摘要：虛擬制造技術(shù)指在機械制造中通過對機械的制造過程進行仿真和模擬，最大程度降低機械產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。20世紀90年代到現(xiàn)在，虛擬制造技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，其在現(xiàn)代機械工程設(shè)計中的應(yīng)用更加廣泛，逐漸成為現(xiàn)代機械工程設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)。文章對當下最新的計算機虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用和現(xiàn)代機械工程設(shè)計中的虛擬技術(shù)進行了介紹。

關(guān)鍵詞：虛擬制造技術(shù)；現(xiàn)代機械工程設(shè)計；機械制造；機械產(chǎn)品；機械設(shè)計 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH166 文章編號：1009-2374（2016）05-0073-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.037

隨著知識經(jīng)濟和工業(yè)制造的快速發(fā)展，現(xiàn)代化的市場要求產(chǎn)品生產(chǎn)廠商要以最快的速度、最優(yōu)的品質(zhì)、最短的研發(fā)時間、最低的成本消耗和最佳的服務(wù)來滿足顧客的需求。傳統(tǒng)設(shè)計一般是在圖紙結(jié)合產(chǎn)品的特性和設(shè)計的具體要求進行的，在機械設(shè)計的過程中需要提前對設(shè)計中的設(shè)備裝配的干擾因素的不確定進行考慮，但是產(chǎn)品在裝配中的缺陷只有在產(chǎn)品開發(fā)的后期才能暴露出來或者在產(chǎn)品的試制階段和裝配中顯現(xiàn)出來。如果設(shè)計的零件已經(jīng)開始投入生產(chǎn)了，那么損失就更加嚴重了。產(chǎn)品的質(zhì)量在傳統(tǒng)的設(shè)計和制造方式上不能得到很好的保證，并且傳統(tǒng)設(shè)計的工藝比較粗糙、開發(fā)的效率低、花費時間比較長、耗費的資金比較大。在變化速度快、持續(xù)性發(fā)展和不可預(yù)測性市場中難以適應(yīng)。因此，企業(yè)的生產(chǎn)活動需要具備高度的柔性和快速的反應(yīng)，與此同時信息技術(shù)的飛速發(fā)展保證了機械制造的先進性，信息化的使用對于現(xiàn)代機械工程設(shè)計十分重要。

1 虛擬機械制造技術(shù)

以往傳統(tǒng)的機械設(shè)計技術(shù)的設(shè)備條件比較差，設(shè)計技術(shù)性不強，傳統(tǒng)的設(shè)計觀念比較保守，設(shè)計的手段主要依靠的是粗略的計算和估算，主要是在較多的簡化和靜止化假設(shè)中完成機械工程的設(shè)計，傳統(tǒng)設(shè)計具有較大的隨意性，并且設(shè)計的關(guān)鍵過程還對設(shè)計者的經(jīng)驗和設(shè)計習慣具有很大的依賴性。設(shè)計的過程很難實現(xiàn)合理、高效和準確。但是在現(xiàn)代化虛擬設(shè)計的相關(guān)技術(shù)可以很好地實現(xiàn)設(shè)計經(jīng)驗依賴性強、設(shè)計過程靜態(tài)性和設(shè)計理念隨意性向現(xiàn)代化設(shè)計精確性、以數(shù)據(jù)知識工程和專家系統(tǒng)為保證的設(shè)計方式的發(fā)展，虛擬計算機技術(shù)需要對必要的信息進行檢索、分析和收集。最終找出最優(yōu)的設(shè)計方案和數(shù)值運算的方式，當然也會對CAD技術(shù)和人工智能技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等進行大量的應(yīng)用。

虛擬機械制造技術(shù)主要是在虛擬環(huán)境下對計算機的模型進行虛擬分析的一種計算機設(shè)計技術(shù)。該技術(shù)集成并綜合應(yīng)用了綜合性的機械制造環(huán)境，主要包括了各種仿真、分析、應(yīng)用等工具以及信息模型和控制工具等。虛擬制造需要經(jīng)歷的主要階段有裝配產(chǎn)品的概念設(shè)計、動態(tài)仿真、回收利用。依靠虛擬制造技術(shù)，機械設(shè)計人員不需要將所有的零件設(shè)備生產(chǎn)制造出來，可以通過對零件模型的建立，隨后對零件進行虛擬裝配，并對各零件部位之間的裝配間隙進行干涉、對裝配的狀態(tài)實現(xiàn)檢查，對零件設(shè)計中的錯誤及時發(fā)現(xiàn)，如果零件不符合設(shè)計要求，可以依靠計算機技術(shù)方便及時更改模型，最后形成新的零部件設(shè)計圖和裝配圖，達到設(shè)計、裝配和制造檢驗的協(xié)調(diào)。

2 虛擬制造技術(shù)的關(guān)鍵

虛擬制造技術(shù)包含了許多方面，主要有設(shè)計技術(shù)的提出、產(chǎn)品制造過程的抽取、原模型的建立、集成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、建模仿真等。下面就對虛擬制造技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)進行詳細的介紹：

2.1 虛擬技術(shù)中的建模技術(shù)

虛擬指的是在系統(tǒng)中將現(xiàn)實制造系統(tǒng)映射到虛擬環(huán)境下，主要涉及了RMS的模型化、形式化、計算機化的抽象描述和表示。VMS建模的主要內(nèi)容有生產(chǎn)模型建立、產(chǎn)品模型建立、工藝模型建立的信息化體系結(jié)構(gòu)的建立。

生產(chǎn)模型中有靜態(tài)描述和動態(tài)描述兩種。靜態(tài)描述主要是關(guān)于對系統(tǒng)生產(chǎn)能力和生產(chǎn)特性。動態(tài)描述是在已經(jīng)被得知的系統(tǒng)狀態(tài)和需求的性質(zhì)上對產(chǎn)品的整個過程進行全面的預(yù)測。在制造過程中我們將種種實體對象總的稱之為產(chǎn)品模型。在產(chǎn)品的模型建立中需要對產(chǎn)品的明細、形狀特征等方面進行描述。對于VMS而言，要實現(xiàn)產(chǎn)品實施過程的全部繼承必須具備完整的產(chǎn)品模型。因此在虛擬制造中的產(chǎn)品模型不再是單一和靜止的，它可以運用抽象的技術(shù)實現(xiàn)各種模型面貌的提取。工藝模型主要指的是在制造過程中對產(chǎn)品的工藝參數(shù)和關(guān)于產(chǎn)品功能的各種因素進行聯(lián)系，最終實現(xiàn)對產(chǎn)品模型和生產(chǎn)模型之間相互作用的反映。

2.2 虛擬制造技術(shù)中的仿真技術(shù)

仿真指的是通過計算機實現(xiàn)復(fù)雜現(xiàn)實系統(tǒng)的抽象化和簡潔化最終形成的系統(tǒng)模型，并且在仿真的基礎(chǔ)上對模型進行應(yīng)用，最終得到相應(yīng)的系統(tǒng)性性能分析。仿真主要以系統(tǒng)模型為主體的研究方法，它對實際的生產(chǎn)系統(tǒng)沒有直接的干擾作用，并且仿真系統(tǒng)可以對計算機的計算能力進行應(yīng)用，實現(xiàn)在短時間內(nèi)完成在實際工作中需要很長時間的工作，有效縮短了生產(chǎn)決策的時間，最大化地避免了對人力、物力和資金的投入以及浪費。計算機技術(shù)還有很好的仿真修復(fù)功能，最大化地保證了方案的最優(yōu)。

仿真技術(shù)過程的主要步驟有系統(tǒng)研究、數(shù)據(jù)收集、系統(tǒng)模型建立、仿真算法的確定、仿真模型的計算、仿真模型的運行、結(jié)果的輸出和分析。

仿真在產(chǎn)品的制造過程主要被分為制造的仿真和加工的仿真。在系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)中主要涉及的是產(chǎn)品建模、設(shè)計交互行為仿真等。方便對設(shè)計結(jié)果的評價，及時進行反饋，降低產(chǎn)品設(shè)計中的錯誤。加工過程的仿真主要有切削、裝配、檢驗及焊接、壓力加工和鑄造等。以上兩種仿真過程是相對獨立的，兩者不能實現(xiàn)集成，而VM中應(yīng)建立全面過程的統(tǒng)一仿真。

2.3 虛擬制造中的虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的目的是改善計算機的交互方式，提高計算機的可操作性，它是在對計算機圖形系統(tǒng)和多種顯示以及控制等接口設(shè)備的基礎(chǔ)上，以交互的三維環(huán)境為人提供沉浸體驗的技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要由圖形系統(tǒng)和多種接口設(shè)備組成，使人在虛擬環(huán)境中感受到真實的沉浸感覺，交互性計算機系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基礎(chǔ)。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中有操作者、機器和人機接口。它幫助提升人和計算機間的和諧度，同時也是最有力的仿真工具。在VRS的作用下實現(xiàn)對真實世界的模擬。在用戶交互輸入以及輸出修改虛擬環(huán)境的條件下，使人達到身臨其境的沉浸感覺。VM的關(guān)鍵技術(shù)之一就是虛擬現(xiàn)實技術(shù)。

3 機械虛擬樣機技術(shù)介紹

虛擬樣機技術(shù)在機械工程設(shè)計中被稱作機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術(shù)，它是20世紀80年代在計算機技術(shù)的快速發(fā)展中發(fā)展起來的一種計算機輔助技術(shù)。在計算機建立樣機模型后，對模型的多種動態(tài)性能進行具體的分析，最后對樣機方案實現(xiàn)改進。用數(shù)字化模型代替物理性的樣機。通過虛擬樣機技術(shù)的作用，簡化了機械產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)過程，有效縮短產(chǎn)品開發(fā)的時間，最大程度降低產(chǎn)品的開發(fā)成本和費用，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量和系統(tǒng)性能的提升，使設(shè)計產(chǎn)品實現(xiàn)最優(yōu)化和最具創(chuàng)新性。綜合以上優(yōu)勢，該技術(shù)一經(jīng)出現(xiàn)就受到了眾多工業(yè)發(fā)達和高等院校及設(shè)計和生產(chǎn)企業(yè)的重視，許多著名的產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計者都對該技術(shù)進行了引入并運用在自身產(chǎn)品的開發(fā)中，并且取得了極好的經(jīng)濟和生產(chǎn)效益。

在機械工程設(shè)計中應(yīng)用仿真技術(shù)對零件進行設(shè)計、生產(chǎn)工序等方面的選用以及工藝參數(shù)、加工工藝、裝配工藝等構(gòu)件的運動性等均可以實現(xiàn)建模仿真。

4 虛擬制造技術(shù)在機械工程中發(fā)揮的優(yōu)勢

4.1 強大的通用性和分析處理復(fù)雜問題的能力

虛擬樣機技術(shù)建立和發(fā)展的基礎(chǔ)是分析力學和多體運動力學，該技術(shù)的關(guān)鍵是對復(fù)雜機械系統(tǒng)進行自動建模。因此，大多數(shù)的虛擬樣機技術(shù)軟件主要運用的是帶約束乘子的微分代數(shù)混合方程。令每個構(gòu)件都有六個自由度是它的核心，還要要求其對多余的自由度進行限制，實現(xiàn)其具有良好的通用性，達到適用性強的目的。與此同時，虛擬樣機技術(shù)還對機械系統(tǒng)的詳細環(huán)節(jié)進行考慮，具體指彈性、接觸和摩擦等因素。

4.2 為機械系統(tǒng)建模帶來便利

傳統(tǒng)的機械系統(tǒng)建模中要先建立運動分析，隨后在運動分析的基礎(chǔ)上進行動力分析，這中間需要許多的圖形分析和公式推導(dǎo)。但是圖形的分析和公式的推導(dǎo)過程往往比較復(fù)雜，并且錯誤率高。同樣的建模過程中設(shè)計人員只需要將機械的構(gòu)成方式和連接方法以及相應(yīng)的物理參數(shù)實施輸入，其后的建模和求解只需要計算來完成就可以了，極大地幫助設(shè)計人員承擔了許多的設(shè)計難度。

4.3 強大的后期處理能力

在傳統(tǒng)的分析方法上通常得出的是大量的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的理解還要依靠豐富的經(jīng)驗和理論。但是運用虛擬樣機計算軟件為復(fù)雜性的數(shù)據(jù)提供了可視化技術(shù)，使得設(shè)計人員直觀地看到機械設(shè)計的性能和運動效果。

5 結(jié)語

虛擬制造技術(shù)實現(xiàn)了現(xiàn)代工程機械工程設(shè)計領(lǐng)域中的設(shè)計、試制等一系列過程的直觀性。實現(xiàn)了在產(chǎn)品真正制造出來前，可以在虛擬的制造環(huán)境中生成產(chǎn)品的原型，更好地替代現(xiàn)實中的硬件產(chǎn)品，更方便地對設(shè)計產(chǎn)品的性能和可生產(chǎn)性進行評估，極大地縮短了產(chǎn)品的設(shè)計和生產(chǎn)周期，最大化地節(jié)約了產(chǎn)品開發(fā)的成本，保證產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計可以適應(yīng)市場的靈活性的變化。虛擬制造技術(shù)是現(xiàn)實技術(shù)和計算機仿真技術(shù)在機械制造中的綜合應(yīng)用。在現(xiàn)代化計算機虛擬設(shè)計技術(shù)的幫助下實現(xiàn)對眾多產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計，不僅不會造成實際物質(zhì)的浪費，并且還能更直觀地了解產(chǎn)品生產(chǎn)的具體情況，打開了機械制造和設(shè)計的全新局面。

參考文獻

[1] 李銳.虛擬制造技術(shù)在現(xiàn)代機械工程設(shè)計領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].河南科技，2013，（13）.

[2] 劉玲娣.淺談虛擬制造技術(shù)在農(nóng)機設(shè)計制造中的應(yīng)用[J].河北農(nóng)機，2013，（2）.

[3] 孫福臻，閻勤勞，單忠德，等.機械虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J].機械設(shè)計與制造，2010，（5）.

[4] 郝虎.虛擬樣機技術(shù)在采煤機械設(shè)計中的應(yīng)用[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2011，（25）.

[5] 陶表達，姚桂玲.虛擬技術(shù)在現(xiàn)代機械產(chǎn)品研發(fā)中的應(yīng)用[J].湖北第二師范學院學報，2010，（2）.

[6] 謝翔，張明麗，張麗麗.基于機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計的虛擬實驗關(guān)鍵技術(shù)研究[A].第九屆河南省汽車工程技術(shù)研討會論文集[C].2012.

作者簡介：伊紀斌（1994-），男，山東淄博人，山東理工大學國防教育學院學生，研究方向：機械設(shè)計。

（責任編輯：黃銀芳）