常娜娜

摘要：近年來，隨著科技水平的不斷提高，仿真技術在機械設計制造過程中得到廣泛應用，營造出高度真實的仿真環(huán)境，研制人員可以真切了解機械產(chǎn)品的設計質(zhì)量與存在的問題，有效解決了傳統(tǒng)機械設計制造模式中面臨的各項難題，對我國工業(yè)領域的可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。因此，本文對仿真技術在機械設計制造中的應用現(xiàn)狀進行簡要闡述，提出計算機仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)策略，提供技術參考。

關鍵詞：仿真技術;機械設計制造;技術應用;實現(xiàn)策略

1? 仿真技術在機械設計制造中的具體應用

1.1 機械結構件

近年來，各類機械產(chǎn)品普遍呈現(xiàn)出小型化、集成化發(fā)展趨勢，雖然產(chǎn)品性能質(zhì)量得到有效強化，但是，機械結構件的復雜程度與設計難度也有所提升。在設計環(huán)節(jié)中，要求設計人員基于產(chǎn)品使用需求，依次對各機械部位開展設計工作。同時，還需確保機械結構與定動機之間保持高度匹配狀態(tài)、不產(chǎn)生組合矛盾。這一問題的存在，導致機械結構件的設計效率持續(xù)降低，且各類設計問題層出不窮。與此同時，隨著仿真技術的不斷發(fā)展，設計人員可使用特定的三維機械軟件產(chǎn)品，運用軟件機械運動仿真的使用功能，從而營造出高度真實的仿真環(huán)境，基于現(xiàn)有設計方案，展示機械結構件的運動過程。同時，在修改產(chǎn)品設計方案時，軟件也將實時展示機械結構件的設計效果、修改前后差異情況。在這一設計模式下，可以有效避免各類設計問題的出現(xiàn)，便于明確設計思路、協(xié)調(diào)機械部位與定動機關系。

1.2 復雜數(shù)值計算

在機械產(chǎn)品更新?lián)Q代頻率加快、性能質(zhì)量不斷提升的同時，設計難度也有所提高，在設計過程中需完成大量數(shù)值計算工作，還面臨著諸多復雜計算問題。如若仍舊實施傳統(tǒng)的人工設計模式，企業(yè)需配置大量工作人員完成數(shù)值計算工作，產(chǎn)品設計成本較為高昂，同時，還將時常出現(xiàn)數(shù)值計算錯誤等問題。仿真技術則是在信息處理技術基礎之上發(fā)展而來，具有較強的數(shù)據(jù)運算分析能力，既可以通過模擬計算機開展連續(xù)系統(tǒng)仿真工作，同時，也可借助仿真技術，輔助與替代人工完成復雜數(shù)值計算工作，實現(xiàn)了對復雜數(shù)值計算過程的簡化，將計算錯誤等問題的出現(xiàn)率控制在較低程度。在仿真技術早期發(fā)展階段中，受到計算機硬件設備的限制，實際運算速度相對較低，技術推廣普及受到限制。近年來，隨著數(shù)字計算機等仿真工具的更新?lián)Q代，仿真系統(tǒng)運算速度持續(xù)提升，可以切實滿足絕大多數(shù)機械產(chǎn)品設計工作的復雜數(shù)值計算需求。

1.3 齒輪設計

齒輪是各類機械產(chǎn)品結構中的主要構成部分，也是機械設計制造工作的關鍵所在。在傳統(tǒng)設計制造模式中，面臨著齒輪設計效果不理想、參數(shù)設定不合理等問題。而在應用仿真技術時，設計人員可以選擇適當?shù)臄嗝纨X形，并在其基礎上構建仿真模型，對各系數(shù)調(diào)整值加以改變，即可對仿真模型進行修改、持續(xù)輸出仿真結果、開展傳動仿真實驗，直觀化呈現(xiàn)齒輪設計過程與效果。同時，也可運用這項技術對各項設計參數(shù)進行運算分析、明確最優(yōu)值。例如，在圓弧針齒行星設計環(huán)節(jié)，運用這項技術，可以有效分析正交面齒輪傳動接觸點的模數(shù)、齒輪比等參數(shù)。

1.4 復雜機械加工

在機械加工制作環(huán)節(jié)，對仿真技術的應用，將在一定程度上簡化產(chǎn)品制作流程以及生產(chǎn)工藝，有效挖掘深層機理，并推動機械加工的規(guī)范化、標準化發(fā)展。為直觀闡述仿真技術在機械加工層面上的應用現(xiàn)狀，以電火花切割、數(shù)控加工、銑削加工與磨削加工為例，具體如下。

1.4.1 電火花切割

以機械產(chǎn)品設計方案為主要參照，工作人員在仿真軟件中構建配套模型，繪制三維多軸聯(lián)動加工曲面，連續(xù)輸出仿真結果，并將仿真結果與電火花切割工作成果進行對比分析。如此，可以提前發(fā)現(xiàn)工藝問題、評估切割加工質(zhì)量。而在仿真結果與切割成果產(chǎn)生出入時，則對問題成因進行分析、改進制作工藝。

1.4.2 數(shù)控加工

工作人員根據(jù)產(chǎn)品工件的加工工藝，針對性編制數(shù)控加工控制程序。在后續(xù)加工過程中，系統(tǒng)將基于運行準則，操控CNC機床完成各項工件的加工作業(yè)。同時，工作人員向軟件下達特定操作指令、轉換圖形或是調(diào)整參數(shù)，可以對加工工藝進行改進，確保工件加工過程、成果質(zhì)量與仿真結果一致。

1.4.3 銑削加工

使用仿真技術，在機械產(chǎn)品銑削工藝過程基礎之上，構建配套的動力學模型，為后續(xù)切削振動加工的開展提供基礎條件。

1.4.4 磨削加工

工作人員向所構建模型中持續(xù)導入時間數(shù)據(jù)與工件磨削加工數(shù)據(jù)。同時，調(diào)整相關系數(shù)，即可持續(xù)輸出仿真結果，獲取各項參數(shù)指標的最優(yōu)值，并對磨削加工方案進行優(yōu)化調(diào)整。簡單來講，對仿真技術的應用，可以在仿真過程中發(fā)現(xiàn)原有工藝的不足、提供最優(yōu)化條件。

2? 仿真技術在機械設計制造領域中的應用價值

2.1 優(yōu)化設計制造方案

在傳統(tǒng)機械設計模式中，由于采取人工模式，設計效率較為低下，多數(shù)企業(yè)為控制設計成本與周期，普遍選擇制定少量的機械產(chǎn)品設計方案，設計空間較為狹窄。同時，也面臨著機械產(chǎn)品細節(jié)設計不到位、方案三維立體效果差等問題，部分設計問題沒有及時被發(fā)現(xiàn)、解決。仿真技術的應用，設計人員既可以借助仿真系統(tǒng)完成大量基礎性設計工作，明確產(chǎn)品設計思路、導入相關數(shù)據(jù)內(nèi)容，可在短時間內(nèi)編制機械產(chǎn)品設計方案，并做到對各項設計細節(jié)的有效處理。同時，產(chǎn)品三維設計效果較為理想，可以在仿真過程中真實反應產(chǎn)品的性能質(zhì)量與缺陷問題。因此，設計人員可以在限定時間范圍內(nèi)同時制定多套產(chǎn)品設計方案，并將各套方案進行對比分析，優(yōu)中選優(yōu)、拓寬設計思路。

2.2 提高數(shù)據(jù)分析效率及精度

仿真技術是在信息處理技術基礎上發(fā)展而成，可以輔助人工完成數(shù)據(jù)采集與運算分析等工作，在短時間內(nèi)有效處理龐大數(shù)據(jù)量，從而提高機械產(chǎn)品設計效率、準確預估產(chǎn)品特性、降低人為主觀因素對機械設計質(zhì)量造成的影響系數(shù)。同時，也將切實滿足機械產(chǎn)品的個性化設計制造需求。此外，在機械產(chǎn)品結構復雜程度越高、數(shù)據(jù)處理量越大時，則仿真技術在復雜數(shù)值計算方面的應用價值越發(fā)顯著。

2.3 控制設計成本

在傳統(tǒng)設計模式下，由于機械產(chǎn)品呈現(xiàn)出結構復雜化、精密化與小型化發(fā)展趨勢，雖然產(chǎn)品制造成本有所降低，但卻對設計質(zhì)量提出了更高的要求，企業(yè)需配置較為龐大的設計團隊，人工成本與機械設計成本較為高昂。以非標自動化設備為例，由于這類機械設備缺乏統(tǒng)一標準，需要設計人員重復開展各項基礎性設計工作，如復雜數(shù)值計算、設計參數(shù)設定等等，使得產(chǎn)品設計周期有所延長，在客觀層面上進一步提高了設計成本。對仿真技術的應用，可以輔助設計人員在短時間內(nèi)完成大量基礎工作，如信息采集、數(shù)值計算、標準調(diào)整等等。同時，在技術應用過程中，可以根據(jù)工作需求而構建二維或是三維模型，由仿真模型替代實體模型。不但物料成本有所降低，且設計團隊可以得到精簡，將人工成本與機械設計總成本控制在較低程度。此外，近年來仿真技術逐漸呈現(xiàn)出智能化發(fā)展趨勢，與人工智能技術加以有效結合，可以替代設計人員，模擬人類的思維模式，完成部分較為簡單的設計工作。因此，隨著仿真技術體系的不斷完善，將持續(xù)降低設計成本、縮減工作量。

3? 計算機仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)策略

計算機仿真系統(tǒng)的開發(fā)與運行步驟為：技術人員結合機械設計制造工作的實際情況，將相關設計內(nèi)容與數(shù)據(jù)信息導入至仿真工具當中，構建仿真模型，分層客觀體現(xiàn)所存在的主要問題。工作人員對運算放大器的連接形式進行切換、調(diào)整相關系數(shù)，從而修改仿真模型，營造高度真實的虛擬環(huán)境，動態(tài)化呈現(xiàn)機械產(chǎn)品的設計制造過程、運動軌跡與某些特質(zhì)。同時，建模精度越高，則虛擬環(huán)境真實度越高、仿真結果越準確。而計算機仿真系統(tǒng)的具體實現(xiàn)步驟及策略如下：

3.1 構建模型

技術人員結合機械設計制造要求、產(chǎn)品基本特征，構建起相對較為抽象的系統(tǒng)，為后續(xù)仿真功能的開發(fā)與使用提供基礎條件。同時，向系統(tǒng)中導入特定的邊界條件以及約束條件。隨后，在相關條件與數(shù)據(jù)基礎之上構建仿真模型，使用特定數(shù)學公式描述仿真核心。隨后，選擇將時間變化情況或是狀態(tài)描述結果為主要建模依據(jù)，構建若干種仿真模型，常見模型種類包括混合型、連續(xù)性以及離散型。以某項機械設計制造項目為例，設計人員最終選擇基于狀態(tài)描述結果，構建離散事件以及連續(xù)系統(tǒng)模型。

3.2 模型變換

仿真模型變換的目的在于，將原有較為抽象的表達方式加以轉換，轉換為計算機系統(tǒng)可識別的表達或是處理形式。隨后，技術人員使用特定的編程語言以及算法，將仿真系統(tǒng)核心內(nèi)容加以闡述，這一部分內(nèi)容則是所構建的仿真模型。此外，在機械設計制造過程中，工作人員也可根據(jù)機械產(chǎn)品的設計與制造需求，對現(xiàn)有仿真模型進行變換處理，在短時間內(nèi)針對性研制處全新的計算機仿真系統(tǒng)，從而簡化機械設計制造流程。

3.3 模型實驗

工作人員在計算機仿真系統(tǒng)中導入仿真模型，并下達特定的操作指令，對仿真模型進行調(diào)整，即可持續(xù)輸出仿真結果，完成仿真實驗。同時，在配置模擬計算機等仿真工具時，可選擇組織開展實時仿真實驗，或是對時間比例尺加以適當調(diào)整而開展超實時仿真實驗，直觀化呈現(xiàn)機械產(chǎn)品的運動過程，展示所存在的設計與制作工藝問題。從仿真模型實驗結果準確性評估角度來看，企業(yè)應結合實際情況，采取適當?shù)暮饬糠绞?。目前來看，仿真模型實驗結果準確性的常用衡量方式為反向驗證法以及置信通道法，不同方式的適用條件存在一定差異。

4? 結語

綜上所述，在當前我國工業(yè)領域發(fā)展過程中，仿真技術與機械設計制造之間形成了緊密的內(nèi)在聯(lián)系，技術應用情況直接影響到機械產(chǎn)品設計水平與制造質(zhì)量。因此，企業(yè)與技術人員應致力于推動機械設計制造與仿真技術的融合進程，深入了解技術應用價值，充分發(fā)揮技術應用效能，將完善仿真技術在機械設計制造領域中的應用模式作為主要研究課題。

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