虛擬制造技術(shù)中建模技術(shù)與方法研究

（河南科技職業(yè)大學(xué)，河南周口市，466000）葉艷秋

1 虛擬制造技術(shù)

虛擬制造技術(shù)是近些年由美國首先提出的一種全新的概念。一些學(xué)者認(rèn)為虛擬制造技術(shù)和實(shí)際的生產(chǎn)制造一樣，有著完整的制造過程。但是虛擬制造技術(shù)的制造過程是在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行的，而且虛擬制造技術(shù)中的建模可以對實(shí)際制造有著預(yù)測功能，在實(shí)際制造之前預(yù)測生產(chǎn)過程中存在的部分問題。而有的學(xué)者認(rèn)為虛擬制造是一個(gè)綜合的制造環(huán)境，它可以將每一級的決策與控制進(jìn)行一體化的綜合。而美國空軍實(shí)驗(yàn)室認(rèn)為虛擬制造技術(shù)是一種綜合應(yīng)用，它將建模和分析急速進(jìn)行了高度還原，增強(qiáng)各個(gè)環(huán)節(jié)生產(chǎn)制造的精準(zhǔn)和控制。

1.1 虛擬制造技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

虛擬制造可以提供一個(gè)云辦公的環(huán)境。不同專業(yè)、不同領(lǐng)域甚至不同地域的工作人員在同一個(gè)模型中共同工作，極大的提高了工作的效率，通過計(jì)算機(jī)，很多想法和成果得到了共享，帶來了線下交流不能擁有的便捷，有更好的精力和時(shí)間進(jìn)行生產(chǎn)工作，整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)到生產(chǎn)的速度和質(zhì)量得以提升。

虛擬制造技術(shù)可以降低產(chǎn)品的成本，產(chǎn)品的研發(fā)和制造都需要付出很大的心血，而利用虛擬制造技術(shù)可以在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行產(chǎn)品的研發(fā)制造，沒有實(shí)際的消耗和浪費(fèi)。首先，虛擬制造技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)的運(yùn)行，建立正確的模型，在虛擬環(huán)境下對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)制造、加工操作，若是出現(xiàn)問題，只需要通過簡單的編碼修改就可解決，不像傳統(tǒng)的生產(chǎn)線，出現(xiàn)問題還要反復(fù)修理調(diào)試。其次，已開發(fā)的產(chǎn)品模型可以存放在計(jì)算機(jī)里，即節(jié)省了大量的倉庫儲(chǔ)存費(fèi)用，也方便客戶或市場產(chǎn)生變化時(shí)產(chǎn)品更容易更改，并快速投入實(shí)際的生產(chǎn)。

1.2 虛擬制造技術(shù)的缺點(diǎn)

虛擬制造技術(shù)從本質(zhì)上講就是使用計(jì)算機(jī)制造生產(chǎn)出看得見摸不著的“虛擬產(chǎn)品”。通過了解可以發(fā)現(xiàn)，虛擬制造技術(shù)是一個(gè)綜合性高，學(xué)術(shù)理論跨度大的全能技術(shù)，它包含的領(lǐng)域包括仿真、數(shù)據(jù)信息、制造加工等。虛擬制造技術(shù)還缺乏一個(gè)完整統(tǒng)一的框架和體系。

虛擬制造技術(shù)的基礎(chǔ)是產(chǎn)品與生產(chǎn)工藝和系統(tǒng)的模型。雖然相關(guān)的技術(shù)組織消耗了很大的精力去研究開發(fā)，但是太過前沿的理念并不被很多人所看好，工藝規(guī)劃的模型進(jìn)展較小，不能綜合的應(yīng)用在虛擬制造平臺(tái)，生產(chǎn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型的研究和開發(fā)相對較弱，利用率低下。

虛擬制造技術(shù)主要針對零部件制造，而針對生產(chǎn)過程中的工藝步驟處理的時(shí)間、生產(chǎn)的成本和質(zhì)量等方面仍需研究開發(fā)。虛擬制造的系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜且龐雜的工作，需要非常豐富的經(jīng)驗(yàn)積累和知識(shí)儲(chǔ)備，所以在虛擬制造技術(shù)中生產(chǎn)計(jì)劃和調(diào)度規(guī)劃的研究開發(fā)需要加強(qiáng)。

虛擬制造技術(shù)的工作環(huán)境太過分散。有些產(chǎn)品制造需要很多家企業(yè)聯(lián)合制作，利用共享的信息和技術(shù)進(jìn)行進(jìn)行研發(fā)，但是受不同公司的企業(yè)文化以及經(jīng)營理念不同的影響，工作研發(fā)人員的配合和協(xié)作效果會(huì)受到不同程度的影響，進(jìn)而拖慢整個(gè)產(chǎn)品制造的進(jìn)度。

2 幾何建模

幾何建模建立的基礎(chǔ)是幾何信息和拓?fù)洌饔檬敲枥L或表達(dá)形體。幾何建模的信息基本上是在三維空間內(nèi)的展示，模型的性狀、大小和位置。拓?fù)湫畔t是模型的數(shù)量和位置關(guān)系。根據(jù)不同的因素可以將幾何建模分為以下三種類型。

2.1 線框建模

線框建模是用來描繪形體最基本的建模方法，主要使用各種線條如直線、圓弧、各種曲線等構(gòu)造成立體線框圖來描繪形體。線框建模是最基本、最簡單的結(jié)構(gòu)，線框建模是計(jì)算機(jī)中處理速度最快的，它立體的視圖可以通過投影技術(shù)得到實(shí)現(xiàn)。但是線框模型所描述的立體在計(jì)算機(jī)中只能體現(xiàn)出與線有關(guān)的信息，對形狀、特征以及規(guī)格等無法做出充分的表達(dá)，無法實(shí)現(xiàn)線框建模求體積、重量、質(zhì)量等參數(shù)。

2.2 表面建模

表面建模的建立依據(jù)是以線框模型的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的，有些類似于點(diǎn)線面的機(jī)構(gòu)，構(gòu)造出各種面相關(guān)的數(shù)據(jù)，形成表面建模。在對模型的面進(jìn)行定義的時(shí)候，只要提供該面由哪些線框按照什么順序連接而構(gòu)成的基本信息和形狀信息。表面建模與線框建模相比只是增加了面的定義中的部分?jǐn)?shù)據(jù)量，通過對表面建模數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的信息資源進(jìn)行處理，可以繪制出相應(yīng)的剖面圖、計(jì)算不同的面相交產(chǎn)生的線以及消除隱藏的線等功能。

2.3 實(shí)體建模

實(shí)體建模是比較復(fù)雜的，它是建立在表面建模數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過增加實(shí)體在這些面的信息構(gòu)造而成的。實(shí)體建模主要通過CSG（體素構(gòu)造法）和B-rep（邊界表示法）這兩種方法表達(dá)的。為了讓幾何建模有著統(tǒng)一的表達(dá)，研發(fā)人員還開發(fā)出了NURBS（非均勻有理B樣條）算法。在幾何建模中，這種計(jì)算方法發(fā)揮著及其重要的作用，有著不可忽視的意義。

體素構(gòu)造法是使用簡單的幾個(gè)模型模擬復(fù)雜的實(shí)體做構(gòu)造的造型方法。通俗的講就是通過系統(tǒng)的定義，將幾何體的模型諸如立方體、球體、不規(guī)則物體等進(jìn)行運(yùn)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果制造出實(shí)體的造型，創(chuàng)造出實(shí)際生產(chǎn)中需要的形體。體素構(gòu)造法制造出的模型有著完整的幾何信息，是真實(shí)存在的三維實(shí)體，實(shí)體的造型主要包括體素的定義和描述，體素之間的集合運(yùn)算。

對體素進(jìn)行定義的時(shí)候，只需要將立體所占據(jù)的空間劃分開來。在計(jì)算機(jī)中創(chuàng)建空間直角坐標(biāo)軸，在坐標(biāo)軸中建立相關(guān)聯(lián)的不等式，對滿足不等式聯(lián)立的點(diǎn)設(shè)置為體素內(nèi)的點(diǎn)。然后對各個(gè)體素之間的模型進(jìn)行合理的邏輯計(jì)算，組合出新的幾何形狀。

3 特征建模

特征建模有著不同的定義，在各種設(shè)計(jì)、研究以及加工的生產(chǎn)活動(dòng)中，需要通過特征建模進(jìn)行推理，并將結(jié)果緊緊的聯(lián)系在相對應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域上，在不同的領(lǐng)域產(chǎn)生了不同的定義用途。在機(jī)械行業(yè)零件制造中，特征是一組有關(guān)聯(lián)的集合，這個(gè)集合構(gòu)造出一個(gè)有著特殊功能，特定工藝屬性和特定形狀的表面。任何一個(gè)產(chǎn)品零件都可以視為由若干個(gè)有著工程意義的結(jié)構(gòu)特征構(gòu)造而成的形狀特征。

4 結(jié)語

建模技術(shù)是虛擬制造技術(shù)的基礎(chǔ)，通過對建模的設(shè)計(jì)與開發(fā)，才能讓整個(gè)虛擬制造技術(shù)得到完整的運(yùn)行。虛擬制造技術(shù)對制造業(yè)而言是全新的革命，它打破了傳統(tǒng)制造業(yè)靠經(jīng)驗(yàn)累積、摸索前進(jìn)的模式，通過計(jì)算機(jī)模擬生產(chǎn)制造，將損耗與成本降到最低，達(dá)到了利益最大化，讓企業(yè)在市場競爭中占據(jù)主導(dǎo)型的優(yōu)勢。