虚拟技术在当代机械制造业领域中的应用

李长明

（山东奔速电梯股份有限公司，山东莱芜271100）

虚拟技术在当代机械制造业领域中的应用

李长明

（山东奔速电梯股份有限公司，山东莱芜271100）

早在上个世纪末期，以计算机为主的虚拟机械制造技术就得到了一定地发展，很多机械制造企业也看到了其所带来的便捷之处，在生产实践中得到了广泛地应用。虚拟机械制造技术主要指的是借助计算机对机械制造的整个阶段进行模拟仿真，以增强产品的生产效率。主要从计算机模拟机械制造技术的发展动态展开深入的分析，并就该技术在现代机械制造业中的应用进行阐述，为相关行业提供一定的借鉴。

虚拟技术；机械制造业；应用

虚拟制造技术也被称作“拟实制造”技术，其工作原理是借助一些高科技技术的结合（比如信息技术、仿真技术等）对现实活动中的信息以及相关人物进行模拟，对机械制造的整个阶段进行仿真，采取多种方式对制造过程中存在的问题进行暴露，进而采取行之有效的方式加以预防，提高产品的生产效率。在机械制造生产过程中，通过虚拟制造技术的有效应用，一方面可降低产品的生产成本，减少返工现象的发生，另一方面也能大大增强企业的生产效率，提高产品在市场上的核心竞争力。

1 虚拟机械制造技术的定义与特征

由于受到设备条件以及技术水平的制约，传统的机械设计技术大都是按照粗略地估算，采取假设的方式完成机械工程设计，这种方式由于估算缺乏依据，在实际设计时没有一个有效的参照标准，很多设计人员完全是按照自己已有的经验进行设计，设计出的产品不管是在准确性方面或是其他层面都没有收到理想的效果。

随着我国科技发展水平的不断提高，新技术、新理念层出不穷，基于计算机技术、电子学技术等也由此应运而生，设计技术也由传统的、静止的设计理念逐渐转变为基于计算数据、动态化的现代设计。而要实现现代设计，除了一定的技术做支撑外，还需要设计人员充分收集、分析信息，通过一系列的运算寻求最佳的方案设计。

虚拟制造技术则是将现实中机械制造的过程映射在计算机上，借助虚拟现实与计算机仿真技术的有机结合，在高性能计算机与网络的支持下，实现产品设计与加工制造等过程，还原真实的生产阶段，为相关决策者提供一定的借鉴。虚拟机械制造技术是在一种虚拟的环境背景下对计算机数据模型进行模拟分析的计算机辅助设计技术，它综合运用了多种类型的机械制造环境比如仿真工具、控制工具等，实现从改善装配产品的概念设计到动态仿真，最终完成产品的回收利用[1]。

借助虚拟制造技术，技术人员可通过构建零件模型，对模型进行虚拟装配，检查各装配之间的运行状况，能够在第一时间找出问题所在，如若发现零件规格或者质量不合格，可直接在计算机中完成模型的修改，系统会自动生成新的模型与装配图，为后期生产提供一定的借鉴，采取虚拟制造技术可大大节省材料，提高生产效率，为企业带来巨大的经济收益。图1为虚拟制造技术过程图。

图1 虚拟制造技术过程图

2 虚拟制造的核心技术

2.1 虚拟现实技术

虚拟现实技术是综合运用了计算机图形系统、各种显示与控制接口设备，借助计算机生成相交互的三维虚拟环境。虚拟现实系统主要包含三方面要素：操作人员、机械设备及人机接口。虚拟现实技术的应用大大提高了操作者与计算机之间的协调工作，成为当前仿真工具中最为有效的技术。借助虚拟现实技术可实现对真实世界的动态模拟，在交互应用中，对存在的问题可及时进行修改，系统会自动生成新的模型图，从而为后续生产提供一定的参考[2]。

2.2 仿真技术

仿真技术主要指的是借助计算机对现实系统经过简化与抽象形成系统模型，在计算机上进行仿真，从而得出某一系统的统计性能。仿真的主要研究对象是系统模型，它不会对实际生产系统造成影响，而且计算机的快速运算，可在短时间内完成实际生产的长时间生产周期，降低了人力、物力的支出，提高了决策的时间。此外，计算机还可实现重复仿真，以便让决策人员作出合理的判断，提出最为优化的设计方案。仿真技术的实施流程如下：

一，对系统进行深入地研究；

二，收集相关数据信息；

三，根据所收集的信息构建系统模型；

四，借助计算机对所构建的系统模型进行运行；五，输出结果并开展有效的分析工作。产品制造过程仿真可将其归为两类：

其一，制造系统仿真，虚拟制造系统中产品的研发包含多方面的内容，这样才能对最终所得到的结果进行科学、准确地评估，实现设计过程的早期反馈，最大限度地降低产品设计中不良因素的干扰。

其二，加工过程仿真，加工过程的仿真主要包含切削过程仿真、铸造仿真等内容。

2.3 建模技术

虚拟制造系统英文缩写为VMS，其隶属于现实制造系统RMS在虚拟环境下的映射。RMS的建模主要包含三个内容：生产模型、产品模型、工艺模型。现对这三种模型结构进行详细地描述。

（1）生产模型。生产模型主要从静态与动态描述两个层面加以说明。静态描述指的是对生产特性以及系统生产能力的描述，而动态描述主要指的是在已知系统状态与需求特性的条件下预测产品生产的整个阶段。

（2）产品模型。产品模型主要指的是对实体对象模型的集合。当前，产品结构明细表以及产品形状特征是产品描述的主要对象。对于虚拟制造系统来说，要实现产品生产整个阶段地集成，具备完善的产品模型是必要条件，因此基于虚拟背景下的产品模型也能通过映射等方式提取出活动所需的各种模型。

（3）工艺模型。工艺模型主要是将产品设计属性与工艺参数进行有机结合，从而直观地反映出生产模型与产品模型之间的相关性。计算机工艺仿真、制造数据表、数学模型等是工艺模型所必备的功能，只有这样才能实现产品制造各个阶段地顺利开展，帮助工作人员有效监控生产的各个阶段，提高生产效率。图2所示。

图2 生产线虚拟仿真运行框架

3 机械工程设计中的机械虚拟样机技术

机械工程设计中的虚拟样机技术也被称作机械系统动态仿真技术，在上个世纪八十年代随着计算机技术的兴起而逐渐发展起来的一种计算机辅助工程技术。人们借助计算机，构建相应的样机模型，通过动态展示，对模型进行系统、全面地分析，对存在的问题可及时在计算机上进行修改，优化设计方案，采用数字化形式替代传统的物理样机，一方面可简化产品的设计研发过程，为企业节省一定的成本支出，另一方面通过优化设计，使得所生产出的产品质量能够得到有效的保障。所以，自虚拟样机技术一经出现，便受到了很多发达国家以及大型企业地青睐，在产品研发中引入了虚拟样机技术，收到了显著的效果。在机械加工设计中，通过计算机仿真技术的应用，不管是在零件的加工方法或是工艺流程都可进行优化设计，使得各部件之间的配合更加连贯与紧密，系统运行也变得更加通畅，大大提高了生产效率。

4 虚拟样机技术在机械工程设计中应用优势

4.1 使机械系统建模更加方便

众所周知，传统的机械系统建模必须对系统进行运动分析，按照运动分析结果进一步进行动力分析，这个过程是极其复杂的，不仅需要大量的图形作分析而且还需要公式进行推导计算，其中任何一步计算失误都会影响结果的准确性。此外，设计人员在工作中还应保持高度的责任心，认真进行计算，以确保建模过程的准确性，这必然要耗费大量的时间。虚拟样机技术的成功运用，为设计人员提供了一定的便捷，人员无需进行手动计算，而只需借助计算机即可完成建模与计算工作，而且准确率高。虚拟样机技术软件，提供了多种结果的可视化技术以及动画图形功能，能够使设计人员直观地了解系统的性能以及运行效果[4]。

4.2 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，是在分析力学与多体动力学的基础上逐渐发展起来的新兴技术，这一技术可实现对复杂机械系统的自动建模，有效解决传统建模中存在的不足之处。所以，大多数虚拟样机技术软件采取的是带约束乘子的微分一代数混合方程。虚拟样机技术是令每个构件具有六个自由度，根据约束方程有效制约多余的自由度，以方便建模工作的顺利开展。

5 结束语

综上所述，虚拟制造技术的不断发展，将彻底的颠覆传统制造模式中的弊端，从设计到生产的各个流程进行优化设计，实现高效率的生产环境。产品在制作之前，通过虚拟制造环境，将其生成产品原型进行试验，以便于设计人员对产品地性能进行准确地预测并做出科学地评价，尽可能地缩短产品地制造周期，降低产品的研发成本，为企业创造巨大地经济价值。虚拟机械制造是将虚拟现实技术与计算机仿真技术进行有机结合，通过现代化技术在计算中以虚拟的形式呈现出来，使设计人们能够直观地了解产品开发中所面临的相关问题，提出有效的应对策略，为后期真实生产环节地实施提供一定的技术支撑。

[1]田志刚.浅析我国机械制造技术的现状及发展思路[J].好家长，2016（33）：241-244.

[2]徐永祥，刘珍，包晓艳，等.基于虚拟技术的形状误差数据处理方法[J].装备制造技术，2009（09）：85-87.

[3]段亚丽，梁洪波，高国天，等.浅析虚拟技术对液压元件内部结构的展示应用[J].职业技术，2013（01）：82-83.

[4]陶表达，姚桂玲.虚拟技术在现代机械产品研发中的应用[J].湖北第二师范学院学报，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

李长明（1973-），男，山东济南人，硕士研究生，博士在读，电气工程师，主要从事机电一体化专业研究。