浅析现代机械工程设计中的虚拟制造技术

浅析现代机械工程设计中的虚拟制造技术

刘鹏

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摘要：虚拟制造技术指在机械制造中通过对机械的制造过程进行仿真和模拟，最大程度降低机械产品的生产成本。20世纪90年代到现在，虚拟制造技术得到了迅速的发展，其在现代机械工程设计中的应用更加广泛，逐渐成为现代机械工程设计中的关键技术。文章对当下最新的计算机虚拟制造技术的应用和现代机械工程设计中的虚拟技术进行了介绍。

关键词：虚拟制造技术；现代机械工程设计；机械制造；机械产品；机械设计

1虚拟机械制造技术

以往传统的机械设计技术的设备条件比较差，设计技术性不强，传统的设计观念比较保守，设计的手段主要依靠的是粗略的计算和估算，主要是在较多的简化和静止化假设中完成机械工程的设计，传统设计具有较大的随意性，并且设计的关键过程还对设计者的经验和设计习惯具有很大的依赖性。设计的过程很难实现合理、高效和准确。但是在现代化虚拟设计的相关技术可以很好地实现设计经验依赖性强、设计过程静态性和设计理念随意性向现代化设计精确性、以数据知识工程和专家系统为保证的设计方式的发展，虚拟计算机技术需要对必要的信息进行检索、分析和收集。最终找出最优的设计方案和数值运算的方式，当然也会对CAD技术和人工智能技术、数据库技术等进行大量的应用。

2虚拟制造技术的特点和过程

2.1虚拟制造技术的特点

虚拟制造技术以现代计算机技术为基础，构建一个虚拟的环境，对数据进行分析和研究。并且工作人员可以根据所建立的模型进行虚拟的设备装配，在对设备的装配过程中，难免会出现一些错误，而在虚拟的环境中，工作人员可以及时的进行修改，并且对设备没有任何损害，能够确保在实际的零件装配的准确性。在对机械的零件进行改进时，可以在计算机中进行，能够更加方便的进行操作，并且在修改之后能够自动形成一个新的模型。

2.2虚拟制造技术的过程。

2.2.1虚拟设计的模型设计

虚拟制造是基于产品生命周期的整个过程的概念。对于客户提出的对要购买的商品要求，设计人员在充分听取客户意见后，进行分析归纳，了解清楚产品的功能、结构、性能，根据分析的结果进行产品虚拟设计、虚拟加工工艺设计、虚拟生产加工之后，进行虚拟装配和产品的仿真，然后经客户确认后则进行实际制造，否则修改设计方案直至客户满意。

2.2.2元模型及建模

虚拟设计的第一层为基础层，为通用零件设计，采用标准化设计方法，如齿轮、螺栓、螺纹等零部件的设计，可用理论计算、经验公式、循环修改、有限元法、边界元法、分布参数、实验推理等知识，实现计算机自动进行常规设计和优化设计。当然，在此设计过程中，要用到各种国家标准和准则，应将设计时用到的国标和材料参数图表集作为基础数据库，以便进行调用。每个零件的模型，实际上是一个小的专家系统，根据不同零件设计要求进行强度、刚度、疲劳、稳定、动态平衡等设计，其结果是形成反映零件的形状、功能、行为、意图等属性的特征数据。然后，据此数据，利用图形学的不同算法，如多边三角形的顶点法、各种曲面曲线的样条法等，并采用适当的光照，建立零件的几何造型及物理模型，再根据材料参数进行表面纹理映射、渲染，即形成某零件的元模型。

2.2.3机构模型设计

有了各种零件的元模型后，与实际制造一样，要由零件构造机构，又由子机构构造父机构。将现有的实际机构分类分级，不同机构可能有不同的类、级、层，然后对其进行机构建模。机构模型呈树形，机构模型要调用零件元模型的数据，元模型为叶结点，父机构要用到子机构模型的数据，再上层的爷结点调用父结点的数据，依此类推，一直到一个独立的部件或产品的独立部分为止。

2.2.4产品模型设计

产品模型作为产品在计算机上的表示和产品信息的载体，是虚拟制造中虚拟设计的目标，在机构模型的基础上，建立整个产品系统模型。一般情况下，系统分为几大模块，因为不同领域对产品信息的视角和抽象层次不同，需根据不同类型产品，建立不同类型的模型。产品模型要注意各主要零部件的性能和质量指标，更要关心产品的综合性能、质量和安全要求；既要反映产品外形的特征，又要反映产品的主要功能及其他次要性能特征，它是最高一层的模型。

3虚拟制造技术的关键

3.1虚拟技术中的建模技术

虚拟指的是在系统中将现实制造系统映射到虚拟环境下，主要涉及了RMS的模型化、形式化、计算机化的抽象描述和表示。VMS建模的主要内容有生产模型建立、产品模型建立、工艺模型建立的信息化体系结构的建立。

生产模型中有静态描述和动态描述两种。静态描述主要是关于对系统生产能力和生产特性。动态描述是在已经被得知的系统状态和需求的性质上对产品的整个过程进行全面的预测。在制造过程中我们将种种实体对象总的称之为产品模型。在产品的模型建立中需要对产品的明细、形状特征等方面进行描述。对于VMS而言，要实现产品实施过程的全部继承必须具备完整的产品模型。因此在虚拟制造中的产品模型不再是单一和静止的，它可以运用抽象的技术实现各种模型面貌的提取。

3.2虚拟制造技术中的仿真技术

仿真指的是通过计算机实现复杂现实系统的抽象化和简洁化最终形成的系统模型，并且在仿真的基础上对模型进行应用，最终得到相应的系统性性能分析。仿真主要以系统模型为主体的研究方法，它对实际的生产系统没有直接的干扰作用，并且仿真系统可以对计算机的计算能力进行应用，实现在短时间内完成在实际工作中需要很长时间的工作，有效缩短了生产决策的时间，最大化地避免了对人力、物力和资金的投入以及浪费。计算机技术还有很好的仿真修复功能，最大化地保证了方案的最优。

仿真技术过程的主要步骤有系统研究、数据收集、系统模型建立、仿真算法的确定、仿真模型的计算、仿真模型的运行、结果的输出和分析。

仿真在产品的制造过程主要被分为制造的仿真和加工的仿真。在系统产品的开发中主要涉及的是产品建模、设计交互行为仿真等。方便对设计结果的评价，及时进行反馈，降低产品设计中的错误。加工过程的仿真主要有切削、装配、检验及焊接、压力加工和铸造等。以上两种仿真过程是相对独立的，两者不能实现集成，而VM中应建立全面过程的统一仿真。

3.3虚拟制造中的虚拟现实技术

虚拟现实技术的目的是改善计算机的交互方式，提高计算机的可操作性，它是在对计算机图形系统和多种显示以及控制等接口设备的基础上，以交互的三维环境为人提供沉浸体验的技术。虚拟现实技术主要由图形系统和多种接口设备组成，使人在虚拟环境中感受到真实的沉浸感觉，交互性计算机系统是虚拟现实系统的基础。虚拟现实系统中有操作者、机器和人机接口。它帮助提升人和计算机间的和谐度，同时也是最有力的仿真工具。在VRS的作用下实现对真实世界的模拟。在用户交互输入以及输出修改虚拟环境的条件下，使人达到身临其境的沉浸感觉。VM的关键技术之一就是虚拟现实技术。

4结语

虚拟制造技术实现了现代工程机械工程设计领域中的设计、试制等一系列过程的直观性。实现了在产品真正制造出来前，可以在虚拟的制造环境中生成产品的原型，更好地替代现实中的硬件产品，更方便地对设计产品的性能和可生产性进行评估，极大地缩短了产品的设计和生产周期，最大化地节约了产品开发的成本，保证产品的开发和设计可以适应市场的灵活性的变化。虚拟制造技术是现实技术和计算机仿真技术在机械制造中的综合应用。在现代化计算机虚拟设计技术的帮助下实现对众多产品的开发和设计，不仅不会造成实际物质的浪费，并且还能更直观地了解产品生产的具体情况，打开了机械制造和设计的全新局面。

参考文献

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