黃迪

摘 要 虛擬樣機技術(shù)以計算機技術(shù)為依托，綜合多學(xué)科技術(shù)為產(chǎn)品全生命周期的設(shè)計和評估提供技術(shù)支持。設(shè)計者可在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計和產(chǎn)品特性分析，使之能夠快速響應(yīng)市場要求，從而打破傳統(tǒng)的設(shè)計方式，縮短了設(shè)計時間，節(jié)約了設(shè)計資本。本文主要介紹建模與仿真涉及的機械、控制以及協(xié)同仿真領(lǐng)域，從單個學(xué)科領(lǐng)域的建模到多個領(lǐng)域的協(xié)同建模以及最后的協(xié)同仿真所需要的方法以及實現(xiàn)的過程。

關(guān)鍵詞 虛擬樣機 建模 仿真

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A

On the Virtual Prototype Technology and its Modeling and Simulation

HUANG Di

（Huazhong University of Science and Technology Wenhua College， Wuhan， Hubei 430074）

Abstract Virtual prototyping technology to computer technology as the basis， a comprehensive multi-disciplinary technology to provide technical support for the design and evaluation of the product life cycle. Designers can achieve product design and product characterization in a virtual environment， so that it can respond quickly to market requirements， thus breaking the traditional design approach， shorten design time， saving design capital. This paper describes the machinery involved in modeling and simulation， control， and co-simulation areas， collaborative modeling and simulation methods needed for the final collaborative modeling from single to multiple disciplines and areas of the implementation process.

Key words virtual prototype； modeling； simulation

0 引言

由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機電一體化產(chǎn)品的開發(fā)經(jīng)歷了串、并行開發(fā)，到基于虛擬樣機的開發(fā)過程。而開發(fā)過程中解決多領(lǐng)域協(xié)同設(shè)計的有效途徑就涉及到了虛擬樣機技術(shù)。它的設(shè)計開發(fā)涉及機械、可視化、協(xié)同仿真、數(shù)據(jù)庫等多個學(xué)科領(lǐng)域，它提供一種加快機電一體化產(chǎn)品設(shè)計進程新的技術(shù)方法和支持環(huán)境。

1 虛擬樣機技術(shù)的概述

1.1 虛擬樣機技術(shù)的定義

虛擬樣機是在CAD/CAM/CAE和物理樣機基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它包含有所有產(chǎn)品的關(guān)鍵特征。

它是以一定關(guān)系模擬一個動態(tài)系統(tǒng)，在一個或多個領(lǐng)域模型上，依賴不同子系統(tǒng)的集成，采用計算機輔助的方法，以達到認識現(xiàn)實或輔助設(shè)計的目的。

1.2 虛擬樣機技術(shù)的優(yōu)勢和局限性

在機電一體化產(chǎn)品的設(shè)計中，若采用實物驗證的方法的傳統(tǒng)機電產(chǎn)品設(shè)計。首先是對產(chǎn)品進行局部設(shè)計，加工出物理樣機，再進行調(diào)試，再對其各種行為進行評估。若不滿足使用要求則選擇返回修改設(shè)計，然后再加工出新的樣機，如此反復(fù)評估直至滿足所需要求為止。

虛擬樣機技術(shù)應(yīng)用在機電產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計過程與傳統(tǒng)設(shè)計步驟相差不大，主要差別是虛擬樣機技術(shù)集合各個領(lǐng)域的理論和技術(shù)在計算機上直接進行建模與仿真，它在產(chǎn)品設(shè)計階段，能夠?qū)Ξa(chǎn)品使用、制造、維護等行為進行評估分析，優(yōu)化產(chǎn)品性能指標，保證設(shè)計出來的產(chǎn)品能夠達到制造、使用和維護的要求，并且它的修改直接改變建模的數(shù)據(jù)即可。因此，虛擬樣機技術(shù)的優(yōu)勢在于：縮短了研發(fā)周期、節(jié)約研發(fā)資本、實現(xiàn)資源共享。

但是，虛擬樣機技術(shù)涉及的學(xué)科領(lǐng)域太廣，技術(shù)復(fù)雜，給設(shè)計者提出了很高的要求，而且，對于一些復(fù)雜的問題的計算上無法得到精確的解，只能是盡量的將誤差控制在允許的范圍內(nèi)，所以技術(shù)本身的不成熟和不完善也在一定程度上制約了它的發(fā)展。而且在對產(chǎn)品進行建模時，很難建立理想的、完整的模型，因此虛擬樣機始終無法取代物理樣機。①

1.3 虛擬樣機技術(shù)的支撐環(huán)境及關(guān)鍵技術(shù)

圖1 虛擬樣機支撐環(huán)境框架

虛擬樣機的開發(fā)和設(shè)計當中，在每一個階段都涉及到多個領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)，比如在產(chǎn)品設(shè)計階段就涉及到CAD/CAM/CAE等CAX技術(shù)和DFX技術(shù)，在產(chǎn)品特性分析階段涉及到機械系統(tǒng)運動學(xué)等相關(guān)技術(shù)，而在分析結(jié)果的時候又涉及到可視化技術(shù)和動畫技術(shù)。因此，虛擬樣機技術(shù)需要強大的支撐環(huán)境來保證這些相關(guān)技術(shù)的操作和相互之間的數(shù)據(jù)交流平臺，其所需要的支持環(huán)境框圖如圖1②所示

在這些支撐環(huán)境中，存在一些關(guān)鍵技術(shù)，這些關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展情況直接影響著整個支撐環(huán)境的發(fā)展。比如多領(lǐng)域的協(xié)同仿真——“建模-仿真-評估/優(yōu)化”一體化平臺、高層建模技術(shù)、仿真模型庫構(gòu)建與管理技術(shù)以及分布式協(xié)同仿真技術(shù)等。

1.4 虛擬樣機技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀

虛擬仿真技術(shù)在美國、德國等一些發(fā)達國家早已被廣泛地應(yīng)用于汽車制造、機械工程、醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域，產(chǎn)品的涉及由簡單的照相機快門技術(shù)到龐大的工程機械技術(shù)，如John Deere 公司通過虛擬樣機技術(shù)找到了在重載下工程機械的自激振動問題的原因，并提出了改進方案，這同樣在虛擬樣機上得到了驗證。endprint

國外的虛擬樣機技術(shù)已走向商業(yè)化，美國機械動力學(xué)公司的機械系統(tǒng)自動動力學(xué)分析軟件ADAMS是目前比較有影響力的軟件。其中ADAMS占據(jù)了市場的50 % 以上，其它軟件的還有Folw3D、ANSYS 等等。

國內(nèi)的企業(yè)虛擬樣機技術(shù)主要是集成現(xiàn)成的國外軟件應(yīng)用上，如PRO/E、ADAMS、ANSYS 等，國內(nèi)企業(yè)對國外軟件的依賴性強。有些單位會為了滿足設(shè)計分析的需要而采用對市場上現(xiàn)有軟件進行二次開發(fā)。

2 虛擬樣機的模型建立

2.1 虛擬樣機的設(shè)計原理

作為研究動態(tài)系統(tǒng)行為的有效方法，虛擬樣機涉及幾何信息，同時虛擬樣機系統(tǒng)具有運動模擬、操作模擬和動力學(xué)模擬等物理邊界條件，提供人機交互虛擬現(xiàn)實三維場景的工具。其一般設(shè)計原理可歸結(jié)為如圖2所示。

圖2 虛擬樣機設(shè)計原理圖

2.2 機電產(chǎn)品的功能模型分析

影響此類機電產(chǎn)品系統(tǒng)的設(shè)計過程和設(shè)計方法是在功能邏輯上的構(gòu)成方式和在物理上的組成方式。在物理組成上，機電一體化產(chǎn)品包含機械結(jié)構(gòu)，機電接口、運動系統(tǒng)、計算機等多種電子、機械零部件。③

將機電一體化產(chǎn)品劃分為控制子系統(tǒng)、廣義執(zhí)行機構(gòu)子系統(tǒng)、檢測子系統(tǒng)、傳感及信息處理的是上海交通大學(xué)的鄒慧君教授，④這就是所謂的三子系統(tǒng)論。如圖3所示：

圖3 機電系統(tǒng)的三子系統(tǒng)的組成及其關(guān)聯(lián)

圖4 廣義執(zhí)行機構(gòu)建模步驟框圖

2.3 廣義執(zhí)行機構(gòu)的建模與求解

廣義執(zhí)行機構(gòu)子系統(tǒng)主要包括驅(qū)動元件和執(zhí)行機構(gòu)兩大部分，它們的建模與求解主要分為幾何建模、物理建模、數(shù)學(xué)建模、數(shù)值求解和結(jié)果分析，其步驟如圖4所示。

幾何建模，主要是建立所設(shè)計虛擬樣機的執(zhí)行機構(gòu)的幾何模型，它可以用幾何造型軟件Pro/E、UG等導(dǎo)入，也可以由ADAMS幾何造型模塊構(gòu)造，但有些軟件之間的相互導(dǎo)入需要接口模塊，例如Pro/E與ADAMS之間需要MECHANISM/Pro借口模塊來實現(xiàn)無縫連接。⑤

物理建模，形成表達系統(tǒng)力學(xué)特性的物理模型，對幾何模型施加外力或外力矩、運動學(xué)約束、力元（內(nèi)力）、驅(qū)動約束等物理模型要素。

數(shù)學(xué)建模，由物理模型組裝成系統(tǒng)運動方程中的拉格朗日坐標或笛卡爾坐標建模方法創(chuàng)建各系數(shù)矩陣，得到系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。

2.4 控制子系統(tǒng)的建模與求解

可以利用MATLAB建立控制模型。驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)的運動通常有開環(huán)方式和閉環(huán)方式兩種，開環(huán)方式是在驅(qū)動器與執(zhí)行末端之間建立約束關(guān)聯(lián)，執(zhí)行末端為反向運動學(xué)驅(qū)動；而閉環(huán)方式是以期望參考信號與傳感器探測的數(shù)據(jù)進行比較從而得到控制信號。連續(xù)——離散混合信號處理的運動控制模型就是采用閉環(huán)控制方式。

2.5 協(xié)同建模

控制實現(xiàn)的多學(xué)科協(xié)同與多體動力學(xué)的建?？梢栽贏DAMS/ Controls 模塊中的與控制仿真軟件的接口上。它首先導(dǎo)出ADAMS動力學(xué)模型，然后導(dǎo)出動力學(xué)模型到控制仿真環(huán)境最后構(gòu)建動力學(xué)一控制集成模型。

3 虛擬樣機的仿真實現(xiàn)

在建立共享的集成模型基礎(chǔ)上進行仿真運行，有基于MATLAB 和基于ADAMS 兩種解算方式：⑥

3.1 基于ADAMS的方式

求解線性或非線性的結(jié)果在在ADAMS 環(huán)境中虛擬樣機控制子模型的共享模型進行仿真運行。

3.2 基于MATLAB的方式

機械動力學(xué)解算通過在MATLAB 環(huán)境中植入的ADAMS 模塊控制運用解算控制仿真軟件求解器，它們通過S函數(shù)（S-function）或狀態(tài)空間（state -space）進行接口變量的聯(lián)系，在MATLAB/ Simulink 中觀察并輸出仿真曲線，同時，可以觀察到虛擬樣機的三維仿真運行動畫和生成仿真結(jié)果數(shù)據(jù)文件。

4 小結(jié)

虛擬樣機技術(shù)為機電一體化產(chǎn)品的設(shè)計提供了一個支持環(huán)境和新的方法，它與傳統(tǒng)的技術(shù)相比，縮短了研發(fā)周期、節(jié)約研發(fā)資本，實現(xiàn)資源共享、提高產(chǎn)品質(zhì)量，因此它目前廣泛用于汽車制造、航空航天、機械工程、醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域。

整個虛擬樣機技術(shù)的關(guān)鍵是虛擬樣機的仿真和實現(xiàn)，從單個領(lǐng)域的建模仿真到多個領(lǐng)域的協(xié)同仿真，從幾何建模到物理建模到數(shù)學(xué)建模到數(shù)值求解再到結(jié)果分析，這一系列的過程涉及到多個領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。因此，要做好虛擬樣機技術(shù)，一方面要依賴于其本身技術(shù)的發(fā)展，另一方面則要求設(shè)計者本身具備過硬的專業(yè)技術(shù)知識以及配置完備的團隊。

參考文獻

① 李丹，李印川.虛擬樣機技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀.機械，2008（6）總第35卷：2-3.

② 寧芊.機電一體化產(chǎn)品虛擬樣機協(xié)同建模與仿真技術(shù)研究.四川大學(xué)博士畢業(yè)論文，2006：21-22.

③ B.Jung，M.Latoschik， I. Wachsmuth： Knowledge- Based Assembly Simulation for Virtual Prototype Modeling. IECON'98- Proceedings of the 24th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society， Vol. 4， IEEE，1998：2152-2157.

④ 鄒慧君等.機電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計的基本原理.機械設(shè)計與研究，1999.15（3）：14-17.

⑤ Zheng Wang， Zhenyu Liu ， Jianrong Tan， Yun Fu， Changjiang Wan，A virtual environment simulator for mechanical system dynamics with online interactive control，Advances in Engineering Software，2006：631–642.

⑥ 寧芊，殷國富，徐雷.機電系統(tǒng)虛擬樣機協(xié)同建模與仿真技術(shù)研究.中國機械工程，2006.17（13）：1405-1406.endprint