虛擬技術在現代機械制造業中的應用探究

張 濱

（山東省濱州職業學院 電氣工程學院，濱州 256600）

虛擬技術在現代機械制造業中的應用探究

張 濱

（山東省濱州職業學院 電氣工程學院，濱州 256600）

0 引言

隨著知識經濟的興起和快速發展，競爭日益激烈的現代市場要求企業必須以最短的產品開發周期T(time)、最優品質Q(quality)、最低成本C(eost)和最佳服S(service)來滿足不同顧客的需求。而傳統設計，是根據產品的使用性能和設計要求，在圖紙上進行設計，在設計過程中，需要預先考慮到設計中存在的裝配干擾和設計不到位等問題，而這些問題往往只能在產品開發后期或最終產品試制和裝配中才會暴露出來，如果這時發現零件有問題或不足，就要重新設計；如果是零件已經生產了，那問題就更嚴重了。這樣的設計和制造不能保證產品生產的質量，而且產品的開發效率低、耗時多、費用高。面對持續發展、快速多變、不可預測的市場需求，企業的生產活動必須要有高度的柔性，能對市場需求的變化做出快速反應。而同時，信息技術取得了快速發展，為機械制造業的信息化進程提供了可行的基礎。這樣，信息化機械制造在現代機械制造領域的新產品開發中顯得尤為重要。

1 虛擬機械制造技術的定義與特征

傳統的機械設計技術，受低劣的設備條件和落后的技術方法所限，只能在保守的觀念下，依據粗略的驗算甚至估計，通過大量的簡化和靜止化假設完成機械工程設計，因此它必然使設計存在隨意性，對個人的經驗和習慣的依賴性極大，極難實現合理、準確和高效的設計。現代機械設計技術，充分利用了當今迅速發展起來的計算機技術、計算技術、應用數學和力學、電子學、測試和分析技術，使設計技術有可能從經驗的、靜止的和隨意性很大的傳統設計，變為基于計算數據、知識工程或專家系統的、動態的現代設計。這需要充分收集、分析和檢索必要的信息，快速的數值運算和方案尋優，因而必然大規模地使用CAD技術和人工智能技術、數據庫技術等。

而虛擬制造技術，是將實際機械制造過程在計算機上進行映射，即采用虛擬現實與計算機仿真技術，在高性能計算機和高速網絡的支持下，在計算機上群組協同工作，實現產品設計、加工機械制造、性能分析、工藝規劃、質量檢驗，以及企業各級過程的控制與管理等產品機械制造的本質過程，以增強機械制造過程各級的控制與決策能力。

虛擬機械制造技術是在虛擬環境下對計算機數據模型進行模擬分析的一項計算機輔助設計技術。它集成和綜合了可運行機械制造的環境：包括各種仿真工具、分析工具、應用工具、信息模型、控制工具、設備和組織協同工作的方法等等，用以改善從裝配產品的概念設計到動態仿真再到回收利用的各個階段。利用虛擬制造技術，技術人員不必等待零件的全部制造出來，可以建立零件的模型，對這些模型進行虛擬裝配，并檢查零部件之間的裝配間隙和干涉，檢查裝配狀態，及時發現錯誤，若零件不符合要求，可以在計算機里方便地更改模型，并重新生成模型和自動更新相關的零部件圖和裝配圖，從而實現設計、裝配和制造檢驗的協調統一。

2 虛擬制造的核心技術

虛擬制造技術涉及面很廣，諸如環境構成技術、過程特征抽取、元模型、集成基礎結構的體系結構、制造特征數據集成、多學科交駐功能、決策支持工具、接口技術、虛擬現實技術、建模與仿真技術等，其中以下3項是虛擬制造的核心技術。

2.1 建模技術

虛擬制造系統VMS（Virtual Manufacturing System)是現實制造系統RMS（Real Manufacturing System)在虛擬環境下的映射，是RMS的模型化、形式化和計算機化的抽象描述和表示。VMS的建模應包括：生產模型、產品模型和工藝模型的信息體系結構。

1）生產模型

可歸納為靜態描述和動態描述兩個方面。靜態描述是指系統生產能力和生產特性的描述。動態描述是指在已知系統狀態和需求特性的基礎上預測產品生產的全過程。

2）產品模型

是制造過程中，各類實體對象模型的集合。目前產品模型描述的信息有產品結構明細表、產品形狀特征等靜態信息。而對VMS來說，要使產品實施過程中的全部活動集成，就必須具有完備的產品模型，所以虛擬制造下的產品模型不再是單一的靜態特征模型，它能通過映射、抽象等方法提取產品實施中各活動所需的模型。

3）工藝模型

將工藝參數與影響制造功能的產品設計屬性聯系起來。以反應生產模型與產品模型之間的交互作用。工藝模型必須具備以下功能：計算機工藝仿真、制造數據表、制造規劃、統計模型以及物理和數學模型。

2.2 仿真技術

仿真就是應用計算機對復雜的現實系統經過抽象和簡化形成系統模型，然后在分析的基礎上運行此模型，從而得到系統一系列的統計性能。由于仿真是以系統模型為對象的研究方法，而不干擾實際生產系統，同時仿真可以利用計算機的快速運算能力，用很短時間模擬實際生產中需要很長時間的生產周期，因此可以縮短決策時間，避免資金、人力和時間的浪費。計算機還可以重復仿真，優化實施方案。

仿真的基本步驟為：研究系統→收集數據→建立系統模型→確定仿真算法→建立仿真模型→運行仿真模型→輸出結果并分析。

產品制造過程仿真，可歸納為制造系統仿真和加工過程仿真。虛擬制造系統中的產品開發涉及到產品建模仿真、設計過程規劃仿真、設計思維過程和設計交互行為仿真等，以便對設計結果進行評價，實現設計過程早期反饋，減少或避免產品設計錯誤。加工過程仿真，包括切削過程仿真、裝配過程仿真，檢驗過程仿真以及焊接、壓力加工、鑄造仿真等。目前上述兩類仿真過程是獨立發展起來的，尚不能集成，而VM中應建立面向制造全過程的統一仿真。

2.3 虛擬現實技術VRT

虛擬現實技術是在為改善人與計算機的交互方式，提高計算機可操作性中產生的，它是綜合利用計算機圖形系統、各種顯示和控制等接口設備，在計算機上生成可交互的三維環境（稱為虛擬環境）中提供沉浸感覺的技術。

由圖形系統及各種接口設備組成，用來產生虛擬環境并提供沉浸感覺，以及交互性操作的計算機系統稱為虛擬現實系統VRS（Virtual Reality System)。虛擬現實系統包括操作者、機器和人機接口3個基本要素。它不僅提高了人與計算機之間的和諧程度，也成為一種有力的仿真工具。利用VRS可以對真實世界進行動態模擬，通過用戶的交互輸入，并及時按輸出修改虛擬環境，使人產生身臨其境的沉浸感覺。虛擬現實技術是VM的關鍵技術之一。

3 機械工程設計中的虛擬制造技術——機械虛擬樣機技術

機械工程設計中的虛擬樣機技術，又稱為機械系統動態仿真技術，是國際上20世紀80年代隨著計算機技術的發展而迅速發展起來的一項計算機輔助工程技術。工程師在計算機上建立樣機模型，對模型進行各種動態性能分析，然后改進樣機設計方案，用數字化形式代替傳統的物理樣機。運用虛擬樣機技術，可以大大簡化機械產品的設計開發過程，大幅度縮短產品開發周期，大量減少產品開發費用和成本，明顯提高產品的質量和產品的系統級性能，獲得最優化和創新的設計產品。因此，該技術一出現，立即受到了工業發達國家有關機構和大學、公司的極大重視，許多著名制造廠商紛紛將虛擬樣機技術引入各自的產品開發中，并取得了很好的經濟效益。

在機械工程設計過程中，應用計算機仿真技術，對零件的加工方法、工序順序、工裝的選用、工藝參數的選用，加工工藝性、裝配工藝性、配合件之間的配合性、連接件之間的連接性、運動構件的運動性等均可建模仿真。建立數字化虛擬樣機，是一種嶄新的設計模式和管理體系。

4 虛擬樣機技術在機械工程設計中的優勢

4.1 具有強大的通用性和很強的復雜問題處理能力

虛擬樣機技術，是在分析力學和多體動力學的研究基礎上發展起來的，其目的就是為了能夠實現對復雜機械系統的自動建模。因此，多數虛擬樣機技術軟件采用的是帶約束乘子的微分一代數混合方程。其核心是令每個構件都具有6個自由度，然后用約束方程對多余的自由度加以限制。這樣的好處是能夠具有較好的通用性，對于不同類型的機構都可以方便建模。虛擬樣機技術考慮了機械系統中的詳細環節，比如構件的彈性、接觸、摩擦和控制等。

4.2 使機械系統建模更加方便

對于傳統的機械系統建模，我們必須首先進行運動分析，然后根據運動分析的結果進行動力分析，這中間需要大量的圖形分析和公式推導。這個過程不但繁瑣復雜，而且非常容易出錯，設計人員需要花費大量的時間和精力，保證建模過程的準確性。使用虛擬樣機技術，設計人員的工作只是給出機械的構成和連接形式，以及構件的物理參數，后面的建模和求解都是由計算機來完成的。這樣大大減輕了設計人員的負擔，提高了效率。

4.3 軟件具有強大的后期處理功能

傳統分析方法，得到的是大量的數據，對于這些結果的了解，需要豐富的理論知識和經驗。對于包含空間機構的機械更是如此。而虛擬樣機技術軟件，提供了很多結果的的可視化技術、曲線、圖形和動畫功能，可以使設計人員直觀地看到其性能和運動效果。

5 結論

虛擬制造技術，將從根本上改變現代機械工程設計領域中設計、試制、修改設計、規模生產的傳統制造模式。在產品真正制出之前，首先在虛擬制造環境中生成軟產品原型，代替傳統的硬樣品進行試驗，對其性能和可制造性進行預測和評價，從而縮短產品的設計與制造周期，降低產品的開發成本，提高系統快速響應市場變化的能力。虛擬機械制造是虛擬現實技術和計算機仿真技術在機械制造領域的綜合發展及應用。依靠現代化技術在計算機中以虛擬的形式實現，在不消耗實際的資源的前提下，更加實際的反映出新開發產品的相關情況，為機械制造業帶來了全新的概念。

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The applied research of virtual technology in modern manufacturing industry

ZHANG Bin

虛擬機械制造技術（Virtual Manufacturing）指對機械制造過程進行模擬仿真，以提高產品生產效率，降低生產成本的機械制造技術。20世紀90年代以來，計算機虛擬機械制造技術得到快速發展，成為現代很多機械制造企業的重要核心技術。結合計算機虛擬機械制造等新的機械制造技術的最新發展狀態，探討了計算機虛擬機械制造技術在現代機械制造業中的應用實踐。

虛擬；仿真；機械制造業；應用

張濱（1981－），男，山東濱州人，助教，本科，研究方向為 機械制造及自動化，學生管理。

TP393.08

B

1009-0134(2010)12(下)-0083-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.12(下).31

2010-10-07