以虚拟原型技术为基础的机电一体化建模探析
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
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