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.docx

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、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 SolidWorks LabVIEW Abstract With 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 methods 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 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 and 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 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, 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 example 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 devlopment cycle of the mechatronics product and saves the development costs for the design of products providing a new technical approach. Keywords: Mechatronics Virtual-prototype Simulation Solidworks LabVIEW 目 录 第一章 绪论 1 1.1 课题研究背景与意义 1 1.2 机电一体化技术概述 1 1.2.1 机电一体化技术的发展及我国的发展情况 2 1.2.2 机电一体化的意义 3 1.2.3 机电一体化的相关技术 4 1.2.4 机电一体化技术的发展趋势 5 1.3 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 9 2.1 虚拟原型技术 9 2.1.1 虚拟原型技术的基本原理 9 2.1.2 虚拟原型技术的系统结构 10 2.1.3 虚拟原型技术的优势 11 2.1.4 虚拟原型的关键技术及发展应用 13 2.2 虚拟原型技术与机电一体化产品设计 15 2.3 本章小结 16 第三章 基于 SolidWorks&LabVIEW 虚拟原型的机电一体化设计 17 3.1 基于虚拟原型的机电一体化产品设计概述 17 3.2 基于虚拟原型机电一体化产品概念设计 18 3.2.1 虚拟原型机电一体化产品概念设计的主要过程 19 3.2.2 机电一体化功能原型 19 3.2.3 虚拟原型机电一体化产品深化设计与虚拟样机测试 20 3.3 虚拟原型机电一体化产品设计虚拟环境 21 3.3.1 软件工具介绍 21 3.3.2 SolidWorks 和 LabVIEW 搭建虚拟环境 23 3.4 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 27 4.1 直线一级倒立摆虚拟原型的数学建模 27 4.1.1 直线一级倒立摆数学模型的建立 27 4.1.2 数学模型系统性能分析 30 4.2 机电一体化产品机械模型设计 32 4.2.1 机电一体化产品机械模型设计概述 32 4.2.2 机电产品机械模型设计 33 4.2.3 电气建模 39 4.2.4 控制建模 40 4.3 控制算法设计 41 4.4 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 45 5.1 基于虚拟原型机电一体化仿真设计的概述 45 5.2 机械特性的仿真设计 45 5.2.1 机械特性仿真设计概述 45 5.2.2 机械结构及零部件的有限元分析 46 5.2.3 机械动力学仿真设计 49 5.2.4 机械运动仿真设计 49 5.3 SolidWorks 与 LabVIEW 联合仿真设计 51 5.4 本章小结 59 第六章 总结与展望 61 6.1 总结 61 6.2 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[1][2]。 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 Me