仿真技術(shù)在機械設(shè)計與制造中的應(yīng)用

譚 展

（北京奧茲王國科技有限公司，北京 101102）

機械設(shè)計制造包括機電產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計和工業(yè)裝備的制造運行等。隨著科技的發(fā)展，機械設(shè)計制造作為工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的重要內(nèi)容，逐漸在各個領(lǐng)域普及使用，推動了社會的發(fā)展。機械設(shè)計與制造需要用到信息技術(shù)和自動控制技術(shù)等，來解決機械制造中可能出現(xiàn)的問題。仿真技術(shù)使得機械設(shè)計制造在傳統(tǒng)設(shè)計制造的基礎(chǔ)上融入更多科學(xué)理念，能夠統(tǒng)計分析機械設(shè)計制造過程中的數(shù)據(jù)，建立模型，以便更好地發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題。仿真技術(shù)對機械制造業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

1 仿真技術(shù)與機械設(shè)計制造概述

1.1 仿真技術(shù)

仿真技術(shù)即虛擬樣機技術(shù)，通過虛擬系統(tǒng)對運行原理和控制技術(shù)等深入解讀，再通過計算機設(shè)備或者專用儀器進行相關(guān)實驗，能夠充分了解運行動態(tài)成本。在機械設(shè)計制造業(yè)，仿真技術(shù)可提高機械設(shè)計的品質(zhì)和產(chǎn)品質(zhì)量。仿真技術(shù)在機械設(shè)計和制造業(yè)應(yīng)用范圍不斷擴大，技術(shù)也在不斷進步，已經(jīng)能夠虛擬展示圖形，并在機械設(shè)計中展現(xiàn)仿真技術(shù)的相關(guān)理論和設(shè)計制造過程，提高機械產(chǎn)品質(zhì)量。仿真技術(shù)還具有集成化特征，對已經(jīng)設(shè)計完成的產(chǎn)品特征進行模擬，即便是十分細節(jié)和復(fù)雜的數(shù)據(jù)，也能準(zhǔn)確模擬，使得機械制造變得更加便捷[1]。

1.2 機械設(shè)計制造

機械設(shè)計制造的發(fā)展需要不同學(xué)科理論和技術(shù)的支持，如電子工程、機械自動化等。科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為機械設(shè)計制造提供了技術(shù)支持。在信息技術(shù)沒有應(yīng)用于機械制造業(yè)前，機械制造業(yè)的工作模式比較傳統(tǒng)，設(shè)計對象主要是設(shè)備零件和工業(yè)機械。正式制造前必須構(gòu)建模型，再反復(fù)進行科學(xué)實驗，保證設(shè)計的合理性。在信息技術(shù)應(yīng)用于機械設(shè)計制造后，整個制造過程變得便捷。當(dāng)前，國內(nèi)的機械加工制造行業(yè)獲得了信息技術(shù)和其他技術(shù)的支持，變得更加自動化和科技化[2]。

2 仿真技術(shù)在機械設(shè)計制造中的應(yīng)用價值

2.1 有助于改進機械設(shè)計方案

在傳統(tǒng)機械設(shè)計和制造中，由于很多步驟都由人工完成，整個設(shè)計制造過程對人工依賴性較高，要求工作人員具有較硬的專業(yè)知識和較為豐富的制造經(jīng)驗。如果要保持較高的工作效率，需要更多的人力和時間，且容易因為個人的偏差產(chǎn)生產(chǎn)品質(zhì)量問題，給企業(yè)和個人帶來損失。在機械設(shè)計制造過程中，仿真技術(shù)尤為重要。構(gòu)建產(chǎn)品模型，必須利用仿真技術(shù)進行分析和處理，以幫助設(shè)計師完善設(shè)計方案，優(yōu)化機械設(shè)計內(nèi)容，推動機械設(shè)計制造的發(fā)展。

2.2 有助于提高數(shù)據(jù)分析的效率和水平

各行各業(yè)在發(fā)展過程中都會接觸到大量數(shù)據(jù)資源，如果不能有效處理這些數(shù)據(jù)，將會給行業(yè)的發(fā)展帶來很多負面影響。近幾年，社會經(jīng)濟的發(fā)展推動了機械制造業(yè)的發(fā)展，而機械制造業(yè)為適應(yīng)社會經(jīng)濟的發(fā)展需要不斷創(chuàng)新。將仿真技術(shù)應(yīng)用于機械設(shè)計制造，能夠強化各行各業(yè)對復(fù)雜數(shù)據(jù)的儲存、分析和處理能力，提高數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用的效率和水平，充分發(fā)揮仿真技術(shù)的價值。

2.3 有助于節(jié)約設(shè)計成本

在機械設(shè)計制造中，仿真技術(shù)的應(yīng)用可實現(xiàn)二維模型和三維模型的組建，模擬機械設(shè)計與制造的過程，使機械設(shè)計更加科學(xué)合理。在機械制造行業(yè)的發(fā)展中，機械設(shè)計是尤其重要的一個環(huán)節(jié)。設(shè)計師應(yīng)從整個行業(yè)的發(fā)展趨勢出發(fā)，不斷創(chuàng)新。仿真技術(shù)能夠?qū)⒂嬎銠C技術(shù)應(yīng)用于機械設(shè)計和制造，方便產(chǎn)品模型的設(shè)計構(gòu)建，減少實體模型的構(gòu)建費用，既節(jié)約了設(shè)計成本，又節(jié)省了時間，提高了工作效率。這樣的方式能夠提高各項重復(fù)性工作的綜合處理效率，解放勞動力，減少機械制造過程中的人工成本，全面提高機械設(shè)計的制造效率[3]。

3 仿真技術(shù)的應(yīng)用特點

3.1 應(yīng)用范圍廣

在信息技術(shù)發(fā)展的時代背景下，仿真技術(shù)迅速步入快速發(fā)展階段。它與社會發(fā)展的軌跡高度契合，功能得到了各行各業(yè)的青睞，應(yīng)用范圍廣泛。在機械設(shè)計制造領(lǐng)域，仿真技術(shù)被應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計、制造和檢驗過程。應(yīng)用仿真技術(shù)進一步優(yōu)化了機械產(chǎn)品的制造工藝和質(zhì)量，使得產(chǎn)品質(zhì)量和性能能夠滿足市場的多方面需求，有助于機械制造行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。目前，仿真技術(shù)的應(yīng)用范圍還在擴大，對企業(yè)的發(fā)展有一定的促進作用。

3.2 集成化

在機械設(shè)計和制造中，仿真技術(shù)的應(yīng)用具有集成化特點。仿真技術(shù)集合了多種技術(shù)和理念，構(gòu)造和作用復(fù)雜，能模擬不同產(chǎn)品。在機械設(shè)計和制造過程中，發(fā)揮仿真技術(shù)的集成化特點，能夠分析和處理機械設(shè)計的多重數(shù)據(jù)，有利于優(yōu)化機械設(shè)計和制造過程。

3.3 分布特性突出

仿真技術(shù)的建立基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機技術(shù)。分析研究表明，仿真技術(shù)離不開理論和圖形規(guī)定的合理運用。在虛擬網(wǎng)絡(luò)和制造技術(shù)的加持下，仿真技術(shù)對機械設(shè)計制造的作用才能充分彰顯，從而保障機械設(shè)計和制造過程中的產(chǎn)品質(zhì)量[4]。

4 仿真技術(shù)在機械設(shè)計制造中的具體應(yīng)用

4.1 應(yīng)用于機械設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計

仿真技術(shù)能夠應(yīng)用于機械制造行業(yè)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和齒輪設(shè)計等環(huán)節(jié)。在機械制造過程中，機械結(jié)構(gòu)中的部件正常運行尤其關(guān)鍵。運用仿真技術(shù)模擬機械運行可了解機械結(jié)構(gòu)和內(nèi)容是否合理，從而進行調(diào)試和完善，使得機械結(jié)構(gòu)設(shè)計更加科學(xué)合理。在大規(guī)模的機械設(shè)計與制造中，不同零部件之間的相互配合尤其重要。因此，對于大規(guī)模機械設(shè)計和制造，要保證各個零部件的有效銜接和相互配合，防止出現(xiàn)偏差而出現(xiàn)機械故障[5]。

4.2 應(yīng)用于齒輪設(shè)計

齒輪設(shè)計是技術(shù)人員十分重視的環(huán)節(jié)。齒輪在機械設(shè)備運行過程中發(fā)揮著重要作用。機械設(shè)備需要齒輪之間互相配合轉(zhuǎn)動，才能順利運行。齒輪的質(zhì)量對機械的運行效率和壽命具有重要影響。將仿真技術(shù)應(yīng)用于齒輪設(shè)計，通過模型模擬和數(shù)據(jù)分析，監(jiān)測設(shè)計圖紙是否能滿足不同工藝的加工要求。齒輪的模型可以放在不同的環(huán)境中進行作業(yè)模擬。若模擬過程發(fā)現(xiàn)問題，能夠及時優(yōu)化齒輪設(shè)計。比如，技術(shù)人員可以利用仿真技術(shù)模擬齒輪的運行軌跡，進一步研究齒輪轉(zhuǎn)動接觸點的設(shè)計，提高齒輪的性能和品質(zhì)。

4.3 應(yīng)用于加工設(shè)計

機械產(chǎn)品的設(shè)計和制造過程，需要按照一定的流程和步驟。尤其在傳統(tǒng)機械設(shè)計制造中，流程和步驟更為復(fù)雜。機械設(shè)計制造實際上是要滿足多種多樣的生產(chǎn)加工需要，有效提高產(chǎn)品價值。仿真技術(shù)能整理復(fù)雜的數(shù)據(jù)，確保機械零部件運行更加準(zhǔn)確和便捷。在機械設(shè)備加工過程中，利用仿真技術(shù)能夠減輕工作人員的工作量，提高工作效率。例如，如果將仿真技術(shù)融入切削加工工藝流程，能構(gòu)建以時間軸為單位的數(shù)學(xué)模型，從而監(jiān)測不同運行條件下機械設(shè)備的性能和質(zhì)量，并對磨削時間進行實時分析。通過對重要參數(shù)的分析和應(yīng)用構(gòu)建模型并對模型開展仿真分析，可知該項機械產(chǎn)品在加工磨削這一工作步驟中所需的時間，有助于設(shè)計師制定最為合適的打磨時間，從而選擇最優(yōu)的加工方案。

4.4 應(yīng)用于復(fù)雜數(shù)據(jù)的計算

應(yīng)用仿真技術(shù)能夠?qū)C械設(shè)計制造中的復(fù)雜問題簡單化，快速解決瓶頸問題。機械設(shè)計制造中涉及各種數(shù)據(jù)計算，利用仿真技術(shù)可以快速處理復(fù)雜的數(shù)據(jù)，為機械設(shè)計師降低計算難度，提高計算結(jié)果的準(zhǔn)確率。在設(shè)計和研發(fā)機械新產(chǎn)品時，在仿真技術(shù)的加持下，設(shè)計師能夠更容易使產(chǎn)品的性能和指標(biāo)達到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，一定程度上節(jié)省了研發(fā)需要的材料，幫助企業(yè)降低了研發(fā)成本。在機械設(shè)計和制造中，把仿真技術(shù)和動力學(xué)模型結(jié)合應(yīng)用，能快速獲取機械結(jié)構(gòu)的強度、剛度和熱態(tài)等數(shù)據(jù)。如果將仿真技術(shù)和計算機技術(shù)結(jié)合使用，能夠分析計算產(chǎn)品數(shù)據(jù)，規(guī)避機械運行可能出現(xiàn)的安全隱患，保障機械產(chǎn)品的安全[6]。

4.5 應(yīng)用于大中型機械產(chǎn)品的設(shè)計

機械產(chǎn)品的設(shè)計涉及范圍較廣。對于設(shè)計師來說，任何體積的機械產(chǎn)品設(shè)計都有可能涉及。而對于大中型機械產(chǎn)品的設(shè)計，則要涉及更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。在設(shè)計大中型機械產(chǎn)品時，零部件的設(shè)計是工作難度較高的一個環(huán)節(jié)，需要清晰規(guī)劃什么部位需要什么型號的零件。過去設(shè)計大中型機械產(chǎn)品時，零部件裝配不合格等問題時有發(fā)生。究其原因，主要在于大中型機械零部件繁多，在生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)質(zhì)量問題，或者在裝配時容易發(fā)生裝配錯誤，從而影響大中型機械設(shè)備的運行效果和整體質(zhì)量，一定程度上阻礙了機械制造企業(yè)的正常生產(chǎn)，造成了經(jīng)濟損失。然而，利用仿真技術(shù)服務(wù)大中型機械設(shè)備的零部件裝配，可以較大程度上避免疏漏。例如，運用仿真技術(shù)可以及時發(fā)現(xiàn)零部件裝配出現(xiàn)的問題。完成裝配后，還可以對大中型機械設(shè)備進行動態(tài)運行模擬實驗，從而檢驗大中型機械設(shè)備質(zhì)量，為企業(yè)減少經(jīng)濟損失。

4.6 用于數(shù)學(xué)建模

首先，在機械設(shè)計制造中可以借助仿真技術(shù)進行數(shù)學(xué)模型構(gòu)建。但是，在進行這一操作前需要做好計算機系統(tǒng)的準(zhǔn)備，提前設(shè)置計算機系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，并把技術(shù)需求輸入計算機系統(tǒng)。完成這些準(zhǔn)備工作后，計算機可以直接開展工作。對計算機系統(tǒng)輸入信息進行整合時，可以借助技術(shù)初步構(gòu)建模型。此時構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型是仿真技術(shù)得到有效應(yīng)用的基礎(chǔ)條件。在初步構(gòu)建數(shù)學(xué)模型時，需要準(zhǔn)確把握模型形態(tài)，確定構(gòu)建的模型類型是動態(tài)模型還是靜態(tài)模型，是連續(xù)變量模型還是離散時間模型，避免模型構(gòu)建過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)偏差。其次，仿真技術(shù)可以應(yīng)用在對數(shù)學(xué)模型的轉(zhuǎn)換中。數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換是指將原先已經(jīng)構(gòu)建的模型變成計算機系統(tǒng)中的模型。轉(zhuǎn)成計算機系統(tǒng)模型后可以進行各項數(shù)據(jù)和功能的快速轉(zhuǎn)換。但是，在轉(zhuǎn)換模型時需要借助專業(yè)軟件實現(xiàn)。利用專業(yè)軟件分析解讀數(shù)據(jù)，對內(nèi)部語言進行轉(zhuǎn)換，完成仿真模型的轉(zhuǎn)換。因此，機械制造企業(yè)可以投入資金購買已經(jīng)研發(fā)的軟件，快速獲得軟件使用權(quán)。此外，機械制造企業(yè)可以通過自主研發(fā)，根據(jù)自身條件和實際情況，研發(fā)高度適合企業(yè)自身的軟件。最后，在完成數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換后，需要開展實驗檢驗計算機系統(tǒng)模型，確保模型在仿真運行過程中產(chǎn)生的各項數(shù)據(jù)都能被記錄和收集。即便出現(xiàn)錯誤，系統(tǒng)也能通過查找數(shù)據(jù)找出問題。在對計算機系統(tǒng)模型進行實驗后，還應(yīng)分析和評估實驗結(jié)果，根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定確定計算機系統(tǒng)模型是否科學(xué)合理。如果在對實驗結(jié)果進行評估過程中出現(xiàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中沒有提及的內(nèi)容，或者對部分內(nèi)容的評價出現(xiàn)困難難以統(tǒng)一意見，機械制造企業(yè)可以使用置信通道法和反向驗證法重新評估實驗結(jié)果，形成準(zhǔn)確率較高的分析報告。

5 結(jié)語

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和科技的不斷進步，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。仿真技術(shù)的誕生對各行各業(yè)有著重要意義，被廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)。仿真技術(shù)在機械制造領(lǐng)域的投入使用，為機械制造發(fā)展注入了新鮮血液，解決了機械設(shè)計制造中出現(xiàn)的部分問題，縮短了機械設(shè)計制造周期，提高了機械產(chǎn)品質(zhì)量，推動了機械制造行業(yè)的健康發(fā)展。