仿真技術在機械設計制造過程中的應用

繆明明

（山東萊克工程設計有限公司，山東 東營 257099）

機械設計制造過程中，其主要的工作對象是產品，而影響產品質量、生產效率和成本高低的是裝配工藝。在實際加工過程中會遇到各種各樣的問題（比如材料選擇不當）。為了提高零件精度和保證零件使用要求等，需要對零部件進行精確的選材與定位；同時要考慮到機械設備運行時可能出現故障或不正常情況發生；還要保證機械系統穩定、可靠、安全工作等因素都會直接影響產品質量，所以必須做好仿真技術的開發研究工作。

1 仿真技術在機械設計制造過程中的作用

1.1 優化機械設計方案仿真技術

仿真技術是通過計算機模擬現實機械的工作過程，并在實際生產中進行檢測與改進，進而實現產品質量和性能等方面的提高[1]。在機械設計制造過程中，主要是通過計算機模擬真實的工作環境，對零部件進行準確的運動學、動力學等方面的研究。在機械設計制造過程中，對零部件的運動學、動力學等方面進行研究，可以讓設計者更好地了解零件之間復雜結構關系。仿真技術是一種模擬真實環境下工作狀態和動態特性的先進方法。它利用計算機軟件來對產品模型或者部件裝配圖以及各種連接方式進行虛擬建模，并分析其性能參數變化情況與規律性；在機械設計制造過程中應用仿真是一種非常實用有效的手段，可以幫助設計者更好地了解零件之間復雜結構關系、零部件間不同部位位置等相關問題，并能夠在實際工作中運用該方法，對機械設計制造的生產過程進行優化。仿真技術的應用，可以對機械產品進行三維運動學和動力學分析，并將其與虛擬樣機建立數據交互，模擬真實環境下零部件之間復雜結構關系、各部件在動態過程中的運行情況以及各種參數變化規律等。

1.2 提高數據分析效率和水平

在機械設計制造過程中，數據分析是最基礎的，也是最為重要的部分。對數據進行處理和統計工作就是要將實際情況與理論計算結果進行對比[2]。由于仿真技術具有一定局限性、不確定因素以及隨機誤差等，都會影響到實驗效果，甚至導致實驗失敗或者失效；同時還存在一些其他不可預知或避免不了的原因，而無法驗證其準確性，因此在機械設計制造過程中，必須重視這些問題并采取有效措施加以解決。機械設計制造過程中的數據分析工作是非常重要且不可或缺的，它不僅能對設計者所進行的裝配線制定、零件加工工藝等提出合理性建議，還需要將這些問題通過仿真技術加以解決。在實際生產中可以利用虛擬樣件系統來模擬各種工況下產品完成情況。在機械設計制造過程中，可以通過虛擬樣件系統來模擬各種工藝參數和裝配情況。這樣就能使設計者更加了解產品的性能特點，同時也有利于提高生產效率以及降低成本，縮短研發周期，并為企業創造更多財富價值。

1.3 節約設計成本

在機械設計制造過程中，要想降低成本，就要從源頭抓起，減少和避免浪費。例如：當某零件的尺寸精度要求較高時，就需要對其進行加工；而對于一些特殊情況下所需使用的零部件來說，則必須盡量簡化工藝、節約材料等。總而言之，就是通過仿真技術模擬系統來完成產品裝配工作后，再利用仿真的方法進行實際操作，設計人員可以通過計算機軟件實現虛擬制造，從而降低人工成本和減少資源浪費，提高機械效率[3]。在機械設計的制造過程中，我們可以通過對機械零件進行合理的簡化，從而使得產品成本降低，并且減少浪費。例如：加工工藝復雜、生產效率低等問題。所以說，優化設計方案是實現低成本高效益最主要的環節，也就是在機械設計仿真技術上應用最少化設計方法來完成零件圖紙中尺寸及重量的精確計算，然后再將結果進行分析與對比，最后選擇出最佳方案。這樣就可以大大地降低機械設計制造過程中所需要投入的成本。

2 仿真技術在機械設計制造過程中的具體應用措施

2.1 機械結構設計方面

機械結構設計是對機械產品的整體性能進行優化，并將其與實際使用要求緊密結合起來。在設計過程中，要充分考慮到不同部件之間的連接關系和工作環境。

對于某些特殊零件而言，需要考慮裝配時可能出現問題后如何解決這一情況；同時還要根據具體情況來選擇合適零部件型號及尺寸大小，以提高生產效率、降低成本、改善質量水平等，所以機械結構設計人員必須嚴格把關每一個環節。首先，要根據零件的具體要求設計出合理、安全可靠的機械結構，同時還要保證其有一定強度，以降低加工成本。其次，在設計過程中，必須嚴格遵守產品設計方案和圖紙上的相關參數。最后，需要對零部件進行準確分析，并計算尺寸及重量等因素來確定各部件之間是否發生相互干涉影響；此外，還應該考慮到裝配時可能出現的問題，以及如何減少這種故障現象和避免由于零件變形、腐蝕造成的不必要損失，同時也不能忽略機械結構本身質量問題。例如，在針對數控機床設備的加工設計環節，為了進一步提高其零部件性能和質量，技術人員可以利用仿真模擬技術來對數控機床的運行程序進行編輯，并根據仿真模擬數據對零部件程序加以完善，以此來確保數控機床的運行精確度。通過這樣的方式，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控機床加工效率和加工質量。除此之外，還可以將仿真模擬技術應用到機械設備的切削加工工藝之中。一般情況下，機械設備的切削加工多為人工完成，雖然人工的費用較低，但是卻不能很好地保障切削效果。鑒于此，技術人員可以利用仿真模擬技術對切削工藝進行編輯，按照切削方案設計出相應的數學模型，然后再利用先進的機械切削設備進行切削加工。

2.2 復雜機械加工研究方面

在實際加工中，機械零件的尺寸、形狀和材料等問題都會對產品質量產生影響。因此設計時需要考慮如何提高生產效率。

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保證工件精度要求等一系列因素都是非常重要且實用性很強的工作內容。復雜機械表面粗糙度分析法：這種方法是通過在零件上施加一個或多個微細外力，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量。隨著計算機仿真軟件在制造業中的廣泛應用，使我們能夠更快地掌握產品制造過程。在產品制造過程中，我們可以利用仿真軟件來模擬加工環境，并對其進行分析和研究。這不僅能縮短產品開發周期，還可以降低成本，提高生產效率。

2.3 齒輪設計方面

在機械設計制造過程中，齒輪的精度和抗疲勞性能決定了其產品質量的好壞，而要保證高質、穩定的工作，就必須嚴格控制零件表面粗糙度。對于某些尺寸較為特殊或者是齒面較淺的小直徑齒輪來說，可以通過改變齒頂圓角來實現減小誤差大小，改善加工工藝性以降低制造成本；同時也可利用軟件對不同形狀的齒輪進行模擬分析與計算，從而獲得更好的設計精度和抗疲勞性能。

在機械設計制造過程中，齒輪的主要作用是傳遞轉矩，并對傳動比進行調整。在機械裝備中，齒輪是最重要的零部件之一，因此，在設計中對其性能進行仿真意義重大，并且不少設計者也針對此問題做了大量研究。其中包括：使用visuallisp 語言對齒輪端面的建模和仿真，從任意幾何角度對其性能進行評估；用計算機仿真技術展開對圓弧針齒行星傳動的研究；對影響正交齒輪傳動接觸點的主要參數進行研究等。此外，計算機仿真技術在齒輪泵的齒輪設計中的應用也十分廣泛。

2.4 數值計算方面

在實際的生產過程中，我們需要根據設計要求，對機械系統進行不斷的改進，以滿足產品質量和性能升級需求，因此可以使用模擬仿真技術來完成。這種方法不僅能夠使設計者更直觀地了解到機械結構的變化情況、工作原理等問題，而且還能讓制造者更加清晰明了地表示出所研究對象的內部復雜程度以及各零件之間相互配合關系；在實際生產過程中，我們要對零部件進行反復調試，并檢驗其精度是否達到設計要求，這樣才能保證機械產品質量和效率得到提高。

在機械設計制造過程中，數值計算主要是進行零件的靜應力和加工工藝性分析，然后通過有限元方法對其變形等方面加以優化。所以使用計算機仿真技術可以很好地解決上述問題。利用ANSYS 軟件建立實體模型，由于實際情況與理論結果存在一定差異，為了保證模擬真實實驗效果能夠達到設計要求，需要在建模過程中添加必要的輔助變量來進行數值計算分析。

2.5 模型的建立與變換

在機械設計制作的過程中，若要使用仿真技術，首先就要設計編輯條件和約束條件，確定研究目標，進而建立一個可以滿足系統要求的仿真運行系統。

系統初步建立之后，便要求設計者根據相應的學科知識對該系統進行數字化表述，也就是對系統建立數學模型。通常狀況下，數學模型由于時間不同可分為動態和靜態兩種，其中動態模型又可以分為離散、連續和混合時間三種。模型的變換：這一步驟指的是把初步建立的模型通過數學表達式的作用變換成計算機能夠識別的樣式，這一過程運用了部分合適的計算機算法及語言，是仿真的基礎，也稱之為仿真模型。若要實現模型的變換，設計者可以使用現有的仿真軟件，也可以根據系統需求自行開發。在對仿真結果進行衡量時，要對其可靠性進行分析，通常使用的方法有以下兩種：置信通道法以及仿真過程的反向驗證法。

3 仿真技術在機械設計制造過程中的應用前景分析

3.1 加強了與互聯網的聯系

在機械設計制造過程中，可以利用互聯網技術，將設計師的想法與實際情況進行比較。例如：對于一些復雜、高難度大的零件或構件等加工完成時，設計者需要借助網絡來收集和分析信息，這樣就能節省大量時間，并且縮短產品開發周期；而如果是采用傳統方式生產的話，還可能出現誤差或者錯誤問題，也會大大提高成本及風險系數；同時，在機械制造過程中，利用虛擬樣板技術可以對零部件進行仿真模擬與測試，這樣就可以對零部件進行準確的測量，減少誤差；在機械制造中，利用虛擬樣板技術能夠使設計者更加容易發現并修正零件設計問題。因此，這種加工方法不僅能提高產品質量和生產效率，還可降低成本、縮短開發周期以及保證可靠性等重要作用得到廣泛運用。目前，我國的機械行業正處于高速發展階段，并且隨著科學技術水平的不斷進步，對自動化程度的要求也越來越高；仿真技術在機械制造中的廣泛應用，能夠使設計者對產品進行準確的模擬測試，從而縮短設計周期和提高生產效率[4]。

3.2 機械產品小型化

在機械產品的小型化方面，應用更廣泛的是小零件，而不是大尺寸、重量輕。這就要求設計人員對材料有更高的性能要求。因此，可以通過提高零件質量來降低成本和縮短生產周期；也能夠采用新技術進行加工，制造出高精度零部件以滿足市場需求，并能實現批量生產等目標，提升產品品質。在機械設備中應用仿真分析，可以大大降低設計成本，提高產品質量，同時也是對機械設備進行優化的重要手段，更是對產品設計的一種創新，它不僅可以提高機械設備性能，而且還能在使用過程中發現其中的潛在問題，從而及時地采取有效措施解決問題[5]。

3.3 仿真技術智能化

在機械設計制造過程中，利用仿真技術進行產品結構的分析和改進，可以有效地提高生產效率。智能化是指對整個系統進行模擬操作，這種方式能夠使操作人員通過計算機網絡直接獲取到產品零部件的裝配信息，這樣就能讓工作人員快速了解各個部件之間存在何種聯系或相互作用關系；同時也避免了人工干預所帶來設備故障而導致機器無法正常工作等問題。仿真技術在機械設計制造過程中具有重要作用，能夠有效地避免人為因素造成的產品質量問題。它將對機器零件和零部件進行分析，根據其特點制定相應的加工工藝流程并對生產設備進行實時監控與診斷；同時也可以通過虛擬樣機來模擬實際情況下的裝配環境、工作狀態等信息；還能對所需裝配對象模型參數及相關性能指標進行測試分析和評估。

4 結論

綜上所述，本文通過對仿真技術的應用進行了研究及分析。主要結論如下：通過大量實驗和數據收集與整理發現，目前市場上有許多類型的仿真技術，但是由于仿真軟件種類繁多、價格昂貴等原因，導致市場需求量少并且不具有普遍性以及實用價值；從理論上來說，仿真技術能夠應用于機械產品設計制造過程當中，在實際應用中有良好的前景。