繆明明

（山東萊克工程設(shè)計有限公司，山東 東營 257099）

機(jī)械設(shè)計制造過程中，其主要的工作對象是產(chǎn)品，而影響產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和成本高低的是裝配工藝。在實際加工過程中會遇到各種各樣的問題（比如材料選擇不當(dāng)）。為了提高零件精度和保證零件使用要求等，需要對零部件進(jìn)行精確的選材與定位；同時要考慮到機(jī)械設(shè)備運行時可能出現(xiàn)故障或不正常情況發(fā)生；還要保證機(jī)械系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、安全工作等因素都會直接影響產(chǎn)品質(zhì)量，所以必須做好仿真技術(shù)的開發(fā)研究工作。

1 仿真技術(shù)在機(jī)械設(shè)計制造過程中的作用

1.1 優(yōu)化機(jī)械設(shè)計方案仿真技術(shù)

仿真技術(shù)是通過計算機(jī)模擬現(xiàn)實機(jī)械的工作過程，并在實際生產(chǎn)中進(jìn)行檢測與改進(jìn)，進(jìn)而實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量和性能等方面的提高[1]。在機(jī)械設(shè)計制造過程中，主要是通過計算機(jī)模擬真實的工作環(huán)境，對零部件進(jìn)行準(zhǔn)確的運動學(xué)、動力學(xué)等方面的研究。在機(jī)械設(shè)計制造過程中，對零部件的運動學(xué)、動力學(xué)等方面進(jìn)行研究，可以讓設(shè)計者更好地了解零件之間復(fù)雜結(jié)構(gòu)關(guān)系。仿真技術(shù)是一種模擬真實環(huán)境下工作狀態(tài)和動態(tài)特性的先進(jìn)方法。它利用計算機(jī)軟件來對產(chǎn)品模型或者部件裝配圖以及各種連接方式進(jìn)行虛擬建模，并分析其性能參數(shù)變化情況與規(guī)律性；在機(jī)械設(shè)計制造過程中應(yīng)用仿真是一種非常實用有效的手段，可以幫助設(shè)計者更好地了解零件之間復(fù)雜結(jié)構(gòu)關(guān)系、零部件間不同部位位置等相關(guān)問題，并能夠在實際工作中運用該方法，對機(jī)械設(shè)計制造的生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化。仿真技術(shù)的應(yīng)用，可以對機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行三維運動學(xué)和動力學(xué)分析，并將其與虛擬樣機(jī)建立數(shù)據(jù)交互，模擬真實環(huán)境下零部件之間復(fù)雜結(jié)構(gòu)關(guān)系、各部件在動態(tài)過程中的運行情況以及各種參數(shù)變化規(guī)律等。

1.2 提高數(shù)據(jù)分析效率和水平

在機(jī)械設(shè)計制造過程中，數(shù)據(jù)分析是最基礎(chǔ)的，也是最為重要的部分。對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和統(tǒng)計工作就是要將實際情況與理論計算結(jié)果進(jìn)行對比[2]。由于仿真技術(shù)具有一定局限性、不確定因素以及隨機(jī)誤差等，都會影響到實驗效果，甚至導(dǎo)致實驗失敗或者失效；同時還存在一些其他不可預(yù)知或避免不了的原因，而無法驗證其準(zhǔn)確性，因此在機(jī)械設(shè)計制造過程中，必須重視這些問題并采取有效措施加以解決。機(jī)械設(shè)計制造過程中的數(shù)據(jù)分析工作是非常重要且不可或缺的，它不僅能對設(shè)計者所進(jìn)行的裝配線制定、零件加工工藝等提出合理性建議，還需要將這些問題通過仿真技術(shù)加以解決。在實際生產(chǎn)中可以利用虛擬樣件系統(tǒng)來模擬各種工況下產(chǎn)品完成情況。在機(jī)械設(shè)計制造過程中，可以通過虛擬樣件系統(tǒng)來模擬各種工藝參數(shù)和裝配情況。這樣就能使設(shè)計者更加了解產(chǎn)品的性能特點，同時也有利于提高生產(chǎn)效率以及降低成本，縮短研發(fā)周期，并為企業(yè)創(chuàng)造更多財富價值。

1.3 節(jié)約設(shè)計成本

在機(jī)械設(shè)計制造過程中，要想降低成本，就要從源頭抓起，減少和避免浪費。例如：當(dāng)某零件的尺寸精度要求較高時，就需要對其進(jìn)行加工；而對于一些特殊情況下所需使用的零部件來說，則必須盡量簡化工藝、節(jié)約材料等?？偠灾?，就是通過仿真技術(shù)模擬系統(tǒng)來完成產(chǎn)品裝配工作后，再利用仿真的方法進(jìn)行實際操作，設(shè)計人員可以通過計算機(jī)軟件實現(xiàn)虛擬制造，從而降低人工成本和減少資源浪費，提高機(jī)械效率[3]。在機(jī)械設(shè)計的制造過程中，我們可以通過對機(jī)械零件進(jìn)行合理的簡化，從而使得產(chǎn)品成本降低，并且減少浪費。例如：加工工藝復(fù)雜、生產(chǎn)效率低等問題。所以說，優(yōu)化設(shè)計方案是實現(xiàn)低成本高效益最主要的環(huán)節(jié)，也就是在機(jī)械設(shè)計仿真技術(shù)上應(yīng)用最少化設(shè)計方法來完成零件圖紙中尺寸及重量的精確計算，然后再將結(jié)果進(jìn)行分析與對比，最后選擇出最佳方案。這樣就可以大大地降低機(jī)械設(shè)計制造過程中所需要投入的成本。

2 仿真技術(shù)在機(jī)械設(shè)計制造過程中的具體應(yīng)用措施

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計方面

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計是對機(jī)械產(chǎn)品的整體性能進(jìn)行優(yōu)化，并將其與實際使用要求緊密結(jié)合起來。在設(shè)計過程中，要充分考慮到不同部件之間的連接關(guān)系和工作環(huán)境。

對于某些特殊零件而言，需要考慮裝配時可能出現(xiàn)問題后如何解決這一情況；同時還要根據(jù)具體情況來選擇合適零部件型號及尺寸大小，以提高生產(chǎn)效率、降低成本、改善質(zhì)量水平等，所以機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計人員必須嚴(yán)格把關(guān)每一個環(huán)節(jié)。首先，要根據(jù)零件的具體要求設(shè)計出合理、安全可靠的機(jī)械結(jié)構(gòu)，同時還要保證其有一定強(qiáng)度，以降低加工成本。其次，在設(shè)計過程中，必須嚴(yán)格遵守產(chǎn)品設(shè)計方案和圖紙上的相關(guān)參數(shù)。最后，需要對零部件進(jìn)行準(zhǔn)確分析，并計算尺寸及重量等因素來確定各部件之間是否發(fā)生相互干涉影響；此外，還應(yīng)該考慮到裝配時可能出現(xiàn)的問題，以及如何減少這種故障現(xiàn)象和避免由于零件變形、腐蝕造成的不必要損失，同時也不能忽略機(jī)械結(jié)構(gòu)本身質(zhì)量問題。例如，在針對數(shù)控機(jī)床設(shè)備的加工設(shè)計環(huán)節(jié)，為了進(jìn)一步提高其零部件性能和質(zhì)量，技術(shù)人員可以利用仿真模擬技術(shù)來對數(shù)控機(jī)床的運行程序進(jìn)行編輯，并根據(jù)仿真模擬數(shù)據(jù)對零部件程序加以完善，以此來確保數(shù)控機(jī)床的運行精確度。通過這樣的方式，一方面可以降低人工操作誤差概率，另一方面還可以有效提升數(shù)控機(jī)床加工效率和加工質(zhì)量。除此之外，還可以將仿真模擬技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械設(shè)備的切削加工工藝之中。一般情況下，機(jī)械設(shè)備的切削加工多為人工完成，雖然人工的費用較低，但是卻不能很好地保障切削效果。鑒于此，技術(shù)人員可以利用仿真模擬技術(shù)對切削工藝進(jìn)行編輯，按照切削方案設(shè)計出相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，然后再利用先進(jìn)的機(jī)械切削設(shè)備進(jìn)行切削加工。

2.2 復(fù)雜機(jī)械加工研究方面

在實際加工中，機(jī)械零件的尺寸、形狀和材料等問題都會對產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生影響。因此設(shè)計時需要考慮如何提高生產(chǎn)效率。

例如：要減少刀具磨損量；選擇合適的切削速度及冷卻方式來保證工件精度要求等一系列因素都是非常重要且實用性很強(qiáng)的工作內(nèi)容。復(fù)雜機(jī)械表面粗糙度分析法：這種方法是通過在零件上施加一個或多個微細(xì)外力，使其變形和形變得到所需要大小尺寸的形狀。這種方法可以有效地提高零件加工質(zhì)量。隨著計算機(jī)仿真軟件在制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用，使我們能夠更快地掌握產(chǎn)品制造過程。在產(chǎn)品制造過程中，我們可以利用仿真軟件來模擬加工環(huán)境，并對其進(jìn)行分析和研究。這不僅能縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，還可以降低成本，提高生產(chǎn)效率。

2.3 齒輪設(shè)計方面

在機(jī)械設(shè)計制造過程中，齒輪的精度和抗疲勞性能決定了其產(chǎn)品質(zhì)量的好壞，而要保證高質(zhì)、穩(wěn)定的工作，就必須嚴(yán)格控制零件表面粗糙度。對于某些尺寸較為特殊或者是齒面較淺的小直徑齒輪來說，可以通過改變齒頂圓角來實現(xiàn)減小誤差大小，改善加工工藝性以降低制造成本；同時也可利用軟件對不同形狀的齒輪進(jìn)行模擬分析與計算，從而獲得更好的設(shè)計精度和抗疲勞性能。

在機(jī)械設(shè)計制造過程中，齒輪的主要作用是傳遞轉(zhuǎn)矩，并對傳動比進(jìn)行調(diào)整。在機(jī)械裝備中，齒輪是最重要的零部件之一，因此，在設(shè)計中對其性能進(jìn)行仿真意義重大，并且不少設(shè)計者也針對此問題做了大量研究。其中包括：使用visuallisp 語言對齒輪端面的建模和仿真，從任意幾何角度對其性能進(jìn)行評估；用計算機(jī)仿真技術(shù)展開對圓弧針齒行星傳動的研究；對影響正交齒輪傳動接觸點的主要參數(shù)進(jìn)行研究等。此外，計算機(jī)仿真技術(shù)在齒輪泵的齒輪設(shè)計中的應(yīng)用也十分廣泛。

2.4 數(shù)值計算方面

在實際的生產(chǎn)過程中，我們需要根據(jù)設(shè)計要求，對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行不斷的改進(jìn)，以滿足產(chǎn)品質(zhì)量和性能升級需求，因此可以使用模擬仿真技術(shù)來完成。這種方法不僅能夠使設(shè)計者更直觀地了解到機(jī)械結(jié)構(gòu)的變化情況、工作原理等問題，而且還能讓制造者更加清晰明了地表示出所研究對象的內(nèi)部復(fù)雜程度以及各零件之間相互配合關(guān)系；在實際生產(chǎn)過程中，我們要對零部件進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，并檢驗其精度是否達(dá)到設(shè)計要求，這樣才能保證機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量和效率得到提高。

在機(jī)械設(shè)計制造過程中，數(shù)值計算主要是進(jìn)行零件的靜應(yīng)力和加工工藝性分析，然后通過有限元方法對其變形等方面加以優(yōu)化。所以使用計算機(jī)仿真技術(shù)可以很好地解決上述問題。利用ANSYS 軟件建立實體模型，由于實際情況與理論結(jié)果存在一定差異，為了保證模擬真實實驗效果能夠達(dá)到設(shè)計要求，需要在建模過程中添加必要的輔助變量來進(jìn)行數(shù)值計算分析。

2.5 模型的建立與變換

在機(jī)械設(shè)計制作的過程中，若要使用仿真技術(shù)，首先就要設(shè)計編輯條件和約束條件，確定研究目標(biāo)，進(jìn)而建立一個可以滿足系統(tǒng)要求的仿真運行系統(tǒng)。

系統(tǒng)初步建立之后，便要求設(shè)計者根據(jù)相應(yīng)的學(xué)科知識對該系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化表述，也就是對系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型。通常狀況下，數(shù)學(xué)模型由于時間不同可分為動態(tài)和靜態(tài)兩種，其中動態(tài)模型又可以分為離散、連續(xù)和混合時間三種。模型的變換：這一步驟指的是把初步建立的模型通過數(shù)學(xué)表達(dá)式的作用變換成計算機(jī)能夠識別的樣式，這一過程運用了部分合適的計算機(jī)算法及語言，是仿真的基礎(chǔ)，也稱之為仿真模型。若要實現(xiàn)模型的變換，設(shè)計者可以使用現(xiàn)有的仿真軟件，也可以根據(jù)系統(tǒng)需求自行開發(fā)。在對仿真結(jié)果進(jìn)行衡量時，要對其可靠性進(jìn)行分析，通常使用的方法有以下兩種：置信通道法以及仿真過程的反向驗證法。

3 仿真技術(shù)在機(jī)械設(shè)計制造過程中的應(yīng)用前景分析

3.1 加強(qiáng)了與互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)系

在機(jī)械設(shè)計制造過程中，可以利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將設(shè)計師的想法與實際情況進(jìn)行比較。例如：對于一些復(fù)雜、高難度大的零件或構(gòu)件等加工完成時，設(shè)計者需要借助網(wǎng)絡(luò)來收集和分析信息，這樣就能節(jié)省大量時間，并且縮短產(chǎn)品開發(fā)周期；而如果是采用傳統(tǒng)方式生產(chǎn)的話，還可能出現(xiàn)誤差或者錯誤問題，也會大大提高成本及風(fēng)險系數(shù)；同時，在機(jī)械制造過程中，利用虛擬樣板技術(shù)可以對零部件進(jìn)行仿真模擬與測試，這樣就可以對零部件進(jìn)行準(zhǔn)確的測量，減少誤差；在機(jī)械制造中，利用虛擬樣板技術(shù)能夠使設(shè)計者更加容易發(fā)現(xiàn)并修正零件設(shè)計問題。因此，這種加工方法不僅能提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，還可降低成本、縮短開發(fā)周期以及保證可靠性等重要作用得到廣泛運用。目前，我國的機(jī)械行業(yè)正處于高速發(fā)展階段，并且隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，對自動化程度的要求也越來越高；仿真技術(shù)在機(jī)械制造中的廣泛應(yīng)用，能夠使設(shè)計者對產(chǎn)品進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬測試，從而縮短設(shè)計周期和提高生產(chǎn)效率[4]。

3.2 機(jī)械產(chǎn)品小型化

在機(jī)械產(chǎn)品的小型化方面，應(yīng)用更廣泛的是小零件，而不是大尺寸、重量輕。這就要求設(shè)計人員對材料有更高的性能要求。因此，可以通過提高零件質(zhì)量來降低成本和縮短生產(chǎn)周期；也能夠采用新技術(shù)進(jìn)行加工，制造出高精度零部件以滿足市場需求，并能實現(xiàn)批量生產(chǎn)等目標(biāo)，提升產(chǎn)品品質(zhì)。在機(jī)械設(shè)備中應(yīng)用仿真分析，可以大大降低設(shè)計成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，同時也是對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化的重要手段，更是對產(chǎn)品設(shè)計的一種創(chuàng)新，它不僅可以提高機(jī)械設(shè)備性能，而且還能在使用過程中發(fā)現(xiàn)其中的潛在問題，從而及時地采取有效措施解決問題[5]。

3.3 仿真技術(shù)智能化

在機(jī)械設(shè)計制造過程中，利用仿真技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的分析和改進(jìn)，可以有效地提高生產(chǎn)效率。智能化是指對整個系統(tǒng)進(jìn)行模擬操作，這種方式能夠使操作人員通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)直接獲取到產(chǎn)品零部件的裝配信息，這樣就能讓工作人員快速了解各個部件之間存在何種聯(lián)系或相互作用關(guān)系；同時也避免了人工干預(yù)所帶來設(shè)備故障而導(dǎo)致機(jī)器無法正常工作等問題。仿真技術(shù)在機(jī)械設(shè)計制造過程中具有重要作用，能夠有效地避免人為因素造成的產(chǎn)品質(zhì)量問題。它將對機(jī)器零件和零部件進(jìn)行分析，根據(jù)其特點制定相應(yīng)的加工工藝流程并對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行實時監(jiān)控與診斷；同時也可以通過虛擬樣機(jī)來模擬實際情況下的裝配環(huán)境、工作狀態(tài)等信息；還能對所需裝配對象模型參數(shù)及相關(guān)性能指標(biāo)進(jìn)行測試分析和評估。

4 結(jié)論

綜上所述，本文通過對仿真技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了研究及分析。主要結(jié)論如下：通過大量實驗和數(shù)據(jù)收集與整理發(fā)現(xiàn)，目前市場上有許多類型的仿真技術(shù)，但是由于仿真軟件種類繁多、價格昂貴等原因，導(dǎo)致市場需求量少并且不具有普遍性以及實用價值；從理論上來說，仿真技術(shù)能夠應(yīng)用于機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計制造過程當(dāng)中，在實際應(yīng)用中有良好的前景。