虛擬制造技術中建模技術與方法研究

（河南科技職業大學，河南周口市，466000）葉艷秋

1 虛擬制造技術

虛擬制造技術是近些年由美國首先提出的一種全新的概念。一些學者認為虛擬制造技術和實際的生產制造一樣，有著完整的制造過程。但是虛擬制造技術的制造過程是在計算機內進行的，而且虛擬制造技術中的建模可以對實際制造有著預測功能，在實際制造之前預測生產過程中存在的部分問題。而有的學者認為虛擬制造是一個綜合的制造環境，它可以將每一級的決策與控制進行一體化的綜合。而美國空軍實驗室認為虛擬制造技術是一種綜合應用，它將建模和分析急速進行了高度還原，增強各個環節生產制造的精準和控制。

1.1 虛擬制造技術的優點

虛擬制造可以提供一個云辦公的環境。不同專業、不同領域甚至不同地域的工作人員在同一個模型中共同工作，極大的提高了工作的效率，通過計算機，很多想法和成果得到了共享，帶來了線下交流不能擁有的便捷，有更好的精力和時間進行生產工作，整個產品開發到生產的速度和質量得以提升。

虛擬制造技術可以降低產品的成本，產品的研發和制造都需要付出很大的心血，而利用虛擬制造技術可以在計算機內進行產品的研發制造，沒有實際的消耗和浪費。首先，虛擬制造技術是通過計算機的運行，建立正確的模型，在虛擬環境下對產品進行設計制造、加工操作，若是出現問題，只需要通過簡單的編碼修改就可解決，不像傳統的生產線，出現問題還要反復修理調試。其次，已開發的產品模型可以存放在計算機里，即節省了大量的倉庫儲存費用，也方便客戶或市場產生變化時產品更容易更改，并快速投入實際的生產。

1.2 虛擬制造技術的缺點

虛擬制造技術從本質上講就是使用計算機制造生產出看得見摸不著的“虛擬產品”。通過了解可以發現，虛擬制造技術是一個綜合性高，學術理論跨度大的全能技術，它包含的領域包括仿真、數據信息、制造加工等。虛擬制造技術還缺乏一個完整統一的框架和體系。

虛擬制造技術的基礎是產品與生產工藝和系統的模型。雖然相關的技術組織消耗了很大的精力去研究開發，但是太過前沿的理念并不被很多人所看好，工藝規劃的模型進展較小，不能綜合的應用在虛擬制造平臺，生產系統的動態模型的研究和開發相對較弱，利用率低下。

虛擬制造技術主要針對零部件制造，而針對生產過程中的工藝步驟處理的時間、生產的成本和質量等方面仍需研究開發。虛擬制造的系統是一個復雜且龐雜的工作，需要非常豐富的經驗積累和知識儲備，所以在虛擬制造技術中生產計劃和調度規劃的研究開發需要加強。

虛擬制造技術的工作環境太過分散。有些產品制造需要很多家企業聯合制作，利用共享的信息和技術進行進行研發，但是受不同公司的企業文化以及經營理念不同的影響，工作研發人員的配合和協作效果會受到不同程度的影響，進而拖慢整個產品制造的進度。

2 幾何建模

幾何建模建立的基礎是幾何信息和拓撲，作用是描繪或表達形體。幾何建模的信息基本上是在三維空間內的展示，模型的性狀、大小和位置。拓撲信息則是模型的數量和位置關系。根據不同的因素可以將幾何建模分為以下三種類型。

2.1 線框建模

線框建模是用來描繪形體最基本的建模方法，主要使用各種線條如直線、圓弧、各種曲線等構造成立體線框圖來描繪形體。線框建模是最基本、最簡單的結構，線框建模是計算機中處理速度最快的，它立體的視圖可以通過投影技術得到實現。但是線框模型所描述的立體在計算機中只能體現出與線有關的信息，對形狀、特征以及規格等無法做出充分的表達，無法實現線框建模求體積、重量、質量等參數。

2.2 表面建模

表面建模的建立依據是以線框模型的結構為基礎的，有些類似于點線面的機構，構造出各種面相關的數據，形成表面建模。在對模型的面進行定義的時候，只要提供該面由哪些線框按照什么順序連接而構成的基本信息和形狀信息。表面建模與線框建模相比只是增加了面的定義中的部分數據量，通過對表面建模數據中蘊含的信息資源進行處理，可以繪制出相應的剖面圖、計算不同的面相交產生的線以及消除隱藏的線等功能。

2.3 實體建模

實體建模是比較復雜的，它是建立在表面建模數據的基礎上，通過增加實體在這些面的信息構造而成的。實體建模主要通過CSG（體素構造法）和B-rep（邊界表示法）這兩種方法表達的。為了讓幾何建模有著統一的表達，研發人員還開發出了NURBS（非均勻有理B樣條）算法。在幾何建模中，這種計算方法發揮著及其重要的作用，有著不可忽視的意義。

體素構造法是使用簡單的幾個模型模擬復雜的實體做構造的造型方法。通俗的講就是通過系統的定義，將幾何體的模型諸如立方體、球體、不規則物體等進行運算，并根據計算結果制造出實體的造型，創造出實際生產中需要的形體。體素構造法制造出的模型有著完整的幾何信息，是真實存在的三維實體，實體的造型主要包括體素的定義和描述，體素之間的集合運算。

對體素進行定義的時候，只需要將立體所占據的空間劃分開來。在計算機中創建空間直角坐標軸，在坐標軸中建立相關聯的不等式，對滿足不等式聯立的點設置為體素內的點。然后對各個體素之間的模型進行合理的邏輯計算，組合出新的幾何形狀。

3 特征建模

特征建模有著不同的定義，在各種設計、研究以及加工的生產活動中，需要通過特征建模進行推理，并將結果緊緊的聯系在相對應的應用領域上，在不同的領域產生了不同的定義用途。在機械行業零件制造中，特征是一組有關聯的集合，這個集合構造出一個有著特殊功能，特定工藝屬性和特定形狀的表面。任何一個產品零件都可以視為由若干個有著工程意義的結構特征構造而成的形狀特征。

4 結語

建模技術是虛擬制造技術的基礎，通過對建模的設計與開發，才能讓整個虛擬制造技術得到完整的運行。虛擬制造技術對制造業而言是全新的革命，它打破了傳統制造業靠經驗累積、摸索前進的模式，通過計算機模擬生產制造，將損耗與成本降到最低，達到了利益最大化，讓企業在市場競爭中占據主導型的優勢。