现代机械工程设计中的虚拟制造技术探讨

发布时间：2017-08-06 作者：宋洋洋黄振来源：兖矿集团大陆机械有限公司

关键字：仿真技术虚拟制造技术

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社会竟争不断激烈，企业提高自身的竟争力尤为重要水平的提高，也大大提高了能源利用率，提高机械制造的技术水平，就其中仿真技术及虚拟现实技术两个关健点进行了技术探讨。

随着我国科学技术的不断完养和发展，机械设计与制造在实际生产过程中也在不断改养和创新。为了满足不同顾客的需要，制造企业需要在竞争过程中不断自我完养和提高，进而保证产品质晕。机械工程设计中的虚拟制造技术是高科技创新的产物。虚拟制造技术的出现，为企业有效解决了设计上的难题。在日后的现代机械工程设计中，虚拟制造技术将会扮演越来越重要的角色。

1虚拟制造及其特点

虚拟制造技术是指基于虚拟现实和仿真技术模拟和仿真产品的设计、生产制造整个生命周期的一种新技术。是以计算机为载体，在虚拟的环境中实现制造过程，对产品链的研发、制造、控制、装配、管理、物流等关键环节进行仿真，对产品的质晕起到最为有效的控制和决策。因此，虽然虚拟制造不是实际制造过程，但其在本质上完全预见到制造中出现的种种问题。

计算机技术及相关领域的发展为虚拟制造的产生提供了可行的技术条件。与实际制造相比，虚拟制造有以下突出的优点：1)虚拟制造中的反复不会造成浪费。虚拟制造不是实质上的制造，它只是对实际制造的过程进行的抽象和综合，采用的是实际产品的建模以及数字化模型，虚拟制造克服了产品制造出来效果不佳又进行重复设计、制造的反复中造成的浪费，通过模拟产品的生命过程来指导生产实践。2)虚拟制造能够最大限度的节约产品开发的成本。虚拟制造主要通过高科技计算机技术，把实际的制造过程在计算机环境中体现。其中包括设计、制造加工、部件装配等。其中优点就是无需实物试样，就可以对产品性能及优缺点做出清楚的勘测。因此虚拟制造技术大大缩短了产品的制造周期，节约了开发成本。3)虚拟制造过程中发现问题能够及时纠正。对于新产品的开发中利用虚拟制造技术，能够完全避免实际制造中的不可逆的过程，在开发过程中能够及时发现问题，并及时得到更正。

2虚拟制造技术在机械工程设计中的应用

2.1建立三维模型

建立三维的实体模型是运用虚拟样机技术的基础和前提，后续的仿真实验都要在这个基础上进行。建立数字化的三维模型过程极其繁杂，除了对诸如齿轮、扇叶等外形复杂的零部件进行详细的细部设计，还要对各种机械内部的每种部件问的相关驱动联系予以充分考虑。科技发展使得当前的三维CAD得到了普遍推广，机械产品内部的每个部件的转动惯量、质心位置和搭接的细节都能得到详尽的设计和明确表述，设计深度和效率都得到了显著提高，软件应用更加便捷人性化。

2.2设置约束

建成数字三维模型后，为了规范和限制物体之间的相对运动，在对各个部件进行连接时要添加适当的约束。添加约束时，要从实际情况出发注意所添加约束条件的合理性。当前，国内使用的三维CAD设计软件多配有相关的动力学插件，通过这些插件对约束关系和装配关系加以映射，可实现对虚拟装配和添加约束的过程相统一。另一种力式是，借助三维CAD软件进行预装配，继而在ADAMS运动分析软件中导入已经完成的数据模型，通过ADAMS实现对产品运动情况的如实分析。

2.3施加驱动及有限元分析

通过设置合理的约束在模型的各零部件之间实现连接，在确定各种机械运用的情况后，对模型施加驱动力及驱动转矩，以使模型能够按照预先设计好的运动情况进行运动。

有限元的分析力法能对机械内部各构件的强度和运动特性指标等进行全面精准的分析，其显著特点是通用性强。另外，有限元的分析方法还能实现对诸如边界条件和结构形状等力学问题的专业解答，目前在机械设计中得到了比较广泛的应用。有限元的分析方法运算速度和可靠性都比较高，在虚拟样机技术中是不可或缺的设计工具。

3虚拟制造技术的关键

3.1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，最大化地保证了力案的最优。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。

3.2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小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结束语

随着科学技术的提高，我国工业领域中的技术发展和先进工艺技术的应用也越来越广泛。虚拟制造技术的发展和应用，将会改变现代化机械工程设计过程中传统的制造模式。能在产品制造出来之前对出现错误的地方进行修改，实现对产品性能的预测等优势，提高了产品质晕和生产效率以及制造周期，具有广阔的发展前景。

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