張書杰

摘 要 隨著科學技術(shù)向生產(chǎn)力逐步轉(zhuǎn)化，機電一體化產(chǎn)品的設計已經(jīng)涉及到機械、電氣和控制等眾多領(lǐng)域。單領(lǐng)域、分散建模的設計方法已經(jīng)很難滿足產(chǎn)品綜合設計的要求。通過對機電一體化技術(shù)與虛擬原型技術(shù)的深入研究并且將虛擬原型技術(shù)引入到機電一體化產(chǎn)品設計，得到基于虛擬原型的機電一體化設計技術(shù)，以滿足機電產(chǎn)品多領(lǐng)域交互設計的需求。

關(guān)鍵詞 虛擬原型 機電一體化 技術(shù)

中圖分類號：TH-39 文獻標識碼：A

隨著全球經(jīng)濟的增速發(fā)展，制造行業(yè)之間的競爭日趨激烈，競爭的核心已經(jīng)轉(zhuǎn)移到以創(chuàng)新技術(shù)和高附加值為基礎的新產(chǎn)品的競爭。作為制造行業(yè)的企業(yè)，一方面為了企業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展，提高產(chǎn)品在制造行業(yè)的競爭力，就必須解決其產(chǎn)品的“T（時間）”、“Q（產(chǎn)品質(zhì)量）”、“C（成本）”、“S（售后服務）”、“E（環(huán)境）” 等難題。另一方面，隨著計算機技術(shù)以及相關(guān)高新技術(shù)的快速發(fā)展，全球性的市場競爭日益激烈，產(chǎn)品消費結(jié)構(gòu)不斷向多元化方向發(fā)展，面對無法預測的市場需求以及用戶對產(chǎn)品的個性化需求，企業(yè)就必須盡快改變品種，更新設計，縮短新產(chǎn)品的研發(fā)的周期，提高產(chǎn)品的設計質(zhì)量，降低產(chǎn)品的研發(fā)成本，進行創(chuàng)新設計，這樣才能夠應對快速多變的市場需求以及用戶的需求，進而使企業(yè)在激烈的競爭中立于不敗之地。

1虛擬原型技術(shù)的基本原理

虛擬原型技術(shù)是一種以CAX/DFX技術(shù)為基礎的并行設計思想，與傳統(tǒng)的串行設計思想相比，最大的優(yōu)點在于它將多領(lǐng)域技術(shù)設計的不同功能的子系統(tǒng)有機的結(jié)合起來，通過一定的關(guān)系形成一個動態(tài)系統(tǒng)。從構(gòu)成上看，虛擬原型是由不同工具開發(fā)的子模型組成的模型聯(lián)合體，主要包括：產(chǎn)品的CAD模型、外觀模型、功能和性能仿真模型以及電氣和控制模型等。借助于這種技術(shù)，工程師們可以通過計算機軟件建立機械模型，利用各學科等領(lǐng)域的理論在虛擬工況環(huán)境下分析產(chǎn)品關(guān)鍵性能指標，進一步進行可視化處理，并根據(jù)仿真的數(shù)據(jù)結(jié)果對系統(tǒng)進行完善和優(yōu)化。通過虛擬原型技術(shù)，設計人員可以在實物樣機制造出來之前，通過計算機軟件在很大程度對產(chǎn)品的總體性能進行了解，從而縮短研制時間，降低系統(tǒng)研制成本，提高了產(chǎn)品的競爭力。

2虛擬原型的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展應用

2.1虛擬原型的關(guān)鍵技術(shù)

雖然虛擬原型技術(shù)還處于發(fā)展的初期階段，還沒有形成一個完整的技術(shù)體系，但是一些關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)得到廣泛認可。主要包括系統(tǒng)總體技術(shù)、支撐環(huán)境技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、多領(lǐng)域協(xié)同仿真技術(shù)、一體化建模和信息/過程管理技術(shù)等。

2.1.1系統(tǒng)總體技術(shù)

系統(tǒng)總體技術(shù)從產(chǎn)品設計的全局出發(fā)，規(guī)定和協(xié)調(diào)子系統(tǒng)的運行和支持虛擬原型開發(fā)的各部分之間的關(guān)系，使各個部分組成一個有機的整體，實現(xiàn)信息、資源的共享，最終完成總體的設計?？傮w技術(shù)主要涉及規(guī)范化的標準、協(xié)議、集成技術(shù)和方法以及系統(tǒng)的運行模式等。

2.1.2支撐環(huán)境技術(shù)

虛擬原型支撐環(huán)境技術(shù)是一個支持并管理產(chǎn)品全生命周期虛擬化設計過程與性能評估的活動，支持分布異地的團隊采用協(xié)同 CAX/DFX 技術(shù)來開發(fā)和實施虛擬樣機工程的集成應用系統(tǒng)平臺。這種技術(shù)能提供相應數(shù)據(jù)、模型、CAX/DFX 設計工具等，而且還能支持復雜產(chǎn)品的設計活動。更重要的是這種技術(shù)還能支持虛擬原型開發(fā)設計過程中組織、過程和技術(shù)三個重要組成部分的有機結(jié)合，并對虛擬產(chǎn)品數(shù)據(jù)/模型以及項目進行管理和優(yōu)化，支持不同工具，能夠?qū)⒉煌膽孟到y(tǒng)集成。

2.1.3虛擬原型技術(shù)的發(fā)展應用

虛擬原型技術(shù)是有多學科技術(shù)支撐的一門新興綜合性技術(shù)，發(fā)展前景廣闊，市場巨大。虛擬原型技術(shù)面對產(chǎn)品設計的整個過程，使產(chǎn)品設計人員與用戶之間的相互聯(lián)系更加緊密，縮短研制的周期，降低技術(shù)的風險，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，降低了產(chǎn)品的成本，增強了企業(yè)的競爭力。在國內(nèi)，由于虛擬原型技術(shù)在產(chǎn)品設計方面的絕對優(yōu)勢，使設計人員對其越來越親睞，從各個關(guān)鍵技術(shù)的研究到開發(fā)模式研究亦逐漸形成一定的規(guī)模。這樣必將促進這一先進制造技術(shù)的推廣和應用，增強我國企業(yè)新產(chǎn)品的研發(fā)能力，提高我國企業(yè)在世界制造業(yè)中的地位。虛擬原型技術(shù)在一些較發(fā)達國家，如美國、德國、日本等已得到廣泛的應用，應用涉及到汽車制造業(yè)、工程機械、航空航天業(yè)、造船業(yè)、機械電子工業(yè)、國防工業(yè)、通用機械到人機工程學、生物力學、醫(yī)學以及工程咨詢等眾多領(lǐng)域。

3虛擬原型技術(shù)與機電一體化產(chǎn)品設計

虛擬原型技術(shù)是一種以先進建模技術(shù)、多領(lǐng)域仿真技術(shù)、信息管理技術(shù)、交互式用戶界面技術(shù)等為基礎的嶄新的產(chǎn)品開發(fā)的方法，與傳統(tǒng)的機電產(chǎn)品設計思想和方法比較具有很多的優(yōu)點?？梢酝葡耄瑢⑻摂M原型技術(shù)融入到機電一體化產(chǎn)品的設計中將會使機電一體化技術(shù)得到進一步的發(fā)展，也將會產(chǎn)生一種先進的機電一體化設計技術(shù)。所以，對于兩者之間的關(guān)系我們可以從以下幾個方面進行分析和認識：

（1）從產(chǎn)品的開發(fā)設計的思想來看，傳統(tǒng)的機電一體化產(chǎn)品的設計通常是相對簡單規(guī)范化的串行開發(fā)過程，這種設計思想雖然是復雜的開發(fā)活動變得可理解、可管理，但是它沒有考慮到產(chǎn)品開發(fā)過程中各個環(huán)節(jié)之間的并行關(guān)系，導致產(chǎn)品開發(fā)周期長，開發(fā)成本高。前期的環(huán)節(jié)對后期的環(huán)節(jié)考慮少，導致設計返工次數(shù)很高，更重要的是沒有充分估計產(chǎn)品的可制造性，很難在早期發(fā)現(xiàn)并解決問題，尤其是對于復雜的產(chǎn)品設計。

（2）從今后產(chǎn)品設計發(fā)展趨勢來看，機電一體化產(chǎn)品設計屬于產(chǎn)品設計的范疇，虛擬原型技術(shù)必然可以應用到機電一體化產(chǎn)品的設計之中。機電一體化產(chǎn)品的設計基于多領(lǐng)域技術(shù)（計算機與信息技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、伺服傳動技術(shù)和機械技術(shù)等）融合、交互，數(shù)字化、虛擬化也是今后發(fā)展的趨勢。

4本章小結(jié)

本章討論了虛擬原型技術(shù)的基本原理、組成部分、關(guān)鍵技術(shù)以及今后的發(fā)展，最后從產(chǎn)品設計思想、虛擬原型技術(shù)與機電產(chǎn)品設計的關(guān)系以及今后產(chǎn)品設計發(fā)展的趨勢分析了機電一體化產(chǎn)品設計。