現(xiàn)代機械工程設(shè)計中的虛擬制造技術(shù)探討（2）

張焱

【摘 要】隨著知識經(jīng)濟和工業(yè)制造的快速發(fā)展，現(xiàn)代化的市場要求產(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)計一般是在圖紙結(jié)合產(chǎn)品的特性和設(shè)計的具體要求進行的，在機械設(shè)計的過程中需要提前對設(shè)計中的設(shè)備裝配的干擾因素的不確定進行考慮，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)計的零件已經(jīng)開始投入生產(chǎn)了，那么損失就更加嚴重了。產(chǎn)品的質(zhì)量在傳統(tǒng)的設(shè)計和制造方式上不能得到很好的保證，并且傳統(tǒng)設(shè)計的工藝比較粗糙、開發(fā)的效率低、花費時間比較長、耗費的資金比較大。在變化速度快、持續(xù)性發(fā)展和不可預(yù)測性市場中難以適應(yīng)。因此，企業(yè)的生產(chǎn)活動需要具備高度的柔性和快速的反應(yīng)，與此同時信息技術(shù)的飛速發(fā)展保證了機械制造的先進性，信息化的使用對于現(xiàn)代機械工程設(shè)計十分重要。

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

隨著我國現(xiàn)代化社會的發(fā)展，人們對機械工程產(chǎn)品的要求越來越高，機械工程面臨著巨大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的機械設(shè)計技術(shù)無法滿足現(xiàn)代化社會發(fā)展的需求，具有一定局限性和不穩(wěn)定性，虛擬機械制造技術(shù)是一個全新的概念，是信息時代制造技術(shù)的重要標志，其主要是在虛擬的環(huán)境下對計算機的模型進行虛擬分析的一種計算機設(shè)計技術(shù)，是以計算機仿真技術(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)，研究如何在計算機網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及虛擬現(xiàn)實環(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)整個過程的計算機與仿真技術(shù)，依靠虛擬制造技術(shù)，機械設(shè)計人員不需要將所有的零件、部件設(shè)備都生產(chǎn)出來，可以運用建立模型的方式，對零部件進行裝配，并進行實驗與檢查，如發(fā)現(xiàn)不符合設(shè)計要求的情況，可以隨時更改模型，直到達到設(shè)計要求為止，既節(jié)省時間又降低成本。

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計算機語言的應(yīng)用將現(xiàn)實中的制造系統(tǒng)映射到虛擬的環(huán)境中，這個過程設(shè)計了一些的建模環(huán)節(jié)和模型的建立，并對這些建模環(huán)節(jié)進行抽象化的描述表達。

1.2仿真技術(shù)

仿真技術(shù)就是通過對計算機語言的充分利用，從而將復(fù)雜的機械生產(chǎn)系統(tǒng)模型化的技術(shù)，最終能夠獲得一個完整系統(tǒng)的系統(tǒng)模型，并且能夠通過對仿真技術(shù)的應(yīng)用來加強對模型的應(yīng)用，達到很好的應(yīng)用效果，從而形成一個科學(xué)全面的性能分析。

1.3虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬制造中的虛擬現(xiàn)實技術(shù)的優(yōu)勢之處在于可以有效的改善計算機的交互方式，從而提高計算機的可操作性。它主要是通過對計算機圖像系統(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的虛擬制造技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是在對傳統(tǒng)的計算機交互方式的一種創(chuàng)新改進，極大的提高了計算機可操作性。除此之外，它也給人類帶來了一種對虛擬環(huán)境真實的體驗，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)代機械工程中的應(yīng)用

2.1強大的通用性和功能性

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

2.2簡化建模過程

對于傳統(tǒng)的機械建模來說，它主要分析的是機械系統(tǒng)的運動狀況，并在此基礎(chǔ)上進行一些動力分析和計算。因此，在分析和計算的過程中要應(yīng)用到很多的圖形的分析處理和公式計算。但是，因為對于系統(tǒng)運動的分析過程較為復(fù)雜，還要包括對于圖形和公式的分析推導(dǎo)，極容易出現(xiàn)錯誤。這時就可以充分的體現(xiàn)出虛擬制造技術(shù)的優(yōu)勢，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算機來輸入一項相關(guān)的物理參數(shù)就可以。

2.3增強特種設(shè)備的安全性

在現(xiàn)代機械工程中應(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，通過對各種工況進行仿真實驗，增強特種設(shè)備的可靠性，并且為特種設(shè)備的進一步維修改造，制造合理的安全操作規(guī)劃提供依據(jù)。

2.4增強特種設(shè)備的規(guī)范管理

通過虛擬制造技術(shù)來對一些危險性較大的特種設(shè)備進行設(shè)計，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)計參數(shù)，增強特種設(shè)備設(shè)計的規(guī)范性。

3虛擬制造技術(shù)在機械工程中發(fā)揮的優(yōu)勢

3.1強大的通用性和分析處理復(fù)雜問題的能力

虛擬樣機技術(shù)建立和發(fā)展的基礎(chǔ)是分析力學(xué)和多體運動力學(xué)，該技術(shù)的關(guān)鍵是對復(fù)雜機械系統(tǒng)進行自動建模。因此，大多數(shù)的虛擬樣機技術(shù)軟件主要運用的是帶約束乘子的微分代數(shù)混合方程。令每個構(gòu)件都有六個自由度是它的核心，還要要求其對多余的自由度進行限制，實現(xiàn)其具有良好的通用性，達到適用性強的目的。與此同時，虛擬樣機技術(shù)還對機械系統(tǒng)的詳細環(huán)節(jié)進行考慮，具體指彈性、接觸和摩擦等因素。

3.2為機械系統(tǒng)建模帶來便利

傳統(tǒng)的機械系統(tǒng)建模中要先建立運動分析，隨后在運動分析的基礎(chǔ)上進行動力分析，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，并且錯誤率高。同樣的建模過程中設(shè)計人員只需要將機械的構(gòu)成方式和連接方法以及相應(yīng)的物理參數(shù)實施輸入，其后的建模和求解只需要計算來完成就可以了，極大地幫助設(shè)計人員承擔了許多的設(shè)計難度。

3.3強大的后期處理能力

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)驗和理論。但是運用虛擬樣機計算軟件為復(fù)雜性的數(shù)據(jù)提供了可視化技術(shù)，使得設(shè)計人員直觀地看到機械設(shè)計的性能和運動效果。

4結(jié)語

綜上所述，虛擬制造技術(shù)是現(xiàn)代機械工程設(shè)計領(lǐng)域的重要組成部分，也是適應(yīng)市場經(jīng)濟不斷發(fā)展的要求，有利于加強對現(xiàn)代工程設(shè)計各方面的掌握，以便于對虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用工作進行科學(xué)合理的規(guī)劃，提高運用的效果，提高其經(jīng)濟效益與社會效益。

參考文獻：

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