探究仿真技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造過程中的應(yīng)用

摘? 要：隨著科技的不斷更新與完善，仿真技術(shù)逐漸滲透到多個領(lǐng)域中，為機(jī)械設(shè)計(jì)制造提供充足的技術(shù)支持。對此，該文在仿真技術(shù)基礎(chǔ)上的機(jī)械制造內(nèi)容進(jìn)行分析，分別對該技術(shù)在機(jī)械結(jié)構(gòu)件、齒輪設(shè)計(jì)、復(fù)雜數(shù)值計(jì)算、復(fù)雜機(jī)械加工中的應(yīng)用方法進(jìn)行分析，最后對該仿真系統(tǒng)的構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)加以闡述，力求通過該文研究，使機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造與加工在仿真技術(shù)應(yīng)用下質(zhì)量和效率得到顯著提升。

關(guān)鍵詞：仿真技術(shù)? 機(jī)械設(shè)計(jì)? 機(jī)械制造

中圖分類號：TP391 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）04（a）-0037-02

在計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展之下，仿真技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，與多門學(xué)科和理論相結(jié)合，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)與相關(guān)軟件的作用開展虛擬實(shí)驗(yàn)。在工業(yè)技術(shù)發(fā)展背景下，仿真技術(shù)得到進(jìn)一步成熟和完善，以特有的方式影響著人們生活，在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中得到廣泛應(yīng)用。

1? 基于仿真技術(shù)的機(jī)械制造

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，在社會多個領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，對仿真技術(shù)的完善與優(yōu)化起到極大的促進(jìn)作用，同時也帶動著全社會發(fā)生改變。仿真屬于一種數(shù)字化手段，也被稱為虛擬樣機(jī)技術(shù)，主要是指利用專門軟件構(gòu)建模型，通過多種動態(tài)性能參數(shù)對樣機(jī)的運(yùn)行方案進(jìn)行優(yōu)化，可取消大量實(shí)物樣機(jī)制造的過程，節(jié)省了大量的時間與成本。同時，與傳統(tǒng)方式相比更加安全穩(wěn)定，操作便利。在當(dāng)前機(jī)械工程計(jì)算時，要想對多種復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析與實(shí)驗(yàn)，對操作中存在的問題進(jìn)行解決，都需要將仿真技術(shù)引入其中，對系統(tǒng)實(shí)際特質(zhì)進(jìn)行分析。通過仿真技術(shù)完成初始設(shè)計(jì)，構(gòu)建虛擬樣機(jī)，為虛擬系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)的開展提供更多便利，還有助于系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)測和優(yōu)化。在機(jī)械制造過程中，該技術(shù)的應(yīng)用可使制造成本與質(zhì)量均得到有效優(yōu)化，是一項(xiàng)科學(xué)的、理想的工程技術(shù)[1]。

2? 仿真技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用

隨著仿真技術(shù)的不斷成熟和完善，其逐漸具有了應(yīng)用范圍大、集成化、分布性等特點(diǎn)，在機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造與加工等多個環(huán)節(jié)中得到廣泛應(yīng)用，為企業(yè)帶來更多的經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)約更多的資金與成本，獲得工作人員的一致認(rèn)可和喜愛。

2.1 在機(jī)械結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用

機(jī)械產(chǎn)品的產(chǎn)生需要對大量機(jī)構(gòu)進(jìn)行組裝，才可完成預(yù)期的工藝操作。在對新產(chǎn)品進(jìn)行研發(fā)時，機(jī)構(gòu)能否正確展現(xiàn)設(shè)定動機(jī)、機(jī)械之間的配合是否得當(dāng)、機(jī)構(gòu)間是否存在矛盾情況、如何選擇最佳組合方案等，這些問題的解答均要借助仿真技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。對于大型三維機(jī)械軟件來說，大多具備機(jī)械運(yùn)動仿真功能，可在虛擬環(huán)境下對裝配體進(jìn)行設(shè)計(jì)，對機(jī)構(gòu)運(yùn)動進(jìn)行展示，具有直觀性、形象性特征。該軟件可根據(jù)裝配關(guān)系主動計(jì)算機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動數(shù)，并自動增加鉸鏈、彈簧、運(yùn)動發(fā)生器等。在開展運(yùn)動仿真的過程中，只需對主運(yùn)動件進(jìn)行設(shè)計(jì)即可，還可從多個角度進(jìn)行觀察，對機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動干涉情況進(jìn)行檢驗(yàn)，為設(shè)計(jì)者檢查提供更多便利[2]。

2.2 在齒輪設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

機(jī)械裝備包含諸多基礎(chǔ)零部件，齒輪便是其中重要的組成部分，通過大量實(shí)驗(yàn)研究得出結(jié)論：利用Visual lisp語言可從幾何角度對其任意斷面齒形構(gòu)建模型，開展傳動仿真。在對圓弧針齒行星進(jìn)行研究時，也可利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對正交面齒輪傳動接觸點(diǎn)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析，如齒數(shù)比、刀具齒數(shù)差、模數(shù)等;在齒輪泵設(shè)計(jì)過程中，也可將仿真技術(shù)應(yīng)用其中，具有十分良好的設(shè)計(jì)效果。

2.3 在復(fù)雜數(shù)值計(jì)算中的應(yīng)用

在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中，計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛。在以往的機(jī)械設(shè)計(jì)與制造中，由于受到多種因素的制約無法對復(fù)雜問題進(jìn)行計(jì)算，均可借助仿真技術(shù)達(dá)到理想狀態(tài)。此外，計(jì)算機(jī)輔助可對大量復(fù)雜計(jì)算進(jìn)行簡化，有效節(jié)省大量時間，降低勞動強(qiáng)度，使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確、可靠。在對新產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)、研發(fā)時，可充分發(fā)揮仿真技術(shù)的作用與優(yōu)勢，遵循概念行程—初始設(shè)計(jì)—方案細(xì)化—開展實(shí)驗(yàn)—產(chǎn)品修正—再次實(shí)驗(yàn)的流程，直至產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)與規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)相符合。通過仿真技術(shù)的引入，有效節(jié)省了材料浪費(fèi)、減少了時間消耗。將仿真技術(shù)引入機(jī)械產(chǎn)品動力學(xué)模型之中，可得到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度應(yīng)力、動態(tài)惡性、熱態(tài)特性、熱變形等參數(shù)，通過計(jì)算分析，可有效預(yù)測機(jī)械出現(xiàn)的失效風(fēng)險因素以及一系列潛在安全隱患。

2.4 在復(fù)雜機(jī)械加工中的應(yīng)用

現(xiàn)階段，企業(yè)的經(jīng)營規(guī)模不斷拓展，現(xiàn)代化工業(yè)技術(shù)得到飛速發(fā)展，各個生產(chǎn)工藝、流程日益復(fù)雜。在機(jī)械制造行業(yè)中，以機(jī)械加工為生產(chǎn)基礎(chǔ)，仿真技術(shù)的應(yīng)用更有助于挖掘深層機(jī)理，使機(jī)械加工質(zhì)量、性能得到顯著提升，為機(jī)械設(shè)計(jì)與制造提供充足的理論支持。

（1）在數(shù)控加工過程中，數(shù)控加工模塊可對CNC機(jī)床零件的加工程序進(jìn)行編制，采用生成的圖形、數(shù)據(jù)等進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可變成控制指令，再對各項(xiàng)加工參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

（2）在磨削加工過程中，根據(jù)時間變化情況構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，為磨削加工提供自動化、最優(yōu)化、虛擬化條件。在變進(jìn)給過程中，磨削功率不斷發(fā)生變化，通過仿真技術(shù)構(gòu)建模型可得出最佳磨削方案，應(yīng)用到實(shí)際磨削加工中。

（3）在銑削加工過程中，根據(jù)銑切削過程建立動力學(xué)模型，創(chuàng)造出滿足切削振動的條件。

（4）在電火花切割中，構(gòu)建多軸聯(lián)動加工復(fù)雜曲面，建立仿真模型，便可對實(shí)際加工工藝的效果進(jìn)行預(yù)測、評估，還可實(shí)現(xiàn)參數(shù)的最優(yōu)化。

3? 計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)的構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)

仿真技術(shù)是在數(shù)學(xué)模型與仿真模型的基礎(chǔ)上建立起來，進(jìn)而對機(jī)械設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行分析和研究。該過程立足于實(shí)際情況，涉及到力學(xué)、幾何造型、圖形學(xué)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)等多個學(xué)科領(lǐng)域，分層開展，不但可將系統(tǒng)中存在的現(xiàn)實(shí)問題客觀地體現(xiàn)出來，還可使處理者的相關(guān)需求得到充分滿足。在計(jì)算機(jī)處理過程中，可將真實(shí)系統(tǒng)抽象出來的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行處理，對模型中相關(guān)信息進(jìn)行傳輸，從而體現(xiàn)出真實(shí)系統(tǒng)中的某些特質(zhì)，也可通過三維立體的形式展現(xiàn)出來，更加直觀形象。在數(shù)學(xué)模型構(gòu)成后，仿真精度取決于建模精準(zhǔn)度，因此建模精準(zhǔn)度越高，網(wǎng)絡(luò)仿真程度便越發(fā)精準(zhǔn)，后續(xù)研究也就越方便。對此，仿真系統(tǒng)的構(gòu)成與實(shí)現(xiàn)如下。

3.1 模型構(gòu)建

針對所要研究的問題，先抽象出一個可靠的系統(tǒng)，使仿真目標(biāo)得以達(dá)成，并為其添加約束條件與邊界條件。然后，運(yùn)用相關(guān)學(xué)科知識，通過數(shù)學(xué)公式將該系統(tǒng)準(zhǔn)確的表達(dá)出來，以計(jì)算機(jī)仿真核心作為闡述內(nèi)容，也就是數(shù)學(xué)模型。以時間變化為依據(jù)可構(gòu)建出3種類型的仿真模型，分別為連續(xù)類、離散類與混合類;以系統(tǒng)狀態(tài)描述與變化方法為依據(jù)，可將模型分為連續(xù)系統(tǒng)模型與離散事件模型。

3.2 模型變換

該環(huán)節(jié)主要是將抽象的數(shù)學(xué)表達(dá)式轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)處理形式，需要借助恰當(dāng)?shù)恼Z言與算法將內(nèi)容表現(xiàn)出來，此種形式所展現(xiàn)的內(nèi)容便是仿真的重要部分，也就是仿真模型。在此過程中，不但可根據(jù)實(shí)際需求研制出新的系統(tǒng)，還可將現(xiàn)有的仿真軟件直接拿來使用[3]。

3.3 模型實(shí)驗(yàn)

將構(gòu)建的仿真模型傳輸?shù)接?jì)算機(jī)之中，在該模型運(yùn)行過程中便會形成仿真結(jié)果，這便是仿真實(shí)驗(yàn)。由于實(shí)驗(yàn)的開展是以先期設(shè)計(jì)方案為依據(jù)，因此實(shí)驗(yàn)操作較為簡單。但是，對仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行衡量顯得十分重要，對此可采用兩種方式來實(shí)現(xiàn)：一種為置信通道法，另一種為反向驗(yàn)證法，將其應(yīng)用到模型實(shí)驗(yàn)中，可確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確高效。

4? 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)階段，企業(yè)的經(jīng)營規(guī)模不斷拓展，現(xiàn)代化工業(yè)技術(shù)得到飛速發(fā)展，各個生產(chǎn)工藝、流程日益復(fù)雜，急需將自動化技術(shù)、仿真技術(shù)等應(yīng)用其中，使設(shè)計(jì)方案得以完善和優(yōu)化，尤其是在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造方面，更應(yīng)積極引入仿真技術(shù)，使機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量和制造效果得到顯著提升。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊宇哲.淺談仿真技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造過程中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2018（11）：103.

[2] 王正鐸.淺析仿真技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造中的應(yīng)用[J]. 電子元器件與信息技術(shù)，2019（3）：95-98.

[3] 楊磊.仿真技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造過程中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2018（4）：165.

作者簡介：劉輝躍（1981，8—），男，漢族，湖南邵東人，本科，中級工程師，研究方向：商用車集成電驅(qū)橋。