現代機械工程設計中的虛擬制造技術探討

摘 要：隨著我國現代機械工程業的不斷進步與發展，出現了眾多新型的制造技術，虛擬制造技術就是機械工程設計中的一個重大突破，本文筆者將對現代工程設計中的虛擬制造技術進行深入的探討。

關鍵詞：機械工程設計；虛擬制造技術

中圖分類號：TH122；TH166 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）06-0180-03

Abstract：With the continuous progress and development of modern mechanical engineering in China，a number of new manufacturing technologies have emerged. Virtual manufacturing technology is a major breakthrough in the design of mechanical engineering. The author of this paper will discuss the virtual manufacturing technology in modern engineering design.

Keywords：mechanical engineering design；virtual manufacturing technology

0 引 言

虛擬制造技術指的是在機械制造過程中對機械的制造進行仿真和模擬，來測試機械的各項功能是否符合要求與標準，避免生產制造出來的機械質量不合格，給機械企業造成重大的經濟損失，最大限度降低機械產品的生產成本。

1 虛擬制造技術的定義與特征

隨著我國現代化社會的發展，人們對機械工程產品的要求越來越高，機械工程面臨著巨大的挑戰，傳統的機械設計技術無法滿足現代化社會發展的需求，具有一定局限性和不穩定性，虛擬機械制造技術是一個全新的概念，是信息時代制造技術的重要標志，其主要是在虛擬的環境下對計算機的模型進行虛擬分析的一種計算機設計技術，是以計算機仿真技術、制造系統與加工過程的建模理論、VR技術、分布式計算理論、產品數據管理技術等為理論基礎，研究如何在計算機網絡環境及虛擬現實環境下，利用制造系統各層次及各環節的數字模型，完成制造系統整個過程的計算機與仿真技術，依靠虛擬制造技術，機械設計人員不需要將所有的零件、部件設備都生產出來，可以運用建立模型的方式，對零部件進行裝配，并進行實驗與檢查，如發現不符合設計要求的情況，可以隨時更改模型，直到達到設計要求為止，既節省時間又降低成本。

2 虛擬制造核心技術

虛擬技術涉及的專業知識面較廣，如環境構造技術、元模型、集成基礎結構的體系結構、制造特征數據集成、過程特征抽取、制造特征數據集成、多學科交駐功能等一系列高科技互聯網技術，以下就是現代機械工程設計中虛擬制造技術中的核心技術。

2.1 建模技術

虛擬技術中的虛擬指的是利用計算機模式將現實生產過程中的機械制造流程映射出來，其中涉及諸多程序與步驟，但最主要的還是模型化、形式化以及計算機化等，建模技術環節涉及三種模型的建立，主要包括：

2.1.1 生產模型

生產模型可歸納為兩個方面，即靜態描述和動態描述，靜態描述主要指的是系統生產能力與生產特性的描述，而動態描述主要指的是已知系統狀態和需求特性的基礎上預測產品生產和全過程。傳感器的靜態特性分析如圖1所示。

2.1.2 產品模型

產品模型是制造過程中，種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、產品形象特征等靜態信息，而對于VMS來說，想要有效地使產品實施過程中的全部活動集成，說必須具備完整的產品模型，所以虛擬制造下的產品模型不再是靜態的模型，它通過射映、抽象等方式，來獲得產品實施過程中所需要的模型。

2.1.3 工藝模型

工藝模型就是將工藝參數與影響制造功能的產品設計的屬性相互結合在一起，借此來反映生產模型與產品模型之間的相互作用，工藝模型必須具備以下幾個功能：計算機工藝仿真、制造規劃、數學模型、制造數據表、統計模型以及物理模型，可以有效地實現產品制造各個階段的順利展開，使管理人員對生產的各個階段實施實時監控，提高工作效率。

2.2 仿真技術

仿真指的是通過先進的計算機技術實現系統的抽象化與簡潔化最終形成的系統模型，并且在仿真技術的基礎上對其進行應用，最終得到相應的系統性性能分析，仿真主要是由系統模型為主體的研究方法，它對實際的生產系統沒有直接的干擾作用，并且仿真系統可以合理地運用計算機系統，將現實中需要長時間完成的工作，可以在短時間內迅速地完成，大大縮短了生產決策的時間，避免了人力、物力、財力的浪費，計算機技術還可以對模型進行仿真修復，最終找到最佳的方案，利用三維仿真軟件和PC工作站可實現桌面的虛擬效果，操作者可以坐在電腦前對模型進行360度無死角的實時觀察，可以通過鼠標、軌跡球等控制端來調整觀察的角度，通過此類投入式現實虛擬技術，不止可以實現單純的運動仿真、干涉檢查等三維觀察的基本功能，而且能給設計者創造身臨其境的感覺，啟發設計者的創造性思維，為多人技術討論、技術規劃等創造更加廣闊的空間與真實的環境。

2.3 虛擬現實技術

虛擬現實技術是綜合運用了計算機圖形系統、各種顯示與控制接口設備，借助計算機生成相交互的三維虛擬環境，用戶需要通過特殊的交互設備才能進入虛擬的環境當中，這是一門新型的綜合性信息技術，它融合了數字圖像處理、多媒體技術、傳感器技術等多個信息技術，促進了我國計算機互聯網技術的發展進程，虛擬現實技術的主要特征包括以下幾個方面：多感知性。多感知性指的是除了給人提供視覺感知之外，還可以為人們提供聽覺、力覺、觸覺等較為真實的感覺，可以使人們感覺自身處在虛擬的世界當中；侵沒感。侵沒感就是讓設計者感覺身臨其境，使其難以分辨是現實世界還是虛擬世界，能夠使設計者全身心地投入到計算機創建的三維虛擬世界當中；構想性。構想性又稱之為自主性，可以拓寬設計者的認知范圍，可以隨意地構想現實生活當中不存在的環境，刺激設計的思維神經，為設計者提供更多的靈感。

2.4 虛擬裝配技術

虛擬裝配技術是將計算機仿真技術與虛擬現實技術結合在一起，通過仿真模型在計算機上進行機械的仿真裝配實驗，實現產品的工藝規劃、裝配、調試以及加工制造，它是將現實中的裝配過程采用計算機的方式呈現出來，虛擬裝配是在計算機虛擬的環境中，合理地利用現實技術將設計的機械產品采用三維模型的方式進行預裝配，使產品的性能與功能都達到最佳狀態，如發現產品的性能與功能不符合設計的要求，則需要進行詳細的分析、評價、規劃、仿真等改善產品的裝配與設計結構，最大限度地實現產品的可裝配性與經濟性，根據多年的機械裝配經驗，產品的裝配費用占到機械產品總費用的30%--50%之多，有時甚至出現更高的現象，提高了機械企業的生產成本，虛擬裝配技術不同于傳統的裝配技術，它是一種新型的產品研發模式，其主要的作用就是建立虛擬產品模型和虛擬裝配環境，并將其合理地應用到產品的實際生產當中，有效地對產品的性能與可裝配性進行合理的評價，以達到縮短產品的研發周期、降低機械產品裝配的成本、提高機械企業的經濟效益的目的。

3 虛擬制造技術在現代機械工程設計中的優勢

3.1 具有較強的通用性和功能性

虛擬樣機技術是我國虛擬技術的一個重大突破，它是以分析力學與運動力學作為依據的，這兩門學科是推動其發展的重要條件，該技術可以有效地彌補傳統技術中的不足之處，可實現復雜的機械系統自行進行建模，提高虛擬技術對復雜問題的處理能力。目前，我國絕大部分的虛擬樣機技術軟件中，運用最為廣泛的就是帶約束乘子的微分代數混合方程，此類技術可以有效地使每一個環節的構件者具有六個自由度，并且還要具備對其他多余的自由度進行限制的能力，最大限度地實現虛擬制造技術的通用性，使其適用性達到最強的狀態，提高虛擬技術的整體效果。并且，虛擬樣機技術可以對機械系統中的彈性、摩擦以及接觸等每一個環節進行全面、詳細的考慮，使我國虛擬技術向著自動化、安全化、智能化方向持續穩定地發展。

3.2 為機械系統帶來便利

虛擬制造技術可以將繁瑣的繪圖工作進行優化，用先進的計算機來代替，操作員只需要掌握計算機的軟件技術，可以將設計的師的精力著重放于產品的設計問題上，將利用計算機軟件建立出的三維造型技術應用在機械系統當中，使虛擬模型更加簡單化與形象化，而且虛擬技術可以無限次修改，傳統的圖紙設計在修改方面存在較多的局限性，如修改次數過多，就會影響圖紙的整體效果，也可能在修改過程中對其他的數據造成影響，增加了設計的困難度，而虛擬技術可以實現機械產品的快速設計與無限次修改，虛擬機械加工技術仿真了新產品開發設計的全過程，能夠準確地預測產品工具的破損以及磨損等情況，掌握在加工過程中各項參數的變化對加工產品表產生影響的準確數據，進一步實現了機械技術智能化。

4 結 論

隨著我國機械技術的不斷發展，傳統的機械技術中存在著部分漏洞與弊端，提高了機械產品研發與裝配的費用，虛擬制造技術構建了具有實時性、動態性、交互性的機械加工虛擬實驗系統，實現產品設計合理性高、可加工性好、研發周期短、生產效率高。

參考文獻：

[1] 伊紀斌.現代機械工程設計中的虛擬制造技術探討 [J].中國高新技術企業，2016（5）：73-74.

[2] 黃岳陽.現代機械工程設計中的虛擬制造技術初探 [J].科技展望，2016，26（34）：107.

[3] 張濱.虛擬技術在現代機械制造業中的應用探究 [J].制造業自動化，2010，32（15）：83-85.

作者簡介：劉琨（1977.01-），男，漢族，河南焦作人，2007年7月畢業于南京理工大學機械電子工程專業，講師，工學碩士。從事機電一體化方向的教學及研究。