郭聰

摘要：在現(xiàn)代包裝行業(yè)中，包裝機(jī)械是最為基礎(chǔ)的設(shè)備，也是商品制造過程中不可缺少的重要裝備之一。伴隨著新型計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，其功能和作用逐步完善，產(chǎn)品的類型也日益增多。隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，社會大眾對產(chǎn)品的制造質(zhì)量、種類等要求也越來越高。行業(yè)競爭日益激烈，要求制造廠商必須在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時，盡量減少產(chǎn)品開發(fā)時間。筆者簡要闡述了機(jī)械仿真技術(shù)對包裝機(jī)械設(shè)計(jì)制造的作用以及包裝機(jī)械制造中仿真技術(shù)的運(yùn)用，包括齒輪設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和復(fù)雜數(shù)值計(jì)算等，最后舉出相關(guān)應(yīng)用實(shí)例。

關(guān)鍵詞：包裝機(jī)械設(shè)計(jì)；計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)；運(yùn)用

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是指通過利用應(yīng)用程序?qū)栴}進(jìn)行分析和處理的一種實(shí)用技術(shù)。其主要特點(diǎn)是效率高、安全性高以及性能強(qiáng)大等，目前已成為系統(tǒng)分析和評估等使用的重要技術(shù)之一。在其發(fā)展的過程中，大致經(jīng)歷了3個時期，即早期的模擬仿真、后來的混合仿真、逐漸完善的數(shù)字仿真階段。隨著社會的發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已逐步運(yùn)用到社會生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，在一定程度上促進(jìn)了企業(yè)產(chǎn)品的制造，進(jìn)而提升其經(jīng)濟(jì)實(shí)力和競爭能力。

1 機(jī)械仿真技術(shù)對包裝機(jī)械設(shè)計(jì)制造的作用

仿真技術(shù)也叫作虛擬樣機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)者通過相關(guān)的應(yīng)用程序在電腦終端設(shè)立模型，通過對各類非靜態(tài)性的系數(shù)進(jìn)行分析以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化和完善，其優(yōu)勢是操作更為便捷，不需要制造事物產(chǎn)品即可完成，實(shí)現(xiàn)了用新興技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式的轉(zhuǎn)變，為生產(chǎn)制造業(yè)提供了技術(shù)支持和發(fā)展的推動力。在當(dāng)前的包裝機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)中，為及時高效地處理產(chǎn)品生產(chǎn)中的方案設(shè)計(jì)、研究以及進(jìn)行實(shí)驗(yàn)等多方面的問題，大都需在電腦終端設(shè)定相關(guān)系統(tǒng)的仿真模擬造型，通過仿真模型對實(shí)際運(yùn)用的主體進(jìn)行試驗(yàn)。

在系統(tǒng)開發(fā)和方案設(shè)計(jì)的初級階段，相關(guān)工作人員只需利用輔助程序設(shè)計(jì)并建立多種類型的模擬樣機(jī)，即可對實(shí)際中的或正在研發(fā)的系統(tǒng)進(jìn)行分析或?qū)嶒?yàn)，其用于監(jiān)管和改進(jìn)的相關(guān)應(yīng)用的操作也十分簡單。新型仿真技術(shù)的運(yùn)用除了能夠幫助提升機(jī)械裝備開發(fā)研究的質(zhì)量，同時還能在很大程度上降低產(chǎn)品制造成本和縮短產(chǎn)品開發(fā)生產(chǎn)周期，進(jìn)而提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

2 包裝機(jī)械設(shè)計(jì)制造中計(jì)算仿真技術(shù)的應(yīng)用

2.1 齒輪設(shè)計(jì)

在包裝機(jī)械制造中，齒輪是最為主要也是最為基礎(chǔ)的組成零件，因此對其在制作過程中計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的運(yùn)用的研究是非常有實(shí)際意義的。例如，運(yùn)用Visual Lisp語言就可從幾何角度對齒輪設(shè)計(jì)提供研究輔助，其主要研究齒輪任一平面的齒輪形狀的模型建立和仿真?zhèn)鲃拥脑O(shè)計(jì)。齒輪泵的齒輪開發(fā)研究中也在一定程度上依靠計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的支持。另外，圓弧針齒行星轉(zhuǎn)動的動力學(xué)研究也可以利用該技術(shù)，仿真技術(shù)在其中的應(yīng)用主要是對模擬造型進(jìn)行監(jiān)測和實(shí)驗(yàn)，以確認(rèn)和審核新型設(shè)計(jì)方案的實(shí)用性和是否有技術(shù)技術(shù)性問題存在，為提高傳動設(shè)備的實(shí)用性和性能提供了技術(shù)理念和數(shù)據(jù)分析的支持。在電腦終端實(shí)現(xiàn)對制造參數(shù)的多次修改和確認(rèn)，保障設(shè)計(jì)的樣品可直接運(yùn)用到企業(yè)制造或生產(chǎn)的過程中，這也是齒輪設(shè)計(jì)的關(guān)鍵發(fā)展趨勢之一。

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一般來說，機(jī)械產(chǎn)品的組裝要求都較高，涉及的零部件較多。為保證已經(jīng)完成制定的工藝活動能夠順利實(shí)現(xiàn)，在對新產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)和研究的過程中，機(jī)械產(chǎn)品的相關(guān)機(jī)構(gòu)是否能夠正常地完成事先設(shè)定的動作，機(jī)構(gòu)相互之間的運(yùn)動能否實(shí)現(xiàn)合理配合，機(jī)構(gòu)之間有無互相影響或干涉的部分存在以及如何確定各類的機(jī)構(gòu)融合形式或設(shè)計(jì)方案來更好地適應(yīng)設(shè)計(jì)指標(biāo)等等，這種種難題和麻煩都需要通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)有效解決。

通常規(guī)模較大的立體機(jī)械設(shè)計(jì)程序都會自動準(zhǔn)備一個機(jī)構(gòu)仿真的功能運(yùn)用，在模擬條件下設(shè)計(jì)完成的裝配體能夠?qū)崿F(xiàn)對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動軌跡和方式進(jìn)行虛擬演示，這種應(yīng)用程序大多較為直觀和便捷。同時，這類應(yīng)用程序根據(jù)裝配的數(shù)值進(jìn)行自動機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)的運(yùn)算，并且智能添加相關(guān)的附加設(shè)備，例如彈簧和運(yùn)動發(fā)生器等。若要實(shí)現(xiàn)運(yùn)動學(xué)的仿真，對主運(yùn)動構(gòu)件進(jìn)行設(shè)定即可，還能實(shí)現(xiàn)多方位的觀察和監(jiān)測，應(yīng)用程序還可同時對產(chǎn)生干擾的程序進(jìn)行檢測，以幫助設(shè)計(jì)者進(jìn)行檢驗(yàn)和審核。

2.3 復(fù)雜數(shù)值計(jì)算

新型技術(shù)的應(yīng)用使得大多數(shù)計(jì)算程序繁雜的分析更加簡單明了、計(jì)算難度降低，從而降低了計(jì)算的時間成本，規(guī)避了無意義的、水平較低的人力耗費(fèi)，使得計(jì)算效率更高、速度更快以及精確度更高，在新產(chǎn)品的開發(fā)和研究設(shè)計(jì)的方面發(fā)揮了巨大作用。

機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)程序大多是從理論設(shè)計(jì)開始，到接下來的廓形設(shè)計(jì)、細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、細(xì)節(jié)修改到再次實(shí)驗(yàn)的循環(huán)過程，直到產(chǎn)品達(dá)到相關(guān)的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，其中仿真技術(shù)的運(yùn)用幫助產(chǎn)品研發(fā)和設(shè)計(jì)，在最大程度上降低了財(cái)力成本和時間成本的耗費(fèi)。對包裝產(chǎn)品的動力學(xué)虛擬樣機(jī)進(jìn)行技術(shù)分析，能夠獲取產(chǎn)品構(gòu)造的強(qiáng)度應(yīng)力、運(yùn)動狀態(tài)以及其他相關(guān)參數(shù)，通過對相關(guān)數(shù)值的運(yùn)算和研究可以發(fā)現(xiàn)其中的潛在風(fēng)險和質(zhì)量問題等，從而提高其開發(fā)和生產(chǎn)效率。

2.4 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動化

計(jì)算機(jī)技術(shù)的運(yùn)用主要體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)和仿真技術(shù)的運(yùn)用方面。例如借助計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)各類大型電子設(shè)備被開發(fā)并投入使用。計(jì)算機(jī)使機(jī)械設(shè)計(jì)制造的精確度不斷提升，促進(jìn)了我國計(jì)算機(jī)工業(yè)化的發(fā)展，并使得集成電路的集成效率和水平得到有效提升，其存儲器的空間也在逐漸擴(kuò)大。機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動化的程序較為繁雜，計(jì)算機(jī)技術(shù)的程序優(yōu)勢使得其在機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)中擁有重要的地位和作用。在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，涉及的復(fù)雜的設(shè)計(jì)圖紙的繪制，需要計(jì)算機(jī)的有效輔助，例如CAD，CAM等繪圖程序能夠有效幫助降低繪圖的復(fù)雜程度，進(jìn)而提高繪圖效率。

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是可視技術(shù)和虛擬技術(shù)不斷改進(jìn)的結(jié)果。仿真程序?qū)Ψ抡鎸ο蠼?shù)學(xué)模型，將實(shí)際仿真對象的相關(guān)數(shù)據(jù)和參數(shù)信息較為全面、詳細(xì)并客觀地表現(xiàn)出來。隨后通過計(jì)算機(jī)技術(shù)分析，既能提高仿真對象的實(shí)用性能，又能在改進(jìn)的過程中對相關(guān)程序進(jìn)行簡化，降低操作難度。另外，仿真技術(shù)將實(shí)際與虛擬模擬有效結(jié)合，對相關(guān)大型機(jī)械設(shè)計(jì)制造進(jìn)行仿真模擬，能夠促使機(jī)械制造的質(zhì)量和效果得到有效提升。

3 包裝機(jī)械設(shè)計(jì)制造中計(jì)算仿真技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

文章以自動包裝秤的計(jì)算機(jī)建模以及自動化系統(tǒng)為應(yīng)用實(shí)例。

自動包裝秤大致可分為稱重部分和包裝部分。首先建立自動包裝秤立體模型以及自動包裝秤的零件建模。主要包括下料組件、稱重組件、包裝組件以及秤架。下料組件中的部分零件可通過建立二維圖形，再借助三維建模中的多種工具完成創(chuàng)造。稱重組件的設(shè)計(jì)是通過在曲面設(shè)計(jì)模塊中建立旋轉(zhuǎn)面，再將零件模塊增厚后封閉曲面形成實(shí)體，而后進(jìn)行編輯形成。接著進(jìn)行自動包裝秤的零部件配置。整體的模型建立需零部件的完整組成，裝配實(shí)際上就是在零件之間增加約束力，以對其相對位置關(guān)系產(chǎn)生限制。使用操作輔助工具，選擇在不同的坐標(biāo)軸和平面內(nèi)移動，使得零部件的位置基本與實(shí)際的機(jī)型相似。通過約束工具，選擇零部件的點(diǎn)、線、面施加相合或接觸、固定等約束力，對零部件進(jìn)行精準(zhǔn)的位置確定，到此才完成了零部件的裝配。所有的裝配完成之后，就形成了自動包裝秤的各個結(jié)構(gòu)的模型。

模擬制造大致可劃分為以設(shè)計(jì)為重點(diǎn)的模擬制造和以生產(chǎn)為重點(diǎn)的模擬制造。前者主要通過將產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念滲透到整體設(shè)計(jì)過程中的方式，實(shí)現(xiàn)虛擬技術(shù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面的優(yōu)化和完善，進(jìn)而通過電腦終端生成立體模擬樣機(jī)。因此，在實(shí)際的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，就可對涉及的零部件和產(chǎn)品整體進(jìn)行實(shí)用性的分析。而后者是在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中使用模型建立，據(jù)此對生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化和完善，以快速完成對生產(chǎn)方案的評估。其基本目的是對產(chǎn)品投入生產(chǎn)的可行性進(jìn)行評估，使得產(chǎn)品可生產(chǎn)性評估達(dá)到極高的水準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)“無縫”虛擬，促使產(chǎn)品在實(shí)際制造時不斷優(yōu)化和改進(jìn)。

將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)運(yùn)用于自動化系統(tǒng)大致可分為以下步驟：第一，建立模型。仿真模型的建立是包含于自動化系統(tǒng)之中的，能夠?qū)崿F(xiàn)對實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行的模擬。其基礎(chǔ)的仿真設(shè)備的制作參數(shù)由實(shí)際的自動化系統(tǒng)的參數(shù)決定，在建模過程中，應(yīng)對數(shù)據(jù)和實(shí)時狀態(tài)有精確的把握，以建立完善的監(jiān)測體系，保證數(shù)據(jù)的及時性。第二，程序編寫。其主要依據(jù)仍舊是實(shí)際的數(shù)據(jù)和已經(jīng)確立的仿真模型，堅(jiān)持以實(shí)際系統(tǒng)的數(shù)據(jù)為主要參數(shù)的基本原則，以保證程序編寫的科學(xué)性和合理性。第三，建立模擬系統(tǒng)。在完成基本的模型建立和程序編寫之后，即可進(jìn)行模擬系統(tǒng)的建立。模擬系統(tǒng)的建立要求按照相關(guān)的實(shí)際參數(shù)和運(yùn)行的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)進(jìn)行。同時，模擬系統(tǒng)不僅要對實(shí)際自動化系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行仿真，還能實(shí)現(xiàn)對實(shí)際數(shù)據(jù)的有效模擬，并且能夠?qū)?shí)際體現(xiàn)的參數(shù)和數(shù)據(jù)進(jìn)行及時調(diào)整。第四，檢驗(yàn)結(jié)果。對已經(jīng)完成的仿真系統(tǒng)需進(jìn)行仔細(xì)分析，并對模擬系統(tǒng)的運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化。對結(jié)果的檢驗(yàn)是整個模擬過程的最后一步，也是最容易被忽視的一步。其對模擬過程中所反饋的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和研究，對部分出現(xiàn)誤差的數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個模擬自動化系統(tǒng)的優(yōu)化。

4 結(jié)語

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的綜合性較強(qiáng)，其不僅能夠?qū)Πb機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效果進(jìn)行檢驗(yàn)，還能夠在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中提供理論和技術(shù)指導(dǎo)，在理念設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)就能對產(chǎn)品構(gòu)成進(jìn)行優(yōu)化和完善，從而保障產(chǎn)品能順利投入生產(chǎn)，并提高其性能和實(shí)用性。在機(jī)械制造及自動化領(lǐng)域以及音響技術(shù)的研發(fā)等行業(yè)，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)都發(fā)揮了極為重要的作用。同時，虛擬技術(shù)縮短了產(chǎn)品的研發(fā)和設(shè)計(jì)周期，一定程度上減少了其設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)耗費(fèi)的時間，并降低了整個產(chǎn)品開發(fā)和制造的成本，進(jìn)而提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。