現(xiàn)代機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的虛擬制造技術(shù)探討（2）

張焱

【摘 要】隨著知識(shí)經(jīng)濟(jì)和工業(yè)制造的快速發(fā)展，現(xiàn)代化的市場(chǎng)要求產(chǎn)品生產(chǎn)廠商要以最快的速度、最優(yōu)的品質(zhì)、最短的研發(fā)時(shí)間、最低的成本消耗和最佳的服務(wù)來滿足顧客的需求。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)一般是在圖紙結(jié)合產(chǎn)品的特性和設(shè)計(jì)的具體要求進(jìn)行的，在機(jī)械設(shè)計(jì)的過程中需要提前對(duì)設(shè)計(jì)中的設(shè)備裝配的干擾因素的不確定進(jìn)行考慮，但是產(chǎn)品在裝配中的缺陷只有在產(chǎn)品開發(fā)的后期才能暴露出來或者在產(chǎn)品的試制階段和裝配中顯現(xiàn)出來。如果設(shè)計(jì)的零件已經(jīng)開始投入生產(chǎn)了，那么損失就更加嚴(yán)重了。產(chǎn)品的質(zhì)量在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造方式上不能得到很好的保證，并且傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的工藝比較粗糙、開發(fā)的效率低、花費(fèi)時(shí)間比較長(zhǎng)、耗費(fèi)的資金比較大。在變化速度快、持續(xù)性發(fā)展和不可預(yù)測(cè)性市場(chǎng)中難以適應(yīng)。因此，企業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)需要具備高度的柔性和快速的反應(yīng)，與此同時(shí)信息技術(shù)的飛速發(fā)展保證了機(jī)械制造的先進(jìn)性，信息化的使用對(duì)于現(xiàn)代機(jī)械工程設(shè)計(jì)十分重要。

【關(guān)鍵詞】現(xiàn)代機(jī)械工程；設(shè)計(jì)；虛擬制造技術(shù)

隨著我國(guó)現(xiàn)代化社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)機(jī)械工程產(chǎn)品的要求越來越高，機(jī)械工程面臨著巨大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)無(wú)法滿足現(xiàn)代化社會(huì)發(fā)展的需求，具有一定局限性和不穩(wěn)定性，虛擬機(jī)械制造技術(shù)是一個(gè)全新的概念，是信息時(shí)代制造技術(shù)的重要標(biāo)志，其主要是在虛擬的環(huán)境下對(duì)計(jì)算機(jī)的模型進(jìn)行虛擬分析的一種計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)，是以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、制造系統(tǒng)與加工過程的建模理論、VR技術(shù)、分布式計(jì)算理論、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)等為理論基礎(chǔ)，研究如何在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下，利用制造系統(tǒng)各層次及各環(huán)節(jié)的數(shù)字模型，完成制造系統(tǒng)整個(gè)過程的計(jì)算機(jī)與仿真技術(shù)，依靠虛擬制造技術(shù)，機(jī)械設(shè)計(jì)人員不需要將所有的零件、部件設(shè)備都生產(chǎn)出來，可以運(yùn)用建立模型的方式，對(duì)零部件進(jìn)行裝配，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與檢查，如發(fā)現(xiàn)不符合設(shè)計(jì)要求的情況，可以隨時(shí)更改模型，直到達(dá)到設(shè)計(jì)要求為止，既節(jié)省時(shí)間又降低成本。

1虛擬制造技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)

1.1建模技術(shù)

需要明確虛擬是指通過對(duì)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的應(yīng)用將現(xiàn)實(shí)中的制造系統(tǒng)映射到虛擬的環(huán)境中，這個(gè)過程設(shè)計(jì)了一些的建模環(huán)節(jié)和模型的建立，并對(duì)這些建模環(huán)節(jié)進(jìn)行抽象化的描述表達(dá)。

1.2仿真技術(shù)

仿真技術(shù)就是通過對(duì)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的充分利用，從而將復(fù)雜的機(jī)械生產(chǎn)系統(tǒng)模型化的技術(shù)，最終能夠獲得一個(gè)完整系統(tǒng)的系統(tǒng)模型，并且能夠通過對(duì)仿真技術(shù)的應(yīng)用來加強(qiáng)對(duì)模型的應(yīng)用，達(dá)到很好的應(yīng)用效果，從而形成一個(gè)科學(xué)全面的性能分析。

1.3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬制造中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)之處在于可以有效的改善計(jì)算機(jī)的交互方式，從而提高計(jì)算機(jī)的可操作性。它主要是通過對(duì)計(jì)算機(jī)圖像系統(tǒng)的應(yīng)用，從而創(chuàng)造出一種三維的交互環(huán)境，給人類帶來深刻的體驗(yàn)的虛擬制造技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在對(duì)傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)交互方式的一種創(chuàng)新改進(jìn)，極大的提高了計(jì)算機(jī)可操作性。除此之外，它也給人類帶來了一種對(duì)虛擬環(huán)境真實(shí)的體驗(yàn)，是科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展的成果。

2虛擬制造技術(shù)在現(xiàn)代機(jī)械工程中的應(yīng)用

2.1強(qiáng)大的通用性和功能性

力學(xué)對(duì)虛擬樣機(jī)技術(shù)的建立和發(fā)展做出了非常大的貢獻(xiàn)，它也是虛擬樣機(jī)技術(shù)發(fā)展的前提和基礎(chǔ)。虛擬樣機(jī)技術(shù)主要解決的問題是對(duì)于復(fù)雜狀況下的機(jī)械系統(tǒng)建模問題。而在實(shí)際的過程上，大部分的虛擬樣機(jī)軟件應(yīng)用的是帶約束乘子的微分方程，其核心是每個(gè)構(gòu)建都有六個(gè)自由度，并且還要求限制其他多余的自由度，以此來增強(qiáng)其通用性和適用性。

2.2簡(jiǎn)化建模過程

對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械建模來說，它主要分析的是機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀況，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行一些動(dòng)力分析和計(jì)算。因此，在分析和計(jì)算的過程中要應(yīng)用到很多的圖形的分析處理和公式計(jì)算。但是，因?yàn)閷?duì)于系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的分析過程較為復(fù)雜，還要包括對(duì)于圖形和公式的分析推導(dǎo)，極容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。這時(shí)就可以充分的體現(xiàn)出虛擬制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，虛擬制造技術(shù)在建模過程中不需要做這些復(fù)雜的工作，只需要相關(guān)的工作人員將構(gòu)建的連接方式通過計(jì)算機(jī)來輸入一項(xiàng)相關(guān)的物理參數(shù)就可以。

2.3增強(qiáng)特種設(shè)備的安全性

在現(xiàn)代機(jī)械工程中應(yīng)用虛擬制造技術(shù)可以在很大程度上提高特種設(shè)備的安全性，通過對(duì)各種工況進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)特種設(shè)備的可靠性，并且為特種設(shè)備的進(jìn)一步維修改造，制造合理的安全操作規(guī)劃提供依據(jù)。

2.4增強(qiáng)特種設(shè)備的規(guī)范管理

通過虛擬制造技術(shù)來對(duì)一些危險(xiǎn)性較大的特種設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)，并將虛擬制造技術(shù)與其他的分析研究技術(shù)相結(jié)合，深入的分析研究特種設(shè)備，從而提出更加科學(xué)的特種設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)，增強(qiáng)特種設(shè)備設(shè)計(jì)的規(guī)范性。

3虛擬制造技術(shù)在機(jī)械工程中發(fā)揮的優(yōu)勢(shì)

3.1強(qiáng)大的通用性和分析處理復(fù)雜問題的能力

虛擬樣機(jī)技術(shù)建立和發(fā)展的基礎(chǔ)是分析力學(xué)和多體運(yùn)動(dòng)力學(xué)，該技術(shù)的關(guān)鍵是對(duì)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)建模。因此，大多數(shù)的虛擬樣機(jī)技術(shù)軟件主要運(yùn)用的是帶約束乘子的微分代數(shù)混合方程。令每個(gè)構(gòu)件都有六個(gè)自由度是它的核心，還要要求其對(duì)多余的自由度進(jìn)行限制，實(shí)現(xiàn)其具有良好的通用性，達(dá)到適用性強(qiáng)的目的。與此同時(shí)，虛擬樣機(jī)技術(shù)還對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的詳細(xì)環(huán)節(jié)進(jìn)行考慮，具體指彈性、接觸和摩擦等因素。

3.2為機(jī)械系統(tǒng)建模帶來便利

傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)建模中要先建立運(yùn)動(dòng)分析，隨后在運(yùn)動(dòng)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)力分析，這中間需要許多的圖形分析和公式推導(dǎo)。但是圖形的分析和公式的推導(dǎo)過程往往比較復(fù)雜，并且錯(cuò)誤率高。同樣的建模過程中設(shè)計(jì)人員只需要將機(jī)械的構(gòu)成方式和連接方法以及相應(yīng)的物理參數(shù)實(shí)施輸入，其后的建模和求解只需要計(jì)算來完成就可以了，極大地幫助設(shè)計(jì)人員承擔(dān)了許多的設(shè)計(jì)難度。

3.3強(qiáng)大的后期處理能力

在傳統(tǒng)的分析方法上通常得出的是大量的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的理解還要依靠豐富的經(jīng)驗(yàn)和理論。但是運(yùn)用虛擬樣機(jī)計(jì)算軟件為復(fù)雜性的數(shù)據(jù)提供了可視化技術(shù)，使得設(shè)計(jì)人員直觀地看到機(jī)械設(shè)計(jì)的性能和運(yùn)動(dòng)效果。

4結(jié)語(yǔ)

綜上所述，虛擬制造技術(shù)是現(xiàn)代機(jī)械工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的重要組成部分，也是適應(yīng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的要求，有利于加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)各方面的掌握，以便于對(duì)虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用工作進(jìn)行科學(xué)合理的規(guī)劃，提高運(yùn)用的效果，提高其經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]戴晴華.虛擬制造技術(shù)及其在工程機(jī)械中的應(yīng)用[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2015（02）.

[2]黃岳陽(yáng).現(xiàn)代機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的虛擬制造技術(shù)初探 [J].科技展望，2016，26（34）.