計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)在現(xiàn)代制造業(yè)中的應(yīng)用研究

陳慧宇 李曉芳 錢(qián)松程 李賀龍

摘要：隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)，科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，現(xiàn)代制造行業(yè)發(fā)展得到了質(zhì)的飛躍。在現(xiàn)代制造行業(yè)中計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)是一項(xiàng)必不可缺的關(guān)鍵內(nèi)容。直接關(guān)系到企業(yè)制造生產(chǎn)過(guò)程的整體質(zhì)量和效率。以人為主體，以計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)為支柱，綜合應(yīng)用信息、材料、能源、環(huán)保等高新技術(shù)以及現(xiàn)代系統(tǒng)管理技術(shù)，研究并改造傳統(tǒng)制造過(guò)程作用于產(chǎn)品的整個(gè)壽命周期，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、靈活的生產(chǎn)。本文將對(duì)計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)在現(xiàn)代制造業(yè)中的應(yīng)用展開(kāi)分析與探討。

關(guān)鍵詞：虛擬技術(shù);現(xiàn)代制造業(yè);實(shí)踐應(yīng)用

0.引言

當(dāng)前是一個(gè)流行先進(jìn)制造技術(shù)的時(shí)代，為適應(yīng)21世紀(jì)的制造業(yè)市場(chǎng)、產(chǎn)品及企業(yè)特征需要，二十一世紀(jì)先進(jìn)制造業(yè)技術(shù)將向精密化、柔性化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化、數(shù)字化、智能化等方向發(fā)展，其中計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)就是重要的一環(huán)。通過(guò)將計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)應(yīng)用在各個(gè)生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，能夠有效提升產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)質(zhì)量和效率。同時(shí)還可以根據(jù)市場(chǎng)用戶需求特點(diǎn)，有針對(duì)性地的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)制造企業(yè)的TQCS需求。

1.計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)及其優(yōu)勢(shì)

計(jì)算機(jī)虛擬制造技術(shù)實(shí)質(zhì)是指企業(yè)實(shí)際制造生產(chǎn)過(guò)程在計(jì)算機(jī)設(shè)備上的相關(guān)映射，也就是通過(guò)合理運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，基于先進(jìn)高速網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)設(shè)備的輔助下，經(jīng)過(guò)一系列的計(jì)算機(jī)上的群組協(xié)同作業(yè)，從而有效實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品仿真設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、制造生產(chǎn)以及質(zhì)量分析等產(chǎn)品制造全過(guò)程。計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)的應(yīng)用核心在于以計(jì)算機(jī)虛擬制造工作環(huán)境為基礎(chǔ)，相關(guān)工作人員對(duì)不同需求產(chǎn)品的加工性能特點(diǎn)展開(kāi)仿真模擬工作，從而預(yù)估判斷出產(chǎn)品的真實(shí)制造生產(chǎn)水平，這樣有利于提高企業(yè)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的預(yù)測(cè)和決策水平。計(jì)算機(jī)虛擬制造技術(shù)主要涉及到了仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及信息技術(shù)等內(nèi)容[1]，制造企業(yè)在設(shè)計(jì)或者制造加工需求產(chǎn)品之前，利用該項(xiàng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)需求產(chǎn)品裝配系統(tǒng)狀態(tài)的仿真體驗(yàn)，了解到產(chǎn)品的各項(xiàng)性能、功能特點(diǎn)，從而幫助相關(guān)工作人員進(jìn)一步優(yōu)化改善產(chǎn)品實(shí)施方案。

計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)在現(xiàn)代制造業(yè)中的應(yīng)用主要包括了以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：1）易于建模操作。在傳統(tǒng)制造企業(yè)產(chǎn)品建模過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員往往需要投入更多的時(shí)間和精力，運(yùn)用各種公式進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算工作，這樣才能夠充分保障產(chǎn)品建模過(guò)程的科學(xué)準(zhǔn)確性。而在計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)輔助下，產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)人員無(wú)需再經(jīng)過(guò)復(fù)雜的手動(dòng)計(jì)算，只需要通過(guò)利用計(jì)算機(jī)就能夠高效完成產(chǎn)品建模和計(jì)算目標(biāo)，并且維持極高的準(zhǔn)確率。此外，相關(guān)工作人員采用先進(jìn)的虛擬樣機(jī)技術(shù)軟件，能夠發(fā)揮出其多種結(jié)果可視化技術(shù)和動(dòng)畫(huà)圖形功能作用，幫助制造企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)人員更加直觀清晰了解到產(chǎn)品性能和使用效果;2）適用性高，處理問(wèn)題能力強(qiáng)?；谟?jì)算機(jī)虛擬制造技術(shù)輔助下，制造企業(yè)工作人員能夠高效解決各類(lèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)際問(wèn)題，通過(guò)利用仿真建模形式，設(shè)計(jì)人員能夠直觀清晰了解到需求產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中所會(huì)遇到的各類(lèi)問(wèn)題，從而有效采取相對(duì)應(yīng)的解決措施。計(jì)算機(jī)虛擬制造技術(shù)被廣泛應(yīng)用在各類(lèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)中，具有較高的實(shí)用型，無(wú)論是那種產(chǎn)品機(jī)構(gòu)都可以實(shí)現(xiàn)科學(xué)建模目標(biāo);3）良好的后期處理能力。在機(jī)械產(chǎn)品傳統(tǒng)分析方法應(yīng)用中，工作人員往往會(huì)獲取到大量的數(shù)據(jù)信息，需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的計(jì)算分析，才能夠判斷產(chǎn)品性能特點(diǎn)和產(chǎn)品問(wèn)題，這樣無(wú)疑對(duì)工作人員提出了更高的水平要求。而在計(jì)算機(jī)虛擬制造技術(shù)輔助下，工作人員通過(guò)利用先進(jìn)的虛擬樣機(jī)技術(shù)軟件，能夠發(fā)揮出其圖形動(dòng)畫(huà)功能和可視化技術(shù)，這樣一來(lái)就可以充分呈現(xiàn)出產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)效果和性能特點(diǎn)。

2.計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)在現(xiàn)代制造業(yè)中的應(yīng)用

2.1在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)在制造業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要包括了以下幾個(gè)方面內(nèi)容：1）產(chǎn)品外形設(shè)計(jì)。由于市場(chǎng)用戶不同需求特點(diǎn)，對(duì)于產(chǎn)品外形設(shè)計(jì)有著不同需求，制造企業(yè)通過(guò)合理應(yīng)用計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)各種復(fù)雜產(chǎn)品造型的設(shè)計(jì)目標(biāo)，并且在設(shè)計(jì)中還能夠結(jié)合實(shí)際問(wèn)題隨時(shí)進(jìn)行產(chǎn)品參數(shù)優(yōu)化設(shè)置和評(píng)測(cè)[2]。計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)通常被應(yīng)用在產(chǎn)品加工、仿真以及裝配工作環(huán)節(jié)中;2）產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)仿真。制造企業(yè)在研發(fā)設(shè)計(jì)市場(chǎng)需求產(chǎn)品過(guò)程中，相關(guān)工作人員必須科學(xué)解決產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)構(gòu)建在實(shí)際運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)關(guān)系，同時(shí)完成產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)范圍設(shè)計(jì)，加強(qiáng)其運(yùn)動(dòng)干涉的全面檢查工作。在計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)輔助下，產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員能夠利用計(jì)算機(jī)模擬仿真產(chǎn)品結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，觀察產(chǎn)品的動(dòng)力學(xué)性能、強(qiáng)度以及剛度等特點(diǎn)，從而有針對(duì)性地展開(kāi)優(yōu)化改善設(shè)計(jì)，充分保障產(chǎn)品的高性能和高質(zhì)量;3）產(chǎn)品裝配仿真設(shè)計(jì)。制造企業(yè)在生產(chǎn)加工機(jī)械產(chǎn)品過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)在產(chǎn)品可裝配性和配合性上產(chǎn)生錯(cuò)誤。針對(duì)此種情況，現(xiàn)代制造企業(yè)可以通過(guò)引進(jìn)應(yīng)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)虛擬制造技術(shù)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段進(jìn)行產(chǎn)品的裝配仿真工作，這樣能夠清晰直觀了解到產(chǎn)品轉(zhuǎn)配過(guò)程存在的相關(guān)問(wèn)題，從而在實(shí)際裝配工作中，采取有效解決措施，確保產(chǎn)品裝配設(shè)計(jì)的科學(xué)準(zhǔn)確性。

2.2在產(chǎn)品建模中的應(yīng)用

制造企業(yè)在生產(chǎn)加工某種產(chǎn)品時(shí)，可以同利用計(jì)算機(jī)虛擬建模技術(shù)，完成對(duì)產(chǎn)品的模型構(gòu)建目標(biāo)。就比如，在產(chǎn)品工藝模型構(gòu)建中，其通過(guò)將產(chǎn)品設(shè)計(jì)屬性與各項(xiàng)工藝參數(shù)有效結(jié)合在一起，能夠全面反映出產(chǎn)品生產(chǎn)模型與產(chǎn)品模型之間的相關(guān)性?；谟?jì)算機(jī)工藝仿真技術(shù)、數(shù)學(xué)模型技術(shù)應(yīng)用下，制造企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品制造不同工作環(huán)節(jié)有條不紊的進(jìn)行，同時(shí)能夠幫助產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)人員實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品制造各個(gè)階段的實(shí)時(shí)監(jiān)控[3]，最大程度提高產(chǎn)品建模的工作質(zhì)量和效率。如下圖1所示，為生產(chǎn)線虛擬仿真運(yùn)行框架。

圖1? 生產(chǎn)線虛擬仿真運(yùn)行框架

2.3在產(chǎn)品制造中的應(yīng)用

現(xiàn)代制造企業(yè)在產(chǎn)品實(shí)踐制造生產(chǎn)過(guò)程中，要充分發(fā)揮出計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)的作用，其通過(guò)利用計(jì)算機(jī)的先進(jìn)計(jì)算能力，能夠確保在最短時(shí)間內(nèi)科學(xué)模擬出產(chǎn)品制造中需要很長(zhǎng)時(shí)間的生產(chǎn)周期，有效縮短企業(yè)管理高層的解決時(shí)間。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在產(chǎn)品制造中的運(yùn)用工作步驟為：研究系統(tǒng)→獲取數(shù)據(jù)→構(gòu)建系統(tǒng)模型→明確仿真算法→構(gòu)建仿真模型→運(yùn)行仿真模型→輸出結(jié)果并分析[4]。

現(xiàn)代制造企業(yè)要正確了解到產(chǎn)品制造過(guò)程仿真主要分為了兩個(gè)部分內(nèi)容，一個(gè)是產(chǎn)品制造系統(tǒng)仿真，另一個(gè)是產(chǎn)品加工過(guò)程仿真。前者主要涉及到的內(nèi)容包括了產(chǎn)品建模仿真、產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)劃仿真以及交互行為仿真等，完成這些工作后能夠提高對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)果的綜合評(píng)價(jià)水平，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程的前期反饋工作，有效避免產(chǎn)品在實(shí)際設(shè)計(jì)制造過(guò)程中出現(xiàn)各類(lèi)問(wèn)題。而后者產(chǎn)品制造加工過(guò)程中，計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用內(nèi)容主要包括了產(chǎn)品切削過(guò)程仿真、產(chǎn)品裝配過(guò)程仿真、產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)過(guò)程仿真以及產(chǎn)品焊接加工、鑄造仿真等。

3.結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)如今國(guó)外許多知名企業(yè)已在積極開(kāi)展虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用和研究，特別是汽車(chē)、飛機(jī)、工程機(jī)械以及武器等產(chǎn)品的應(yīng)用事例和成果層出不窮。其中最為典型的事例，波音飛機(jī)公司采用虛擬樣機(jī)技術(shù)在計(jì)算機(jī)上建立了波音777飛機(jī)的最終模型，實(shí)現(xiàn)了整機(jī)設(shè)計(jì)、整機(jī)裝配、部件測(cè)試等虛擬開(kāi)發(fā)活動(dòng)，使產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期從八年縮短至五年。可見(jiàn)計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)在效率方面的優(yōu)勢(shì)。

綜上所述，現(xiàn)代制造企業(yè)要想保障自身穩(wěn)定持續(xù)地發(fā)展，確保在最低成本下創(chuàng)造出最大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，制造生產(chǎn)出滿足市場(chǎng)用戶需求的高質(zhì)量產(chǎn)品，就必須充分發(fā)揮出計(jì)算機(jī)虛擬制造技術(shù)的作用。通過(guò)構(gòu)建出計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境，利用專(zhuān)業(yè)建模仿真軟件，完成對(duì)產(chǎn)品模型的虛擬構(gòu)建工作，仿真模擬產(chǎn)品結(jié)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程，直觀了解到產(chǎn)品性能特點(diǎn)，從而保障產(chǎn)品實(shí)際制造生產(chǎn)的高水平。

參考文獻(xiàn)

[1]李長(zhǎng)明.虛擬技術(shù)在當(dāng)代機(jī)械制造業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].機(jī)械制造，2017（01）：121-123.

[2]符應(yīng)彬.計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)在現(xiàn)代制造業(yè)中的應(yīng)用[J].軟件制造，2015（03）：65-68.

[3]王劍鋒，蔡黔鷹，韓贏.基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬技術(shù)在現(xiàn)代制造業(yè)中的應(yīng)用研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2014（03）：31-33.

[4]王利華.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古民族大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）2017（03）：54-56.