現(xiàn)代機械工程設計中的虛擬制造技術探討

摘要：虛擬制造技術指在機械制造中通過對機械的制造過程進行仿真和模擬，最大程度降低機械產品的生產成本。20世紀90年代到現(xiàn)在，虛擬制造技術得到了迅速的發(fā)展，其在現(xiàn)代機械工程設計中的應用更加廣泛，逐漸成為現(xiàn)代機械工程設計中的關鍵技術。文章對當下最新的計算機虛擬制造技術的應用和現(xiàn)代機械工程設計中的虛擬技術進行了介紹。

關鍵詞：虛擬制造技術；現(xiàn)代機械工程設計；機械制造；機械產品；機械設計 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH166 文章編號：1009-2374（2016）05-0073-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.037

隨著知識經(jīng)濟和工業(yè)制造的快速發(fā)展，現(xiàn)代化的市場要求產品生產廠商要以最快的速度、最優(yōu)的品質、最短的研發(fā)時間、最低的成本消耗和最佳的服務來滿足顧客的需求。傳統(tǒng)設計一般是在圖紙結合產品的特性和設計的具體要求進行的，在機械設計的過程中需要提前對設計中的設備裝配的干擾因素的不確定進行考慮，但是產品在裝配中的缺陷只有在產品開發(fā)的后期才能暴露出來或者在產品的試制階段和裝配中顯現(xiàn)出來。如果設計的零件已經(jīng)開始投入生產了，那么損失就更加嚴重了。產品的質量在傳統(tǒng)的設計和制造方式上不能得到很好的保證，并且傳統(tǒng)設計的工藝比較粗糙、開發(fā)的效率低、花費時間比較長、耗費的資金比較大。在變化速度快、持續(xù)性發(fā)展和不可預測性市場中難以適應。因此，企業(yè)的生產活動需要具備高度的柔性和快速的反應，與此同時信息技術的飛速發(fā)展保證了機械制造的先進性，信息化的使用對于現(xiàn)代機械工程設計十分重要。

1 虛擬機械制造技術

以往傳統(tǒng)的機械設計技術的設備條件比較差，設計技術性不強，傳統(tǒng)的設計觀念比較保守，設計的手段主要依靠的是粗略的計算和估算，主要是在較多的簡化和靜止化假設中完成機械工程的設計，傳統(tǒng)設計具有較大的隨意性，并且設計的關鍵過程還對設計者的經(jīng)驗和設計習慣具有很大的依賴性。設計的過程很難實現(xiàn)合理、高效和準確。但是在現(xiàn)代化虛擬設計的相關技術可以很好地實現(xiàn)設計經(jīng)驗依賴性強、設計過程靜態(tài)性和設計理念隨意性向現(xiàn)代化設計精確性、以數(shù)據(jù)知識工程和專家系統(tǒng)為保證的設計方式的發(fā)展，虛擬計算機技術需要對必要的信息進行檢索、分析和收集。最終找出最優(yōu)的設計方案和數(shù)值運算的方式，當然也會對CAD技術和人工智能技術、數(shù)據(jù)庫技術等進行大量的應用。

虛擬機械制造技術主要是在虛擬環(huán)境下對計算機的模型進行虛擬分析的一種計算機設計技術。該技術集成并綜合應用了綜合性的機械制造環(huán)境，主要包括了各種仿真、分析、應用等工具以及信息模型和控制工具等。虛擬制造需要經(jīng)歷的主要階段有裝配產品的概念設計、動態(tài)仿真、回收利用。依靠虛擬制造技術，機械設計人員不需要將所有的零件設備生產制造出來，可以通過對零件模型的建立，隨后對零件進行虛擬裝配，并對各零件部位之間的裝配間隙進行干涉、對裝配的狀態(tài)實現(xiàn)檢查，對零件設計中的錯誤及時發(fā)現(xiàn)，如果零件不符合設計要求，可以依靠計算機技術方便及時更改模型，最后形成新的零部件設計圖和裝配圖，達到設計、裝配和制造檢驗的協(xié)調。

2 虛擬制造技術的關鍵

虛擬制造技術包含了許多方面，主要有設計技術的提出、產品制造過程的抽取、原模型的建立、集成基礎結構、建模仿真等。下面就對虛擬制造技術中的關鍵技術進行詳細的介紹：

2.1 虛擬技術中的建模技術

虛擬指的是在系統(tǒng)中將現(xiàn)實制造系統(tǒng)映射到虛擬環(huán)境下，主要涉及了RMS的模型化、形式化、計算機化的抽象描述和表示。VMS建模的主要內容有生產模型建立、產品模型建立、工藝模型建立的信息化體系結構的建立。

生產模型中有靜態(tài)描述和動態(tài)描述兩種。靜態(tài)描述主要是關于對系統(tǒng)生產能力和生產特性。動態(tài)描述是在已經(jīng)被得知的系統(tǒng)狀態(tài)和需求的性質上對產品的整個過程進行全面的預測。在制造過程中我們將種種實體對象總的稱之為產品模型。在產品的模型建立中需要對產品的明細、形狀特征等方面進行描述。對于VMS而言，要實現(xiàn)產品實施過程的全部繼承必須具備完整的產品模型。因此在虛擬制造中的產品模型不再是單一和靜止的，它可以運用抽象的技術實現(xiàn)各種模型面貌的提取。工藝模型主要指的是在制造過程中對產品的工藝參數(shù)和關于產品功能的各種因素進行聯(lián)系，最終實現(xiàn)對產品模型和生產模型之間相互作用的反映。

2.2 虛擬制造技術中的仿真技術

仿真指的是通過計算機實現(xiàn)復雜現(xiàn)實系統(tǒng)的抽象化和簡潔化最終形成的系統(tǒng)模型，并且在仿真的基礎上對模型進行應用，最終得到相應的系統(tǒng)性性能分析。仿真主要以系統(tǒng)模型為主體的研究方法，它對實際的生產系統(tǒng)沒有直接的干擾作用，并且仿真系統(tǒng)可以對計算機的計算能力進行應用，實現(xiàn)在短時間內完成在實際工作中需要很長時間的工作，有效縮短了生產決策的時間，最大化地避免了對人力、物力和資金的投入以及浪費。計算機技術還有很好的仿真修復功能，最大化地保證了方案的最優(yōu)。

仿真技術過程的主要步驟有系統(tǒng)研究、數(shù)據(jù)收集、系統(tǒng)模型建立、仿真算法的確定、仿真模型的計算、仿真模型的運行、結果的輸出和分析。

仿真在產品的制造過程主要被分為制造的仿真和加工的仿真。在系統(tǒng)產品的開發(fā)中主要涉及的是產品建模、設計交互行為仿真等。方便對設計結果的評價，及時進行反饋，降低產品設計中的錯誤。加工過程的仿真主要有切削、裝配、檢驗及焊接、壓力加工和鑄造等。以上兩種仿真過程是相對獨立的，兩者不能實現(xiàn)集成，而VM中應建立全面過程的統(tǒng)一仿真。

2.3 虛擬制造中的虛擬現(xiàn)實技術

虛擬現(xiàn)實技術的目的是改善計算機的交互方式，提高計算機的可操作性，它是在對計算機圖形系統(tǒng)和多種顯示以及控制等接口設備的基礎上，以交互的三維環(huán)境為人提供沉浸體驗的技術。虛擬現(xiàn)實技術主要由圖形系統(tǒng)和多種接口設備組成，使人在虛擬環(huán)境中感受到真實的沉浸感覺，交互性計算機系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基礎。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中有操作者、機器和人機接口。它幫助提升人和計算機間的和諧度，同時也是最有力的仿真工具。在VRS的作用下實現(xiàn)對真實世界的模擬。在用戶交互輸入以及輸出修改虛擬環(huán)境的條件下，使人達到身臨其境的沉浸感覺。VM的關鍵技術之一就是虛擬現(xiàn)實技術。

3 機械虛擬樣機技術介紹

虛擬樣機技術在機械工程設計中被稱作機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術，它是20世紀80年代在計算機技術的快速發(fā)展中發(fā)展起來的一種計算機輔助技術。在計算機建立樣機模型后，對模型的多種動態(tài)性能進行具體的分析，最后對樣機方案實現(xiàn)改進。用數(shù)字化模型代替物理性的樣機。通過虛擬樣機技術的作用，簡化了機械產品的設計開發(fā)過程，有效縮短產品開發(fā)的時間，最大程度降低產品的開發(fā)成本和費用，實現(xiàn)產品質量和系統(tǒng)性能的提升，使設計產品實現(xiàn)最優(yōu)化和最具創(chuàng)新性。綜合以上優(yōu)勢，該技術一經(jīng)出現(xiàn)就受到了眾多工業(yè)發(fā)達和高等院校及設計和生產企業(yè)的重視，許多著名的產品開發(fā)設計者都對該技術進行了引入并運用在自身產品的開發(fā)中，并且取得了極好的經(jīng)濟和生產效益。

在機械工程設計中應用仿真技術對零件進行設計、生產工序等方面的選用以及工藝參數(shù)、加工工藝、裝配工藝等構件的運動性等均可以實現(xiàn)建模仿真。

4 虛擬制造技術在機械工程中發(fā)揮的優(yōu)勢

4.1 強大的通用性和分析處理復雜問題的能力

虛擬樣機技術建立和發(fā)展的基礎是分析力學和多體運動力學，該技術的關鍵是對復雜機械系統(tǒng)進行自動建模。因此，大多數(shù)的虛擬樣機技術軟件主要運用的是帶約束乘子的微分代數(shù)混合方程。令每個構件都有六個自由度是它的核心，還要要求其對多余的自由度進行限制，實現(xiàn)其具有良好的通用性，達到適用性強的目的。與此同時，虛擬樣機技術還對機械系統(tǒng)的詳細環(huán)節(jié)進行考慮，具體指彈性、接觸和摩擦等因素。

4.2 為機械系統(tǒng)建模帶來便利

傳統(tǒng)的機械系統(tǒng)建模中要先建立運動分析，隨后在運動分析的基礎上進行動力分析，這中間需要許多的圖形分析和公式推導。但是圖形的分析和公式的推導過程往往比較復雜，并且錯誤率高。同樣的建模過程中設計人員只需要將機械的構成方式和連接方法以及相應的物理參數(shù)實施輸入，其后的建模和求解只需要計算來完成就可以了，極大地幫助設計人員承擔了許多的設計難度。

4.3 強大的后期處理能力

在傳統(tǒng)的分析方法上通常得出的是大量的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的理解還要依靠豐富的經(jīng)驗和理論。但是運用虛擬樣機計算軟件為復雜性的數(shù)據(jù)提供了可視化技術，使得設計人員直觀地看到機械設計的性能和運動效果。

5 結語

虛擬制造技術實現(xiàn)了現(xiàn)代工程機械工程設計領域中的設計、試制等一系列過程的直觀性。實現(xiàn)了在產品真正制造出來前，可以在虛擬的制造環(huán)境中生成產品的原型，更好地替代現(xiàn)實中的硬件產品，更方便地對設計產品的性能和可生產性進行評估，極大地縮短了產品的設計和生產周期，最大化地節(jié)約了產品開發(fā)的成本，保證產品的開發(fā)和設計可以適應市場的靈活性的變化。虛擬制造技術是現(xiàn)實技術和計算機仿真技術在機械制造中的綜合應用。在現(xiàn)代化計算機虛擬設計技術的幫助下實現(xiàn)對眾多產品的開發(fā)和設計，不僅不會造成實際物質的浪費，并且還能更直觀地了解產品生產的具體情況，打開了機械制造和設計的全新局面。

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作者簡介：伊紀斌（1994-），男，山東淄博人，山東理工大學國防教育學院學生，研究方向：機械設計。

（責任編輯：黃銀芳）