基于SolidWorks与LabVIEW虚拟原型的机电一体化设计

杨雁冰

武汉职业技术学院电信学院，湖北武汉 430000

基于SolidWorks与LabVIEW虚拟原型的机电一体化设计

杨雁冰

武汉职业技术学院电信学院，湖北武汉 430000

虚拟设备的一体化设计主要在动态仿真和虚拟制造中起着很大的作用。目前信息化时代发展，虚拟原型的机电一体化设计越来越得到人们的关注。原型机的设计软件有很多，在机械建模中SolidWorks的功能比较强大，因此值得研究与探讨。

SolidWorks；LabVIEW；机电一体化

在当今信息化发展中制造技术也在不断融入虚拟原型技术，这种技术主要以CAX（计算机辅助多元化技术的总称）和DFX（3D环绕音效技术）与三维仿真技术构成的数字信息化设计。它能在原型机中模拟具有听觉、视觉、触觉以及各种需要的动作、行为以及性能等各方面仿真。虚拟技术在最近五年发展中并不是一成不变的，它是在不断适应社会发展，形成动态技术，在科学领域占有很重要的位置，并且继承了以前的电子CAD等软件功能，在此基础中又将更多的建模技术和信息采集与继承技术有机地结合为一个整体，特别是在模型、人、技术和管理这四者紧密结合。所以原型机的发展越来越快，带动的产业也越来越多。

1 概念设计之虚拟原型机的机电一体化

原型机主要用于原设备未生产定型前准备，主要用三维软件进行建模，为后期三维交互设计建立了基础。原型机主要的技术指标是用来模拟生产和实现人机交互，并且在产品的设计功能、布局以及产品外形尺寸设计中可以通过评价和分析来达到最佳的方案。

1.1 机电一体化的功能原型

机电一体化虚拟原型为机电一体化功能得到充分体现。经典的生产设备主要有机械系统、控制系统、运动系统和电气系统组成，设计的学科知识比较多包括：机械设计、电子信息、软硬件设计等方面，虚拟原型机在设计之初首先要对产品的功能模块进行分析，并且以功能为子单元系统分解，找到可以有效实现的设计方案。在功能与逻辑环节直接影响到原型机的运行过程和实现功能。

1.2 虚拟原型机电一体化产品深化设计与虚拟样机测试

虚拟原型机设计中期，需要进行功能、模块和电气连接分析，得出的结果用可视化技术和三维动画仿真技术来显现，这样可以在出现的问题中及时发现问题。所以说虚拟样机不仅仅是一个模型原型，还是一个能够实现仿真动画和人机交互功能的真实样机，在场景中设计了现实生产环境，效果逼真，再利用第三方软件比如Unity3d、 LabVIEW等软件对模型进行交互和界面设计从而达到虚拟模型功能实现，可以测验出产品的运动学特性、动力学特性、设备强度、生产效率以及产品自身寿命等技术指标。目前产品生产环境越来越复杂，有很多任务是工人所不能完成，利用计算机设计与机械相结合可以突出虚拟原型机的优势，可以为生产企业或教育基地实现集成化管理、协同作业、极大地节约研发成本、提高开发效率、缩短研发周期。

2 虚拟原型机电一体化产品设计虚拟环境

原型机的设计首先采用三维软件分别对设备外壳、机电系统、功能模块建模，当产品模型组件完成后需要对功能模块进行分解，然后选择一款能够与三维软件同步的第三方软件来实现虚拟原型机的动画仿真控制和人机交互，产品的外形、结构、尺寸、功能模块和材质能够得到需求者认可，这样才按照设计的原型机进行后期的加工制造。在本论文中主要用到两款软件：SolidWorks软件和LabVIEW软件。前者主要在虚拟设备建模中进行设计，后者对相应控制算法与功能实现进行设计。这两款软件相关介绍如下。

2.1 机械三维设计软件SolidWorks

在三维机械设计中有很多软件，如UG、Pro/E、SolidWorks等软件，在这几款软件中SolidWorks作为新款设计软件，在业界设计软件中占一席之地，它的运行环境相对简单，在Windows系统中都可以顺畅运行，进行高质量的模型设计。在SolidWorks软件内部具有独特的参数实体特征，并且功能非常强大，比现有UG、Pro/E等软件的操作界面更简洁直观。SolidWorks为整个原型机的设计提供100%可编辑，在软件中可以随时修改参数，零件设计、整机装配和工程图之间可以互相调用。除此之外，SolidWorks设计的零部件可以进行二次开发，文件能够在VC++中进行调用，它还具有较好的开放性接口和功能扩展性，为开发者提供简单、良好的开发平台。

2.2 图形化编程软件LabVIEW

图形开发软件有很多，目前比较流行的一款软件就是LabVIEW。它为三维模型提供简单、稳定的图形化编程开发环境，在工业、医学、机电和实验室研究中被广泛应用。LabVIEW也可以说是一种标准的虚拟仪器控制和数据采集软件，在它内部集成了功能强大地可视化虚拟仪器，开发者只需要根据原型机运行机制与LabVIEW图形虚拟环境通过编程能够实现机电一体化仿真，并且利用它可以方便地实现虚拟TCP/IP连接。LabVIEW在原型机开发中占有很重要的地位，其自身的编程过程在图形化界面操作中生动有趣。

2.3 SolidWorks和LabVIEW搭建虚拟环境

SolidWorks机械设计软件对原型机的机电控制部分组装完成后，用该软件集成的插件来完成三维模型格式输出，达到仿真软件能够导入的格式。LabVIEW软件主要用来编写程序，针对原型机功能、结构、运行原理编写能够实现最好、最稳定的程序，并且在开发平台中集成相关插件，能够与SolidWorks软件接口相连接，从而使原型机的机电一体化设计更加真实和完美。搭建虚拟环境的基本思想主要用来实现设备的电气控制、机械运动和协同仿真等功能。主要实现的过程是用LabVIEW软件集成的模块接口和SolidWorks软件自身的功能插件来实现对接。SolidWorks软件中的SolidWorksMotion插件用来设计机械仿真运行；LabVIEW模块接口控制设计与仿真模块用来进行控制对象和算法的编程设计。

3 结论

在本论文中主要研究虚拟原型机的机电一体化设计中所涉及到的两款软件SolidWorks软件和LabVIEW软件进行简单叙述，在此基础上描述了软件工具如何搭建模型和实现原型机在虚拟环境中进行仿真。在以后发展中虚拟技术会不断得到大量应用，搭建产拼原型仿真和虚拟环境也会越来越简单，流程也会有所缩减。

[1]郑相周，唐国元.机械系统虚拟样机技术[M].北京：高等教育出版社，2010.

[2]张承海.基于虚拟样机的多连杆悬架系统运行学仿真研究[D].武汉理工大学，2008.

[3]陈海霞，刘霞.虚拟原型技术在数控机床设计中的应用[J].机械制造与自动化，2011（3）：121-122.

TH-39

A

1674-6708（2015）148-0150-01

该论文来源于《SMT设备与维护仿真系统的研究与开发》课题，项目编号为2013YK777