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

孔令寧

（新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000）

與其他技術(shù)相比，仿真技術(shù)具有較強(qiáng)的綜合性，也涵蓋許多計(jì)算機(jī)技術(shù)。仿真技術(shù)中包含的計(jì)算機(jī)技術(shù)能夠展現(xiàn)出虛擬化的效果，還能夠明顯縮減成本，提升機(jī)械設(shè)計(jì)制造水平，推動計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，真正實(shí)現(xiàn)我國機(jī)械制造行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 概述仿真技術(shù)與機(jī)械設(shè)計(jì)制造

1.1 仿真技術(shù)

仿真技術(shù)具有較強(qiáng)的便利性，在社會多個行業(yè)和領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。仿真技術(shù)在實(shí)際運(yùn)行中包含多個應(yīng)用工具，依據(jù)工具的不同性質(zhì)能夠?qū)⑵鋭澐譃橛布蛙浖７抡嬗布且杂?jì)算機(jī)為主，多種計(jì)算機(jī)都包含在內(nèi)，比如數(shù)字計(jì)算機(jī)、模擬計(jì)算機(jī)等[1]。不只是計(jì)算機(jī)，還有很多物理仿真器也是仿真硬件的重要組成部分，比如目標(biāo)仿真器、運(yùn)動仿真器等。而仿真軟件包括很多部分，主要有仿真語言、數(shù)據(jù)庫等。在應(yīng)用仿真技術(shù)時，為了構(gòu)建目標(biāo)系統(tǒng)模型，往往會采取有效的實(shí)驗(yàn)策略，如離散事件系統(tǒng)仿真、連續(xù)系統(tǒng)仿真等。在先進(jìn)的信息技術(shù)的大力支持下，很多行業(yè)都開始應(yīng)用仿真技術(shù)，包括航空航天行業(yè)、化工行業(yè)等。目前，通過合理應(yīng)用仿真技術(shù)，可以減少機(jī)械加工制造行業(yè)在研發(fā)與制造硬件中所花費(fèi)的時間及資金，為機(jī)械加工制造企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 機(jī)械設(shè)計(jì)制造

機(jī)械設(shè)計(jì)制造和仿真技術(shù)有很多相同之處，都相當(dāng)復(fù)雜。機(jī)械設(shè)計(jì)制造也必須得到不同學(xué)科和不同技術(shù)的大力支持，比如電子工程以及機(jī)械自動化等?？萍嫉娜找孢M(jìn)步，為機(jī)械設(shè)計(jì)制造的穩(wěn)定發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)對象以設(shè)備零件和工業(yè)器械等為主，在進(jìn)行制造前必須構(gòu)建模型，還要進(jìn)行多個科學(xué)實(shí)驗(yàn)以保證模型的合理性。目前，我國機(jī)械加工制造行業(yè)以信息技術(shù)以及其他技術(shù)為基礎(chǔ)，在朝著自動化的方向不斷發(fā)展。

2 仿真技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中應(yīng)用的重要優(yōu)勢

2.1 減少制造成本

在產(chǎn)品研究和開發(fā)中，企業(yè)必須投入很多資金以及人力，以滿足工作的全方位推進(jìn)。利用仿真技術(shù)能夠建立二維模型和三維模型，對機(jī)械設(shè)計(jì)制造的全過程進(jìn)行模擬。仿真技術(shù)還可以利用計(jì)算機(jī)完成煩瑣復(fù)雜的工作，使工作人員從沉重的工作中徹底解脫出來。并且，機(jī)械模式建構(gòu)也能夠通過計(jì)算機(jī)來真正實(shí)現(xiàn)。合理應(yīng)用仿真技術(shù)可以減少實(shí)體模型的建造成本，提高產(chǎn)品研究和開發(fā)水平，加快產(chǎn)品研究和開發(fā)速度，減少設(shè)計(jì)制造成本。

2.2 精準(zhǔn)分析數(shù)據(jù)

近年來，在我國社會各行各業(yè)發(fā)展速度不斷加快的背景下，機(jī)械產(chǎn)品越來越復(fù)雜，也越來越精密，對機(jī)械設(shè)計(jì)的復(fù)雜化以及多元化等提出了更高的要求，也給機(jī)械設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理帶來了很大的難度。在機(jī)械設(shè)計(jì)制造過程中，設(shè)計(jì)人員必須分析大量數(shù)據(jù)，一旦出現(xiàn)錯誤，就會降低產(chǎn)品性能。而仿真技術(shù)可以對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)合理的分析，降低設(shè)計(jì)難度，幫助設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)出完善且全面的設(shè)計(jì)方案。

2.3 完善設(shè)計(jì)方案

在傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)制造中，制定設(shè)計(jì)制造方案的過程相當(dāng)復(fù)雜，需要人工分析數(shù)據(jù)，這樣既浪費(fèi)時間和精力，又很難獲得合理的設(shè)計(jì)方案。并且不能將每個細(xì)節(jié)精細(xì)化，不能全面分析每個過程，易導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量降低，產(chǎn)品性能減弱[2]。而若將仿真技術(shù)科學(xué)地應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)制造中，設(shè)計(jì)人員就能夠利用計(jì)算機(jī)來整合和分析數(shù)據(jù)，構(gòu)建產(chǎn)品的三維模型，設(shè)計(jì)流程非常便捷，還可以對比分析不同的設(shè)計(jì)方案，選擇最佳、最適合的設(shè)計(jì)方案。

3 仿真技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的具體應(yīng)用

3.1 在齒輪設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

齒輪是機(jī)械設(shè)備中必不可少的構(gòu)成部分之一。許多機(jī)械設(shè)備的傳動部分需要保證齒輪的穩(wěn)定運(yùn)行和高效配合，才可以真正實(shí)現(xiàn)傳動目標(biāo)。換言之，齒輪的設(shè)計(jì)、制造以及應(yīng)用，直接影響機(jī)械設(shè)計(jì)制造的總體。通過合理應(yīng)用仿真技術(shù)，可以利用仿真模擬對機(jī)械設(shè)計(jì)過程中齒輪的配合效果進(jìn)行檢查，結(jié)合對機(jī)械作用的實(shí)際需求來不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。當(dāng)前的仿真技術(shù)可以用于齒輪端面模型設(shè)計(jì)和仿真操作，從各個層面、各個角度來準(zhǔn)確判斷齒輪是否具備有效性。此外，在機(jī)械設(shè)計(jì)制造的齒輪設(shè)計(jì)中應(yīng)用仿真技術(shù)，也能借助計(jì)算機(jī)設(shè)備對圓弧針齒運(yùn)行軌跡進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)仿真模擬齒輪運(yùn)行的根本目標(biāo)（如圖1 所示）。認(rèn)真挖掘且全面發(fā)揮仿真技術(shù)在機(jī)械齒輪設(shè)計(jì)制造中的重要作用，可以顯著提高機(jī)械齒輪質(zhì)量，為促進(jìn)機(jī)械加工制造行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。

圖1 仿真技術(shù)在齒輪中應(yīng)用

3.2 在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

當(dāng)前，機(jī)械制造行業(yè)普遍應(yīng)用仿真技術(shù)，主要包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、齒輪設(shè)計(jì)等。機(jī)械制造過程最為關(guān)鍵的是讓機(jī)械結(jié)構(gòu)的所有部件在內(nèi)部正常運(yùn)行。利用仿真技術(shù)在機(jī)械運(yùn)行前對其運(yùn)行內(nèi)容進(jìn)行模擬優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，調(diào)試與完善所有運(yùn)行過程，以更好地完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使機(jī)械結(jié)構(gòu)更加精準(zhǔn)[3]。大規(guī)模機(jī)械設(shè)計(jì)與制造過程需要重視不同零碎件之間的有效銜接與相互配合，如果出現(xiàn)偏差，就會導(dǎo)致機(jī)械故障，對于機(jī)械制造行業(yè)來說，這是難以攻克的重大難題。但是計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)能夠在機(jī)械安裝前展開模擬實(shí)驗(yàn)，模擬機(jī)械設(shè)計(jì)制造過程，有利于充分了解機(jī)械內(nèi)部不同構(gòu)件之間的銜接準(zhǔn)確度和結(jié)合過程。仿真技術(shù)的模擬性能夠充分展現(xiàn)機(jī)械內(nèi)部的整體構(gòu)造，幫助人們發(fā)現(xiàn)不同構(gòu)件之間彼此碰撞和組合可能缺乏合理性等問題，然后進(jìn)行模擬調(diào)整與完善，這樣可以顯著提升設(shè)計(jì)人員的檢測水平，幫助他們更快做好自身的工作。

3.3 在數(shù)值計(jì)算中的應(yīng)用

在機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，能夠使復(fù)雜數(shù)據(jù)的計(jì)算具有更高的可行性和準(zhǔn)確性。在數(shù)值計(jì)算中應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，要基于計(jì)算機(jī)技術(shù)中編程的發(fā)展[4]。就機(jī)械制造行業(yè)而言，必須保證準(zhǔn)確度，它對機(jī)械制造質(zhì)量有著極其重要的影響，一旦出現(xiàn)誤差，就會導(dǎo)致機(jī)械出現(xiàn)磨損的情況，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)械的使用期限縮短。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以利用既定的程序語言對復(fù)雜數(shù)據(jù)實(shí)施簡潔運(yùn)算，這樣除了可以明顯降低人工成本，也可以使計(jì)算結(jié)果的誤差盡量控制在最小值，提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.4 在機(jī)械加工設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

對于機(jī)械設(shè)備而言，加工是主要內(nèi)容，加工質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)乎機(jī)械設(shè)備后期是否可以正常運(yùn)行。在該情況下，應(yīng)用仿真技術(shù)來加工，可以加強(qiáng)機(jī)械性能，提升機(jī)械質(zhì)量，特別是在比較復(fù)雜的機(jī)械加工過程中，應(yīng)用仿真技術(shù)可以提升加工水平。例如將仿真技術(shù)應(yīng)用在機(jī)械數(shù)控加工中，借助程序編寫零部件，將其轉(zhuǎn)變成圖形信息，再結(jié)合圖形的實(shí)際情況進(jìn)行加工。在切削加工中，也可以應(yīng)用仿真技術(shù)來建模處理，利用仿真模型可以預(yù)測各個切削時間的機(jī)械質(zhì)量以及機(jī)械性能，進(jìn)而完善切削步驟，使加工質(zhì)量得到大幅提升[5]。在仿真技術(shù)日益發(fā)展的背景下，今后的機(jī)械加工過程可以逐步完善加工方法，提升加工精度，加強(qiáng)機(jī)械設(shè)備的實(shí)際性能。特別是在大規(guī)模的機(jī)械設(shè)備加工設(shè)計(jì)中，由于有相當(dāng)多的零部件，加工周期很長，但通過合理應(yīng)用仿真技術(shù)，可以減少加工時間或者避免返工的情況出現(xiàn)，保證加工質(zhì)量。

4 仿真技術(shù)在機(jī)械加工制造行業(yè)中的發(fā)展前景

計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，帶動著仿真技術(shù)高速發(fā)展。尤其是一些仿真硬件，已經(jīng)凸顯出數(shù)字化仿真運(yùn)算趨勢，具體表現(xiàn)在利用超小型機(jī)和外圍處理器來相互配合，對一些大型機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬以及操作。就仿真軟件來講，今后仿真技術(shù)將與人工智能技術(shù)相結(jié)合，軟件系統(tǒng)將具有更高的精確性以及全面性。通過合理應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及仿真技術(shù)，今后機(jī)械加工制造行業(yè)的發(fā)展方向勢必側(cè)重于虛擬制造。簡單來說，虛擬制造是指利用先進(jìn)的技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及產(chǎn)品制造，仿真對象不再僅僅是機(jī)械設(shè)備，而是逐漸延伸到機(jī)械加工制造全過程，可以對生產(chǎn)資源進(jìn)行合理調(diào)配，顯著提升生產(chǎn)管理水平[6]。此外，有利于減少機(jī)械設(shè)備加工制造周期、加強(qiáng)成本控制以及提高制造水平，為今后我國加工制造企業(yè)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

總而言之，在機(jī)械加工制造中科學(xué)地應(yīng)用仿真技術(shù)，將活力源源不斷地注入企業(yè)發(fā)展中，可以真正滿足行業(yè)自動化以及智能化的實(shí)際發(fā)展需求。相對于以往的研發(fā)方法，仿真技術(shù)能夠?qū)C(jī)械系統(tǒng)研發(fā)中的許多復(fù)雜問題有效解決，減少機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和研發(fā)的周期，推動機(jī)械加工行業(yè)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展。技術(shù)人員必須與時俱進(jìn)，及時了解仿真技術(shù)的最新信息，并在機(jī)械系統(tǒng)設(shè)備的研發(fā)中科學(xué)地應(yīng)用。仿真技術(shù)除了可以使機(jī)械加工制造行業(yè)的產(chǎn)品效率得到顯著提高，也可以進(jìn)一步促進(jìn)行業(yè)穩(wěn)定發(fā)展。