現(xiàn)代機(jī)械工程設(shè)計中的虛擬制造技術(shù)探討

張剛

【摘 要】虛擬制造技術(shù)是指對機(jī)械制造過程進(jìn)行模擬和仿真，以最大限度地降低機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。從90年代到現(xiàn)在，虛擬制造技術(shù)發(fā)展迅速。它在現(xiàn)代機(jī)械工程設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用，并逐漸成為現(xiàn)代機(jī)械工程設(shè)計中的一項關(guān)鍵技術(shù)。介紹了最新的計算機(jī)虛擬制造技術(shù)和虛擬技術(shù)在現(xiàn)代機(jī)械工程設(shè)計中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】虛擬制造技術(shù)；現(xiàn)代機(jī)械工程設(shè)計；機(jī)械制造；機(jī)械產(chǎn)品；機(jī)械設(shè)計

1虛擬機(jī)械制造技術(shù)

過去，傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計技術(shù)的設(shè)備條件相對較差，設(shè)計技術(shù)不強(qiáng)，傳統(tǒng)設(shè)計理念保守，設(shè)計方法主要依靠粗略的計算和估算，主要是在更簡單和靜態(tài)的假設(shè)下完成機(jī)械工程設(shè)計。傳統(tǒng)設(shè)計具有較大的隨機(jī)性，設(shè)計的關(guān)鍵過程對設(shè)計人員也有一定的經(jīng)驗。而設(shè)計習(xí)慣則高度依賴。設(shè)計過程難以做到合理、高效、準(zhǔn)確。然而，現(xiàn)代虛擬設(shè)計的相關(guān)技術(shù)可以很好地實現(xiàn)現(xiàn)代設(shè)計的發(fā)展，對現(xiàn)代設(shè)計的準(zhǔn)確性依賴于設(shè)計經(jīng)驗、靜態(tài)設(shè)計過程和隨機(jī)設(shè)計理念，由數(shù)據(jù)知識工程和專家系統(tǒng)保證。虛擬計算機(jī)技術(shù)需要檢索、分析和收集必要的信息。找出優(yōu)化設(shè)計方案和數(shù)值計算方法，當(dāng)然也將在計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)、人工智能技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等方面有大量的應(yīng)用。虛擬機(jī)械制造（VMM）是一種用于虛擬環(huán)境下計算機(jī)模型虛擬分析的計算機(jī)設(shè)計技術(shù)。

2現(xiàn)代化機(jī)械工程設(shè)計

機(jī)械設(shè)計的主要目的是實現(xiàn)在實際應(yīng)用中的使用功能，讓機(jī)械產(chǎn)品具有一定的創(chuàng)新性，實現(xiàn)功能強(qiáng)大，經(jīng)濟(jì)低廉等的優(yōu)勢。傳統(tǒng)機(jī)械工程在設(shè)計過程中主要是受當(dāng)時條件的影響，在許多方面有局限性。與傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計不同的是現(xiàn)代化機(jī)械工程設(shè)計充分利用了當(dāng)前社會科學(xué)發(fā)展的技術(shù)條件，如先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)，在一些列分析過程中運(yùn)用了有關(guān)力學(xué)和數(shù)學(xué)等學(xué)科知識。從傳統(tǒng)的比較隨意性的設(shè)計中，逐漸轉(zhuǎn)化為以計算數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的設(shè)計，擁有的知識體系比較完整，其中涉及到動態(tài)現(xiàn)代化設(shè)計，使機(jī)械設(shè)計更符合現(xiàn)代化發(fā)展的需要。

3虛擬制造過程

3.1虛擬制造的模型設(shè)計

傳統(tǒng)的設(shè)計模型是設(shè)計者通過手繪作圖完成的，一旦客戶的意向發(fā)生改變，設(shè)計者需要推翻原先的設(shè)計圖，進(jìn)行重新設(shè)計和制定模型。虛擬制造的模型設(shè)計的方便性在于可以根據(jù)客戶的要求只對設(shè)計好的模型進(jìn)行部分修改。因此，虛擬制造的模型設(shè)計具有靈活性強(qiáng)的特點。虛擬制造的模型設(shè)計除了具有靈活性強(qiáng)的特點外，最重要的是虛擬制造技術(shù)，可以對設(shè)計的模型進(jìn)行虛擬加工，加工之后又可以對產(chǎn)品進(jìn)行仿真實驗。

3.2模型設(shè)計的步驟

一個完整的模型設(shè)計出來，需要很多步驟和程序。從模型的結(jié)構(gòu)來講，模型的設(shè)計可以分為三個步驟：元模型的設(shè)計、機(jī)構(gòu)模型的設(shè)計和產(chǎn)品模型的設(shè)計。首先，元模型的設(shè)計是模型設(shè)計的第一道工序，通常是模型的最基本的構(gòu)造的設(shè)計。如：模型產(chǎn)品的通用螺絲、螺帽和齒輪等。這些簡單的元模型，在設(shè)計起來并不簡單，因為原模型的設(shè)計需要相應(yīng)的理論公式、理論計算和實驗推理等知識無差別的使用。元模型雖小，設(shè)計它的方法卻非常復(fù)雜，并且元模型的規(guī)格要符合國家標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)則。所謂“千里之堤毀于蟻穴”，元模型設(shè)計的不符合標(biāo)準(zhǔn)，會導(dǎo)致后續(xù)的模型設(shè)計也會出現(xiàn)錯誤。其次，機(jī)構(gòu)模型是由元件模型組成的，機(jī)構(gòu)模型的設(shè)計只有在元建模型設(shè)計好的基礎(chǔ)之上才能進(jìn)行設(shè)計。對設(shè)計好的元件模型，進(jìn)行分類、分級。不同類別，不同級別的元件模型通過設(shè)計就構(gòu)成不同的機(jī)構(gòu)模型。機(jī)構(gòu)模型的設(shè)計構(gòu)成，簡而言之，就是對元件模型按要求進(jìn)行組裝，是模型總體設(shè)計中比較簡單的一種模型設(shè)計。最后，產(chǎn)品模型設(shè)計作為產(chǎn)品在計算機(jī)上的產(chǎn)品信息載體，是虛擬制造的模型設(shè)計的終極目標(biāo)。產(chǎn)品模型的設(shè)計是對機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行系統(tǒng)的結(jié)合，分為相應(yīng)的模塊，完成最終想要生產(chǎn)的產(chǎn)品模型的最后一道工序。

4虛擬制造技術(shù)的核心

4.1虛擬制造中的建模技術(shù)

虛擬技術(shù)的虛擬指的是通過計算機(jī)語言將現(xiàn)實生產(chǎn)當(dāng)中的機(jī)械制造流程映射出來，其中涉及到很多流程和步驟，主要有模型化、形式化以及計算機(jī)化等。建模環(huán)節(jié)涉及三種模型的建立。第一，生產(chǎn)模型。生產(chǎn)模型可以宏觀的劃分為動態(tài)和靜態(tài)兩種描述。動態(tài)描述需要基于系統(tǒng)狀態(tài)以及需求性質(zhì)均已知，然后進(jìn)行全方位的預(yù)測和判斷。靜態(tài)描述主要考察的是系統(tǒng)生產(chǎn)的能力和特性。第二，產(chǎn)品模型。該環(huán)節(jié)的主要工作是對產(chǎn)品的外觀特征以及各參數(shù)進(jìn)行具體的描述。第三，工藝模型。這個環(huán)節(jié)需要在產(chǎn)品的生產(chǎn)過程當(dāng)中充分聯(lián)系各工藝參數(shù)，從而將現(xiàn)實制造系統(tǒng)映射出來。

4.2虛擬制造中的仿真技術(shù)

所謂仿真技術(shù)是指通過計算機(jī)語言將復(fù)雜的機(jī)械生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行模型化處理，對其進(jìn)行模型化和簡潔化從而獲得最終的系統(tǒng)模型。對于仿真得到的系統(tǒng)模型進(jìn)行應(yīng)用分析，便可以實現(xiàn)在虛擬狀態(tài)下對產(chǎn)品的性能參數(shù)進(jìn)行分析。仿真和實際的生產(chǎn)系統(tǒng)是兩個互相獨立的系統(tǒng)，他們之間不會產(chǎn)生相互干擾作用，與此同時，仿真系統(tǒng)可以充分地利用計算機(jī)的計算能力，從而大大縮短生產(chǎn)過程當(dāng)中所耗用的時間成本，可以幫助我們最大化地減少人力、物力以及財力的浪費(fèi)。仿真技術(shù)涉及到的環(huán)節(jié)比較復(fù)雜，其中，制造的仿真和加工的仿真是兩個互相獨立的過程。

4.3虛擬制造中的虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬制造中的虛擬現(xiàn)實技術(shù)是基于計算機(jī)圖像系統(tǒng)、計算機(jī)顯示系統(tǒng)以及計算機(jī)控制等接口設(shè)備，為人類展現(xiàn)出一種沉浸體驗的計算機(jī)技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要是為了改善以往使用的傳統(tǒng)的計算機(jī)交互方式，從而更好地提升計算機(jī)的操作性能。此外，虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的操作者、機(jī)器以及人機(jī)接口是目前為止最有力的一種仿真形式，極大地便利了人們對虛擬環(huán)境的體驗，給人以身臨其境的感覺。

5虛擬制造技術(shù)在現(xiàn)代機(jī)械工程中的應(yīng)用

5.1具有強(qiáng)大的通用性和功能性

虛擬樣機(jī)技術(shù)的建立和發(fā)展離不開分析力學(xué)和多剛體動力學(xué)，這兩門學(xué)科是該技術(shù)得以快速發(fā)展的必要基礎(chǔ)條件，虛擬樣機(jī)技術(shù)的核心所在是解決復(fù)雜狀況下的機(jī)械系統(tǒng)建模問題。實際上，虛擬樣機(jī)軟件在對機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動進(jìn)行分析計算的時候絕大多數(shù)采取的都是帶有約束乘子的微分方程。建立該微分方程的基礎(chǔ)是假設(shè)系統(tǒng)當(dāng)中構(gòu)建的自由度是六，對于多余的自由度分別進(jìn)行限制，從而保證其通用性和適用性。

5.2極大的簡化了建模過程

傳統(tǒng)意義上的建模是在對機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動狀況進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上作出相應(yīng)的動力分析和計算，因此，該過程當(dāng)中不可避免的是對圖形的分析處理以及相關(guān)公式的大量計算。考慮到系統(tǒng)運(yùn)動的復(fù)雜性，所以，圖形及其公式處理都是相當(dāng)繁瑣的，這就導(dǎo)致在對圖形分析和公式計算的時候很容易出現(xiàn)各種各樣的錯誤。與之相對應(yīng)的虛擬制造技術(shù)當(dāng)中的建模不需要做這些大量的前期工作，而僅僅需要工作人員將構(gòu)建的連接方式、基本的物理參數(shù)進(jìn)行輸入，然后借助強(qiáng)大的計算機(jī)來完成后期的分析和求解，不僅大大減少了工作量還有效提升了設(shè)計的精準(zhǔn)度。

5.3具備高效的數(shù)據(jù)處理能力

數(shù)據(jù)處理一直以來都是一個比較繁瑣的過程，出來對數(shù)據(jù)理性的歸納分析以外還必須要求工作人員具備極高的工作素養(yǎng)。虛擬制造技術(shù)不僅幫助我們直觀的看到運(yùn)動的整個過程，還可以對機(jī)械的性能進(jìn)行全方位的掌握。

6結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的提高，我國工業(yè)領(lǐng)域中的技術(shù)發(fā)展和先進(jìn)工藝技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛。虛擬制造技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，將會改變現(xiàn)代化機(jī)械工程設(shè)計過程中傳統(tǒng)的制造模式。能在產(chǎn)品制造出來之前對出現(xiàn)錯誤的地方進(jìn)行修改，實現(xiàn)對產(chǎn)品性能的預(yù)測等優(yōu)勢，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率以及制造周期，具有廣闊的發(fā)展前景。

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