引言：机电一体化技术融合了机械技术与信息技术，属于新兴技术，在加速推动我国现代化建设方面发挥出了重要作用。在当前的机械制造产业实践中，机电一体化技术在实际的机械设计制造中得到了深入应用，促使机械产品进一步向着小型化的方向发展，也提升了生产力与生产效率，值得深入探究。

1基于机电一体化的机械设计制造原理分析

基于机电一体化的机械产品设计制造的原理如图1所示，借助相应软件系统，能够对包含多物理场以及通常存在于机电一体化产品中的自动化相关行为的概念进行3D建模和仿真，机电一体化支持功能设计方法，可集成上游和下游工程领域，包括需求管理、机械设计、电气设计以及软件/自动化工程。

图1基于机电一体化的机械产品设计制造的原理图

2基于机电一体化的机械设计制造主要步骤分析

第一，数字模型的创建。依托对CAD软件的应用，在机械设计阶段，尽可能在高保真度的条件下完成设备数字模型的创设，构建起数字孪生与物理实体的“形”。这里的“形”主要包括机构外观、零件尺寸、相对安装位置等等。

第二，样机设备机电属性的定义。对于使用CAD软件所搭建起的模型而言，其一般以静态的形式显现，但是在现实中，机械设备是动态的，所以需要在完成数字模型创设的基础上，利用运动仿真软件，定义机械设备的运动组建，并赋予相应组建以物理属性。

第三，虚拟信号的创设。通过进行虚拟信号的设置，能够实现对机械设备运动轨迹及限制范围、移动方向、速度、位移和旋转角度等参数的定义，构建起数字孪生与物理实体的“态”，以此促使数字样机设备能够与现实机械设备的各运动姿态始终保持统一状态。

第四，信号连接。依托对虚拟仿真功能的应用，连接虚拟信号以及存在于PLC程序中的I/O信号，促使PLC程序转入有效运行状态；结合对上位机控制界面的应用，逐个校核虚拟信号。其中，所应用的PLC连接可以细化为硬件连接、软件连接这两部分。对于软件连接而言，其主要对PLC本身所具备的仿真模型功能进行利用，促使软对软的通讯成为现实。

第五，虚拟调试。参考机械产品制造工艺，对产品设计的合理性展开测试与验证。实践中，使用计算机对整个制造过程进行模拟，包含机器人和自动化设备、PLC、气缸、电机等单元。完成单元模型的设置后，即可在虚拟世界环境中组织展开测试与验证。

第六，针对有实际硬件PLC要求的样机，在实际的设计制作期间，可以使用基于以太网TCP/IP协议，并在OPC等通讯协议的支持下促使应对软的通讯成为现实，以此为基础实现半实物样机验证调试。

3机械设计制造中机电一体化的具体应用分析

3.1集成式系统工程方法

机电一体化设计为机械设计制造提供了新方法支持，促使功能机械设计制造成为成为现实。作为机械、电气以及软件/自动化学科之间的通用语言，功能分解能够促使这些学科同时展开工作，保证在机械产品开发初期完成对机电一体化产品的行为和逻辑特性需求的获取。结合应用机电一体化设计相关软件与Teamcenter产品生命周期管理软件，可以生成端到端机械设计解决方案。

在机械产品的开发初期，相关工作人员可以应用Teamcenter产品生命周期管理软件所具备的需求管理和系统工程功能落实对工程模型的搭建，以此直观呈现出前期设定的产品开发意见。该软件系统能够使用结构化层次完成对机械产品需求的收集、分配以及维护，从产品开发目的角度入手描述该机械产品，支持功能部件的分解以及多种变形的描述，将其与机械产品开发需求有机结合，使得跨学科协同成为现实，保证在整个机械产品的设计制造全过程中实现对开发意见与需求的满足。依托对这种功能机械设计制造方法的应用，机电一体化设计系统能够在产品开发初期完成跨学科概念设计，所有工程学科可以并行协同设计一个项目：切实围绕三维形状和运动学落实对机械产品的创建设计；合理选择传感器和驱动器，并实现对传感器和驱动器的定位；完成机械产品基本逻辑行为的设计，包括基于时间的行为设计、基于事件的控制定义。

3.2概念建模和基于物理场的仿真

建立功能模型期间，可以使用“功能-行为-结构”模型，其中，功能-行为-结构所具备着的映射关系如图2所示，由此能够明确的是，各个层次之间的映射包含在多对多映射的范畴内，具体有：功能到行为的关系属于多对多的关系，集合B（行为）可以理解为集合F（功能）的映射值值域；所有行为均能够实现一种功能，但是，集合F中可能存在着一些无法映射到集合B中的功能；行为到结构的关系属于多对多的关系，集合S（结构）可以理解为集合B（功能）的映射值值域；所有结构均为某一行为的载体，但是，集合B中可能存在着一些无法映射到集合S中的行为。机械产品设计期间，可以对设计特征库内所包含着的功能与结构信息、功能分解知识库内所包含着的功能结构模式信息等进行综合利用，并以此为参考确定出更为适用的功能分解策略，并进一步落实对功能结构与产品结构的构建。概念设计求解期间，应用的操作集如下所示：

其中，功能分解操作使用Ψ（f）表示；行为分解操作使用Ψ（b）表示；功能到结构的映射操作使用μ（fs）表示；行为到结构的映射操作使用μ（bs）表示；功能到行为的映射操作使用μ（fb）表示；行为到下层子功能的映射操作使用μ（bsf）表示；结构到下层子功能的映射操作使用μ（ssf）表示；已知的结构到功能的映射操作使用μ（sf）表示；已知的结构到行为的映射操作使用μ（sb）表示。在实际的设计实践中，进行功能求解期间，应当使用灵活多变的映射策略，此时并不需要体现所有的映射策略。

图2功能-行为-结构映射关系图

以功能-结构矩阵的概念设计为例，该环节的实现难度较大，其求解过程在机械产品设计中也较为常见。此时，主要将总功能（U）分解为多个子功能（U₁，U₂，...，U_n），并直接从子功能映射至子结构；组合子结构，获取总体解。该分解过程可以使用下式表达：

假设总功能（U）由多个（m个）子功能（U_i,i=1,2,...,m）构成，且任意一个子功能均对应着可以实现相应功能的子结构的集合（Ti），则有：

此时，t_ij（j=1,2,...,n）对应着我那成子功能的所有子结构，完成该子功能的子结构数量使用n表示。

应用Ui定义行，设定tij为元素，落实功能-结构技术矩阵的构建，即有：

设置功能-行为-结构的映射求解模型，确定功能、行为与结构之间所存在的关系，明确功能-行为-结构为一条映射链，以此为基础实现机械设计任务，主要步骤如下所示：第一，结合总任务落实对总功能的确定。第二，对总功能展开分解，结合功能关系（组织关系、逻辑关系）以及分解出得子功能，搭建起功能结构。第三，功能映射行为，功能关系映射行为关系。第四，行为映射为结构，行为关系映射为结构关系。在机电一体化设计系统中，能够提供易于使用的建模与仿真，方便设计人员在开发机械产品的初期完成对备选概念的快速设置与验证，结合对早起验证结果的应用，更好实现检测以及错误纠正，以此实现对机械产品设计制造成本的有效控制。对于机电一体化设计系统而言，其可以直接从Teamcenter产品生命周期管理软件内落实对功能模型的直接载入，从而达到提升机械产品设计速度的效果。针对模型中包含着的多种功能，能够为新部件进行基本几何模型的构建，或是在重用库内对现有部件调取与添加；针对所有部件，均可以依托直接引用需求和使用交互式仿真，完成对正确操作性的验证，迅速指定运动副、刚体、运动、碰撞行为及运动学和动力学的其他方面。为实现基于电气工程和软件开发的模型构建，可以进一步落实对多种细节的添加，包括传感器、驱动器等等。在此过程中，能够面向驱动器进行对物理场-位置、方向、目标和速度的定义。在机电一体化设计系统中，包含着用于指定时间、位置和操作顺序的工具，结合对仿真技术基于游戏物理场引擎，结合简化物理模型的应用，在虚拟环境内纳入实际物理行为。在仿真技术以及优化后的现实环境建模的支持下，能够更为简单的实现对机械概念以及所需机械行为的定义。使用交互的方式完成仿真，此时，设计人员可以依托对鼠标展开对作用力的施加或是对目标对象的移动。机电一体化设计系统支持一系列行为的仿真，为机械概念验证提供所需要的所有功能，涵盖多专业领域内容，包括运动学、动力学、碰撞、驱动器弹簧、凸轮、物料流等等。

3.3通过智能对象封装机电系统

在模块化与重用的支持下，机电一体化设计系统能够促使机械产品设计效率得到进一步提升，在此过程中，设计人员能够获取到智能对象内的机电一体化知识，并在库内落实对相应知识内容的存储，为后续重用提供支持。在重用期间，由于可以实现基于经验证的概念进行设计，所以实际所显现出的设计质量有所提高。同时，机电一体化设计系统还可以通过消除重新设计、返工以实现对产品开发速度的进一步提升，在机电一体化设计系统内，设计人员能够在单一文件中提取所有学科的机电一体化数据，具体包含三维几何体和图形、运动学和动力学等方面的物理数据、传感器和驱动器及其接口、凸轮、功能以及操作等等，结合对简单的拖放操作的使用，可以将这些智能对象从重用库内提取，并在新设计中使用。

3.4面向其他工具的开放式接口

机电一体化设计系统所输出的结果可以在多个学科的具体设计工作实践中得以直接性利用，主要包括：第一，机械设计。由于机电一体化设计系统主要基于NXCAD平台构建，所以可以面向设计人员提供优质CAD设计实践中所需要的各种机械设计功能。同时，在机电一体化设计系统的实际运行期间，还可以在其他CAD工具内导入模型数据，包括NX、Catia以及独立于CAD的JT格式等等。

第二，电气设计。在机电一体化设计系统的支持下，设计人员可以完成对驱动器与传感器列表的开发，并依托Ecxel电子表格格式、HTML格式的形式输出。在实际设计操作中，设计人员可以利用相应列表落实对驱动器与传感器的选择。

第三，自动化设计。机电一体化设计系统支持零部件与操作顺序的提供，为更高效的软件开发创造有利条件。其中，操作顺序甘特图可以通过PLCopenXML标准格式的形式完成导出，并在行为与顺序描述中发挥出良好作用。对于PLCopenXML标准格式而言，其在当前的开发可编程逻辑控制器(PLC)代码的自动化工程工具中有着较为广泛的应用空间。

总结：

综上所述，机电一体化概念设计方案是一种完整性更强的机电一体化解决方案，将其应用于机械设计制造中，能够促使整个工程项目成本得到更好控制，并明显减少样机数量。同时，可以在虚拟环境内完成对机械概念的快速评估，促使机械、电子和自动化设计师的协作程度得以提高，实现对机械设计开发时间的有效缩减，达到推动相应机械设计制造企业竞争力进一步增强的效果。

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