虛擬技術(shù)在當(dāng)代機(jī)械制造業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用

李長明

（山東奔速電梯股份有限公司，山東萊蕪271100）

虛擬技術(shù)在當(dāng)代機(jī)械制造業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用

李長明

（山東奔速電梯股份有限公司，山東萊蕪271100）

早在上個世紀(jì)末期，以計算機(jī)為主的虛擬機(jī)械制造技術(shù)就得到了一定地發(fā)展，很多機(jī)械制造企業(yè)也看到了其所帶來的便捷之處，在生產(chǎn)實踐中得到了廣泛地應(yīng)用。虛擬機(jī)械制造技術(shù)主要指的是借助計算機(jī)對機(jī)械制造的整個階段進(jìn)行模擬仿真，以增強(qiáng)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。主要從計算機(jī)模擬機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展動態(tài)展開深入的分析，并就該技術(shù)在現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行闡述，為相關(guān)行業(yè)提供一定的借鑒。

虛擬技術(shù)；機(jī)械制造業(yè)；應(yīng)用

虛擬制造技術(shù)也被稱作“擬實制造”技術(shù)，其工作原理是借助一些高科技技術(shù)的結(jié)合（比如信息技術(shù)、仿真技術(shù)等）對現(xiàn)實活動中的信息以及相關(guān)人物進(jìn)行模擬，對機(jī)械制造的整個階段進(jìn)行仿真，采取多種方式對制造過程中存在的問題進(jìn)行暴露，進(jìn)而采取行之有效的方式加以預(yù)防，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。在機(jī)械制造生產(chǎn)過程中，通過虛擬制造技術(shù)的有效應(yīng)用，一方面可降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，減少返工現(xiàn)象的發(fā)生，另一方面也能大大增強(qiáng)企業(yè)的生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品在市場上的核心競爭力。

1 虛擬機(jī)械制造技術(shù)的定義與特征

由于受到設(shè)備條件以及技術(shù)水平的制約，傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計技術(shù)大都是按照粗略地估算，采取假設(shè)的方式完成機(jī)械工程設(shè)計，這種方式由于估算缺乏依據(jù)，在實際設(shè)計時沒有一個有效的參照標(biāo)準(zhǔn)，很多設(shè)計人員完全是按照自己已有的經(jīng)驗進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計出的產(chǎn)品不管是在準(zhǔn)確性方面或是其他層面都沒有收到理想的效果。

隨著我國科技發(fā)展水平的不斷提高，新技術(shù)、新理念層出不窮，基于計算機(jī)技術(shù)、電子學(xué)技術(shù)等也由此應(yīng)運而生，設(shè)計技術(shù)也由傳統(tǒng)的、靜止的設(shè)計理念逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛谟嬎銛?shù)據(jù)、動態(tài)化的現(xiàn)代設(shè)計。而要實現(xiàn)現(xiàn)代設(shè)計，除了一定的技術(shù)做支撐外，還需要設(shè)計人員充分收集、分析信息，通過一系列的運算尋求最佳的方案設(shè)計。

虛擬制造技術(shù)則是將現(xiàn)實中機(jī)械制造的過程映射在計算機(jī)上，借助虛擬現(xiàn)實與計算機(jī)仿真技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，在高性能計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)的支持下，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計與加工制造等過程，還原真實的生產(chǎn)階段，為相關(guān)決策者提供一定的借鑒。虛擬機(jī)械制造技術(shù)是在一種虛擬的環(huán)境背景下對計算機(jī)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行模擬分析的計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)，它綜合運用了多種類型的機(jī)械制造環(huán)境比如仿真工具、控制工具等，實現(xiàn)從改善裝配產(chǎn)品的概念設(shè)計到動態(tài)仿真，最終完成產(chǎn)品的回收利用[1]。

借助虛擬制造技術(shù)，技術(shù)人員可通過構(gòu)建零件模型，對模型進(jìn)行虛擬裝配，檢查各裝配之間的運行狀況，能夠在第一時間找出問題所在，如若發(fā)現(xiàn)零件規(guī)格或者質(zhì)量不合格，可直接在計算機(jī)中完成模型的修改，系統(tǒng)會自動生成新的模型與裝配圖，為后期生產(chǎn)提供一定的借鑒，采取虛擬制造技術(shù)可大大節(jié)省材料，提高生產(chǎn)效率，為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)收益。圖1為虛擬制造技術(shù)過程圖。

圖1 虛擬制造技術(shù)過程圖

2 虛擬制造的核心技術(shù)

2.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是綜合運用了計算機(jī)圖形系統(tǒng)、各種顯示與控制接口設(shè)備，借助計算機(jī)生成相交互的三維虛擬環(huán)境。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要包含三方面要素：操作人員、機(jī)械設(shè)備及人機(jī)接口。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用大大提高了操作者與計算機(jī)之間的協(xié)調(diào)工作，成為當(dāng)前仿真工具中最為有效的技術(shù)。借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)可實現(xiàn)對真實世界的動態(tài)模擬，在交互應(yīng)用中，對存在的問題可及時進(jìn)行修改，系統(tǒng)會自動生成新的模型圖，從而為后續(xù)生產(chǎn)提供一定的參考[2]。

2.2 仿真技術(shù)

仿真技術(shù)主要指的是借助計算機(jī)對現(xiàn)實系統(tǒng)經(jīng)過簡化與抽象形成系統(tǒng)模型，在計算機(jī)上進(jìn)行仿真，從而得出某一系統(tǒng)的統(tǒng)計性能。仿真的主要研究對象是系統(tǒng)模型，它不會對實際生產(chǎn)系統(tǒng)造成影響，而且計算機(jī)的快速運算，可在短時間內(nèi)完成實際生產(chǎn)的長時間生產(chǎn)周期，降低了人力、物力的支出，提高了決策的時間。此外，計算機(jī)還可實現(xiàn)重復(fù)仿真，以便讓決策人員作出合理的判斷，提出最為優(yōu)化的設(shè)計方案。仿真技術(shù)的實施流程如下：

一，對系統(tǒng)進(jìn)行深入地研究；

二，收集相關(guān)數(shù)據(jù)信息；

三，根據(jù)所收集的信息構(gòu)建系統(tǒng)模型；

四，借助計算機(jī)對所構(gòu)建的系統(tǒng)模型進(jìn)行運行；五，輸出結(jié)果并開展有效的分析工作。產(chǎn)品制造過程仿真可將其歸為兩類：

其一，制造系統(tǒng)仿真，虛擬制造系統(tǒng)中產(chǎn)品的研發(fā)包含多方面的內(nèi)容，這樣才能對最終所得到的結(jié)果進(jìn)行科學(xué)、準(zhǔn)確地評估，實現(xiàn)設(shè)計過程的早期反饋，最大限度地降低產(chǎn)品設(shè)計中不良因素的干擾。

其二，加工過程仿真，加工過程的仿真主要包含切削過程仿真、鑄造仿真等內(nèi)容。

2.3 建模技術(shù)

虛擬制造系統(tǒng)英文縮寫為VMS，其隸屬于現(xiàn)實制造系統(tǒng)RMS在虛擬環(huán)境下的映射。RMS的建模主要包含三個內(nèi)容：生產(chǎn)模型、產(chǎn)品模型、工藝模型。現(xiàn)對這三種模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)地描述。

（1）生產(chǎn)模型。生產(chǎn)模型主要從靜態(tài)與動態(tài)描述兩個層面加以說明。靜態(tài)描述指的是對生產(chǎn)特性以及系統(tǒng)生產(chǎn)能力的描述，而動態(tài)描述主要指的是在已知系統(tǒng)狀態(tài)與需求特性的條件下預(yù)測產(chǎn)品生產(chǎn)的整個階段。

（2）產(chǎn)品模型。產(chǎn)品模型主要指的是對實體對象模型的集合。當(dāng)前，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)明細(xì)表以及產(chǎn)品形狀特征是產(chǎn)品描述的主要對象。對于虛擬制造系統(tǒng)來說，要實現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)整個階段地集成，具備完善的產(chǎn)品模型是必要條件，因此基于虛擬背景下的產(chǎn)品模型也能通過映射等方式提取出活動所需的各種模型。

（3）工藝模型。工藝模型主要是將產(chǎn)品設(shè)計屬性與工藝參數(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，從而直觀地反映出生產(chǎn)模型與產(chǎn)品模型之間的相關(guān)性。計算機(jī)工藝仿真、制造數(shù)據(jù)表、數(shù)學(xué)模型等是工藝模型所必備的功能，只有這樣才能實現(xiàn)產(chǎn)品制造各個階段地順利開展，幫助工作人員有效監(jiān)控生產(chǎn)的各個階段，提高生產(chǎn)效率。圖2所示。

圖2 生產(chǎn)線虛擬仿真運行框架

3 機(jī)械工程設(shè)計中的機(jī)械虛擬樣機(jī)技術(shù)

機(jī)械工程設(shè)計中的虛擬樣機(jī)技術(shù)也被稱作機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術(shù)，在上個世紀(jì)八十年代隨著計算機(jī)技術(shù)的興起而逐漸發(fā)展起來的一種計算機(jī)輔助工程技術(shù)。人們借助計算機(jī)，構(gòu)建相應(yīng)的樣機(jī)模型，通過動態(tài)展示，對模型進(jìn)行系統(tǒng)、全面地分析，對存在的問題可及時在計算機(jī)上進(jìn)行修改，優(yōu)化設(shè)計方案，采用數(shù)字化形式替代傳統(tǒng)的物理樣機(jī)，一方面可簡化產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)過程，為企業(yè)節(jié)省一定的成本支出，另一方面通過優(yōu)化設(shè)計，使得所生產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量能夠得到有效的保障。所以，自虛擬樣機(jī)技術(shù)一經(jīng)出現(xiàn)，便受到了很多發(fā)達(dá)國家以及大型企業(yè)地青睞，在產(chǎn)品研發(fā)中引入了虛擬樣機(jī)技術(shù)，收到了顯著的效果。在機(jī)械加工設(shè)計中，通過計算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用，不管是在零件的加工方法或是工藝流程都可進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使得各部件之間的配合更加連貫與緊密，系統(tǒng)運行也變得更加通暢，大大提高了生產(chǎn)效率。

4 虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械工程設(shè)計中應(yīng)用優(yōu)勢

4.1 使機(jī)械系統(tǒng)建模更加方便

眾所周知，傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)建模必須對系統(tǒng)進(jìn)行運動分析，按照運動分析結(jié)果進(jìn)一步進(jìn)行動力分析，這個過程是極其復(fù)雜的，不僅需要大量的圖形作分析而且還需要公式進(jìn)行推導(dǎo)計算，其中任何一步計算失誤都會影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外，設(shè)計人員在工作中還應(yīng)保持高度的責(zé)任心，認(rèn)真進(jìn)行計算，以確保建模過程的準(zhǔn)確性，這必然要耗費大量的時間。虛擬樣機(jī)技術(shù)的成功運用，為設(shè)計人員提供了一定的便捷，人員無需進(jìn)行手動計算，而只需借助計算機(jī)即可完成建模與計算工作，而且準(zhǔn)確率高。虛擬樣機(jī)技術(shù)軟件，提供了多種結(jié)果的可視化技術(shù)以及動畫圖形功能，能夠使設(shè)計人員直觀地了解系統(tǒng)的性能以及運行效果[4]。

4.2 具有強(qiáng)大的通用性和很強(qiáng)的復(fù)雜問題處理能力

虛擬樣機(jī)技術(shù)，是在分析力學(xué)與多體動力學(xué)的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展起來的新興技術(shù)，這一技術(shù)可實現(xiàn)對復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的自動建模，有效解決傳統(tǒng)建模中存在的不足之處。所以，大多數(shù)虛擬樣機(jī)技術(shù)軟件采取的是帶約束乘子的微分一代數(shù)混合方程。虛擬樣機(jī)技術(shù)是令每個構(gòu)件具有六個自由度，根據(jù)約束方程有效制約多余的自由度，以方便建模工作的順利開展。

5 結(jié)束語

綜上所述，虛擬制造技術(shù)的不斷發(fā)展，將徹底的顛覆傳統(tǒng)制造模式中的弊端，從設(shè)計到生產(chǎn)的各個流程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)高效率的生產(chǎn)環(huán)境。產(chǎn)品在制作之前，通過虛擬制造環(huán)境，將其生成產(chǎn)品原型進(jìn)行試驗，以便于設(shè)計人員對產(chǎn)品地性能進(jìn)行準(zhǔn)確地預(yù)測并做出科學(xué)地評價，盡可能地縮短產(chǎn)品地制造周期，降低產(chǎn)品的研發(fā)成本，為企業(yè)創(chuàng)造巨大地經(jīng)濟(jì)價值。虛擬機(jī)械制造是將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與計算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，通過現(xiàn)代化技術(shù)在計算中以虛擬的形式呈現(xiàn)出來，使設(shè)計人們能夠直觀地了解產(chǎn)品開發(fā)中所面臨的相關(guān)問題，提出有效的應(yīng)對策略，為后期真實生產(chǎn)環(huán)節(jié)地實施提供一定的技術(shù)支撐。

[1]田志剛.淺析我國機(jī)械制造技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展思路[J].好家長，2016（33）：241-244.

[2]徐永祥，劉珍，包曉艷，等.基于虛擬技術(shù)的形狀誤差數(shù)據(jù)處理方法[J].裝備制造技術(shù)，2009（09）：85-87.

[3]段亞麗，梁洪波，高國天，等.淺析虛擬技術(shù)對液壓元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的展示應(yīng)用[J].職業(yè)技術(shù)，2013（01）：82-83.

[4]陶表達(dá)，姚桂玲.虛擬技術(shù)在現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)中的應(yīng)用[J].湖北第二師范學(xué)院學(xué)報，2010（02）：105-017.

Application of Virtual Technology in Modern Mechanical Manufacturing Industry

LI Chang-ming
（Shandong Speed Elevator Co.，Ltd.，Laiwu Shandong 271100，China）

As early as the end of the last century，virtual manufacturing technology computer-based got a certain development，many machinery manufacturing enterprises have also seen the convenience it brings，has been widely used in the production practice.Virtual machine manufacturing technology is mainly refers to the use of computer to simulate the whole stage of mechanical manufacturing，in order to enhance the production efficiency of the product.This paper mainly from the computer simulation of the development of mechanical manufacturing technology to carry out in-depth analysis，and the application of the technology in the modern machinery manufacturing industry，to provide some reference for the relevant industry.

virtual technology；mechanical manufacturing industry；application

TP391.9

：B

：1672-545X（2017）01-0154-03

2016-10-06

李長明（1973-），男，山東濟(jì)南人，碩士研究生，博士在讀，電氣工程師，主要從事機(jī)電一體化專業(yè)研究。