包裝機械設(shè)計制造中計算機仿真技術(shù)的運用

郭聰

摘要：在現(xiàn)代包裝行業(yè)中，包裝機械是最為基礎(chǔ)的設(shè)備，也是商品制造過程中不可缺少的重要裝備之一。伴隨著新型計算機技術(shù)的應(yīng)用，其功能和作用逐步完善，產(chǎn)品的類型也日益增多。隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，社會大眾對產(chǎn)品的制造質(zhì)量、種類等要求也越來越高。行業(yè)競爭日益激烈，要求制造廠商必須在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時，盡量減少產(chǎn)品開發(fā)時間。筆者簡要闡述了機械仿真技術(shù)對包裝機械設(shè)計制造的作用以及包裝機械制造中仿真技術(shù)的運用，包括齒輪設(shè)計、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和復(fù)雜數(shù)值計算等，最后舉出相關(guān)應(yīng)用實例。

關(guān)鍵詞：包裝機械設(shè)計；計算機仿真技術(shù)；運用

計算機仿真技術(shù)是指通過利用應(yīng)用程序?qū)栴}進行分析和處理的一種實用技術(shù)。其主要特點是效率高、安全性高以及性能強大等，目前已成為系統(tǒng)分析和評估等使用的重要技術(shù)之一。在其發(fā)展的過程中，大致經(jīng)歷了3個時期，即早期的模擬仿真、后來的混合仿真、逐漸完善的數(shù)字仿真階段。隨著社會的發(fā)展，計算機仿真技術(shù)已逐步運用到社會生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，在一定程度上促進了企業(yè)產(chǎn)品的制造，進而提升其經(jīng)濟實力和競爭能力。

1 機械仿真技術(shù)對包裝機械設(shè)計制造的作用

仿真技術(shù)也叫作虛擬樣機技術(shù)，設(shè)計者通過相關(guān)的應(yīng)用程序在電腦終端設(shè)立模型，通過對各類非靜態(tài)性的系數(shù)進行分析以實現(xiàn)設(shè)計方案的優(yōu)化和完善，其優(yōu)勢是操作更為便捷，不需要制造事物產(chǎn)品即可完成，實現(xiàn)了用新興技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實驗方式的轉(zhuǎn)變，為生產(chǎn)制造業(yè)提供了技術(shù)支持和發(fā)展的推動力。在當(dāng)前的包裝機械設(shè)計制造行業(yè)中，為及時高效地處理產(chǎn)品生產(chǎn)中的方案設(shè)計、研究以及進行實驗等多方面的問題，大都需在電腦終端設(shè)定相關(guān)系統(tǒng)的仿真模擬造型，通過仿真模型對實際運用的主體進行試驗。

在系統(tǒng)開發(fā)和方案設(shè)計的初級階段，相關(guān)工作人員只需利用輔助程序設(shè)計并建立多種類型的模擬樣機，即可對實際中的或正在研發(fā)的系統(tǒng)進行分析或?qū)嶒?，其用于監(jiān)管和改進的相關(guān)應(yīng)用的操作也十分簡單。新型仿真技術(shù)的運用除了能夠幫助提升機械裝備開發(fā)研究的質(zhì)量，同時還能在很大程度上降低產(chǎn)品制造成本和縮短產(chǎn)品開發(fā)生產(chǎn)周期，進而提升企業(yè)的經(jīng)濟效益。

2 包裝機械設(shè)計制造中計算仿真技術(shù)的應(yīng)用

2.1 齒輪設(shè)計

在包裝機械制造中，齒輪是最為主要也是最為基礎(chǔ)的組成零件，因此對其在制作過程中計算機仿真技術(shù)的運用的研究是非常有實際意義的。例如，運用Visual Lisp語言就可從幾何角度對齒輪設(shè)計提供研究輔助，其主要研究齒輪任一平面的齒輪形狀的模型建立和仿真?zhèn)鲃拥脑O(shè)計。齒輪泵的齒輪開發(fā)研究中也在一定程度上依靠計算機仿真技術(shù)的支持。另外，圓弧針齒行星轉(zhuǎn)動的動力學(xué)研究也可以利用該技術(shù)，仿真技術(shù)在其中的應(yīng)用主要是對模擬造型進行監(jiān)測和實驗，以確認(rèn)和審核新型設(shè)計方案的實用性和是否有技術(shù)技術(shù)性問題存在，為提高傳動設(shè)備的實用性和性能提供了技術(shù)理念和數(shù)據(jù)分析的支持。在電腦終端實現(xiàn)對制造參數(shù)的多次修改和確認(rèn)，保障設(shè)計的樣品可直接運用到企業(yè)制造或生產(chǎn)的過程中，這也是齒輪設(shè)計的關(guān)鍵發(fā)展趨勢之一。

2.2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

一般來說，機械產(chǎn)品的組裝要求都較高，涉及的零部件較多。為保證已經(jīng)完成制定的工藝活動能夠順利實現(xiàn)，在對新產(chǎn)品進行開發(fā)和研究的過程中，機械產(chǎn)品的相關(guān)機構(gòu)是否能夠正常地完成事先設(shè)定的動作，機構(gòu)相互之間的運動能否實現(xiàn)合理配合，機構(gòu)之間有無互相影響或干涉的部分存在以及如何確定各類的機構(gòu)融合形式或設(shè)計方案來更好地適應(yīng)設(shè)計指標(biāo)等等，這種種難題和麻煩都需要通過計算機仿真技術(shù)的應(yīng)用來實現(xiàn)有效解決。

通常規(guī)模較大的立體機械設(shè)計程序都會自動準(zhǔn)備一個機構(gòu)仿真的功能運用，在模擬條件下設(shè)計完成的裝配體能夠?qū)崿F(xiàn)對機構(gòu)的運動軌跡和方式進行虛擬演示，這種應(yīng)用程序大多較為直觀和便捷。同時，這類應(yīng)用程序根據(jù)裝配的數(shù)值進行自動機構(gòu)數(shù)據(jù)的運算，并且智能添加相關(guān)的附加設(shè)備，例如彈簧和運動發(fā)生器等。若要實現(xiàn)運動學(xué)的仿真，對主運動構(gòu)件進行設(shè)定即可，還能實現(xiàn)多方位的觀察和監(jiān)測，應(yīng)用程序還可同時對產(chǎn)生干擾的程序進行檢測，以幫助設(shè)計者進行檢驗和審核。

2.3 復(fù)雜數(shù)值計算

新型技術(shù)的應(yīng)用使得大多數(shù)計算程序繁雜的分析更加簡單明了、計算難度降低，從而降低了計算的時間成本，規(guī)避了無意義的、水平較低的人力耗費，使得計算效率更高、速度更快以及精確度更高，在新產(chǎn)品的開發(fā)和研究設(shè)計的方面發(fā)揮了巨大作用。

機械產(chǎn)品研發(fā)程序大多是從理論設(shè)計開始，到接下來的廓形設(shè)計、細(xì)節(jié)設(shè)計、實驗、細(xì)節(jié)修改到再次實驗的循環(huán)過程，直到產(chǎn)品達到相關(guān)的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，其中仿真技術(shù)的運用幫助產(chǎn)品研發(fā)和設(shè)計，在最大程度上降低了財力成本和時間成本的耗費。對包裝產(chǎn)品的動力學(xué)虛擬樣機進行技術(shù)分析，能夠獲取產(chǎn)品構(gòu)造的強度應(yīng)力、運動狀態(tài)以及其他相關(guān)參數(shù)，通過對相關(guān)數(shù)值的運算和研究可以發(fā)現(xiàn)其中的潛在風(fēng)險和質(zhì)量問題等，從而提高其開發(fā)和生產(chǎn)效率。

2.4 機械設(shè)計制造及自動化

計算機技術(shù)的運用主要體現(xiàn)在計算機虛擬技術(shù)和仿真技術(shù)的運用方面。例如借助計算機技術(shù)實現(xiàn)各類大型電子設(shè)備被開發(fā)并投入使用。計算機使機械設(shè)計制造的精確度不斷提升，促進了我國計算機工業(yè)化的發(fā)展，并使得集成電路的集成效率和水平得到有效提升，其存儲器的空間也在逐漸擴大。機械設(shè)計制造及自動化的程序較為繁雜，計算機技術(shù)的程序優(yōu)勢使得其在機械設(shè)計行業(yè)中擁有重要的地位和作用。在機械設(shè)計過程中，涉及的復(fù)雜的設(shè)計圖紙的繪制，需要計算機的有效輔助，例如CAD，CAM等繪圖程序能夠有效幫助降低繪圖的復(fù)雜程度，進而提高繪圖效率。

計算機仿真技術(shù)是可視技術(shù)和虛擬技術(shù)不斷改進的結(jié)果。仿真程序?qū)Ψ抡鎸ο蠼?shù)學(xué)模型，將實際仿真對象的相關(guān)數(shù)據(jù)和參數(shù)信息較為全面、詳細(xì)并客觀地表現(xiàn)出來。隨后通過計算機技術(shù)分析，既能提高仿真對象的實用性能，又能在改進的過程中對相關(guān)程序進行簡化，降低操作難度。另外，仿真技術(shù)將實際與虛擬模擬有效結(jié)合，對相關(guān)大型機械設(shè)計制造進行仿真模擬，能夠促使機械制造的質(zhì)量和效果得到有效提升。

3 包裝機械設(shè)計制造中計算仿真技術(shù)應(yīng)用實例

文章以自動包裝秤的計算機建模以及自動化系統(tǒng)為應(yīng)用實例。

自動包裝秤大致可分為稱重部分和包裝部分。首先建立自動包裝秤立體模型以及自動包裝秤的零件建模。主要包括下料組件、稱重組件、包裝組件以及秤架。下料組件中的部分零件可通過建立二維圖形，再借助三維建模中的多種工具完成創(chuàng)造。稱重組件的設(shè)計是通過在曲面設(shè)計模塊中建立旋轉(zhuǎn)面，再將零件模塊增厚后封閉曲面形成實體，而后進行編輯形成。接著進行自動包裝秤的零部件配置。整體的模型建立需零部件的完整組成，裝配實際上就是在零件之間增加約束力，以對其相對位置關(guān)系產(chǎn)生限制。使用操作輔助工具，選擇在不同的坐標(biāo)軸和平面內(nèi)移動，使得零部件的位置基本與實際的機型相似。通過約束工具，選擇零部件的點、線、面施加相合或接觸、固定等約束力，對零部件進行精準(zhǔn)的位置確定，到此才完成了零部件的裝配。所有的裝配完成之后，就形成了自動包裝秤的各個結(jié)構(gòu)的模型。

模擬制造大致可劃分為以設(shè)計為重點的模擬制造和以生產(chǎn)為重點的模擬制造。前者主要通過將產(chǎn)品設(shè)計理念滲透到整體設(shè)計過程中的方式，實現(xiàn)虛擬技術(shù)產(chǎn)品設(shè)計方面的優(yōu)化和完善，進而通過電腦終端生成立體模擬樣機。因此，在實際的設(shè)計環(huán)節(jié)，就可對涉及的零部件和產(chǎn)品整體進行實用性的分析。而后者是在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中使用模型建立，據(jù)此對生產(chǎn)過程進行優(yōu)化和完善，以快速完成對生產(chǎn)方案的評估。其基本目的是對產(chǎn)品投入生產(chǎn)的可行性進行評估，使得產(chǎn)品可生產(chǎn)性評估達到極高的水準(zhǔn)，可實現(xiàn)“無縫”虛擬，促使產(chǎn)品在實際制造時不斷優(yōu)化和改進。

將計算機仿真技術(shù)運用于自動化系統(tǒng)大致可分為以下步驟：第一，建立模型。仿真模型的建立是包含于自動化系統(tǒng)之中的，能夠?qū)崿F(xiàn)對實際系統(tǒng)運行的模擬。其基礎(chǔ)的仿真設(shè)備的制作參數(shù)由實際的自動化系統(tǒng)的參數(shù)決定，在建模過程中，應(yīng)對數(shù)據(jù)和實時狀態(tài)有精確的把握，以建立完善的監(jiān)測體系，保證數(shù)據(jù)的及時性。第二，程序編寫。其主要依據(jù)仍舊是實際的數(shù)據(jù)和已經(jīng)確立的仿真模型，堅持以實際系統(tǒng)的數(shù)據(jù)為主要參數(shù)的基本原則，以保證程序編寫的科學(xué)性和合理性。第三，建立模擬系統(tǒng)。在完成基本的模型建立和程序編寫之后，即可進行模擬系統(tǒng)的建立。模擬系統(tǒng)的建立要求按照相關(guān)的實際參數(shù)和運行的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)進行。同時，模擬系統(tǒng)不僅要對實際自動化系統(tǒng)的運行進行仿真，還能實現(xiàn)對實際數(shù)據(jù)的有效模擬，并且能夠?qū)嶋H體現(xiàn)的參數(shù)和數(shù)據(jù)進行及時調(diào)整。第四，檢驗結(jié)果。對已經(jīng)完成的仿真系統(tǒng)需進行仔細(xì)分析，并對模擬系統(tǒng)的運算結(jié)果進行適當(dāng)優(yōu)化。對結(jié)果的檢驗是整個模擬過程的最后一步，也是最容易被忽視的一步。其對模擬過程中所反饋的各項數(shù)據(jù)進行分析和研究，對部分出現(xiàn)誤差的數(shù)據(jù)進行適當(dāng)調(diào)整，進而實現(xiàn)整個模擬自動化系統(tǒng)的優(yōu)化。

4 結(jié)語

計算機仿真技術(shù)的綜合性較強，其不僅能夠?qū)Πb機械產(chǎn)品的設(shè)計效果進行檢驗，還能夠在產(chǎn)品設(shè)計過程中提供理論和技術(shù)指導(dǎo)，在理念設(shè)計環(huán)節(jié)就能對產(chǎn)品構(gòu)成進行優(yōu)化和完善，從而保障產(chǎn)品能順利投入生產(chǎn)，并提高其性能和實用性。在機械制造及自動化領(lǐng)域以及音響技術(shù)的研發(fā)等行業(yè)，計算機仿真技術(shù)都發(fā)揮了極為重要的作用。同時，虛擬技術(shù)縮短了產(chǎn)品的研發(fā)和設(shè)計周期，一定程度上減少了其設(shè)計和實驗耗費的時間，并降低了整個產(chǎn)品開發(fā)和制造的成本，進而提升企業(yè)的經(jīng)濟效益。