虛擬樣機技術在礦業機械中的分析

彭凱峰 范應光

(河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州 450002)

隨著時代的發展，新的機械設備的出現與舊的機械設備的快速更新成為時代發展的必然趨勢。過去通過設計制作樣機進行實地檢測，通過檢測的結果進行改進，最后才是批量生產。這一過程中需要對樣機進行反復實驗，這樣以來就造成了生產周期的延長、生產成本的提高等。為此實現生產技術的快速更新且又不對資源造成浪費，就不得不對傳統的研發工藝進行改進，虛擬樣機技術的出現有效地解決了這一問題，它通過計算機相應程序，將實際模型通過三維動畫的仿真模擬，來檢測機械的工作狀態。

一 虛擬樣機技術概述

首先我們需要對虛擬應用技術有一個初步的認識。虛擬樣機技術的應用是從分析產品整體性能及其相關性能及存在的問題的角度為出發點。在機械設計過程之中設計師可以直接運用CAD軟件系統進行相關的設計。像零件的設計，運動原理的設計，零部件的排列與組合，力學原理的應用以及數據分析等。這樣就可以通過對機械工作環境的真實再現并對各種情況下的受力情況進行分析對整個系統進行不斷改進直至一個整體性的方案的最終出現。

目前礦業機械軟件應用市場中，最為廣泛的是機械仿真軟件ADAMS軟件系統，這套軟件系統是集合了建模、求解與技術化分析。其工作原理是根據力學、運動學與動力學的相關原理并以此作為虛擬樣機的工作程序，在空間視覺效果上可能不如現實中的樣機那樣具有三維立體效果，但是計算機的響應模建軟件對于三維模具的構建具有強大的支撐作用，這些軟件通常使用許許多多的電子顯示原點組成的，這些原點的排列組合是根據實際模具的造型特征進行安排的，在模具的關鍵位置上進行布點或做出標記。然后再根據點線面的原理進行連接，通過點成線，線成面，面成體的關系構成了三維立體效果圖。

一件機器的好壞需要在實踐中進行檢驗，并在實踐中不斷的改進。對于樣機中存在的各種誤差通過虛擬樣機技術進行誤差分析，可以減少機械在實際運作中出現的誤差。在虛擬樣機技術應用于制造誤差分析時，虛擬樣機技術應用主要軟件是ADAMS軟件的參數化分析技術，對于參數化技術分析而言，參數化分析技術本身就是一種改進后的設計方法，相對于原有的各種設計方案都更加具有便捷性。

二 虛擬樣機技術的特點

只有準確的掌握虛擬樣機技術的特點，才能根據特點不斷改進礦業機械。首先我們應當了解虛擬樣機技術的功能組合，虛擬樣機技術的實現必須由三大組成部分構成，即CAD技術、計算機仿真技術以及體現虛擬現實環境下機器工作為最終目的的人機交換技術這三大領域。所謂的CAD就是指的是虛擬電子機械的設計軟件，這種三維幾何造型軟件能快速準確的制作出三維立體形象，其中還包含了物件的外觀特征像是機械的顏色，以及機械表面的花紋以及材質機理特征等。概括起來講就是它的仿真性。虛擬樣機之所以能夠取代顯示機械，就在于它包含了用以組成眾多組成整體的子系統的模型也就是所謂的DMU，并且在這一整體性的系統之中還提供了所有相關領域的多方面特征項產品的外觀、性能等信息，所以通過計算機的虛擬樣機技術可以對機械設計有一個整體性的認識，這樣就不同于傳統設計那樣只是專注于產品單一性能而忽視其他方面的關聯性的弊端，也就不能對產品進行綜合性的分析評價。

另外，在虛擬樣機技術中還應當考慮到在實際操作中還存在著許多誤差現象，主要有原理誤差、制造誤差以及運動誤差等。原理誤差主要是指因原理方面考慮不周全而導致的機械在實際工作中造成的故障。制造誤差是指制造過程中存在的誤差。運動誤差則是指機械由于在長期的工作狀態下因為磨損或者是受力發生變形而導致了機械零部件之間的振動或摩擦力減小，在實際的工作狀態中不能產生像是在理論狀態下或者是在計算機上的虛擬樣機技術模擬過程中所設想的那樣。在使用虛擬樣機技術的過程中應當充分考慮到各個因素的發生。

三 虛擬樣機技術在礦業機械領域的應用

以往我國機械設備的研發一般要經過幾個階段:產品的設計，根據設計制作模型，在實踐中進行試驗，根據試驗的結果對設備進行改進、完善之后進行批量生產。這些程序是研制新產品必經的步驟，每一個步驟都不能忽略。礦業的生產環境一般工況惡劣、地質情況復雜。礦業設備的造價昂貴，根據常規的產品設計步驟制造樣機并進行試驗，是不合理的。采用虛擬樣機技術是一種很好的選擇，設計人員不必按照傳統的幾個設計程序，人員的設計思想完全可以通過虛擬樣機在計算機動態地顯示出來，借助友好的交互式界面觀察設備的外型和結構，還可以虛擬實際工況進行仿真測試，對整機的運動學特性和動力學特性進行虛擬試驗研究，實現產品系統的優化設計。而且，人員在觀看設備的配合程度和運動受力情況時，能夠在觀看的過程中隨時按照用戶的需求和相關人員的建議修改相關參數，而得到優化的虛擬樣機。

虛擬樣機技術打破了傳統的設計程序，提高了設備設計的質量，降低了前期投入的費用，縮短了從設計到產品之間的時間，可以較快的進入市場，當前，在礦業機械領域中沒有廣泛運用是虛擬樣機技術的原因，主要是建立一個企業級的虛擬樣機應用系統需購買大量針對系統設計的工程設計、分析軟件和高檔圖形工程站，需要專業的設計人員，對于一些技術性較高的專用軟件還需企業與軟件開發商合作編寫，這個過程需要投入大量的物力、人力和財力，對于一個沒有強大的經濟實力和人才資源的企業，建立一個整機水平的虛擬樣機應用系統還有很大的困難。但隨著企業的不斷發展和技術的進步，可以預見虛擬樣機技術在礦業機械中的應用也會越來越廣泛。

四 結語

虛擬樣機技術作為對礦業機械制作過程的改進，不僅可以精簡機械工作系統減少不必要的程序，并且可以大大縮短工作周期，提高產品質量，在改進后的機械中加工出來的產品的質量也更高，有效的節約了成本，提高了礦業企業的經濟效益。相信在我國現代化建設的過程中，大型機械設備的應用越加頻繁，規模化的生產更加突出，這樣一來虛擬樣機技術的地位就變得更加突出鮮明，在新技術的推動下，我國礦業的發展也將進入一個新的時代。