張 濱

（山東省濱州職業(yè)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，濱州 256600）

虛擬技術(shù)在現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用探究

張 濱

（山東省濱州職業(yè)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，濱州 256600）

0 引言

隨著知識(shí)經(jīng)濟(jì)的興起和快速發(fā)展，競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的現(xiàn)代市場(chǎng)要求企業(yè)必須以最短的產(chǎn)品開發(fā)周期T(time)、最優(yōu)品質(zhì)Q(quality)、最低成本C(eost)和最佳服S(service)來滿足不同顧客的需求。而傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，是根據(jù)產(chǎn)品的使用性能和設(shè)計(jì)要求，在圖紙上進(jìn)行設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中，需要預(yù)先考慮到設(shè)計(jì)中存在的裝配干擾和設(shè)計(jì)不到位等問題，而這些問題往往只能在產(chǎn)品開發(fā)后期或最終產(chǎn)品試制和裝配中才會(huì)暴露出來，如果這時(shí)發(fā)現(xiàn)零件有問題或不足，就要重新設(shè)計(jì)；如果是零件已經(jīng)生產(chǎn)了，那問題就更嚴(yán)重了。這樣的設(shè)計(jì)和制造不能保證產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量，而且產(chǎn)品的開發(fā)效率低、耗時(shí)多、費(fèi)用高。面對(duì)持續(xù)發(fā)展、快速多變、不可預(yù)測(cè)的市場(chǎng)需求，企業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)必須要有高度的柔性，能對(duì)市場(chǎng)需求的變化做出快速反應(yīng)。而同時(shí)，信息技術(shù)取得了快速發(fā)展，為機(jī)械制造業(yè)的信息化進(jìn)程提供了可行的基礎(chǔ)。這樣，信息化機(jī)械制造在現(xiàn)代機(jī)械制造領(lǐng)域的新產(chǎn)品開發(fā)中顯得尤為重要。

1 虛擬機(jī)械制造技術(shù)的定義與特征

傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)，受低劣的設(shè)備條件和落后的技術(shù)方法所限，只能在保守的觀念下，依據(jù)粗略的驗(yàn)算甚至估計(jì)，通過大量的簡(jiǎn)化和靜止化假設(shè)完成機(jī)械工程設(shè)計(jì)，因此它必然使設(shè)計(jì)存在隨意性，對(duì)個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣的依賴性極大，極難實(shí)現(xiàn)合理、準(zhǔn)確和高效的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)，充分利用了當(dāng)今迅速發(fā)展起來的計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)、電子學(xué)、測(cè)試和分析技術(shù)，使設(shè)計(jì)技術(shù)有可能從經(jīng)驗(yàn)的、靜止的和隨意性很大的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，變?yōu)榛谟?jì)算數(shù)據(jù)、知識(shí)工程或?qū)＜蚁到y(tǒng)的、動(dòng)態(tài)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)。這需要充分收集、分析和檢索必要的信息，快速的數(shù)值運(yùn)算和方案尋優(yōu)，因而必然大規(guī)模地使用CAD技術(shù)和人工智能技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等。

而虛擬制造技術(shù)，是將實(shí)際機(jī)械制造過程在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行映射，即采用虛擬現(xiàn)實(shí)與計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，在高性能計(jì)算機(jī)和高速網(wǎng)絡(luò)的支持下，在計(jì)算機(jī)上群組協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工機(jī)械制造、性能分析、工藝規(guī)劃、質(zhì)量檢驗(yàn)，以及企業(yè)各級(jí)過程的控制與管理等產(chǎn)品機(jī)械制造的本質(zhì)過程，以增強(qiáng)機(jī)械制造過程各級(jí)的控制與決策能力。

虛擬機(jī)械制造技術(shù)是在虛擬環(huán)境下對(duì)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行模擬分析的一項(xiàng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)。它集成和綜合了可運(yùn)行機(jī)械制造的環(huán)境：包括各種仿真工具、分析工具、應(yīng)用工具、信息模型、控制工具、設(shè)備和組織協(xié)同工作的方法等等，用以改善從裝配產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)到動(dòng)態(tài)仿真再到回收利用的各個(gè)階段。利用虛擬制造技術(shù)，技術(shù)人員不必等待零件的全部制造出來，可以建立零件的模型，對(duì)這些模型進(jìn)行虛擬裝配，并檢查零部件之間的裝配間隙和干涉，檢查裝配狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，若零件不符合要求，可以在計(jì)算機(jī)里方便地更改模型，并重新生成模型和自動(dòng)更新相關(guān)的零部件圖和裝配圖，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、裝配和制造檢驗(yàn)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

2 虛擬制造的核心技術(shù)

虛擬制造技術(shù)涉及面很廣，諸如環(huán)境構(gòu)成技術(shù)、過程特征抽取、元模型、集成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的體系結(jié)構(gòu)、制造特征數(shù)據(jù)集成、多學(xué)科交駐功能、決策支持工具、接口技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、建模與仿真技術(shù)等，其中以下3項(xiàng)是虛擬制造的核心技術(shù)。

2.1 建模技術(shù)

虛擬制造系統(tǒng)VMS（Virtual Manufacturing System)是現(xiàn)實(shí)制造系統(tǒng)RMS（Real Manufacturing System)在虛擬環(huán)境下的映射，是RMS的模型化、形式化和計(jì)算機(jī)化的抽象描述和表示。VMS的建模應(yīng)包括：生產(chǎn)模型、產(chǎn)品模型和工藝模型的信息體系結(jié)構(gòu)。

1）生產(chǎn)模型

可歸納為靜態(tài)描述和動(dòng)態(tài)描述兩個(gè)方面。靜態(tài)描述是指系統(tǒng)生產(chǎn)能力和生產(chǎn)特性的描述。動(dòng)態(tài)描述是指在已知系統(tǒng)狀態(tài)和需求特性的基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)產(chǎn)品生產(chǎn)的全過程。

2）產(chǎn)品模型

是制造過程中，各類實(shí)體對(duì)象模型的集合。目前產(chǎn)品模型描述的信息有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)明細(xì)表、產(chǎn)品形狀特征等靜態(tài)信息。而對(duì)VMS來說，要使產(chǎn)品實(shí)施過程中的全部活動(dòng)集成，就必須具有完備的產(chǎn)品模型，所以虛擬制造下的產(chǎn)品模型不再是單一的靜態(tài)特征模型，它能通過映射、抽象等方法提取產(chǎn)品實(shí)施中各活動(dòng)所需的模型。

3）工藝模型

將工藝參數(shù)與影響制造功能的產(chǎn)品設(shè)計(jì)屬性聯(lián)系起來。以反應(yīng)生產(chǎn)模型與產(chǎn)品模型之間的交互作用。工藝模型必須具備以下功能：計(jì)算機(jī)工藝仿真、制造數(shù)據(jù)表、制造規(guī)劃、統(tǒng)計(jì)模型以及物理和數(shù)學(xué)模型。

2.2 仿真技術(shù)

仿真就是應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)經(jīng)過抽象和簡(jiǎn)化形成系統(tǒng)模型，然后在分析的基礎(chǔ)上運(yùn)行此模型，從而得到系統(tǒng)一系列的統(tǒng)計(jì)性能。由于仿真是以系統(tǒng)模型為對(duì)象的研究方法，而不干擾實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)，同時(shí)仿真可以利用計(jì)算機(jī)的快速運(yùn)算能力，用很短時(shí)間模擬實(shí)際生產(chǎn)中需要很長(zhǎng)時(shí)間的生產(chǎn)周期，因此可以縮短決策時(shí)間，避免資金、人力和時(shí)間的浪費(fèi)。計(jì)算機(jī)還可以重復(fù)仿真，優(yōu)化實(shí)施方案。

仿真的基本步驟為：研究系統(tǒng)→收集數(shù)據(jù)→建立系統(tǒng)模型→確定仿真算法→建立仿真模型→運(yùn)行仿真模型→輸出結(jié)果并分析。

產(chǎn)品制造過程仿真，可歸納為制造系統(tǒng)仿真和加工過程仿真。虛擬制造系統(tǒng)中的產(chǎn)品開發(fā)涉及到產(chǎn)品建模仿真、設(shè)計(jì)過程規(guī)劃仿真、設(shè)計(jì)思維過程和設(shè)計(jì)交互行為仿真等，以便對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程早期反饋，減少或避免產(chǎn)品設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。加工過程仿真，包括切削過程仿真、裝配過程仿真，檢驗(yàn)過程仿真以及焊接、壓力加工、鑄造仿真等。目前上述兩類仿真過程是獨(dú)立發(fā)展起來的，尚不能集成，而VM中應(yīng)建立面向制造全過程的統(tǒng)一仿真。

2.3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)VRT

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在為改善人與計(jì)算機(jī)的交互方式，提高計(jì)算機(jī)可操作性中產(chǎn)生的，它是綜合利用計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)、各種顯示和控制等接口設(shè)備，在計(jì)算機(jī)上生成可交互的三維環(huán)境（稱為虛擬環(huán)境）中提供沉浸感覺的技術(shù)。

由圖形系統(tǒng)及各種接口設(shè)備組成，用來產(chǎn)生虛擬環(huán)境并提供沉浸感覺，以及交互性操作的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)稱為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)VRS（Virtual Reality System)。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)包括操作者、機(jī)器和人機(jī)接口3個(gè)基本要素。它不僅提高了人與計(jì)算機(jī)之間的和諧程度，也成為一種有力的仿真工具。利用VRS可以對(duì)真實(shí)世界進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，通過用戶的交互輸入，并及時(shí)按輸出修改虛擬環(huán)境，使人產(chǎn)生身臨其境的沉浸感覺。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是VM的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3 機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的虛擬制造技術(shù)——機(jī)械虛擬樣機(jī)技術(shù)

機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的虛擬樣機(jī)技術(shù)，又稱為機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)，是國(guó)際上20世紀(jì)80年代隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)。工程師在計(jì)算機(jī)上建立樣機(jī)模型，對(duì)模型進(jìn)行各種動(dòng)態(tài)性能分析，然后改進(jìn)樣機(jī)設(shè)計(jì)方案，用數(shù)字化形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的物理樣機(jī)。運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，可以大大簡(jiǎn)化機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)過程，大幅度縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，大量減少產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)用和成本，明顯提高產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)品的系統(tǒng)級(jí)性能，獲得最優(yōu)化和創(chuàng)新的設(shè)計(jì)產(chǎn)品。因此，該技術(shù)一出現(xiàn)，立即受到了工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家有關(guān)機(jī)構(gòu)和大學(xué)、公司的極大重視，許多著名制造廠商紛紛將虛擬樣機(jī)技術(shù)引入各自的產(chǎn)品開發(fā)中，并取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

在機(jī)械工程設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對(duì)零件的加工方法、工序順序、工裝的選用、工藝參數(shù)的選用，加工工藝性、裝配工藝性、配合件之間的配合性、連接件之間的連接性、運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)性等均可建模仿真。建立數(shù)字化虛擬樣機(jī)，是一種嶄新的設(shè)計(jì)模式和管理體系。

4 虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)

4.1 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)和多體動(dòng)力學(xué)的研究基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其目的就是為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的自動(dòng)建模。因此，多數(shù)虛擬樣機(jī)技術(shù)軟件采用的是帶約束乘子的微分一代數(shù)混合方程。其核心是令每個(gè)構(gòu)件都具有6個(gè)自由度，然后用約束方程對(duì)多余的自由度加以限制。這樣的好處是能夠具有較好的通用性，對(duì)于不同類型的機(jī)構(gòu)都可以方便建模。虛擬樣機(jī)技術(shù)考慮了機(jī)械系統(tǒng)中的詳細(xì)環(huán)節(jié)，比如構(gòu)件的彈性、接觸、摩擦和控制等。

4.2 使機(jī)械系統(tǒng)建模更加方便

對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)建模，我們必須首先進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，然后根據(jù)運(yùn)動(dòng)分析的結(jié)果進(jìn)行動(dòng)力分析，這中間需要大量的圖形分析和公式推導(dǎo)。這個(gè)過程不但繁瑣復(fù)雜，而且非常容易出錯(cuò)，設(shè)計(jì)人員需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力，保證建模過程的準(zhǔn)確性。使用虛擬樣機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)人員的工作只是給出機(jī)械的構(gòu)成和連接形式，以及構(gòu)件的物理參數(shù)，后面的建模和求解都是由計(jì)算機(jī)來完成的。這樣大大減輕了設(shè)計(jì)人員的負(fù)擔(dān)，提高了效率。

4.3 軟件具有強(qiáng)大的后期處理功能

傳統(tǒng)分析方法，得到的是大量的數(shù)據(jù)，對(duì)于這些結(jié)果的了解，需要豐富的理論知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于包含空間機(jī)構(gòu)的機(jī)械更是如此。而虛擬樣機(jī)技術(shù)軟件，提供了很多結(jié)果的的可視化技術(shù)、曲線、圖形和動(dòng)畫功能，可以使設(shè)計(jì)人員直觀地看到其性能和運(yùn)動(dòng)效果。

5 結(jié)論

虛擬制造技術(shù)，將從根本上改變現(xiàn)代機(jī)械工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域中設(shè)計(jì)、試制、修改設(shè)計(jì)、規(guī)模生產(chǎn)的傳統(tǒng)制造模式。在產(chǎn)品真正制出之前，首先在虛擬制造環(huán)境中生成軟產(chǎn)品原型，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬樣品進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)其性能和可制造性進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)，從而縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造周期，降低產(chǎn)品的開發(fā)成本，提高系統(tǒng)快速響應(yīng)市場(chǎng)變化的能力。虛擬機(jī)械制造是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域的綜合發(fā)展及應(yīng)用。依靠現(xiàn)代化技術(shù)在計(jì)算機(jī)中以虛擬的形式實(shí)現(xiàn)，在不消耗實(shí)際的資源的前提下，更加實(shí)際的反映出新開發(fā)產(chǎn)品的相關(guān)情況，為機(jī)械制造業(yè)帶來了全新的概念。

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The applied research of virtual technology in modern manufacturing industry

ZHANG Bin

虛擬機(jī)械制造技術(shù)（Virtual Manufacturing）指對(duì)機(jī)械制造過程進(jìn)行模擬仿真，以提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本的機(jī)械制造技術(shù)。20世紀(jì)90年代以來，計(jì)算機(jī)虛擬機(jī)械制造技術(shù)得到快速發(fā)展，成為現(xiàn)代很多機(jī)械制造企業(yè)的重要核心技術(shù)。結(jié)合計(jì)算機(jī)虛擬機(jī)械制造等新的機(jī)械制造技術(shù)的最新發(fā)展?fàn)顟B(tài)，探討了計(jì)算機(jī)虛擬機(jī)械制造技術(shù)在現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用實(shí)踐。

虛擬；仿真；機(jī)械制造業(yè)；應(yīng)用

張濱（1981－），男，山東濱州人，助教，本科，研究方向?yàn)?機(jī)械制造及自動(dòng)化，學(xué)生管理。

TP393.08

B

1009-0134(2010)12(下)-0083-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.12(下).31

2010-10-07