李長(zhǎng)明

（山東奔速電梯股份有限公司，山東萊蕪271100）

虛擬技術(shù)在當(dāng)代機(jī)械制造業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用

李長(zhǎng)明

（山東奔速電梯股份有限公司，山東萊蕪271100）

早在上個(gè)世紀(jì)末期，以計(jì)算機(jī)為主的虛擬機(jī)械制造技術(shù)就得到了一定地發(fā)展，很多機(jī)械制造企業(yè)也看到了其所帶來(lái)的便捷之處，在生產(chǎn)實(shí)踐中得到了廣泛地應(yīng)用。虛擬機(jī)械制造技術(shù)主要指的是借助計(jì)算機(jī)對(duì)機(jī)械制造的整個(gè)階段進(jìn)行模擬仿真，以增強(qiáng)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。主要從計(jì)算機(jī)模擬機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)展開(kāi)深入的分析，并就該技術(shù)在現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行闡述，為相關(guān)行業(yè)提供一定的借鑒。

虛擬技術(shù)；機(jī)械制造業(yè)；應(yīng)用

虛擬制造技術(shù)也被稱(chēng)作“擬實(shí)制造”技術(shù)，其工作原理是借助一些高科技技術(shù)的結(jié)合（比如信息技術(shù)、仿真技術(shù)等）對(duì)現(xiàn)實(shí)活動(dòng)中的信息以及相關(guān)人物進(jìn)行模擬，對(duì)機(jī)械制造的整個(gè)階段進(jìn)行仿真，采取多種方式對(duì)制造過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行暴露，進(jìn)而采取行之有效的方式加以預(yù)防，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。在機(jī)械制造生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)虛擬制造技術(shù)的有效應(yīng)用，一方面可降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，減少返工現(xiàn)象的發(fā)生，另一方面也能大大增強(qiáng)企業(yè)的生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品在市場(chǎng)上的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

1 虛擬機(jī)械制造技術(shù)的定義與特征

由于受到設(shè)備條件以及技術(shù)水平的制約，傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)大都是按照粗略地估算，采取假設(shè)的方式完成機(jī)械工程設(shè)計(jì)，這種方式由于估算缺乏依據(jù)，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有一個(gè)有效的參照標(biāo)準(zhǔn)，很多設(shè)計(jì)人員完全是按照自己已有的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品不管是在準(zhǔn)確性方面或是其他層面都沒(méi)有收到理想的效果。

隨著我國(guó)科技發(fā)展水平的不斷提高，新技術(shù)、新理念層出不窮，基于計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子學(xué)技術(shù)等也由此應(yīng)運(yùn)而生，設(shè)計(jì)技術(shù)也由傳統(tǒng)的、靜止的設(shè)計(jì)理念逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛谟?jì)算數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)化的現(xiàn)代設(shè)計(jì)。而要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代設(shè)計(jì)，除了一定的技術(shù)做支撐外，還需要設(shè)計(jì)人員充分收集、分析信息，通過(guò)一系列的運(yùn)算尋求最佳的方案設(shè)計(jì)。

虛擬制造技術(shù)則是將現(xiàn)實(shí)中機(jī)械制造的過(guò)程映射在計(jì)算機(jī)上，借助虛擬現(xiàn)實(shí)與計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，在高性能計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)的支持下，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與加工制造等過(guò)程，還原真實(shí)的生產(chǎn)階段，為相關(guān)決策者提供一定的借鑒。虛擬機(jī)械制造技術(shù)是在一種虛擬的環(huán)境背景下對(duì)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行模擬分析的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，它綜合運(yùn)用了多種類(lèi)型的機(jī)械制造環(huán)境比如仿真工具、控制工具等，實(shí)現(xiàn)從改善裝配產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)到動(dòng)態(tài)仿真，最終完成產(chǎn)品的回收利用[1]。

借助虛擬制造技術(shù)，技術(shù)人員可通過(guò)構(gòu)建零件模型，對(duì)模型進(jìn)行虛擬裝配，檢查各裝配之間的運(yùn)行狀況，能夠在第一時(shí)間找出問(wèn)題所在，如若發(fā)現(xiàn)零件規(guī)格或者質(zhì)量不合格，可直接在計(jì)算機(jī)中完成模型的修改，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成新的模型與裝配圖，為后期生產(chǎn)提供一定的借鑒，采取虛擬制造技術(shù)可大大節(jié)省材料，提高生產(chǎn)效率，為企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)收益。圖1為虛擬制造技術(shù)過(guò)程圖。

圖1 虛擬制造技術(shù)過(guò)程圖

2 虛擬制造的核心技術(shù)

2.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是綜合運(yùn)用了計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)、各種顯示與控制接口設(shè)備，借助計(jì)算機(jī)生成相交互的三維虛擬環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要包含三方面要素：操作人員、機(jī)械設(shè)備及人機(jī)接口。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用大大提高了操作者與計(jì)算機(jī)之間的協(xié)調(diào)工作，成為當(dāng)前仿真工具中最為有效的技術(shù)。借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)世界的動(dòng)態(tài)模擬，在交互應(yīng)用中，對(duì)存在的問(wèn)題可及時(shí)進(jìn)行修改，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成新的模型圖，從而為后續(xù)生產(chǎn)提供一定的參考[2]。

2.2 仿真技術(shù)

仿真技術(shù)主要指的是借助計(jì)算機(jī)對(duì)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化與抽象形成系統(tǒng)模型，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真，從而得出某一系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)性能。仿真的主要研究對(duì)象是系統(tǒng)模型，它不會(huì)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)造成影響，而且計(jì)算機(jī)的快速運(yùn)算，可在短時(shí)間內(nèi)完成實(shí)際生產(chǎn)的長(zhǎng)時(shí)間生產(chǎn)周期，降低了人力、物力的支出，提高了決策的時(shí)間。此外，計(jì)算機(jī)還可實(shí)現(xiàn)重復(fù)仿真，以便讓決策人員作出合理的判斷，提出最為優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。仿真技術(shù)的實(shí)施流程如下：

一，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行深入地研究；

二，收集相關(guān)數(shù)據(jù)信息；

三，根據(jù)所收集的信息構(gòu)建系統(tǒng)模型；

四，借助計(jì)算機(jī)對(duì)所構(gòu)建的系統(tǒng)模型進(jìn)行運(yùn)行；五，輸出結(jié)果并開(kāi)展有效的分析工作。產(chǎn)品制造過(guò)程仿真可將其歸為兩類(lèi)：

其一，制造系統(tǒng)仿真，虛擬制造系統(tǒng)中產(chǎn)品的研發(fā)包含多方面的內(nèi)容，這樣才能對(duì)最終所得到的結(jié)果進(jìn)行科學(xué)、準(zhǔn)確地評(píng)估，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程的早期反饋，最大限度地降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)中不良因素的干擾。

其二，加工過(guò)程仿真，加工過(guò)程的仿真主要包含切削過(guò)程仿真、鑄造仿真等內(nèi)容。

2.3 建模技術(shù)

虛擬制造系統(tǒng)英文縮寫(xiě)為VMS，其隸屬于現(xiàn)實(shí)制造系統(tǒng)RMS在虛擬環(huán)境下的映射。RMS的建模主要包含三個(gè)內(nèi)容：生產(chǎn)模型、產(chǎn)品模型、工藝模型。現(xiàn)對(duì)這三種模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)地描述。

（1）生產(chǎn)模型。生產(chǎn)模型主要從靜態(tài)與動(dòng)態(tài)描述兩個(gè)層面加以說(shuō)明。靜態(tài)描述指的是對(duì)生產(chǎn)特性以及系統(tǒng)生產(chǎn)能力的描述，而動(dòng)態(tài)描述主要指的是在已知系統(tǒng)狀態(tài)與需求特性的條件下預(yù)測(cè)產(chǎn)品生產(chǎn)的整個(gè)階段。

（2）產(chǎn)品模型。產(chǎn)品模型主要指的是對(duì)實(shí)體對(duì)象模型的集合。當(dāng)前，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)明細(xì)表以及產(chǎn)品形狀特征是產(chǎn)品描述的主要對(duì)象。對(duì)于虛擬制造系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)整個(gè)階段地集成，具備完善的產(chǎn)品模型是必要條件，因此基于虛擬背景下的產(chǎn)品模型也能通過(guò)映射等方式提取出活動(dòng)所需的各種模型。

（3）工藝模型。工藝模型主要是將產(chǎn)品設(shè)計(jì)屬性與工藝參數(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，從而直觀地反映出生產(chǎn)模型與產(chǎn)品模型之間的相關(guān)性。計(jì)算機(jī)工藝仿真、制造數(shù)據(jù)表、數(shù)學(xué)模型等是工藝模型所必備的功能，只有這樣才能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造各個(gè)階段地順利開(kāi)展，幫助工作人員有效監(jiān)控生產(chǎn)的各個(gè)階段，提高生產(chǎn)效率。圖2所示。

圖2 生產(chǎn)線虛擬仿真運(yùn)行框架

3 機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的機(jī)械虛擬樣機(jī)技術(shù)

機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的虛擬樣機(jī)技術(shù)也被稱(chēng)作機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)，在上個(gè)世紀(jì)八十年代隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的興起而逐漸發(fā)展起來(lái)的一種計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)。人們借助計(jì)算機(jī)，構(gòu)建相應(yīng)的樣機(jī)模型，通過(guò)動(dòng)態(tài)展示，對(duì)模型進(jìn)行系統(tǒng)、全面地分析，對(duì)存在的問(wèn)題可及時(shí)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行修改，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，采用數(shù)字化形式替代傳統(tǒng)的物理樣機(jī)，一方面可簡(jiǎn)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程，為企業(yè)節(jié)省一定的成本支出，另一方面通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得所生產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量能夠得到有效的保障。所以，自虛擬樣機(jī)技術(shù)一經(jīng)出現(xiàn)，便受到了很多發(fā)達(dá)國(guó)家以及大型企業(yè)地青睞，在產(chǎn)品研發(fā)中引入了虛擬樣機(jī)技術(shù)，收到了顯著的效果。在機(jī)械加工設(shè)計(jì)中，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用，不管是在零件的加工方法或是工藝流程都可進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得各部件之間的配合更加連貫與緊密，系統(tǒng)運(yùn)行也變得更加通暢，大大提高了生產(chǎn)效率。

4 虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

4.1 使機(jī)械系統(tǒng)建模更加方便

眾所周知，傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)建模必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，按照運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果進(jìn)一步進(jìn)行動(dòng)力分析，這個(gè)過(guò)程是極其復(fù)雜的，不僅需要大量的圖形作分析而且還需要公式進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算，其中任何一步計(jì)算失誤都會(huì)影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外，設(shè)計(jì)人員在工作中還應(yīng)保持高度的責(zé)任心，認(rèn)真進(jìn)行計(jì)算，以確保建模過(guò)程的準(zhǔn)確性，這必然要耗費(fèi)大量的時(shí)間。虛擬樣機(jī)技術(shù)的成功運(yùn)用，為設(shè)計(jì)人員提供了一定的便捷，人員無(wú)需進(jìn)行手動(dòng)計(jì)算，而只需借助計(jì)算機(jī)即可完成建模與計(jì)算工作，而且準(zhǔn)確率高。虛擬樣機(jī)技術(shù)軟件，提供了多種結(jié)果的可視化技術(shù)以及動(dòng)畫(huà)圖形功能，能夠使設(shè)計(jì)人員直觀地了解系統(tǒng)的性能以及運(yùn)行效果[4]。

4.2 具有強(qiáng)大的通用性和很強(qiáng)的復(fù)雜問(wèn)題處理能力

虛擬樣機(jī)技術(shù)，是在分析力學(xué)與多體動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)，這一技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的自動(dòng)建模，有效解決傳統(tǒng)建模中存在的不足之處。所以，大多數(shù)虛擬樣機(jī)技術(shù)軟件采取的是帶約束乘子的微分一代數(shù)混合方程。虛擬樣機(jī)技術(shù)是令每個(gè)構(gòu)件具有六個(gè)自由度，根據(jù)約束方程有效制約多余的自由度，以方便建模工作的順利開(kāi)展。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，虛擬制造技術(shù)的不斷發(fā)展，將徹底的顛覆傳統(tǒng)制造模式中的弊端，從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的各個(gè)流程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高效率的生產(chǎn)環(huán)境。產(chǎn)品在制作之前，通過(guò)虛擬制造環(huán)境，將其生成產(chǎn)品原型進(jìn)行試驗(yàn)，以便于設(shè)計(jì)人員對(duì)產(chǎn)品地性能進(jìn)行準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)并做出科學(xué)地評(píng)價(jià)，盡可能地縮短產(chǎn)品地制造周期，降低產(chǎn)品的研發(fā)成本，為企業(yè)創(chuàng)造巨大地經(jīng)濟(jì)價(jià)值。虛擬機(jī)械制造是將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，通過(guò)現(xiàn)代化技術(shù)在計(jì)算中以虛擬的形式呈現(xiàn)出來(lái)，使設(shè)計(jì)人們能夠直觀地了解產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中所面臨的相關(guān)問(wèn)題，提出有效的應(yīng)對(duì)策略，為后期真實(shí)生產(chǎn)環(huán)節(jié)地實(shí)施提供一定的技術(shù)支撐。

[1]田志剛.淺析我國(guó)機(jī)械制造技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展思路[J].好家長(zhǎng)，2016（33）：241-244.

[2]徐永祥，劉珍，包曉艷，等.基于虛擬技術(shù)的形狀誤差數(shù)據(jù)處理方法[J].裝備制造技術(shù)，2009（09）：85-87.

[3]段亞麗，梁洪波，高國(guó)天，等.淺析虛擬技術(shù)對(duì)液壓元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的展示應(yīng)用[J].職業(yè)技術(shù)，2013（01）：82-83.

[4]陶表達(dá)，姚桂玲.虛擬技術(shù)在現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)中的應(yīng)用[J].湖北第二師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（02）：105-017.

Application of Virtual Technology in Modern Mechanical Manufacturing Industry

LI Chang-ming
（Shandong Speed Elevator Co.，Ltd.，Laiwu Shandong 271100，China）

As early as the end of the last century，virtual manufacturing technology computer-based got a certain development，many machinery manufacturing enterprises have also seen the convenience it brings，has been widely used in the production practice.Virtual machine manufacturing technology is mainly refers to the use of computer to simulate the whole stage of mechanical manufacturing，in order to enhance the production efficiency of the product.This paper mainly from the computer simulation of the development of mechanical manufacturing technology to carry out in-depth analysis，and the application of the technology in the modern machinery manufacturing industry，to provide some reference for the relevant industry.

virtual technology；mechanical manufacturing industry；application

TP391.9

：B

：1672-545X（2017）01-0154-03

2016-10-06

李長(zhǎng)明（1973-），男，山東濟(jì)南人，碩士研究生，博士在讀，電氣工程師，主要從事機(jī)電一體化專(zhuān)業(yè)研究。