常娜娜

摘要：近年來，隨著科技水平的不斷提高，仿真技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造過程中得到廣泛應(yīng)用，營造出高度真實(shí)的仿真環(huán)境，研制人員可以真切了解機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量與存在的問題，有效解決了傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)制造模式中面臨的各項(xiàng)難題，對(duì)我國工業(yè)領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。因此，本文對(duì)仿真技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述，提出計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)策略，提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：仿真技術(shù);機(jī)械設(shè)計(jì)制造;技術(shù)應(yīng)用;實(shí)現(xiàn)策略

1? 仿真技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的具體應(yīng)用

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)件

近年來，各類機(jī)械產(chǎn)品普遍呈現(xiàn)出小型化、集成化發(fā)展趨勢(shì)，雖然產(chǎn)品性能質(zhì)量得到有效強(qiáng)化，但是，機(jī)械結(jié)構(gòu)件的復(fù)雜程度與設(shè)計(jì)難度也有所提升。在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，要求設(shè)計(jì)人員基于產(chǎn)品使用需求，依次對(duì)各機(jī)械部位開展設(shè)計(jì)工作。同時(shí)，還需確保機(jī)械結(jié)構(gòu)與定動(dòng)機(jī)之間保持高度匹配狀態(tài)、不產(chǎn)生組合矛盾。這一問題的存在，導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)效率持續(xù)降低，且各類設(shè)計(jì)問題層出不窮。與此同時(shí)，隨著仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，設(shè)計(jì)人員可使用特定的三維機(jī)械軟件產(chǎn)品，運(yùn)用軟件機(jī)械運(yùn)動(dòng)仿真的使用功能，從而營造出高度真實(shí)的仿真環(huán)境，基于現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案，展示機(jī)械結(jié)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)過程。同時(shí)，在修改產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案時(shí)，軟件也將實(shí)時(shí)展示機(jī)械結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)效果、修改前后差異情況。在這一設(shè)計(jì)模式下，可以有效避免各類設(shè)計(jì)問題的出現(xiàn)，便于明確設(shè)計(jì)思路、協(xié)調(diào)機(jī)械部位與定動(dòng)機(jī)關(guān)系。

1.2 復(fù)雜數(shù)值計(jì)算

在機(jī)械產(chǎn)品更新?lián)Q代頻率加快、性能質(zhì)量不斷提升的同時(shí)，設(shè)計(jì)難度也有所提高，在設(shè)計(jì)過程中需完成大量數(shù)值計(jì)算工作，還面臨著諸多復(fù)雜計(jì)算問題。如若仍舊實(shí)施傳統(tǒng)的人工設(shè)計(jì)模式，企業(yè)需配置大量工作人員完成數(shù)值計(jì)算工作，產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本較為高昂，同時(shí)，還將時(shí)常出現(xiàn)數(shù)值計(jì)算錯(cuò)誤等問題。仿真技術(shù)則是在信息處理技術(shù)基礎(chǔ)之上發(fā)展而來，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算分析能力，既可以通過模擬計(jì)算機(jī)開展連續(xù)系統(tǒng)仿真工作，同時(shí)，也可借助仿真技術(shù)，輔助與替代人工完成復(fù)雜數(shù)值計(jì)算工作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜數(shù)值計(jì)算過程的簡(jiǎn)化，將計(jì)算錯(cuò)誤等問題的出現(xiàn)率控制在較低程度。在仿真技術(shù)早期發(fā)展階段中，受到計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備的限制，實(shí)際運(yùn)算速度相對(duì)較低，技術(shù)推廣普及受到限制。近年來，隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)等仿真工具的更新?lián)Q代，仿真系統(tǒng)運(yùn)算速度持續(xù)提升，可以切實(shí)滿足絕大多數(shù)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作的復(fù)雜數(shù)值計(jì)算需求。

1.3 齒輪設(shè)計(jì)

齒輪是各類機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中的主要構(gòu)成部分，也是機(jī)械設(shè)計(jì)制造工作的關(guān)鍵所在。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)制造模式中，面臨著齒輪設(shè)計(jì)效果不理想、參數(shù)設(shè)定不合理等問題。而在應(yīng)用仿真技術(shù)時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以選擇適當(dāng)?shù)臄嗝纨X形，并在其基礎(chǔ)上構(gòu)建仿真模型，對(duì)各系數(shù)調(diào)整值加以改變，即可對(duì)仿真模型進(jìn)行修改、持續(xù)輸出仿真結(jié)果、開展傳動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)，直觀化呈現(xiàn)齒輪設(shè)計(jì)過程與效果。同時(shí)，也可運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)對(duì)各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算分析、明確最優(yōu)值。例如，在圓弧針齒行星設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)，可以有效分析正交面齒輪傳動(dòng)接觸點(diǎn)的模數(shù)、齒輪比等參數(shù)。

1.4 復(fù)雜機(jī)械加工

在機(jī)械加工制作環(huán)節(jié)，對(duì)仿真技術(shù)的應(yīng)用，將在一定程度上簡(jiǎn)化產(chǎn)品制作流程以及生產(chǎn)工藝，有效挖掘深層機(jī)理，并推動(dòng)機(jī)械加工的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。為直觀闡述仿真技術(shù)在機(jī)械加工層面上的應(yīng)用現(xiàn)狀，以電火花切割、數(shù)控加工、銑削加工與磨削加工為例，具體如下。

1.4.1 電火花切割

以機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案為主要參照，工作人員在仿真軟件中構(gòu)建配套模型，繪制三維多軸聯(lián)動(dòng)加工曲面，連續(xù)輸出仿真結(jié)果，并將仿真結(jié)果與電火花切割工作成果進(jìn)行對(duì)比分析。如此，可以提前發(fā)現(xiàn)工藝問題、評(píng)估切割加工質(zhì)量。而在仿真結(jié)果與切割成果產(chǎn)生出入時(shí)，則對(duì)問題成因進(jìn)行分析、改進(jìn)制作工藝。

1.4.2 數(shù)控加工

工作人員根據(jù)產(chǎn)品工件的加工工藝，針對(duì)性編制數(shù)控加工控制程序。在后續(xù)加工過程中，系統(tǒng)將基于運(yùn)行準(zhǔn)則，操控CNC機(jī)床完成各項(xiàng)工件的加工作業(yè)。同時(shí)，工作人員向軟件下達(dá)特定操作指令、轉(zhuǎn)換圖形或是調(diào)整參數(shù)，可以對(duì)加工工藝進(jìn)行改進(jìn)，確保工件加工過程、成果質(zhì)量與仿真結(jié)果一致。

1.4.3 銑削加工

使用仿真技術(shù)，在機(jī)械產(chǎn)品銑削工藝過程基礎(chǔ)之上，構(gòu)建配套的動(dòng)力學(xué)模型，為后續(xù)切削振動(dòng)加工的開展提供基礎(chǔ)條件。

1.4.4 磨削加工

工作人員向所構(gòu)建模型中持續(xù)導(dǎo)入時(shí)間數(shù)據(jù)與工件磨削加工數(shù)據(jù)。同時(shí)，調(diào)整相關(guān)系數(shù)，即可持續(xù)輸出仿真結(jié)果，獲取各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)的最優(yōu)值，并對(duì)磨削加工方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。簡(jiǎn)單來講，對(duì)仿真技術(shù)的應(yīng)用，可以在仿真過程中發(fā)現(xiàn)原有工藝的不足、提供最優(yōu)化條件。

2? 仿真技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域中的應(yīng)用價(jià)值

2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)制造方案

在傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)模式中，由于采取人工模式，設(shè)計(jì)效率較為低下，多數(shù)企業(yè)為控制設(shè)計(jì)成本與周期，普遍選擇制定少量的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)空間較為狹窄。同時(shí)，也面臨著機(jī)械產(chǎn)品細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)不到位、方案三維立體效果差等問題，部分設(shè)計(jì)問題沒有及時(shí)被發(fā)現(xiàn)、解決。仿真技術(shù)的應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員既可以借助仿真系統(tǒng)完成大量基礎(chǔ)性設(shè)計(jì)工作，明確產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路、導(dǎo)入相關(guān)數(shù)據(jù)內(nèi)容，可在短時(shí)間內(nèi)編制機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，并做到對(duì)各項(xiàng)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的有效處理。同時(shí)，產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)效果較為理想，可以在仿真過程中真實(shí)反應(yīng)產(chǎn)品的性能質(zhì)量與缺陷問題。因此，設(shè)計(jì)人員可以在限定時(shí)間范圍內(nèi)同時(shí)制定多套產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，并將各套方案進(jìn)行對(duì)比分析，優(yōu)中選優(yōu)、拓寬設(shè)計(jì)思路。

2.2 提高數(shù)據(jù)分析效率及精度

仿真技術(shù)是在信息處理技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而成，可以輔助人工完成數(shù)據(jù)采集與運(yùn)算分析等工作，在短時(shí)間內(nèi)有效處理龐大數(shù)據(jù)量，從而提高機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率、準(zhǔn)確預(yù)估產(chǎn)品特性、降低人為主觀因素對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)質(zhì)量造成的影響系數(shù)。同時(shí)，也將切實(shí)滿足機(jī)械產(chǎn)品的個(gè)性化設(shè)計(jì)制造需求。此外，在機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度越高、數(shù)據(jù)處理量越大時(shí)，則仿真技術(shù)在復(fù)雜數(shù)值計(jì)算方面的應(yīng)用價(jià)值越發(fā)顯著。

2.3 控制設(shè)計(jì)成本

在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式下，由于機(jī)械產(chǎn)品呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、精密化與小型化發(fā)展趨勢(shì)，雖然產(chǎn)品制造成本有所降低，但卻對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量提出了更高的要求，企業(yè)需配置較為龐大的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，人工成本與機(jī)械設(shè)計(jì)成本較為高昂。以非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備為例，由于這類機(jī)械設(shè)備缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，需要設(shè)計(jì)人員重復(fù)開展各項(xiàng)基礎(chǔ)性設(shè)計(jì)工作，如復(fù)雜數(shù)值計(jì)算、設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)定等等，使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期有所延長，在客觀層面上進(jìn)一步提高了設(shè)計(jì)成本。對(duì)仿真技術(shù)的應(yīng)用，可以輔助設(shè)計(jì)人員在短時(shí)間內(nèi)完成大量基礎(chǔ)工作，如信息采集、數(shù)值計(jì)算、標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整等等。同時(shí)，在技術(shù)應(yīng)用過程中，可以根據(jù)工作需求而構(gòu)建二維或是三維模型，由仿真模型替代實(shí)體模型。不但物料成本有所降低，且設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以得到精簡(jiǎn)，將人工成本與機(jī)械設(shè)計(jì)總成本控制在較低程度。此外，近年來仿真技術(shù)逐漸呈現(xiàn)出智能化發(fā)展趨勢(shì)，與人工智能技術(shù)加以有效結(jié)合，可以替代設(shè)計(jì)人員，模擬人類的思維模式，完成部分較為簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)工作。因此，隨著仿真技術(shù)體系的不斷完善，將持續(xù)降低設(shè)計(jì)成本、縮減工作量。

3? 計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)策略

計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)的開發(fā)與運(yùn)行步驟為：技術(shù)人員結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)制造工作的實(shí)際情況，將相關(guān)設(shè)計(jì)內(nèi)容與數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入至仿真工具當(dāng)中，構(gòu)建仿真模型，分層客觀體現(xiàn)所存在的主要問題。工作人員對(duì)運(yùn)算放大器的連接形式進(jìn)行切換、調(diào)整相關(guān)系數(shù)，從而修改仿真模型，營造高度真實(shí)的虛擬環(huán)境，動(dòng)態(tài)化呈現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造過程、運(yùn)動(dòng)軌跡與某些特質(zhì)。同時(shí)，建模精度越高，則虛擬環(huán)境真實(shí)度越高、仿真結(jié)果越準(zhǔn)確。而計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)步驟及策略如下：

3.1 構(gòu)建模型

技術(shù)人員結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)制造要求、產(chǎn)品基本特征，構(gòu)建起相對(duì)較為抽象的系統(tǒng)，為后續(xù)仿真功能的開發(fā)與使用提供基礎(chǔ)條件。同時(shí)，向系統(tǒng)中導(dǎo)入特定的邊界條件以及約束條件。隨后，在相關(guān)條件與數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上構(gòu)建仿真模型，使用特定數(shù)學(xué)公式描述仿真核心。隨后，選擇將時(shí)間變化情況或是狀態(tài)描述結(jié)果為主要建模依據(jù)，構(gòu)建若干種仿真模型，常見模型種類包括混合型、連續(xù)性以及離散型。以某項(xiàng)機(jī)械設(shè)計(jì)制造項(xiàng)目為例，設(shè)計(jì)人員最終選擇基于狀態(tài)描述結(jié)果，構(gòu)建離散事件以及連續(xù)系統(tǒng)模型。

3.2 模型變換

仿真模型變換的目的在于，將原有較為抽象的表達(dá)方式加以轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可識(shí)別的表達(dá)或是處理形式。隨后，技術(shù)人員使用特定的編程語言以及算法，將仿真系統(tǒng)核心內(nèi)容加以闡述，這一部分內(nèi)容則是所構(gòu)建的仿真模型。此外，在機(jī)械設(shè)計(jì)制造過程中，工作人員也可根據(jù)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造需求，對(duì)現(xiàn)有仿真模型進(jìn)行變換處理，在短時(shí)間內(nèi)針對(duì)性研制處全新的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，從而簡(jiǎn)化機(jī)械設(shè)計(jì)制造流程。

3.3 模型實(shí)驗(yàn)

工作人員在計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)中導(dǎo)入仿真模型，并下達(dá)特定的操作指令，對(duì)仿真模型進(jìn)行調(diào)整，即可持續(xù)輸出仿真結(jié)果，完成仿真實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，在配置模擬計(jì)算機(jī)等仿真工具時(shí)，可選擇組織開展實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)，或是對(duì)時(shí)間比例尺加以適當(dāng)調(diào)整而開展超實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)，直觀化呈現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)過程，展示所存在的設(shè)計(jì)與制作工藝問題。從仿真模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性評(píng)估角度來看，企業(yè)應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，采取適當(dāng)?shù)暮饬糠绞健Ｄ壳皝砜?，仿真模型?shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的常用衡量方式為反向驗(yàn)證法以及置信通道法，不同方式的適用條件存在一定差異。

4? 結(jié)語

綜上所述，在當(dāng)前我國工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展過程中，仿真技術(shù)與機(jī)械設(shè)計(jì)制造之間形成了緊密的內(nèi)在聯(lián)系，技術(shù)應(yīng)用情況直接影響到機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平與制造質(zhì)量。因此，企業(yè)與技術(shù)人員應(yīng)致力于推動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)制造與仿真技術(shù)的融合進(jìn)程，深入了解技術(shù)應(yīng)用價(jià)值，充分發(fā)揮技術(shù)應(yīng)用效能，將完善仿真技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域中的應(yīng)用模式作為主要研究課題。

參考文獻(xiàn)：

[1]樊磊.簡(jiǎn)析仿真技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用[J].南方農(nóng)機(jī)，2020，51（11）.

[2]馬岳.仿真技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造過程中的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2020（09）.

[3]張世文，黃永鶴.仿真技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用探討[J].黑龍江科學(xué)，2019，10（22）.

[4]曾廣會(huì)，張軍.仿真技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用[J].中國設(shè)備工程，2019（05）.

[5]王華欣，王松.新型產(chǎn)業(yè)化裝配式構(gòu)件的機(jī)械化作業(yè)在裝飾施工中的應(yīng)用[J].黑龍江科學(xué)，2020，11（12）：118-119.

[6]宣軍.WK-12C與WK-10B礦用機(jī)械挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)對(duì)比分析[J].機(jī)械管理開發(fā)，2019，34（12）：49-50，142.