机电一体化技术的一个重要发展方向。其“智能化”就是在现代控制理论的基础上，将多学科的思想和方法例如人工智能、模糊数学以及混

29、沌力学等融入到机电一体化产品中去，使其就有推理、思维以及自主决策的能力，达到更高控制目标的要求。（2） 集成模块化由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准接口的机电一体化集成模块单元是一项十分复杂但又非常重要的工作。集成模块化不仅有利于设计人员在原有基础上对产品进行功能扩展，加快产品的更新换代，而且也有利于用户简单方便的使用。（3） 光机电一体化光机电一体化技术是微电子技术、计算机技术、控制技术、光学技术与机械技术的相互交叉与融合，是诸多高新技术产业和高新技术装备的基础。因此,引进光学技术,利用光学技术的先天优点能有效地改进机电一体化系统的传感系统、能源(动力)系统和信息处理系

30、统。只要合理采用这种技术，便能够产生很高的功能水平和附加价值，所以光机电一体化是机电产品发展的重要趋势。（4） 信息网络化进入 21 世纪，计算机技术的突出成就就是网络技术。由于网络技术的普及， 基于网络的各种远程控制和监视技术也得到了很大的发展，而远程控制的终端设备就是机电一体化产品。因此，机电一体化产品无疑将朝着网络化方向发展。（5） 系统化采用开放式和模式化的总线结构是系统化表现之一。随着各领域技术的发展， 系统向着灵活组态，任意剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理的方向发展。通信功能加强也是系统化表现之一。综上所述，机电一体化技术不是个独立的学科技术，它是以众多领域技术共

31、同发展为基础的产物。所以机电一体化技术与其它领域的学科技术是相互依赖、相互促进、共同发展的关系。当然，随着众多先进技术的支持，机电一体化技术的发展前景也将越来越光明。因此，基于虚拟原型的机电一体化设计技术无疑是一种先进而有效地技术。1.3 论文研究的主要内容及论文章节安排本文着重以直线一级倒立摆为例从数学模型建立、虚拟原型的建立以及基于LabVIEW 控制系统的设计与仿真到通过 LabVIEW 和 SolidWorks 对数学模型以及机械模型的分析都做了详细的讨论，最后通过改进的基于 Solidworks-LabVIEW 联合仿真设计的方法对直线一级倒立摆的虚拟原型从机械、电气、控制等方面进行

32、综合仿真验证，完成整个机电一体化虚拟原型的设计与仿真。论文共分为六章，主要内容如下：第一章：首先，介绍了本课题研究的背景及其意义；其次，对机电一体化技术从国内外的发展情况及其意义和发展趋势做了进一步的研究；最后，在此基础上将虚拟原型技术引入到机电一体化中，提出了一种新的机电产品设计方法基于虚拟原型的机电一体化产品设计方法。第二章：研究了虚拟原型技术的基本原理、系统结构、相关技术、优势以及发展和应用，在此基础上从机电一体化技术和虚拟原型技术之间分析了两者结合的重要意义。第三章：首先，对基于虚拟原型机电一体化产品的概念设计从原理到设计过程再到评价进行了深入研究；其次，指出了概念设计在产品设计中重要

33、性。最后， 在对软件工具介绍的基础上搭建了虚拟原型机电一体化的虚拟环境。第四章：首先，以直线一级倒立摆为例研究了虚拟原型数字模型的建立以及通过LabVIEW 软件对数字模型进行分析；其次，利用 SolidWorks 软件进行机械建模、电气建模以及控制建模的建立；最后，研究了基于 LabVIEW 的控制算法的设计与仿真，为后续的协同仿真奠定了基础。第五章：研究了基于机电一体化虚拟原型的机械特性的仿真设计以及简单说明了基于 Solidworks-LabVIEW 联合控制仿真过程。着重叙述了在常规设计方法基础上改进的新设计方法的整个过程，使 Solidworks-LabVIEW 联合控制仿真的实时性

34、、可视性得到进一步提高。第六章：总结与展望。总结了论文研究的内容，结合论文的研究和对本文研究现状的分析，对进一步的研究工作提出了一些想法和展望。第二章 虚拟原型技术与机电一体化9第二章 虚拟原型技术与机电一体化2.1 虚拟原型技术随着全球经济的增速发展，制造行业之间的竞争日趋激烈，竞争的核心已经转移到以创新技术和高附加值为基础的新产品的竞争。作为制造行业的企业，一方面为了企业的可持续性发展，提高产品在制造行业的竞争力，就必须解决其产品的“T（时间）”、“Q（产品质量）”、“C（成本）”、“S（售后服务）”、“E（环境）” 等难题。另一方面，随着计算机技术以及相关高新技术的快速发展，全球性的市场

35、竞争日益激烈，产品消费结构不断向多元化方向发展，面对无法预测的市场需求以及用户对产品的个性化需求，企业就必须尽快改变品种，更新设计， 缩短新产品的研发的周期，提高产品的设计质量，降低产品的研发成本，进行创新设计，这样才能够应对快速多变的市场需求以及用户的需求，进而使企业在激烈的竞争中立于不败之地。虚拟原型技术(Virtual Prototyping Technology)就是在这种迫切需要的驱动下产生。虚拟原型技术是在 CAX（CAD/CAM/CAE/CAPP 等）技术和 DFX 技术及物理样机设计基础上发展起来的，它进一步融合先进制造技术、信息技术和仿真技术， 将这些先进的技术应用于复杂产品

36、设计的全过程，并且对它们进行综合管理，最终形成一个从产品的设计、仿真以及分析的复杂系统的开发模式8。运用虚拟原型技术可以很好的解决传统产品开发模式的瓶颈问题。虚拟原型技术的巨大价值在于产品设计初期能以低成本开发产品并展示各种设计方案，对产品进行全方面的测试和评估，允许出现并校正设计错误，而不会出现制造实物样机所带来的资金消耗与时间浪费。2.1.1 虚拟原型技术的基本原理虚拟原型技术是一种以CAX/DFX技术为基础的并行设计思想，与传统的串行设计思想相比，最大的优点在于它将多领域技术设计的不同功能的子系统有机的结合起来，通过一定的关系形成一个动态系统。从构成上看，虚拟原型是由不同工具开发的子模型

37、组成的模型联合体，主要包括：产品的CAD模型、外观模型、功能和性能仿真模型以及电气和控制模型等。借助于这种技术，工程师们可以通过计算机软件建立机械模型，利用各学科等领域的理论在虚拟工况环境下分析产品关键性能指标,进一步进行可视化处理，并根据仿真的数据结果对系统进行完善和优化。通过虚拟原型技术，设计人员可以在实物样机制造出来之前，通过计算机软件在很大程度对产品的总体性能进行了解，从而缩短研制时间，降低系统研制成本，提高了产品的竞争力9。第二章 虚拟原型技术与机电一体化15概念设计从上述分析可知，利用虚拟原型技术进行产品设计的基本原理是：首先，通过对产品的需求分析得出产品设计的技术特征和性能指标，

38、并且对其进行量化；对设计指标的分析，根据不同的指标在所涉及到的技术领域进行独立的设计，并且进行各自的仿真与可视化处理，完成产品的概念设计。然后通过 CAX/DFX 技术构建虚拟原型设计和仿真所需虚拟真实环境，再通过三维软件构建出产品的 3D 模型，这样就完成了对产品在机械结构和功能行为等方面进行模型化，建立起产品参数特性模型，完成了虚拟原型的构建。最后，在综合虚拟的设计环境下对产品进行分析仿真，将数字化的模型通过接口与现实环境交互，验证和优化产品设计的虚拟原型，完成虚拟原型设计向物理原型的过渡，并进行测试验证和样机试制10，如下图 2.1 所示：需求分析测试验证设计虚拟原型设计图2.1 虚拟原

39、型设计原理2.1.2 虚拟原型技术的系统结构目前，被广泛用来展示产品的主要形式就是三维的实体模型，而且通常是参数化的模型。这种模型可以准确地描述产品的各项关键性能指标和几何信息，同时也可以通过嵌入式的形式加入其它有关的信息，例如在模型中加入制造信息、控制算法等。现在大部分的商用化CAD/CAM软件包中都包含零部件的设计以及各项性能分析、零部件的装配模拟、动画仿真等功能，只要对设计的三维模型稍作修改即可实现这些功能。其次，为了使虚拟样机代替实物样机，最现实的方法就是根据其基本设计需求去替代物理模型的某些实际功能16。更为重要的是，所设计产品的许多方面应该是可以测试和评估的。在设计过程中对产品模型

40、结构的完整性以及各项性能分析是最常见的。一个三维实体模型可以简化并且进行有限元分析。对于一个经验丰富的设计人员来说利用有限元分析软件进行认真合理的分析就可以得到准确地结果。对于运动学和动力学的分析， 使用PRO/E、SolidWorks等三维软件可以得出令人满意的结果。产品的可制造性和维护性是不好评价的。针对这一问题，使用虚拟原型技术可以很好的服务于产品的制造、维护以及维修等。总的来说，虚拟原型可以分为三维实体模型、人-产品的交互模型、与产品的测试相关的可视化模型三种类型。虚拟原型技术的系统结构如图2.2所示。从图中可以看出，为了完成产品的分析、测试及显示，建立了一个复杂的系统模型。用户接口作

41、为系统模型的核心的组成部分，可以有效地控制模型，还可以从它那里得到系统的一些重要信息。对于一个具体的应用来说，由于具体的应用目的不同，其结构系统可能有一些区别11。图2.2 虚拟原型技术的系统结构2.1.3 虚拟原型技术的优势传统产品设计模式通常采用串行设计模式如图 2.3。产品的传统设计与制造过程一般遵从这样的顺序：先进行概念设计和方案论证， 再进行产品的设计，然后制造物理样机，最后进行实验，以验证设计的正确性，其中有些产品的试验是破坏性的。当发现物理样机缺陷后，欲得到质量较为完善的产品，需要修改设计并且再用物理样机进行验证。只有通过周而复始的设计-制造-试验-改进-设计过程，产品才能达到要

42、求的性能和质量。冗长的设计-制造-试验的循环过程，不仅会使复杂产品进入市场前的准备时间过长，也会增加产品的开发成本，并且由于试验中所采用的工况种类有限，所设计的产品很可能出现先天不足，在实际使用中难以达到预期的设计性能。因此，在全球市场竞争激烈的背景下，基于物理样机的设计实验的设计过程会严重制约产品质量提高、成本降低和市场占有率。针对传统产品开发设计过程的弊端，使得虚拟原型技术越来越受到设计人员和工程师的亲睐。虚拟原型技术是一种基于智能设计技术、并行工程、仿真工程以及网络技术的先进制造技术。它以计算机仿真和建模技术为支持，利用虚拟产品模型，在产品实际加工之前对产品的性能、行为、功能和产品的可靠

43、性进行预测，从而对设计方案进行评估和优化，以达到产品设计的目的12。在产品开发设计的过程中使用虚拟原型技术，可以直接构建产品的三维实体模型，在具有三维实体模型的零件间施加约束形成机械系统，并对系统施加各类载荷以建立系统内部零部件之间和系统与外部间的作用，以模拟产品的各种工况。对虚拟样机在各种工况下的运动和受力情况进行仿真，观察并分析各构件的运动学和动力学特点， 发现和修改设计缺陷，仿真分析不同的设计方案，对系统不断改进，最终可以获得较好的设计方案。将虚拟样机的设计参数和试验结果作为依据，可以尽快地进行满足要求的物理样机的设计和建造。图 2.3 产品的串行设计流程使用虚拟原型技术进行产品设计和分

44、析具有快捷和方便的特点，甚至可以完成物理样机难以或者根本无法进行的试验。虚拟样机技术的应用贯穿于产品开发设计的整个过程中，设计人员可以在概念设计和方案论证的过程中，把自己的经验和想象结合在虚拟原型的设计和分析中，使想象力和创造力得到充分的发挥。总之虚拟原型技术不仅可以全面的反映产品设计的全部信息，而且还可以反映产品开发过程的整个状态，根据虚拟原型反映出来的设计状况，结合开发过程规划和控制，从而实现信息集成、应用集成和过程集成。这充分体现了虚拟原型技术的优势所在，而且它的使用将会给制造业等这些所谓“夕阳产业”注入革新的动力。2.1.4 虚拟原型的关键技术及发展应用1. 虚拟原型的关键技术虽然虚拟

45、原型技术还处于发展的初期阶段，还没有形成一个完整的技术体系， 但是一些关键技术已经得到广泛认可。主要包括系统总体技术、支撑环境技术、虚拟现实技术、多领域协同仿真技术、一体化建模和信息/过程管理技术等。（1） 系统总体技术系统总体技术从产品设计的的全局出发，规定和协调子系统的运行和支持虚拟原型开发的各部分之间的关系，使各个部分组成一个有机的整体，实现信息、资源的共享，最终完成总体的设计。总体技术主要涉及规范化的标准、协议、集成技术和方法以及系统的运行模式等。（2） 支撑环境技术虚拟原型支撑环境技术是一个支持并管理产品全生命周期虚拟化设计过程与性能评估的活动，支持分布异地的团队采用协同 CAX/D

46、FX 技术来开发和实施虚拟样机工程的集成应用系统平台。这种技术能提供相应数据、模型、CAX/DFX 设计工具等，而且还能支持复杂产品的设计活动。更重要的是这种技术还能支持虚拟原型开发设计过程中组织、过程和技术三个重要组成部分的有机结合，并对虚拟产品数据/模型以及项目进行管理和优化，支持不同工具，能够将不同的应用系统集成。（3） 虚拟现实技术虚拟原型必须存在于虚拟环境中。虚拟现实是一种由计算机全部或部分生成的多维感觉环境。随着计算机技术、网络技术的高速发展，虚拟现实正向着基于虚拟现实造型语言（Virtual Reality Markup Language，VRML）和分布式交互仿真标准的分布式虚

47、拟现实（Distributed Virtual Reality，DVE）方向发展。利用虚拟实现技术设计的虚拟环境，能够满足大规模机电化产品仿真设计的需求。（4） 协同仿真技术协同仿真技术是基于信息管理技术、建模技术和分布式仿真技术的综合应用技术是在 CAX/DFX 技术和各领域建模/仿真分析工具的基础上进一步发展演变来的。协同仿真包括在产品全生命周期的单点仿真分析，也强调在同一产品对象系统层面上的联合仿真分析。总之，协同仿真技术就是不同领域的设计人员利用其领域的专业知识/分析工具协同开发同一复杂产品的一条有效途径。（5） 一体化建模虚拟原型是不同领域CAX/DFX 模型、仿真模型与VR/可视化

48、模型的有效集成。因此，实现虚拟原型的核心技术是如何对这些模型进行一致、有效地描述、组织、管理和协同运行。一体化建模技术给用户提供一个逻辑上一致的、可描述产品全生命周期相关的各类信息的公共产品模型的描述方法。一体化建模技术弥补了传统产品建模的不足（对产品信息描述的完备性不够、标准化和规范化程度不好以及难以在系统层次上进行统一表达等），它可以支持各类不同模型之间的信息共享、集成于协同运行。它还实现了不同层次上产品的功能、外观和行为的描述和模拟，对产品进行全方位的协同测试、分析与评估。更重要的是实现了开发环境与运行环境的紧密集成。（6） 信息/过程管理技术产品虚拟原型开发设计的管理技术包括数据模型的

49、管理与项目过程的管理， 也就是所谓的信息集成和过程集成。其具体内容包括设计团队的组建与管理，产品虚拟原型数据模型的管理、产品虚拟原型开发流程的设计、重组优化与管理以及复杂虚拟原型工程项目管理等方面。基于已有的项目管理技术和产品数据管理技术，并且利用已经成型的模型库和知识库，对于复杂项目产品虚拟原型的数据、模型、流程、优化以及人员管理都有重要的意义。（7） 模型 VV&A（校验、验证和确认）技术大型虚拟原型仿真系统一般是由众多子模型系统组成的一个复杂的仿真系统，其仿真的置信度是由建立的数学模型是否正确和精度的高低来决定，所以规范、标准的模型 VV&A（校验、验证和确认）过程是保证

50、分布式仿真置信度的关键技术，它包括建立规范、标准的系统性能评估模型与评估方法，建立分布仿真VVA（建模与仿真校核、验证和确认）/VVC（数据的校核、验证和认证），以及仿真置信度/可信度评估的规范化方法13。2. 虚拟原型技术的发展应用虚拟原型技术是有多学科技术支撑的一门新兴综合性技术，发展前景广阔， 市场巨大。虚拟原型技术面对产品设计的整个过程，使产品设计人员与用户之间的相互联系更加紧密，缩短研制的周期，降低技术的风险，提高产品的质量，降低了产品的成本，增强了企业的竞争力。在国内，由于虚拟原型技术在产品设计方面的绝对优势，使设计人员对其越来越亲睐，从各个关键技术的研究到开发模式研究亦逐渐形成一

51、定的规模。这样必将促进这一先进制造技术的推广和应用， 增强我国企业的新产品的研发能力，提高我国企业在世界制造业中的地位。虚拟原型技术在一些较发达国家，如美国、德国、日本等已得到广泛的应用， 应用涉及到汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防工业、通用机械到人机工程学、生物力学、医学以及工程咨询等众多领域。例如， 波音 777 飞机的制造商美国波音飞机公司目前就采用虚拟样机技术以无图方式研发、制造飞机以及对飞机进行性能分析，缩短了研发周期、降低了研发成本，最重要的是确保了产品成功率。在工程咨询方面，可以利用虚拟样机技术再现事故过程，以提供诉讼证据或帮助制造商分析售后赔偿问题或

52、为用户的产品设计预试验。例如，一家公司利用虚拟样机技术进行车辆事故仿真，在法庭上用其仿真结果进行辩护，法庭根据虚拟样机技术所提供的证据做出了客观的判决14。2.2 虚拟原型技术与机电一体化产品设计虚拟原型技术是一种以先进建模技术、多领域仿真技术、信息管理技术、交互式用户界面技术等为基础的崭新的产品开发的方法，与传统的机电产品的设计思想和方法比较具有很多的优点。可以推想，将虚拟原型技术融入到机电一体化产品的设计中将会使机电一体化技术得到进一步的发展，也将会产生一种先进的机电一体化设计技术。所以，对于两者之间的关系我们可以从以下几个方面进行分析和认识：（1） 从产品的开发设计的思想来看，传统的机电

53、一体化产品的设计通常是相对简单规范化的串行开发过程，这种设计思想虽然是复杂的开发活动变得可理解、可管理，但是它没有考虑到产品开发过程中各个环节之间的并行关系，导致产品开发周期长，开发成本高。前期的环节对后期的环节考虑少，导致设计返工次数很高，更重要的是没有充分估计产品的可制造性，很难在早起发现并解决问题， 尤其是对于复杂的产品设计。由此可见，机电一体化产品的设计迫切需要一种先进的设计思想来指导产品的设计，而基于并行开发过程的虚拟原型技术则可以弥补传统设计弊端，解决设计过程中净瓶问题的先进技术。（2） 从今后产品设计发展趋势来看，机电一体化产品设计属于产品设计的范畴，虚拟原型技术必然可以应用到机

54、电一体化产品的设计之中。机电一体化产品的设计基于多领域技术（计算机与信息技术、自动控制技术、传感检测技术、伺服传动技术和机械技术等）融合、交互，数字化、虚拟化也是今后发展的趋势。这样传统的设计技术将无法适应今后机电一体化产品设计，此时就需要一种先进的设计技术来对其进行指导和规范，基于虚拟原型的设计技术将无疑是解决此问题的最佳途径。（3） 从两者的关系来看，虚拟原型技术与机电一体化产品设计是相辅相成、相互促进的。虚拟原型技术给设计人员提供了一种先进的设计技术，使今后产品的设计简单、方便、效率更高。随着机电一体化产品设计的发展，可能会在设计的流程或思想上对设计技术有更高的要求，这样对虚拟原型技术来

55、说，也是在此基础上进一步发展的契机15。总之，将虚拟原型技术应用到机电一体化产品设计中对机电产品的开发具有重要的意义。它既满足了今后机电产品新特性、新功能的需求，又使机电产品适应了社会的发展。2.3 本章小结本章讨论了虚拟原型技术的基本原理、组成部分、关键技术以及今后的发展， 最后从产品设计思想、虚拟原型技术与机电产品设计的关系以及今后产品设计发展的趋势分析了机电一体化产品设计。第三章 基于 SolidWorks&LabVIEW 虚拟原型机电一体化设计19第三章 基于 SolidWorks&LabVIEW 虚拟原型的机电一体化设计3.1 基于虚拟原型的机电一体化产品设计概述虚拟

56、原型技术属于一种先进的制造技术， 它以并行工程思想为指导，以CAX/DFX 技术和协同仿真技术为基础的数字化设计方法。它能从视觉、听觉、触觉以及功能、性能和行为上模拟真实产品。虚拟原型技术不是一成不变的，而是一个动态的技术，通过不断吸收相关科学领域的最新技术成果来充实自己，以适应新的市场多样化的需求。更重要的是虚拟原型技术不是一项具体的技术，它是继承了 CIMS 和并行工程思想，并将多种相关技术运用系统工程和信息集成技术结合的一个有机地整体，尤其是强调人、技术、管理三者的有机结合。“分解-结合”是产品设计的基本思想，“分解”就是产品的性能指标和功能将产品设计的整体分解成不同领域的具有单一功能的

57、独立的子系统；“结合”是通过多领域交互设计技术将各个领域的子系统有机的结合起来，形成一种多领域之间的交互设计。为了给产品设计的后期工作（将各领域的设计工具利用接口技术进行集成、虚拟原型的构建以及仿真等）打好基础，就要在产品设计的初期阶段将各领域中涉及的问题都整理出来，例如产品设计工具和平台的集成、虚拟原型的构建与仿真等。在多领域设计的过程中，最关键的是避免各领域之间的设计太过独立，而是尽可能的将各领域的设计有机地联系起来，从整体上与机电一体化联合设计的思想相统一，这样能有效地防止设计人员在产品设计的过程中因受到某一单领域知识的影响而忽略了产品的综合性能指标。通过“分解-结合”的基本思想将产品设计的各个领域以并行化的方式有机地结合起来，整个过程体现了机电一体化的特性，其中涉及到机电一体化的关键技术有系统总线技术、环境构建技术、一体化建模技术、协同仿真技术和测试验证技术等等。因此基于虚拟原型技术的机电一体化产品设计就是以机电一体化产品设计的特点为依据，再结合虚拟原型设计的原理和相关技术，进行产品的开发设计。详细的设计过程首先是根据用户的需求确定出所设计产品的设计需求，再通过对产品设计需