現代機械工程設計中的虛擬制造技術探討

張剛

【摘 要】虛擬制造技術是指對機械制造過程進行模擬和仿真，以最大限度地降低機械產品的生產成本。從90年代到現在，虛擬制造技術發展迅速。它在現代機械工程設計中得到了廣泛的應用，并逐漸成為現代機械工程設計中的一項關鍵技術。介紹了最新的計算機虛擬制造技術和虛擬技術在現代機械工程設計中的應用。

【關鍵詞】虛擬制造技術；現代機械工程設計；機械制造；機械產品；機械設計

1虛擬機械制造技術

過去，傳統機械設計技術的設備條件相對較差，設計技術不強，傳統設計理念保守，設計方法主要依靠粗略的計算和估算，主要是在更簡單和靜態的假設下完成機械工程設計。傳統設計具有較大的隨機性，設計的關鍵過程對設計人員也有一定的經驗。而設計習慣則高度依賴。設計過程難以做到合理、高效、準確。然而，現代虛擬設計的相關技術可以很好地實現現代設計的發展，對現代設計的準確性依賴于設計經驗、靜態設計過程和隨機設計理念，由數據知識工程和專家系統保證。虛擬計算機技術需要檢索、分析和收集必要的信息。找出優化設計方案和數值計算方法，當然也將在計算機輔助設計技術、人工智能技術、數據庫技術等方面有大量的應用。虛擬機械制造（VMM）是一種用于虛擬環境下計算機模型虛擬分析的計算機設計技術。

2現代化機械工程設計

機械設計的主要目的是實現在實際應用中的使用功能，讓機械產品具有一定的創新性，實現功能強大，經濟低廉等的優勢。傳統機械工程在設計過程中主要是受當時條件的影響，在許多方面有局限性。與傳統機械設計不同的是現代化機械工程設計充分利用了當前社會科學發展的技術條件，如先進的計算機技術，在一些列分析過程中運用了有關力學和數學等學科知識。從傳統的比較隨意性的設計中，逐漸轉化為以計算數據為基礎的設計，擁有的知識體系比較完整，其中涉及到動態現代化設計，使機械設計更符合現代化發展的需要。

3虛擬制造過程

3.1虛擬制造的模型設計

傳統的設計模型是設計者通過手繪作圖完成的，一旦客戶的意向發生改變，設計者需要推翻原先的設計圖，進行重新設計和制定模型。虛擬制造的模型設計的方便性在于可以根據客戶的要求只對設計好的模型進行部分修改。因此，虛擬制造的模型設計具有靈活性強的特點。虛擬制造的模型設計除了具有靈活性強的特點外，最重要的是虛擬制造技術，可以對設計的模型進行虛擬加工，加工之后又可以對產品進行仿真實驗。

3.2模型設計的步驟

一個完整的模型設計出來，需要很多步驟和程序。從模型的結構來講，模型的設計可以分為三個步驟：元模型的設計、機構模型的設計和產品模型的設計。首先，元模型的設計是模型設計的第一道工序，通常是模型的最基本的構造的設計。如：模型產品的通用螺絲、螺帽和齒輪等。這些簡單的元模型，在設計起來并不簡單，因為原模型的設計需要相應的理論公式、理論計算和實驗推理等知識無差別的使用。元模型雖小，設計它的方法卻非常復雜，并且元模型的規格要符合國家標準和準則。所謂“千里之堤毀于蟻穴”，元模型設計的不符合標準，會導致后續的模型設計也會出現錯誤。其次，機構模型是由元件模型組成的，機構模型的設計只有在元建模型設計好的基礎之上才能進行設計。對設計好的元件模型，進行分類、分級。不同類別，不同級別的元件模型通過設計就構成不同的機構模型。機構模型的設計構成，簡而言之，就是對元件模型按要求進行組裝，是模型總體設計中比較簡單的一種模型設計。最后，產品模型設計作為產品在計算機上的產品信息載體，是虛擬制造的模型設計的終極目標。產品模型的設計是對機構模型進行系統的結合，分為相應的模塊，完成最終想要生產的產品模型的最后一道工序。

4虛擬制造技術的核心

4.1虛擬制造中的建模技術

虛擬技術的虛擬指的是通過計算機語言將現實生產當中的機械制造流程映射出來，其中涉及到很多流程和步驟，主要有模型化、形式化以及計算機化等。建模環節涉及三種模型的建立。第一，生產模型。生產模型可以宏觀的劃分為動態和靜態兩種描述。動態描述需要基于系統狀態以及需求性質均已知，然后進行全方位的預測和判斷。靜態描述主要考察的是系統生產的能力和特性。第二，產品模型。該環節的主要工作是對產品的外觀特征以及各參數進行具體的描述。第三，工藝模型。這個環節需要在產品的生產過程當中充分聯系各工藝參數，從而將現實制造系統映射出來。

4.2虛擬制造中的仿真技術

所謂仿真技術是指通過計算機語言將復雜的機械生產系統進行模型化處理，對其進行模型化和簡潔化從而獲得最終的系統模型。對于仿真得到的系統模型進行應用分析，便可以實現在虛擬狀態下對產品的性能參數進行分析。仿真和實際的生產系統是兩個互相獨立的系統，他們之間不會產生相互干擾作用，與此同時，仿真系統可以充分地利用計算機的計算能力，從而大大縮短生產過程當中所耗用的時間成本，可以幫助我們最大化地減少人力、物力以及財力的浪費。仿真技術涉及到的環節比較復雜，其中，制造的仿真和加工的仿真是兩個互相獨立的過程。

4.3虛擬制造中的虛擬現實技術

虛擬制造中的虛擬現實技術是基于計算機圖像系統、計算機顯示系統以及計算機控制等接口設備，為人類展現出一種沉浸體驗的計算機技術。虛擬現實技術主要是為了改善以往使用的傳統的計算機交互方式，從而更好地提升計算機的操作性能。此外，虛擬現實技術中的操作者、機器以及人機接口是目前為止最有力的一種仿真形式，極大地便利了人們對虛擬環境的體驗，給人以身臨其境的感覺。

5虛擬制造技術在現代機械工程中的應用

5.1具有強大的通用性和功能性

虛擬樣機技術的建立和發展離不開分析力學和多剛體動力學，這兩門學科是該技術得以快速發展的必要基礎條件，虛擬樣機技術的核心所在是解決復雜狀況下的機械系統建模問題。實際上，虛擬樣機軟件在對機械系統的運動進行分析計算的時候絕大多數采取的都是帶有約束乘子的微分方程。建立該微分方程的基礎是假設系統當中構建的自由度是六，對于多余的自由度分別進行限制，從而保證其通用性和適用性。

5.2極大的簡化了建模過程

傳統意義上的建模是在對機械系統的運動狀況進行分析的基礎上作出相應的動力分析和計算，因此，該過程當中不可避免的是對圖形的分析處理以及相關公式的大量計算。考慮到系統運動的復雜性，所以，圖形及其公式處理都是相當繁瑣的，這就導致在對圖形分析和公式計算的時候很容易出現各種各樣的錯誤。與之相對應的虛擬制造技術當中的建模不需要做這些大量的前期工作，而僅僅需要工作人員將構建的連接方式、基本的物理參數進行輸入，然后借助強大的計算機來完成后期的分析和求解，不僅大大減少了工作量還有效提升了設計的精準度。

5.3具備高效的數據處理能力

數據處理一直以來都是一個比較繁瑣的過程，出來對數據理性的歸納分析以外還必須要求工作人員具備極高的工作素養。虛擬制造技術不僅幫助我們直觀的看到運動的整個過程，還可以對機械的性能進行全方位的掌握。

6結束語

隨著科學技術的提高，我國工業領域中的技術發展和先進工藝技術的應用也越來越廣泛。虛擬制造技術的發展和應用，將會改變現代化機械工程設計過程中傳統的制造模式。能在產品制造出來之前對出現錯誤的地方進行修改，實現對產品性能的預測等優勢，提高了產品質量和生產效率以及制造周期，具有廣闊的發展前景。

參考文獻：

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