虚拟制造数控技术在现代机械工程设计领域中的应用

3 现代机械工程设计的特征

　　机械设计是为实现某一使用功能，同时考虑其运动可能性、制造可能性、经济可能性，从而构思一种具有一定创新性的机械产品的过程。

　　传统的机械设计技术，受低劣的设备条件和落后的技术方法所限，只能在保守的观念下，依据粗略的验算甚至估计，通过大量的简化和静止化假设完成机械工程设计，因此它必然使设计存在随意性，对个人的经验和习惯的依赖性极大，极难实现合理、准确和高效的设计。

　　现代机械设计技术，充分利用了当今迅速发展起来的计算机技术、计算技术、应用数学和力学、电子学、测试和分析技术，使设计技术有可能从经验的、静止的和随意性很大的传统设计，变为基于计算数据、知识工程或专家系统的、动态的现代设计。这需要充分收集、分析和检索必要的信息，快速的数值运算和方案寻优，因而必然大规模地使用CAD技术和人工智能技术、数据库技术等。

4 机械工程设计中的虚拟制造技术—机械虚拟样机技术

　　机械工程设计中的虚拟样机技术，又称为机械系统动态仿真技术，是国际上20世纪so年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程技术。工程师在计算机上建立样机模型，对模型进行各种动态性能分析，然后改进样机设计方案，用数字化形式代替传统的物理样机。运用虚拟样机技术，可以大大简化机械产品的设计开发过程，大幅度缩短产品开发周期，大量减少产品开发费用和成本，明显提高产品的质量和产品的系统级性能，获得最优化和创新的设计产品。因此，该技术一出现，立即受到了工业发达国家有关机构和大学、公司的极大重视，许多著名制造厂商纷纷将虚拟样机技术引人各自的产品开发中，并取得了很好的经济效益。

　　在机械工程设计过程中，应用计算机仿真技术，对零件的加工方法、工序顺序、工装的选用、工艺参数的选用，加工工艺性、装配工艺性、配合件之间的配合性、连接件之间的连接性、运动构件的运动性等均可建模仿真。建立数字化虚拟样机，是一种崭新的设计模式和管理体系。

　　机械虚拟样机，是基于三维CAD的产物。三维CAD系统是造型工具，能支持“自顶向下”和“自底向上”等设计方法，完成结构分析、装配仿真及运动仿真，等复杂设计过程，使设计更加符合实际设计过程。三维造型系统能方便地与CAE系统集成，进行仿真分析;能提供数控加工所需的信息，如NC代码，实现CAD/CAE/CAPP/CAM的集成。

　　以SoGdEdge,Solidworka,UG等为设计平台，建立全参数化三维实体模型。在此基础上，对关键零、件进行有限元分析以及对整机或部件的运动模拟。通过数字化虚拟样机的建立、实施，帮助企业建立起一套基于三维CAD的产品开发体系，实现设计模式的转变，加快产品推向市场的周期nJQ

5 虚拟样机技术在机械工程设计中的优势

　　5.1 具有强大的通用性和很强的复杂问题处理能力

　　虚拟样机技术，是在分析力学和多体动力学的研究基础上发展起来的，其目的就是为了能够实现对复杂机械系统的自动建模。因此，多数虚拟样机技术软件采用的是带约束乘子的微分一代数混合方程。其核心是令每个构件都具有6个自由度，然后用约束方程对多余的自由度加以限制。这样的好处是能够具有较好的通用性，对于不同类型的机构都可以方便建模。虚拟样机技术考虑了机械系统中的详细环节，比如构件的弹性、接触、摩擦和控制等。

　　5.2 使机械系统建模更加方便

　　对于传统的机械系统建模，我们必须首先进行运动分析，然后根据运动分析的结果进行动力分析，这中间需要大量的图形分析和公式推导。这个过程不但繁琐复杂，而且非常容易出错，设计人员需要花费大量的时间和精力，保证建模过程的准确性。使用虚拟样机技术，设计人员的工作只是给出机械的构成和连接形式，以及构件的物理参数，后面的建模和求解都是由计算机来完成的。这样大大减轻了设计人员的负担，提高了效率。

　　5.3 软件具有强大的后期处理功能

　　传统分析方法，得到的是大量的数据，对于这些结果的了解，需要丰富的理论知识和经验。对于包含空间机构的机械更是如此。而虚拟样机技术软件，提供了很多结果的的可视化技术、曲线、图形和动画功能，可以使设计人员直观地看到其性能和运动效果。

6 结束语

　　虚拟制造技术，将从根本上改变现代机械工程设计领域中设计、试制、修改设计、规模生产的传统制造模式。在产品真正制出之前，首先在虚拟制造环境中生成软产品原型，代替传统的硬样品进行试验，对其性能和可制造性进行预测和评价，从而缩短产品的设计与制造周期，降低产品的开发成本，提高系统快速响应市场变化的能力。它的广泛应用前景，必将使之成为目前最具影响力的技术之一。