關于虛擬制造技術在農機產品設計制造中的應用的研究

宮曉琴

太原理工大學輕紡工程與美術學院 030600

在傳統(tǒng)農機設計與制造中，設計制造人員在利用計算機進行農機部件以及產品設計時，必須提前了解產品以及農機部件的性能，如果通過檢測發(fā)現(xiàn)產品以及農機部件性能不能夠滿足實際需求之后，設計人員需要對產品進行重新設計。虛擬制造技術的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)的農機設計與制造技術，它并不是對產品以及農機部件的實際制造，而是設計人員通過虛擬技術以及計算機技術，利用虛擬環(huán)境對農機產品的功能及各方面的性能進行相應的檢測，分析農機產品實際的運行狀況，使得人們更為清晰地了解農機產品的性能，做出更加科學合理的改用方案。本文主要研究我國虛擬制造技術的內涵，探討虛擬制造技術在農機產品設計制造中的應用現(xiàn)狀，為我國在農機產品設計制造中虛擬制造技術運用的進一步發(fā)展提供一些思路。

1 虛擬制造技術的含義分析

1.1 虛擬制造技術定義解析

虛擬制造技術是一種現(xiàn)實制造的過程及結果在計算機上的具體體現(xiàn)形式，因此，它又可以被稱為擬實制造。虛擬制造主要是采用虛擬現(xiàn)實技術以及計算機仿真技術，通過科學利用計算機，實現(xiàn)產品的開發(fā)、制造、管理等各個環(huán)節(jié)的計算機虛擬化控制，這樣可以極大提高農機產品制造過程中的各級過程控制及決策能力。虛擬制造技術不同于現(xiàn)實制造技術，它不是農機產品各個單項技術的簡單組合，而是通過計算機，對各種農機制造系統(tǒng)知識進行系統(tǒng)化的組織，通過計算機模擬，對農機產品以及各項制造活動進行全面建模及虛擬制造，設計人員必須做到合理利用理論知識，通過對理論知識的運用，實現(xiàn)農機產品的有效集成。農機產品實際制造之前，操作人員還需要對現(xiàn)實物件信息、人物信息以及其他各方面的信息進行有效管理與控制，通過仿真技術、信息技術以及計算機技術，找出農機技術中實際出現(xiàn)的問題，并對這些問題進行探討，找到問題原因及解決策略，從而有效提高農機產品設計制造的質量水平。

1.2 虛擬現(xiàn)實以及虛擬制造

虛擬現(xiàn)實技術在農機產品設計以及制造運用中具有極大的潛力，它建立在虛擬制造技術實踐以及制造理念基礎上，通過運用虛擬制造技術實踐以及制造理念，實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實技術的有效融合。虛擬制造技術可以說是虛擬現(xiàn)實技術的一個具體運用，它主要利用多功能傳感設備，實現(xiàn)虛擬環(huán)境與實際用戶之間的交互。換句話說，虛擬現(xiàn)實技術是對真實世界的一種再現(xiàn)以及模擬。在技術上，虛擬現(xiàn)實技術利用計算機生成三維環(huán)境，通過利用各種接口設備及顯示設備，向操作者提供一種虛擬沉浸的感覺，操作者可以通過這種虛擬沉浸的感覺，使自己的視點或身體某一部分處于計算機虛擬技術的環(huán)境當中，從而更加科學地進行農機產品的設計及虛擬制造。從實質上講，這種虛擬現(xiàn)實技術只是一種單項的仿真技術，它僅僅提供虛擬制造的農機產品的局部環(huán)節(jié)，并沒有實現(xiàn)對農機產品的智能、資源、過程、信息、技術以及人機合一等方面的全面集成。

1.3 實際制造與虛擬制造之間關系分析

虛擬制造是虛擬現(xiàn)實技術與計算機仿真技術的有效融合，它的主要過程是在計算機上實現(xiàn)的，其實際制造過程只是在計算機上的反映，同時在高速網絡以及高性能計算機的基礎上進行相應的虛擬制造。而實際的制造過程則是，農機產品制造的信息流以及物質流在一定的制造機制作用下，生產出適應市場需求的農機產品，通過對實際制造系統(tǒng)的綜合分析及控制，進而制造出實際的農機產品。通過對實際制造與虛擬制造之間關系的分析，我們可以看出：虛擬制造最終的目的是對實際農機產品進行虛擬反作用研究，進而指導實踐，指導實際的農機產品制造。在農機產品的實際制造過程中，需要通過重復性的設計、試制、評價的循環(huán)過程來進行，循環(huán)過程完成之后，還需要到實際制造中進行相應的驗證。通過反復的制造試制，積累經驗，最終確定合理的農機產品制造方案。虛擬制造流程，不同于現(xiàn)實制造技術，虛擬制造技術主要是利用計算機，在計算機技術及其他技術的支持下進行實際產品設計制造，完成之后對各個環(huán)節(jié)進行相應地系統(tǒng)評價，從而對產品設計制造進行優(yōu)化，這樣可以節(jié)約大量的物質流通過程。

2 虛擬制造技術在農機產品設計制造中的應用

虛擬制造技術在農機產品設計制造中的應用主要體現(xiàn)在兩個方面，一是通過計算機仿真技術以及計算機虛擬技術的綜合利用，同時通過建模對農機的外觀、功能以及行為等進行合理控制，通過建立逼真的虛擬環(huán)境，實現(xiàn)產品的設計、工藝規(guī)劃以及加工制作的有效統(tǒng)一，提高分析與研究的科學性，同時對農機產品的質量檢測以及各級管理進行控制。另一方面，虛擬制造技術可以實現(xiàn)農業(yè)生產活動的虛擬化，實現(xiàn)機械與人之間的人機合一，對于農機性能進行試驗與評價，從而減少農機產品生產的隨意性，降低農機產品的生產成本，增強農機產品的可靠性延長使用壽命。

2.1 虛擬制造體系結構分析

目前，我國比較先進的虛擬制造體系結構理論是由上海交通大學提出的，即：虛擬總線VM體系結構。根據(jù)上海交通大學提出的虛擬總線VM體系結構，農機產品的虛擬制造結構與體系主要應分為五大部分：數(shù)據(jù)層、活動層、應用層、控制層以及界面層這五大層，這五大層之間存在著密切的聯(lián)系。它們在虛擬制造技術中占據(jù)相當?shù)谋壤挥袑@五大結構有了深刻清晰的認識與了解，才可以更好地將虛擬制造技術運用于農機產品設計中。

2.2 虛擬制造系統(tǒng)構成

農機產品虛擬制造技術系統(tǒng)主要是由硬件資源、虛擬物理系統(tǒng)以及虛擬信息系統(tǒng)三部分組成。虛擬制造系統(tǒng)主要依靠CAD|CAM|CAE軟硬件系統(tǒng)，對設備、產品、生產以及管理的過程進行控制。其中，產品設計模型主要包括環(huán)境評價、成本設計、功能設計、技術要求分析；生產過程模型則包括基本的加工方法、加工仿真以及控制方案等環(huán)節(jié)。

2.3 虛擬制造技術應用實例分析

虛擬制造技術在農機產品設計制造中的應用實例，最為典型的就是聯(lián)合收割機的脫粒機械。脫粒機械作為聯(lián)合收割機的重要部件之一，直接影響著聯(lián)合收割機的工作效率及工作質量。對脫粒機械進行虛擬制造時，技術人員首先應對實際制造過程進行相應的構思，之后建立完整的三維模型，然后對運動仿真設計、虛擬裝配設計等環(huán)節(jié)進行建模。在實際的脫粒機械虛擬制造過程中，設計人員可以對多個虛擬方案進行設計，直到設計方案最優(yōu)化之后，選取設計制造參數(shù)進行實際制造工作。

總結：

虛擬制造是建立在計算機仿真技術以及虛擬現(xiàn)實技術的基礎之上的，它是對于這兩種技術在制造領域的進一步運用。虛擬制造技術可以正確反映產品實際情況，而且還可以實現(xiàn)資源、能源的零消耗。虛擬制造技術作為一種新型的技術，為我國農業(yè)機械領域帶來了新的發(fā)展機遇，它的廣泛運用與發(fā)展，必將極大地提高我國農業(yè)機械競爭力，極大地提高我國農機企業(yè)的研發(fā)以及創(chuàng)新能力。雖然我國在農機產品設計制造中積累了豐富的經驗，但是在實際的虛擬制造技術運用中，很多問題仍然存在。為此，農機產品設計制造企業(yè)在對虛擬制造技術進行運用時，應該深入研究虛擬制造技術運用現(xiàn)狀，發(fā)展新型虛擬制造技術，使我國在農機產品設計制造中虛擬制造技術的運用得到的進一步的發(fā)展。

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