摘 要：隨著我國(guó)現(xiàn)代機(jī)械工程業(yè)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，出現(xiàn)了眾多新型的制造技術(shù)，虛擬制造技術(shù)就是機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的一個(gè)重大突破，本文筆者將對(duì)現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)中的虛擬制造技術(shù)進(jìn)行深入的探討。

關(guān)鍵詞：機(jī)械工程設(shè)計(jì)；虛擬制造技術(shù)

中圖分類號(hào)：TH122；TH166 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(shù)指的是在機(jī)械制造過程中對(duì)機(jī)械的制造進(jìn)行仿真和模擬，來測(cè)試機(jī)械的各項(xiàng)功能是否符合要求與標(biāo)準(zhǔn)，避免生產(chǎn)制造出來的機(jī)械質(zhì)量不合格，給機(jī)械企業(yè)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，最大限度降低機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。

1 虛擬制造技術(shù)的定義與特征

隨著我國(guó)現(xiàn)代化社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)機(jī)械工程產(chǎn)品的要求越來越高，機(jī)械工程面臨著巨大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)無(wú)法滿足現(xiàn)代化社會(huì)發(fā)展的需求，具有一定局限性和不穩(wěn)定性，虛擬機(jī)械制造技術(shù)是一個(gè)全新的概念，是信息時(shí)代制造技術(shù)的重要標(biāo)志，其主要是在虛擬的環(huán)境下對(duì)計(jì)算機(jī)的模型進(jìn)行虛擬分析的一種計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)，是以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、制造系統(tǒng)與加工過程的建模理論、VR技術(shù)、分布式計(jì)算理論、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)等為理論基礎(chǔ)，研究如何在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下，利用制造系統(tǒng)各層次及各環(huán)節(jié)的數(shù)字模型，完成制造系統(tǒng)整個(gè)過程的計(jì)算機(jī)與仿真技術(shù)，依靠虛擬制造技術(shù)，機(jī)械設(shè)計(jì)人員不需要將所有的零件、部件設(shè)備都生產(chǎn)出來，可以運(yùn)用建立模型的方式，對(duì)零部件進(jìn)行裝配，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與檢查，如發(fā)現(xiàn)不符合設(shè)計(jì)要求的情況，可以隨時(shí)更改模型，直到達(dá)到設(shè)計(jì)要求為止，既節(jié)省時(shí)間又降低成本。

2 虛擬制造核心技術(shù)

虛擬技術(shù)涉及的專業(yè)知識(shí)面較廣，如環(huán)境構(gòu)造技術(shù)、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、過程特征抽取、制造特征數(shù)據(jù)集成、多學(xué)科交駐功能等一系列高科技互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以下就是現(xiàn)代機(jī)械工程設(shè)計(jì)中虛擬制造技術(shù)中的核心技術(shù)。

2.1 建模技術(shù)

虛擬技術(shù)中的虛擬指的是利用計(jì)算機(jī)模式將現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)過程中的機(jī)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(jì)算機(jī)化等，建模技術(shù)環(huán)節(jié)涉及三種模型的建立，主要包括：

2.1.1 生產(chǎn)模型

生產(chǎn)模型可歸納為兩個(gè)方面，即靜態(tài)描述和動(dòng)態(tài)描述，靜態(tài)描述主要指的是系統(tǒng)生產(chǎn)能力與生產(chǎn)特性的描述，而動(dòng)態(tài)描述主要指的是已知系統(tǒng)狀態(tài)和需求特性的基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)產(chǎn)品生產(chǎn)和全過程。傳感器的靜態(tài)特性分析如圖1所示。

2.1.2 產(chǎn)品模型

產(chǎn)品模型是制造過程中，種類實(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)品形象特征等靜態(tài)信息，而對(duì)于VMS來說，想要有效地使產(chǎn)品實(shí)施過程中的全部活動(dòng)集成，說必須具備完整的產(chǎn)品模型，所以虛擬制造下的產(chǎn)品模型不再是靜態(tài)的模型，它通過射映、抽象等方式，來獲得產(chǎn)品實(shí)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(shù)與影響制造功能的產(chǎn)品設(shè)計(jì)的屬性相互結(jié)合在一起，借此來反映生產(chǎn)模型與產(chǎn)品模型之間的相互作用，工藝模型必須具備以下幾個(gè)功能：計(jì)算機(jī)工藝仿真、制造規(guī)劃、數(shù)學(xué)模型、制造數(shù)據(jù)表、統(tǒng)計(jì)模型以及物理模型，可以有效地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造各個(gè)階段的順利展開，使管理人員對(duì)生產(chǎn)的各個(gè)階段實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高工作效率。

2.2 仿真技術(shù)

仿真指的是通過先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的抽象化與簡(jiǎn)潔化最終形成的系統(tǒng)模型，并且在仿真技術(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用，最終得到相應(yīng)的系統(tǒng)性性能分析，仿真主要是由系統(tǒng)模型為主體的研究方法，它對(duì)實(shí)際的生產(chǎn)系統(tǒng)沒有直接的干擾作用，并且仿真系統(tǒng)可以合理地運(yùn)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，將現(xiàn)實(shí)中需要長(zhǎng)時(shí)間完成的工作，可以在短時(shí)間內(nèi)迅速地完成，大大縮短了生產(chǎn)決策的時(shí)間，避免了人力、物力、財(cái)力的浪費(fèi)，計(jì)算機(jī)技術(shù)還可以對(duì)模型進(jìn)行仿真修復(fù)，最終找到最佳的方案，利用三維仿真軟件和PC工作站可實(shí)現(xiàn)桌面的虛擬效果，操作者可以坐在電腦前對(duì)模型進(jìn)行360度無(wú)死角的實(shí)時(shí)觀察，可以通過鼠標(biāo)、軌跡球等控制端來調(diào)整觀察的角度，通過此類投入式現(xiàn)實(shí)虛擬技術(shù)，不止可以實(shí)現(xiàn)單純的運(yùn)動(dòng)仿真、干涉檢查等三維觀察的基本功能，而且能給設(shè)計(jì)者創(chuàng)造身臨其境的感覺，啟發(fā)設(shè)計(jì)者的創(chuàng)造性思維，為多人技術(shù)討論、技術(shù)規(guī)劃等創(chuàng)造更加廣闊的空間與真實(shí)的環(huán)境。

2.3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是綜合運(yùn)用了計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)、各種顯示與控制接口設(shè)備，借助計(jì)算機(jī)生成相交互的三維虛擬環(huán)境，用戶需要通過特殊的交互設(shè)備才能進(jìn)入虛擬的環(huán)境當(dāng)中，這是一門新型的綜合性信息技術(shù)，它融合了數(shù)字圖像處理、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)等多個(gè)信息技術(shù)，促進(jìn)了我國(guó)計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要特征包括以下幾個(gè)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(shí)的感覺，可以使人們感覺自身處在虛擬的世界當(dāng)中；侵沒感。侵沒感就是讓設(shè)計(jì)者感覺身臨其境，使其難以分辨是現(xiàn)實(shí)世界還是虛擬世界，能夠使設(shè)計(jì)者全身心地投入到計(jì)算機(jī)創(chuàng)建的三維虛擬世界當(dāng)中；構(gòu)想性。構(gòu)想性又稱之為自主性，可以拓寬設(shè)計(jì)者的認(rèn)知范圍，可以隨意地構(gòu)想現(xiàn)實(shí)生活當(dāng)中不存在的環(huán)境，刺激設(shè)計(jì)的思維神經(jīng)，為設(shè)計(jì)者提供更多的靈感。

2.4 虛擬裝配技術(shù)

虛擬裝配技術(shù)是將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合在一起，通過仿真模型在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行機(jī)械的仿真裝配實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的工藝規(guī)劃、裝配、調(diào)試以及加工制造，它是將現(xiàn)實(shí)中的裝配過程采用計(jì)算機(jī)的方式呈現(xiàn)出來，虛擬裝配是在計(jì)算機(jī)虛擬的環(huán)境中，合理地利用現(xiàn)實(shí)技術(shù)將設(shè)計(jì)的機(jī)械產(chǎn)品采用三維模型的方式進(jìn)行預(yù)裝配，使產(chǎn)品的性能與功能都達(dá)到最佳狀態(tài)，如發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的性能與功能不符合設(shè)計(jì)的要求，則需要進(jìn)行詳細(xì)的分析、評(píng)價(jià)、規(guī)劃、仿真等改善產(chǎn)品的裝配與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，最大限度地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的可裝配性與經(jīng)濟(jì)性，根據(jù)多年的機(jī)械裝配經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)品的裝配費(fèi)用占到機(jī)械產(chǎn)品總費(fèi)用的30%--50%之多，有時(shí)甚至出現(xiàn)更高的現(xiàn)象，提高了機(jī)械企業(yè)的生產(chǎn)成本，虛擬裝配技術(shù)不同于傳統(tǒng)的裝配技術(shù)，它是一種新型的產(chǎn)品研發(fā)模式，其主要的作用就是建立虛擬產(chǎn)品模型和虛擬裝配環(huán)境，并將其合理地應(yīng)用到產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，有效地對(duì)產(chǎn)品的性能與可裝配性進(jìn)行合理的評(píng)價(jià)，以達(dá)到縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期、降低機(jī)械產(chǎn)品裝配的成本、提高機(jī)械企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益的目的。

3 虛擬制造技術(shù)在現(xiàn)代機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)

3.1 具有較強(qiáng)的通用性和功能性

虛擬樣機(jī)技術(shù)是我國(guó)虛擬技術(shù)的一個(gè)重大突破，它是以分析力學(xué)與運(yùn)動(dòng)力學(xué)作為依據(jù)的，這兩門學(xué)科是推動(dòng)其發(fā)展的重要條件，該技術(shù)可以有效地彌補(bǔ)傳統(tǒng)技術(shù)中的不足之處，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)自行進(jìn)行建模，提高虛擬技術(shù)對(duì)復(fù)雜問題的處理能力。目前，我國(guó)絕大部分的虛擬樣機(jī)技術(shù)軟件中，運(yùn)用最為廣泛的就是帶約束乘子的微分代數(shù)混合方程，此類技術(shù)可以有效地使每一個(gè)環(huán)節(jié)的構(gòu)件者具有六個(gè)自由度，并且還要具備對(duì)其他多余的自由度進(jìn)行限制的能力，最大限度地實(shí)現(xiàn)虛擬制造技術(shù)的通用性，使其適用性達(dá)到最強(qiáng)的狀態(tài)，提高虛擬技術(shù)的整體效果。并且，虛擬樣機(jī)技術(shù)可以對(duì)機(jī)械系統(tǒng)中的彈性、摩擦以及接觸等每一個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行全面、詳細(xì)的考慮，使我國(guó)虛擬技術(shù)向著自動(dòng)化、安全化、智能化方向持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)展。

3.2 為機(jī)械系統(tǒng)帶來便利

虛擬制造技術(shù)可以將繁瑣的繪圖工作進(jìn)行優(yōu)化，用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)來代替，操作員只需要掌握計(jì)算機(jī)的軟件技術(shù)，可以將設(shè)計(jì)的師的精力著重放于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)問題上，將利用計(jì)算機(jī)軟件建立出的三維造型技術(shù)應(yīng)用在機(jī)械系統(tǒng)當(dāng)中，使虛擬模型更加簡(jiǎn)單化與形象化，而且虛擬技術(shù)可以無(wú)限次修改，傳統(tǒng)的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)在修改方面存在較多的局限性，如修改次數(shù)過多，就會(huì)影響圖紙的整體效果，也可能在修改過程中對(duì)其他的數(shù)據(jù)造成影響，增加了設(shè)計(jì)的困難度，而虛擬技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)與無(wú)限次修改，虛擬機(jī)械加工技術(shù)仿真了新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)的全過程，能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)產(chǎn)品工具的破損以及磨損等情況，掌握在加工過程中各項(xiàng)參數(shù)的變化對(duì)加工產(chǎn)品表產(chǎn)生影響的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了機(jī)械技術(shù)智能化。

4 結(jié) 論

隨著我國(guó)機(jī)械技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的機(jī)械技術(shù)中存在著部分漏洞與弊端，提高了機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)與裝配的費(fèi)用，虛擬制造技術(shù)構(gòu)建了具有實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)性、交互性的機(jī)械加工虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)合理性高、可加工性好、研發(fā)周期短、生產(chǎn)效率高。

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作者簡(jiǎn)介：劉琨（1977.01-），男，漢族，河南焦作人，2007年7月畢業(yè)于南京理工大學(xué)機(jī)械電子工程專業(yè)，講師，工學(xué)碩士。從事機(jī)電一體化方向的教學(xué)及研究。