虚拟样机技术在矿业机械中的分析

彭凯峰 范应光

(河南省航空物探遥感中心，河南 郑州 450002)

随着时代的发展，新的机械设备的出现与旧的机械设备的快速更新成为时代发展的必然趋势。过去通过设计制作样机进行实地检测，通过检测的结果进行改进，最后才是批量生产。这一过程中需要对样机进行反复实验，这样以来就造成了生产周期的延长、生产成本的提高等。为此实现生产技术的快速更新且又不对资源造成浪费，就不得不对传统的研发工艺进行改进，虚拟样机技术的出现有效地解决了这一问题，它通过计算机相应程序，将实际模型通过三维动画的仿真模拟，来检测机械的工作状态。

一 虚拟样机技术概述

首先我们需要对虚拟应用技术有一个初步的认识。虚拟样机技术的应用是从分析产品整体性能及其相关性能及存在的问题的角度为出发点。在机械设计过程之中设计师可以直接运用CAD软件系统进行相关的设计。像零件的设计，运动原理的设计，零部件的排列与组合，力学原理的应用以及数据分析等。这样就可以通过对机械工作环境的真实再现并对各种情况下的受力情况进行分析对整个系统进行不断改进直至一个整体性的方案的最终出现。

目前矿业机械软件应用市场中，最为广泛的是机械仿真软件ADAMS软件系统，这套软件系统是集合了建模、求解与技术化分析。其工作原理是根据力学、运动学与动力学的相关原理并以此作为虚拟样机的工作程序，在空间视觉效果上可能不如现实中的样机那样具有三维立体效果，但是计算机的响应模建软件对于三维模具的构建具有强大的支撑作用，这些软件通常使用许许多多的电子显示原点组成的，这些原点的排列组合是根据实际模具的造型特征进行安排的，在模具的关键位置上进行布点或做出标记。然后再根据点线面的原理进行连接，通过点成线，线成面，面成体的关系构成了三维立体效果图。

一件机器的好坏需要在实践中进行检验，并在实践中不断的改进。对于样机中存在的各种误差通过虚拟样机技术进行误差分析，可以减少机械在实际运作中出现的误差。在虚拟样机技术应用于制造误差分析时，虚拟样机技术应用主要软件是ADAMS软件的参数化分析技术，对于参数化技术分析而言，参数化分析技术本身就是一种改进后的设计方法，相对于原有的各种设计方案都更加具有便捷性。

二 虚拟样机技术的特点

只有准确的掌握虚拟样机技术的特点，才能根据特点不断改进矿业机械。首先我们应当了解虚拟样机技术的功能组合，虚拟样机技术的实现必须由三大组成部分构成，即CAD技术、计算机仿真技术以及体现虚拟现实环境下机器工作为最终目的的人机交换技术这三大领域。所谓的CAD就是指的是虚拟电子机械的设计软件，这种三维几何造型软件能快速准确的制作出三维立体形象，其中还包含了物件的外观特征像是机械的颜色，以及机械表面的花纹以及材质机理特征等。概括起来讲就是它的仿真性。虚拟样机之所以能够取代显示机械，就在于它包含了用以组成众多组成整体的子系统的模型也就是所谓的DMU，并且在这一整体性的系统之中还提供了所有相关领域的多方面特征项产品的外观、性能等信息，所以通过计算机的虚拟样机技术可以对机械设计有一个整体性的认识，这样就不同于传统设计那样只是专注于产品单一性能而忽视其他方面的关联性的弊端，也就不能对产品进行综合性的分析评价。

另外，在虚拟样机技术中还应当考虑到在实际操作中还存在着许多误差现象，主要有原理误差、制造误差以及运动误差等。原理误差主要是指因原理方面考虑不周全而导致的机械在实际工作中造成的故障。制造误差是指制造过程中存在的误差。运动误差则是指机械由于在长期的工作状态下因为磨损或者是受力发生变形而导致了机械零部件之间的振动或摩擦力减小，在实际的工作状态中不能产生像是在理论状态下或者是在计算机上的虚拟样机技术模拟过程中所设想的那样。在使用虚拟样机技术的过程中应当充分考虑到各个因素的发生。

三 虚拟样机技术在矿业机械领域的应用

以往我国机械设备的研发一般要经过几个阶段:产品的设计，根据设计制作模型，在实践中进行试验，根据试验的结果对设备进行改进、完善之后进行批量生产。这些程序是研制新产品必经的步骤，每一个步骤都不能忽略。矿业的生产环境一般工况恶劣、地质情况复杂。矿业设备的造价昂贵，根据常规的产品设计步骤制造样机并进行试验，是不合理的。采用虚拟样机技术是一种很好的选择，设计人员不必按照传统的几个设计程序，人员的设计思想完全可以通过虚拟样机在计算机动态地显示出来，借助友好的交互式界面观察设备的外型和结构，还可以虚拟实际工况进行仿真测试，对整机的运动学特性和动力学特性进行虚拟试验研究，实现产品系统的优化设计。而且，人员在观看设备的配合程度和运动受力情况时，能够在观看的过程中随时按照用户的需求和相关人员的建议修改相关参数，而得到优化的虚拟样机。

虚拟样机技术打破了传统的设计程序，提高了设备设计的质量，降低了前期投入的费用，缩短了从设计到产品之间的时间，可以较快的进入市场，当前，在矿业机械领域中没有广泛运用是虚拟样机技术的原因，主要是建立一个企业级的虚拟样机应用系统需购买大量针对系统设计的工程设计、分析软件和高档图形工程站，需要专业的设计人员，对于一些技术性较高的专用软件还需企业与软件开发商合作编写，这个过程需要投入大量的物力、人力和财力，对于一个没有强大的经济实力和人才资源的企业，建立一个整机水平的虚拟样机应用系统还有很大的困难。但随着企业的不断发展和技术的进步，可以预见虚拟样机技术在矿业机械中的应用也会越来越广泛。

四 结语

虚拟样机技术作为对矿业机械制作过程的改进，不仅可以精简机械工作系统减少不必要的程序，并且可以大大缩短工作周期，提高产品质量，在改进后的机械中加工出来的产品的质量也更高，有效的节约了成本，提高了矿业企业的经济效益。相信在我国现代化建设的过程中，大型机械设备的应用越加频繁，规模化的生产更加突出，这样一来虚拟样机技术的地位就变得更加突出鲜明，在新技术的推动下，我国矿业的发展也将进入一个新的时代。