机电一体化产品功能原型设计要点探究

随着科技的不断进步，机电一体化产品在各个行业中具有越来越重要的左右。

机电一体化产品是指将机械和电子技术有机结合在一起，使产品在功能、性能和效率上得到全面提升。

在机电一体化产品研发过程中，功能原型设计是一个关键环节，通过制作一个早期版本的产品原型，以验证并改进产品的功能设计和性能。

一方面，在进行功能原型设计之前，需要对产品的功能需求进行详细分析，了解产品应具备的功能和特性，明确功能实现的关键要求，以便在设计过程中有针对性地制定策略。

另一方面，功能原型设计不是一次性完成的，需要进行快速迭代和测试。

通过制作初步原型，验证其功能和性能，并根据测试结果进行改进和优化，逐步实现产品设计目标。

1 基于虚拟原型机电一体化产品设计1.1 需求分析
基于虚拟原型的机电一体化设计技术是目前发展迅速且广泛应用的设计方法之一。

它将虚拟现实和仿真技术应用于产品设计领域，通过创建虚拟的产品原型，以模拟和验证机械、电子控制系统的功能与性能。

在需求分析方面，基于虚拟原型的机电一体化设计技术有多个关键需求，这些需求在提升设计效率和产品质量方面具有重要作用[1]。

首先，仿真与验证需求对机电一体化产品的设计至关重要。

通过虚拟原型技术，设计师可以建立真实的模型，并进行各种仿真分析，如结构强度、运动学分析和电子电路仿真等。

这有助于验证设计的可行性，避免在实际制造阶段出现问题，并减少试错成本。

在该文研究中，相关工作人员引入PID 控制器模型，并通过该模型收集反馈控制器实际参数，如公式（1）所示。

()()()()d d d d
p i K e t u t K e t K e t t t ⋅=⋅+⋅+∫ （1）式中：
u （t ）代表控制器的输出信号；K p 、K i 、K d 分别代表比例增益、积分增益和微分增益；
e （t ）代表参考信号与实际输出间的误差；
∫e （t ）d t 代表误差的积分项；()d d d K e t t
⋅代表误差的微分项。

其次，基于虚拟原型的机电一体化设计技术需要满足多学科协同需求。

机电一体化产品设计涉及机械工程、电子工程和控制工程等多个学科领域的知识。

虚拟原型技术应提供一
个统一平台，使不同学科的专家能够协同工作、共享设计信
息、评估设计方案并快速进行反馈和调整。

再次，实时性与交互性需求是基于虚拟原型设计技术中的重要考量因素。

设计师需要能够与虚拟原型进行实时交互，并观察其动态变化，这有助于直观地理解产品的工作原理和性能特征，并根据需要对设计即时进行修改和优化。

设计师需要准确地建立机械构件、电子元器件和控制系统的模型，并精细地调整它们间的关系。

虚拟原型技术应具备高精度的建模能力，以确保设计结果的准确性和可靠性。

通过直观的可视化界面和丰富的可视化效果，设计师可以更好地理解和评估产品的结构和功能，这有助于提高设计沟通和决策的效率，并促使设计师更好地理解产品特性和性能[2]。

最后，数据集成与管理需求也是基于虚拟原型的机电一体化设计技术中不可忽视的方面。

设计师需要方便地导入、管理和共享各种数据，如CAD 模型、元器件库和仿真结果等。

虚拟原型技术应提供完善的数据管理功能，确保设计过程中数据的一致性和互通性，从而提高设计效率和产品质量。

1.2 基本思路
基于虚拟原型的机电一体化联合设计是一种集成化的设计方法，旨在通过数字化模型和仿真技术来加快产品设计流程、减少成本并提高质量。

该设计方法的基本思路包括模块化设计、参数化建模、虚拟测试与验证、多学科集成、协同优化和真实数据反馈。

首先，在模块化设计方面，将机械、电气和控制系统等不同模块进行分离和定义，确保各个模块能独立设计和开发。

通过模块化设计，可以实现并行协同设计，使不同团队能同时进行各自的设计工作，以提高设计效率。

其次，通过使用参数化建模技术，设计人员可以轻松创建几何模型，并通过调整参数来修改模型的尺寸、形状和特性。

这种灵活性使快速的设计迭代和优化成为可能，从而能更好地满足产品需求。

通过使用仿真工具对设计进行虚拟测试和验证，可以在计算机中运行模拟和分析，评估机电一体化系统的性能、可靠性和耐久性，而无须进行物理样机制造和试验。

该虚拟测试能够更早地发现问题并改进，从而大大缩短产品开发周期。

最后，通过全面考虑不同学科间的相互影响，可以验证设计的完整性和可行性，并解决可能存在的冲突和问题。

该综合性设计方法有助于减少后续实际制造和测试过程中的问题和风险。

建立设计优化目标和约束条件，并采用协同优化算法，找
机电一体化产品功能原型设计要点探究
王 娇
（山东华邦建设集团有限公司，山东 潍坊 262500）
摘 要：该文研究采用综合分析和试验研究方法来探究机电一体化产品功能原型设计的关键因素。

研究结果表明，机电一体化产品功能原型设计的关键点包括需求分析、功能规划和系统集成等。

需求分析阶段旨在明确产品功能和用户需求，为后续设计提供基础。

功能规划阶段涉及功能模块的划分和设计，确保产品满足预期功能。

研究结论指出，在机电一体化产品功能原型设计中，充分了解用户需求、合理划分功能模块以及有效进行系统集成是确保设计质量的关键。

该文研究为机电一体化产品功能原型设计提供了实用指导，为企业产品创新与研发提供了参考依据。

关键词：机电一体化；虚拟原型；Solid Works 中图分类号：TD 60 文献标志码：A
到机电一体化系统的最佳设计方案，同时满足性能、成本和可制造性等需求。

这种综合考虑不同设计指标的优化过程可以提高产品的整体性能和竞争力，根据实际测试数据和反馈信息，不断改进虚拟原型模型和仿真结果的准确性，有助于提高模型的可信度和设计信心，从而减少后续实际制造和测试过程中的问题和风险（基于虚拟原型的机电一体化产品设计流程如图1所示）。

2 机电一体化产品功能原型设计
2.1 设计特点
机电一体化功能原型设计是指在产品设计过程中，将机械、电气和控制等功能模块相互融合，以实现产品在机械运动、电气控制和信息传输等方面的完整功能[3]。

第一，一体化设计。

机电一体化功能原型设计将传统的机械、电气和控制设计集成在一起，构建一个整体的系统原型。

通过紧密配合和相互作用，各个功能模块可以协同工作，形成一个完整的机电一体化系统。

第二，多学科交叉。

该设计方法涉及多个学科领域，包括机械工程、电气工程和控制工程等。

设计团队需要具备跨学科的知识和技能，以便在整个设计过程中进行有效沟通和协作。

例如该文研究中引入转子动力学公式，如公式（2）所示，通过该公式分析并优化传动系统的性能。

Jα=Tm-TI （2）式中：α代表转子角加速度；Tm代表驱动扭矩；TI代表负载扭矩。

第三，参数化建模。

机电一体化功能原型设计采用参数化建模技术，通过定义参数和公式来创建几何模型、控制算法和电气元件等。

这种灵活的建模方法能更容易且快捷地对设计进行修改和优化。

建模过程中，研究人员引入傅里叶级数公式，利用该公式进行信号处理和频谱分析等工作，如公式（3）所示。

f（x）=A0+∑An sin（nωt+ϕn）（3）第四，设计迭代和优化。

机电一体化功能原型设计允许设计团队进行快速的设计迭代和优化。

通过修改参数、调整控制算法或改变组件配置，快速评估不同设计方案的优劣，并选择最佳方案来满足产品需求[4]。

第五，数据共享和协同工作。

该设计方法鼓励设计团队间的密切合作和信息共享。

通过共享设计数据和模型，团队成员可以更好地理解系统的整体结构和功能，并进行协同工作，提高设计效率和质量。

考虑机电一体化产品可能涉及液体或气体在流动过程中的能量转换问题，因此引入达朗贝尔定律，如公式（4）所示。

2
1
2
gh v P
ρρ
++（4）式中：ρ代表流体密度；g代表重力加速度；h代表高度；v代表液体或气体的流速；P代表压力。

第六，自动化制造准备。

机电一体化功能原型设计可以为后续的自动化制造准备奠定基础。

通过集成设计数据、制造工艺规划和生产线布局等信息，可以更好地衔接设计和制造，提高生产效率和质量控制。

2.2 基该方法
机电一体化功能原型设计是产品设计阶段中一个非常重要的环节，通过提出具体设计指标、制定功能单元设计方案以及确定整合与综合方案，最终实现产品的功能原型设计（如图2所示）。

进行机电一体化功能原型设计时，通常需要遵循的步骤如下：第一步是从产品设计需求出发，提出具体的设计指标，并对其进行分析、归纳和分类整合。

这就需要进行系统工程思考和机电一体化思考，以确保各个设计领域间的协同作用，从而形成一个完整的系统。

第二步是针对各个功能单元制定相应的设计方案。

该方案涉及机械、电气、控制和软硬件等领域，确定设计方法、设计目标、交互方式以及所使用的软件工具和基本流程。

制定这些方案时，需要综合考虑功能、性能、可制造性、经济性、环保性和安全性等多个因素。

第三步是将各个功能单元的设计方案进行整合，确定最终的综合方案。

基于整体设计，选择合适的功能单元设计方案作为各领域的设计方案，并制定总体方案来完成功能原型设计。

在该过程中，需要明确虚拟原型设计的依据，并指导产品的原型设计。

通过以上步骤，机电一体化功能原型设计可以将产品设计需求具体化和细化，最终得到可用于指导产品原型设计的方案。

在该过程中，不仅需要考虑各个领域的设计要求，还需要综合各种因素来确保设计方案的合理性和可行性。

只有经过充分的设计和整合，才能得到功能完备、性能优良、制造可行、经济环保且安全可靠的产品设计原型。

2.3 开发模式
机电一体化产品的设计方案是在产品功能需求的基础上进行分解和结合的过程，旨在实现产品的高效性、可靠性和便捷性。

功能需求分析是设计方案形成的关键环节，通过对产
图1 基于虚拟原型的机电一体化产品设计流程
概念设计（设计方案）
虚拟原型
（模型、产品数据、交互接口）
用户需求
仿真设计测试验证
需求分析
品功能进行细致分析，确定产品所需的性能指标和技术指标，为后续的设计工作提供明确的目标和依据。

进而逐步细化设计方案，包括详细的设计方法、步骤和目标等内容。

在方案设计中，设计师需要借助各种工具和技术来满足产品的设计需求。

一种常用的方法是使用3D 机械模型，通过建立真实模拟的物理结构，来呈现机电一体化产品的形态和特征。

该模型不仅可以展示产品的机械组成部分，还可以准确显示电气元件、控制系统以及各个部件间的相互作用。

另外，控制设计软件架构也是实现机电一体化产品设计的重要手段之一。

通过合理的软件架构设计，可以对产品进行智能化控制和优化调试，提高产品的性能和稳定性（机电一体化产品功能
原型设计开发模式如图3所示）。

此外，还可以运用其他辅助工具和技术，例如虚拟仿真和试验验证来优化设计方案。

虚拟仿真技术可以在计算机环境下模拟产品的工作过程，帮助设计师发现问题并进行改进。

而试验验证则是在实际环境中对设计方案进行验证和测试，以确保产品在不同工况下的稳定运行。

3 机电一体化产品功能原型设计仿真
为验证机电一体化产品功能原型的有效性，研究人员针对该产品进行仿真试验。

3.1 机械结构设计
确定产品的外形尺寸和结构要求，该文仿真试验使用的产品的尺寸为30cm ×20cm ×10cm 。

在材料选择上，采用具有高强度和轻质特点的铝合金材料。

考虑机械传动部件的设计，例如轴、齿轮、带等，确保传动效率和可靠性。

使用CAD 软件进行三维模型设计，并进行结构强度仿真分析，确保设计的可行性。

3.2 电路设计
研究人员设计了一个稳压电源电路，输出电压为12V 。

使用电路设计软件设计电路原理图和PCB 电路板。

例如使用
Altium Designer 进行原理图设计和布局布线。

制作并组装实际的电路板，进行电路连通性测试、电气性能测试以及故障排除。

3.3 控制算法设计
确定产品的控制需求和功能，例如位置、速度以及力控制等。

根据需求设计控制算法，例如PID 控制器、模糊控制器等。

研究人员采用PID 控制算法进行位置闭环控制。

3.4 仿真结果分析
机械结构设计仿真试验结果见表1。

首先，通过有限元分析等方法，得出最大应力为50MPa ，安全系数为2.5，表明机械结构在设计要求的负载下具备足够的强度和安全性。

其次，试验结果显示系统的响应时间为0.2s ，符合设计要求，并且精度误差为±0.5cm ，即运动系统的位置误差为±0.5cm 。

最后，通过数值模拟分析得出机械结构的最大变形为0.1cm ，满足设计要求。

表1 机械结构设计仿真试验结果
试验模块参数数据/公式机械结构设计仿真试验结果
结构强度分析最大应力：50MPa 安全系数：2.5动力学测试响应时间：0.2s 精度误差：±0.5cm 数值模拟分析
最大变形：0.1cm
电路设计仿真试验结果见表2。

首先，仿真验证显示输出电压稳定在（12±0.2）V ，表明电源电路能够提供稳定的电源供应，完全满足电气元件的工作要求，表明设计的电源电路具备良好的稳定性和可靠性。

通过模拟测试，研究人员验证了电路在不同负载条件下能够保持输出电压的稳定性，连接的电气元件能正常工作并得到充分的电气供应。

其次，驱动仿真验证结果表明电机成功启动，并且能够准确进行位置控制。

仿真数据展示了电机的运动轨迹和准确性，证明了电路设计的有效性和性能优越性。

因为位置控制是许多机电系统的核心功能之一，所以这对机电一体化产品的实际应用非常重要。

图2 机电一体化系统设计
接口（信息）接口（物理）
接口（物理）
接口（信息）
接口（机械）
接口（机械）
接口（机械）
执行机构 机械结构
动力源
控制器（MC、PC、CNC）接口
（智能、 信息）
执行元件
传感器 （位置检测）
传感器 （环境检测）
通过仿真验证，研究人员确认了设计的电路能够成功驱动电机，并稳定地将其控制在所需的位置范围内。

最后，仿真测试表明电路的驱动能力达到设计要求，能够提供最大驱动电流为1.5A 的输出。

表明电路能够满足设计和实际应用中的电流需求。

通过对电流波形和幅值进行仿真分析，研究人员确保了电路的可靠性和性能，并得出结论：电路能够稳定输出足够的电流，以驱动连接的电气元件和电机，并满足系统需求。

表2 电路设计仿真试验结果
试验模块参数
数据/公式
电路设计仿真试验结果
电源电路仿真结果输出电压稳定在12V ±0.2V 电机驱动仿真结果电机成功启动并能实现位置控制
驱动能力仿真测试
最大驱动电流：1.5A
基于上述仿真试验结果数据的论证，所得结论如下：机电一体化产品功能原型设计是有效的，设计的系统能够满足预期要求，并具备良好的性能和可靠性，为进一步的实际制造与应用奠定了坚实基础。

通过仿真验证，研究人员评估了电路的性能和稳定性，确保其适合实际应用的可行性，为产品的进一步开发和改进提供指导，并增强产品在市场上的竞争力[5]。

4 结语
该论文主要研究了虚拟原型及其设计技术、机电一体化
产品特性和设计特点，将虚拟原型设计技术引入机电一体化产品设计中，提出并深入研究了基于虚拟原型的机电一体化设计技术。

第一，该文强调了需求分析的重要性。

只有准确理解用户需求，才能设计出满足其期望的功能原型。

通过与用户沟通和反复修改，该文不断优化设计方案，确保最终的产品能够真正满足用户的需求。

第二，该文强调了跨学科协作的必要性。

机电一体化产
品的设计涉及多个领域的知识，需要不同专业领域的人才密切合作。

在功能原型设计过程中，工程师、设计师和市场营销人员等各个角色都应参与其中，共同协调推动项目的进展。

第三，该文还讨论了原型快速迭代的重要性。

在功能原型设计过程中，需要保持灵活性和敏捷性，及时根据用户反馈和技术验证结果进行修改和优化。

通过不断地迭代，可以及早发现问题并加以解决，最终提供更好的产品体验。

第四，该文强调了测试验证的必要性。

在功能原型设计完成后，必须进行严格的测试和验证，以确保产品的可靠性和稳定性。

通过模拟真实使用环境和情景，可以发现潜在的问题并进行调整，为产品的后续开发奠定坚实基础。

综上所述，机电一体化产品功能原型设计是一个复杂而关键的过程，需要深入理解用户需求、跨学科协作、快速迭代和测试验证。

只有在这些要点的指导下，才能设计出更具竞争力和创新性的产品，满足用户需求，推动机电一体化技术的发展。

参考文献
[1]肖祖东，柳和生，李标，等.UGNX 在机电产品概念设计中应用与研究[J].组合机床与自动化加工技术，2014（7）：27-30.[2]方媛，卞奕明，李艳平.机电一体化数控技术在煤矿机械中的应用[J].煤炭技术，2012，31（7）：34-35.[3]刘长国.“机电气”一体化新概念[J].液压与气动，2011（10）：73-75.
[4]姚桂玲.机电一体化技术在煤矿生产中的应用研究[J].煤炭技术，2011，30（8）：62-63.
[5]KALLENBACH E，陈巍.机电一体化——创新型产品开发之路[J].工程设计学报，2006（5）：368.
图3 机电一体化产品功能原型设计开发模式
机电-体化产品设计需求
产品设计指标
各功能系统具体设计
总线/接口（机电一体化思想）
3D 机械模型
3D 机械模型
3D 机械模型
控制设计
控制设计
控制设计。