虚拟技术在现代机械制造业中的应用探究

张 滨

（山东省滨州职业学院 电气工程学院，滨州 256600）

虚拟技术在现代机械制造业中的应用探究

张 滨

（山东省滨州职业学院 电气工程学院，滨州 256600）

0 引言

随着知识经济的兴起和快速发展，竞争日益激烈的现代市场要求企业必须以最短的产品开发周期T(time)、最优品质Q(quality)、最低成本C(eost)和最佳服S(service)来满足不同顾客的需求。而传统设计，是根据产品的使用性能和设计要求，在图纸上进行设计，在设计过程中，需要预先考虑到设计中存在的装配干扰和设计不到位等问题，而这些问题往往只能在产品开发后期或最终产品试制和装配中才会暴露出来，如果这时发现零件有问题或不足，就要重新设计；如果是零件已经生产了，那问题就更严重了。这样的设计和制造不能保证产品生产的质量，而且产品的开发效率低、耗时多、费用高。面对持续发展、快速多变、不可预测的市场需求，企业的生产活动必须要有高度的柔性，能对市场需求的变化做出快速反应。而同时，信息技术取得了快速发展，为机械制造业的信息化进程提供了可行的基础。这样，信息化机械制造在现代机械制造领域的新产品开发中显得尤为重要。

1 虚拟机械制造技术的定义与特征

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。

而虚拟制造技术，是将实际机械制造过程在计算机上进行映射，即采用虚拟现实与计算机仿真技术，在高性能计算机和高速网络的支持下，在计算机上群组协同工作，实现产品设计、加工机械制造、性能分析、工艺规划、质量检验，以及企业各级过程的控制与管理等产品机械制造的本质过程，以增强机械制造过程各级的控制与决策能力。

虚拟机械制造技术是在虚拟环境下对计算机数据模型进行模拟分析的一项计算机辅助设计技术。它集成和综合了可运行机械制造的环境：包括各种仿真工具、分析工具、应用工具、信息模型、控制工具、设备和组织协同工作的方法等等，用以改善从装配产品的概念设计到动态仿真再到回收利用的各个阶段。利用虚拟制造技术，技术人员不必等待零件的全部制造出来，可以建立零件的模型，对这些模型进行虚拟装配，并检查零部件之间的装配间隙和干涉，检查装配状态，及时发现错误，若零件不符合要求，可以在计算机里方便地更改模型，并重新生成模型和自动更新相关的零部件图和装配图，从而实现设计、装配和制造检验的协调统一。

2 虚拟制造的核心技术

虚拟制造技术涉及面很广，诸如环境构成技术、过程特征抽取、元模型、集成基础结构的体系结构、制造特征数据集成、多学科交驻功能、决策支持工具、接口技术、虚拟现实技术、建模与仿真技术等，其中以下3项是虚拟制造的核心技术。

2.1 建模技术

虚拟制造系统VMS（Virtual Manufacturing System)是现实制造系统RMS（Real Manufacturing System)在虚拟环境下的映射，是RMS的模型化、形式化和计算机化的抽象描述和表示。VMS的建模应包括：生产模型、产品模型和工艺模型的信息体系结构。

1）生产模型

可归纳为静态描述和动态描述两个方面。静态描述是指系统生产能力和生产特性的描述。动态描述是指在已知系统状态和需求特性的基础上预测产品生产的全过程。

2）产品模型

是制造过程中，各类实体对象模型的集合。目前产品模型描述的信息有产品结构明细表、产品形状特征等静态信息。而对VMS来说，要使产品实施过程中的全部活动集成，就必须具有完备的产品模型，所以虚拟制造下的产品模型不再是单一的静态特征模型，它能通过映射、抽象等方法提取产品实施中各活动所需的模型。

3）工艺模型

将工艺参数与影响制造功能的产品设计属性联系起来。以反应生产模型与产品模型之间的交互作用。工艺模型必须具备以下功能：计算机工艺仿真、制造数据表、制造规划、统计模型以及物理和数学模型。

2.2 仿真技术

仿真就是应用计算机对复杂的现实系统经过抽象和简化形成系统模型，然后在分析的基础上运行此模型，从而得到系统一系列的统计性能。由于仿真是以系统模型为对象的研究方法，而不干扰实际生产系统，同时仿真可以利用计算机的快速运算能力，用很短时间模拟实际生产中需要很长时间的生产周期，因此可以缩短决策时间，避免资金、人力和时间的浪费。计算机还可以重复仿真，优化实施方案。

仿真的基本步骤为：研究系统→收集数据→建立系统模型→确定仿真算法→建立仿真模型→运行仿真模型→输出结果并分析。

产品制造过程仿真，可归纳为制造系统仿真和加工过程仿真。虚拟制造系统中的产品开发涉及到产品建模仿真、设计过程规划仿真、设计思维过程和设计交互行为仿真等，以便对设计结果进行评价，实现设计过程早期反馈，减少或避免产品设计错误。加工过程仿真，包括切削过程仿真、装配过程仿真，检验过程仿真以及焊接、压力加工、铸造仿真等。目前上述两类仿真过程是独立发展起来的，尚不能集成，而VM中应建立面向制造全过程的统一仿真。

2.3 虚拟现实技术VRT

虚拟现实技术是在为改善人与计算机的交互方式，提高计算机可操作性中产生的，它是综合利用计算机图形系统、各种显示和控制等接口设备，在计算机上生成可交互的三维环境（称为虚拟环境）中提供沉浸感觉的技术。

由图形系统及各种接口设备组成，用来产生虚拟环境并提供沉浸感觉，以及交互性操作的计算机系统称为虚拟现实系统VRS（Virtual Reality System)。虚拟现实系统包括操作者、机器和人机接口3个基本要素。它不仅提高了人与计算机之间的和谐程度，也成为一种有力的仿真工具。利用VRS可以对真实世界进行动态模拟，通过用户的交互输入，并及时按输出修改虚拟环境，使人产生身临其境的沉浸感觉。虚拟现实技术是VM的关键技术之一。

3 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80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入各自的产品开发中，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。

4 虚拟样机技术在机械工程设计中的优势

4.1 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。

4.2 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。

4.3 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。

5 结论

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。虚拟机械制造是虚拟现实技术和计算机仿真技术在机械制造领域的综合发展及应用。依靠现代化技术在计算机中以虚拟的形式实现，在不消耗实际的资源的前提下，更加实际的反映出新开发产品的相关情况，为机械制造业带来了全新的概念。

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The applied research of virtual technology in modern manufacturing industry

ZHANG Bin

虚拟机械制造技术（Virtual Manufacturing）指对机械制造过程进行模拟仿真，以提高产品生产效率，降低生产成本的机械制造技术。20世纪90年代以来，计算机虚拟机械制造技术得到快速发展，成为现代很多机械制造企业的重要核心技术。结合计算机虚拟机械制造等新的机械制造技术的最新发展状态，探讨了计算机虚拟机械制造技术在现代机械制造业中的应用实践。

虚拟；仿真；机械制造业；应用

张滨（1981－），男，山东滨州人，助教，本科，研究方向为 机械制造及自动化，学生管理。

TP393.08

B

1009-0134(2010)12(下)-0083-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.12(下).31

2010-10-07