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

繆明明

（山東萊克工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營(yíng) 257099）

機(jī)械設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，其主要的工作對(duì)象是產(chǎn)品，而影響產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和成本高低的是裝配工藝。在實(shí)際加工過(guò)程中會(huì)遇到各種各樣的問(wèn)題（比如材料選擇不當(dāng)）。為了提高零件精度和保證零件使用要求等，需要對(duì)零部件進(jìn)行精確的選材與定位；同時(shí)要考慮到機(jī)械設(shè)備運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)故障或不正常情況發(fā)生；還要保證機(jī)械系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、安全工作等因素都會(huì)直接影響產(chǎn)品質(zhì)量，所以必須做好仿真技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究工作。

1 仿真技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造過(guò)程中的作用

1.1 優(yōu)化機(jī)械設(shè)計(jì)方案仿真技術(shù)

仿真技術(shù)是通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬現(xiàn)實(shí)機(jī)械的工作過(guò)程，并在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行檢測(cè)與改進(jìn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量和性能等方面的提高[1]。在機(jī)械設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，主要是通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬真實(shí)的工作環(huán)境，對(duì)零部件進(jìn)行準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)等方面的研究。在機(jī)械設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，對(duì)零部件的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)等方面進(jìn)行研究，可以讓設(shè)計(jì)者更好地了解零件之間復(fù)雜結(jié)構(gòu)關(guān)系。仿真技術(shù)是一種模擬真實(shí)環(huán)境下工作狀態(tài)和動(dòng)態(tài)特性的先進(jìn)方法。它利用計(jì)算機(jī)軟件來(lái)對(duì)產(chǎn)品模型或者部件裝配圖以及各種連接方式進(jìn)行虛擬建模，并分析其性能參數(shù)變化情況與規(guī)律性；在機(jī)械設(shè)計(jì)制造過(guò)程中應(yīng)用仿真是一種非常實(shí)用有效的手段，可以幫助設(shè)計(jì)者更好地了解零件之間復(fù)雜結(jié)構(gòu)關(guān)系、零部件間不同部位位置等相關(guān)問(wèn)題，并能夠在實(shí)際工作中運(yùn)用該方法，對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。仿真技術(shù)的應(yīng)用，可以對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，并將其與虛擬樣機(jī)建立數(shù)據(jù)交互，模擬真實(shí)環(huán)境下零部件之間復(fù)雜結(jié)構(gòu)關(guān)系、各部件在動(dòng)態(tài)過(guò)程中的運(yùn)行情況以及各種參數(shù)變化規(guī)律等。

1.2 提高數(shù)據(jù)分析效率和水平

在機(jī)械設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，數(shù)據(jù)分析是最基礎(chǔ)的，也是最為重要的部分。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)工作就是要將實(shí)際情況與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比[2]。由于仿真技術(shù)具有一定局限性、不確定因素以及隨機(jī)誤差等，都會(huì)影響到實(shí)驗(yàn)效果，甚至導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗或者失效；同時(shí)還存在一些其他不可預(yù)知或避免不了的原因，而無(wú)法驗(yàn)證其準(zhǔn)確性，因此在機(jī)械設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，必須重視這些問(wèn)題并采取有效措施加以解決。機(jī)械設(shè)計(jì)制造過(guò)程中的數(shù)據(jù)分析工作是非常重要且不可或缺的，它不僅能對(duì)設(shè)計(jì)者所進(jìn)行的裝配線制定、零件加工工藝等提出合理性建議，還需要將這些問(wèn)題通過(guò)仿真技術(shù)加以解決。在實(shí)際生產(chǎn)中可以利用虛擬樣件系統(tǒng)來(lái)模擬各種工況下產(chǎn)品完成情況。在機(jī)械設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，可以通過(guò)虛擬樣件系統(tǒng)來(lái)模擬各種工藝參數(shù)和裝配情況。這樣就能使設(shè)計(jì)者更加了解產(chǎn)品的性能特點(diǎn)，同時(shí)也有利于提高生產(chǎn)效率以及降低成本，縮短研發(fā)周期，并為企業(yè)創(chuàng)造更多財(cái)富價(jià)值。

1.3 節(jié)約設(shè)計(jì)成本

在機(jī)械設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，要想降低成本，就要從源頭抓起，減少和避免浪費(fèi)。例如：當(dāng)某零件的尺寸精度要求較高時(shí)，就需要對(duì)其進(jìn)行加工；而對(duì)于一些特殊情況下所需使用的零部件來(lái)說(shuō)，則必須盡量簡(jiǎn)化工藝、節(jié)約材料等。總而言之，就是通過(guò)仿真技術(shù)模擬系統(tǒng)來(lái)完成產(chǎn)品裝配工作后，再利用仿真的方法進(jìn)行實(shí)際操作，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)虛擬制造，從而降低人工成本和減少資源浪費(fèi)，提高機(jī)械效率[3]。在機(jī)械設(shè)計(jì)的制造過(guò)程中，我們可以通過(guò)對(duì)機(jī)械零件進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，從而使得產(chǎn)品成本降低，并且減少浪費(fèi)。例如：加工工藝復(fù)雜、生產(chǎn)效率低等問(wèn)題。所以說(shuō)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案是實(shí)現(xiàn)低成本高效益最主要的環(huán)節(jié)，也就是在機(jī)械設(shè)計(jì)仿真技術(shù)上應(yīng)用最少化設(shè)計(jì)方法來(lái)完成零件圖紙中尺寸及重量的精確計(jì)算，然后再將結(jié)果進(jìn)行分析與對(duì)比，最后選擇出最佳方案。這樣就可以大大地降低機(jī)械設(shè)計(jì)制造過(guò)程中所需要投入的成本。

2 仿真技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造過(guò)程中的具體應(yīng)用措施

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的整體性能進(jìn)行優(yōu)化，并將其與實(shí)際使用要求緊密結(jié)合起來(lái)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要充分考慮到不同部件之間的連接關(guān)系和工作環(huán)境。

對(duì)于某些特殊零件而言，需要考慮裝配時(shí)可能出現(xiàn)問(wèn)題后如何解決這一情況；同時(shí)還要根據(jù)具體情況來(lái)選擇合適零部件型號(hào)及尺寸大小，以提高生產(chǎn)效率、降低成本、改善質(zhì)量水平等，所以機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員必須嚴(yán)格把關(guān)每一個(gè)環(huán)節(jié)。首先，要根據(jù)零件的具體要求設(shè)計(jì)出合理、安全可靠的機(jī)械結(jié)構(gòu)，同時(shí)還要保證其有一定強(qiáng)度，以降低加工成本。其次，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須嚴(yán)格遵守產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案和圖紙上的相關(guān)參數(shù)。最后，需要對(duì)零部件進(jìn)行準(zhǔn)確分析，并計(jì)算尺寸及重量等因素來(lái)確定各部件之間是否發(fā)生相互干涉影響；此外，還應(yīng)該考慮到裝配時(shí)可能出現(xiàn)的問(wèn)題，以及如何減少這種故障現(xiàn)象和避免由于零件變形、腐蝕造成的不必要損失，同時(shí)也不能忽略機(jī)械結(jié)構(gòu)本身質(zhì)量問(wèn)題。例如，在針對(duì)數(shù)控機(jī)床設(shè)備的加工設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，為了進(jìn)一步提高其零部件性能和質(zhì)量，技術(shù)人員可以利用仿真模擬技術(shù)來(lái)對(duì)數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行程序進(jìn)行編輯，并根據(jù)仿真模擬數(shù)據(jù)對(duì)零部件程序加以完善，以此來(lái)確保數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行精確度。通過(guò)這樣的方式，一方面可以降低人工操作誤差概率，另一方面還可以有效提升數(shù)控機(jī)床加工效率和加工質(zhì)量。除此之外，還可以將仿真模擬技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械設(shè)備的切削加工工藝之中。一般情況下，機(jī)械設(shè)備的切削加工多為人工完成，雖然人工的費(fèi)用較低，但是卻不能很好地保障切削效果。鑒于此，技術(shù)人員可以利用仿真模擬技術(shù)對(duì)切削工藝進(jìn)行編輯，按照切削方案設(shè)計(jì)出相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，然后再利用先進(jìn)的機(jī)械切削設(shè)備進(jìn)行切削加工。

2.2 復(fù)雜機(jī)械加工研究方面

在實(shí)際加工中，機(jī)械零件的尺寸、形狀和材料等問(wèn)題都會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生影響。因此設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮如何提高生產(chǎn)效率。

例如：要減少刀具磨損量；選擇合適的切削速度及冷卻方式來(lái)保證工件精度要求等一系列因素都是非常重要且實(shí)用性很強(qiáng)的工作內(nèi)容。復(fù)雜機(jī)械表面粗糙度分析法：這種方法是通過(guò)在零件上施加一個(gè)或多個(gè)微細(xì)外力，使其變形和形變得到所需要大小尺寸的形狀。這種方法可以有效地提高零件加工質(zhì)量。隨著計(jì)算機(jī)仿真軟件在制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用，使我們能夠更快地掌握產(chǎn)品制造過(guò)程。在產(chǎn)品制造過(guò)程中，我們可以利用仿真軟件來(lái)模擬加工環(huán)境，并對(duì)其進(jìn)行分析和研究。這不僅能縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，還可以降低成本，提高生產(chǎn)效率。

2.3 齒輪設(shè)計(jì)方面

在機(jī)械設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，齒輪的精度和抗疲勞性能決定了其產(chǎn)品質(zhì)量的好壞，而要保證高質(zhì)、穩(wěn)定的工作，就必須嚴(yán)格控制零件表面粗糙度。對(duì)于某些尺寸較為特殊或者是齒面較淺的小直徑齒輪來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)改變齒頂圓角來(lái)實(shí)現(xiàn)減小誤差大小，改善加工工藝性以降低制造成本；同時(shí)也可利用軟件對(duì)不同形狀的齒輪進(jìn)行模擬分析與計(jì)算，從而獲得更好的設(shè)計(jì)精度和抗疲勞性能。

在機(jī)械設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，齒輪的主要作用是傳遞轉(zhuǎn)矩，并對(duì)傳動(dòng)比進(jìn)行調(diào)整。在機(jī)械裝備中，齒輪是最重要的零部件之一，因此，在設(shè)計(jì)中對(duì)其性能進(jìn)行仿真意義重大，并且不少設(shè)計(jì)者也針對(duì)此問(wèn)題做了大量研究。其中包括：使用visuallisp 語(yǔ)言對(duì)齒輪端面的建模和仿真，從任意幾何角度對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)估；用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)展開(kāi)對(duì)圓弧針齒行星傳動(dòng)的研究；對(duì)影響正交齒輪傳動(dòng)接觸點(diǎn)的主要參數(shù)進(jìn)行研究等。此外，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在齒輪泵的齒輪設(shè)計(jì)中的應(yīng)用也十分廣泛。

2.4 數(shù)值計(jì)算方面

在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，我們需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行不斷的改進(jìn)，以滿足產(chǎn)品質(zhì)量和性能升級(jí)需求，因此可以使用模擬仿真技術(shù)來(lái)完成。這種方法不僅能夠使設(shè)計(jì)者更直觀地了解到機(jī)械結(jié)構(gòu)的變化情況、工作原理等問(wèn)題，而且還能讓制造者更加清晰明了地表示出所研究對(duì)象的內(nèi)部復(fù)雜程度以及各零件之間相互配合關(guān)系；在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，我們要對(duì)零部件進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，并檢驗(yàn)其精度是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，這樣才能保證機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量和效率得到提高。

在機(jī)械設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，數(shù)值計(jì)算主要是進(jìn)行零件的靜應(yīng)力和加工工藝性分析，然后通過(guò)有限元方法對(duì)其變形等方面加以優(yōu)化。所以使用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以很好地解決上述問(wèn)題。利用ANSYS 軟件建立實(shí)體模型，由于實(shí)際情況與理論結(jié)果存在一定差異，為了保證模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)效果能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，需要在建模過(guò)程中添加必要的輔助變量來(lái)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。

2.5 模型的建立與變換

在機(jī)械設(shè)計(jì)制作的過(guò)程中，若要使用仿真技術(shù)，首先就要設(shè)計(jì)編輯條件和約束條件，確定研究目標(biāo)，進(jìn)而建立一個(gè)可以滿足系統(tǒng)要求的仿真運(yùn)行系統(tǒng)。

系統(tǒng)初步建立之后，便要求設(shè)計(jì)者根據(jù)相應(yīng)的學(xué)科知識(shí)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化表述，也就是對(duì)系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型。通常狀況下，數(shù)學(xué)模型由于時(shí)間不同可分為動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩種，其中動(dòng)態(tài)模型又可以分為離散、連續(xù)和混合時(shí)間三種。模型的變換：這一步驟指的是把初步建立的模型通過(guò)數(shù)學(xué)表達(dá)式的作用變換成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的樣式，這一過(guò)程運(yùn)用了部分合適的計(jì)算機(jī)算法及語(yǔ)言，是仿真的基礎(chǔ)，也稱之為仿真模型。若要實(shí)現(xiàn)模型的變換，設(shè)計(jì)者可以使用現(xiàn)有的仿真軟件，也可以根據(jù)系統(tǒng)需求自行開(kāi)發(fā)。在對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行衡量時(shí)，要對(duì)其可靠性進(jìn)行分析，通常使用的方法有以下兩種：置信通道法以及仿真過(guò)程的反向驗(yàn)證法。

3 仿真技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造過(guò)程中的應(yīng)用前景分析

3.1 加強(qiáng)了與互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)系

在機(jī)械設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，可以利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將設(shè)計(jì)師的想法與實(shí)際情況進(jìn)行比較。例如：對(duì)于一些復(fù)雜、高難度大的零件或構(gòu)件等加工完成時(shí)，設(shè)計(jì)者需要借助網(wǎng)絡(luò)來(lái)收集和分析信息，這樣就能節(jié)省大量時(shí)間，并且縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期；而如果是采用傳統(tǒng)方式生產(chǎn)的話，還可能出現(xiàn)誤差或者錯(cuò)誤問(wèn)題，也會(huì)大大提高成本及風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)；同時(shí)，在機(jī)械制造過(guò)程中，利用虛擬樣板技術(shù)可以對(duì)零部件進(jìn)行仿真模擬與測(cè)試，這樣就可以對(duì)零部件進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，減少誤差；在機(jī)械制造中，利用虛擬樣板技術(shù)能夠使設(shè)計(jì)者更加容易發(fā)現(xiàn)并修正零件設(shè)計(jì)問(wèn)題。因此，這種加工方法不僅能提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，還可降低成本、縮短開(kāi)發(fā)周期以及保證可靠性等重要作用得到廣泛運(yùn)用。目前，我國(guó)的機(jī)械行業(yè)正處于高速發(fā)展階段，并且隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，對(duì)自動(dòng)化程度的要求也越來(lái)越高；仿真技術(shù)在機(jī)械制造中的廣泛應(yīng)用，能夠使設(shè)計(jì)者對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬測(cè)試，從而縮短設(shè)計(jì)周期和提高生產(chǎn)效率[4]。

3.2 機(jī)械產(chǎn)品小型化

在機(jī)械產(chǎn)品的小型化方面，應(yīng)用更廣泛的是小零件，而不是大尺寸、重量輕。這就要求設(shè)計(jì)人員對(duì)材料有更高的性能要求。因此，可以通過(guò)提高零件質(zhì)量來(lái)降低成本和縮短生產(chǎn)周期；也能夠采用新技術(shù)進(jìn)行加工，制造出高精度零部件以滿足市場(chǎng)需求，并能實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)等目標(biāo)，提升產(chǎn)品品質(zhì)。在機(jī)械設(shè)備中應(yīng)用仿真分析，可以大大降低設(shè)計(jì)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)也是對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化的重要手段，更是對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一種創(chuàng)新，它不僅可以提高機(jī)械設(shè)備性能，而且還能在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)其中的潛在問(wèn)題，從而及時(shí)地采取有效措施解決問(wèn)題[5]。

3.3 仿真技術(shù)智能化

在機(jī)械設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，利用仿真技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的分析和改進(jìn)，可以有效地提高生產(chǎn)效率。智能化是指對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行模擬操作，這種方式能夠使操作人員通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)直接獲取到產(chǎn)品零部件的裝配信息，這樣就能讓工作人員快速了解各個(gè)部件之間存在何種聯(lián)系或相互作用關(guān)系；同時(shí)也避免了人工干預(yù)所帶來(lái)設(shè)備故障而導(dǎo)致機(jī)器無(wú)法正常工作等問(wèn)題。仿真技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造過(guò)程中具有重要作用，能夠有效地避免人為因素造成的產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題。它將對(duì)機(jī)器零件和零部件進(jìn)行分析，根據(jù)其特點(diǎn)制定相應(yīng)的加工工藝流程并對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與診斷；同時(shí)也可以通過(guò)虛擬樣機(jī)來(lái)模擬實(shí)際情況下的裝配環(huán)境、工作狀態(tài)等信息；還能對(duì)所需裝配對(duì)象模型參數(shù)及相關(guān)性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試分析和評(píng)估。

4 結(jié)論

綜上所述，本文通過(guò)對(duì)仿真技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了研究及分析。主要結(jié)論如下：通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)收集與整理發(fā)現(xiàn)，目前市場(chǎng)上有許多類型的仿真技術(shù)，但是由于仿真軟件種類繁多、價(jià)格昂貴等原因，導(dǎo)致市場(chǎng)需求量少并且不具有普遍性以及實(shí)用價(jià)值；從理論上來(lái)說(shuō)，仿真技術(shù)能夠應(yīng)用于機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過(guò)程當(dāng)中，在實(shí)際應(yīng)用中有良好的前景。