机电一体化实验系统的虚拟仿真技术研究

摘要

机电一体化系统是一个将机械、电气和控制软件等多个学科技术融合在一起的综合性系统，它的虚拟仿真设计是一个复杂的过程，传统的串行式、单领域、分散建模的设计技术与仿真方法无法实现多学科的协同设计，造成项目研究的周期过长，已很难满足机电学科综合性的要求，寻找新型的虚拟仿真技术实现机电领域的协同发展十分必要。
　　本课题的研究以高校建设先进自动化生产线实验室为背景展开工作，并且以我校工业信息化实验室的“模块化生产系统(MPS,Modular Production training System)”作为平台，建立机电实验系统的虚拟仿真运动模型，可以为解决实验室建设中遇到的资金、设备有限的问题提供帮助。本文主要工作内容和成果如下。
　　（1）机电一体化的国内外发展状况介绍，阐述虚拟仿真技术应用于机电一体化系统的现状，并对虚拟仿真的支撑技术群组进行了概括与总结。
　　（2）虚拟仿真技术的理论研究。对本课题的技术研究环境——机电概念设计器（MCD,Mechatronics Concept Designer）的特点进行阐述与分析，总结出论文工作开展流程。研究MCD中基于物理引擎场的仿真技术，在理论上指明应用MCD进行课题研究的优越性。同时，研究OPC通信技术标准，了解OPC协助数据传输过程，证明MCD与外部环境的连接的可能性，为实现虚拟调试打下理论基础。
　　（3）实验系统物理模型的搭建。首先对MPS系统的结构进行全面研究，对各个工作单元的功能做出分析，完成在NX当中的几何模型建立。利用MCD的知识库设计MPS系统的机械属性、功能需求以及机械行为的虚拟定义，实现了MPS系统的概念仿真，满足了系统的基本虚拟运动条件。
　　（4）实验系统虚拟模型电气属性与仿真操作的设计。重点研究如何为模型赋予位置控制、速度控制、传感器等电气功能属性。在平台特有的功能当中建立仿真序列，通过修改仿真序列的参数实现对虚拟运动的控制。采用虚拟系统当中一个电机驱动的例子，通过MATLAB求出控制系统的性能指标，并对数据结果进行分析，验证虚拟系统与实际相比同样具备稳定性与准确性。
　　（5）仿真调试方案提出与验证。在MCD系统中，为模型添加信号适配器，建立起与外部通信的共享信号，其后将仿真操作生成XML文件，同时在STEP7当中进行组态，将XML作为Graph源文件进行编译，并将程序下载至PLC，通过设置PG/PC的接口以及OPC服务器连接，最终完成数据转换过程，实现机电系统的虚拟运动在PLCSIM的监控与调试，达到多学科的应用与融合效果。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2 机电一体化技术国内外研究现状及发展方向

1.3 虚拟仿真技术的应用现状

1.4 本文研究思路与主要工作内容

第2章 机电系统虚拟仿真的方法研究

2.1 NX及其MCD介绍

2.2 机电系统虚拟仿真构建方法

2.3 基于物理引擎的MCD虚拟仿真技术

2.4 基于OPC的虚拟仿真调试技术

2.5 本章小结

第3章 机电一体化实验系统的物理模型建立

3.1 引言

3.2 机电一体化实验系统的结构及功能

3.3 机电系统的概念模型建立

3.4 概念模型物理属性分析

3.5 本章小结

第4章 机电系统电气属性设计及系统仿真

4.1 引言

4.2 传感器与执行机构

4.3 虚拟仿真行为的操作

4.4 机电系统虚拟仿真性能验证

4.5 本章小结

第5章 基于OPC虚拟调试方案可行性分析

5.1 引言

5.2 数据交换方案提出

5.3 数据交换方案实施过程

5.4 方案可行性验证

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 本文总结

6.2 本论文创新点

6.3 工作展望

致谢

参考文献