虚拟制造技术中建模技术与方法研究

2021-01-26河南科技职业大学河南周口市466000叶艳秋

石河子科技 2021年6期

（河南科技职业大学，河南周口市，466000）叶艳秋

1 虚拟制造技术

虚拟制造技术是近些年由美国首先提出的一种全新的概念。一些学者认为虚拟制造技术和实际的生产制造一样，有着完整的制造过程。但是虚拟制造技术的制造过程是在计算机内进行的，而且虚拟制造技术中的建模可以对实际制造有着预测功能，在实际制造之前预测生产过程中存在的部分问题。而有的学者认为虚拟制造是一个综合的制造环境，它可以将每一级的决策与控制进行一体化的综合。而美国空军实验室认为虚拟制造技术是一种综合应用，它将建模和分析急速进行了高度还原，增强各个环节生产制造的精准和控制。

1.1 虚拟制造技术的优点

虚拟制造可以提供一个云办公的环境。不同专业、不同领域甚至不同地域的工作人员在同一个模型中共同工作，极大的提高了工作的效率，通过计算机，很多想法和成果得到了共享，带来了线下交流不能拥有的便捷，有更好的精力和时间进行生产工作，整个产品开发到生产的速度和质量得以提升。

虚拟制造技术可以降低产品的成本，产品的研发和制造都需要付出很大的心血，而利用虚拟制造技术可以在计算机内进行产品的研发制造，没有实际的消耗和浪费。首先，虚拟制造技术是通过计算机的运行，建立正确的模型，在虚拟环境下对产品进行设计制造、加工操作，若是出现问题，只需要通过简单的编码修改就可解决，不像传统的生产线，出现问题还要反复修理调试。其次，已开发的产品模型可以存放在计算机里，即节省了大量的仓库储存费用，也方便客户或市场产生变化时产品更容易更改，并快速投入实际的生产。

1.2 虚拟制造技术的缺点

虚拟制造技术从本质上讲就是使用计算机制造生产出看得见摸不着的“虚拟产品”。通过了解可以发现，虚拟制造技术是一个综合性高，学术理论跨度大的全能技术，它包含的领域包括仿真、数据信息、制造加工等。虚拟制造技术还缺乏一个完整统一的框架和体系。

虚拟制造技术的基础是产品与生产工艺和系统的模型。虽然相关的技术组织消耗了很大的精力去研究开发，但是太过前沿的理念并不被很多人所看好，工艺规划的模型进展较小，不能综合的应用在虚拟制造平台，生产系统的动态模型的研究和开发相对较弱，利用率低下。

虚拟制造技术主要针对零部件制造，而针对生产过程中的工艺步骤处理的时间、生产的成本和质量等方面仍需研究开发。虚拟制造的系统是一个复杂且庞杂的工作，需要非常丰富的经验积累和知识储备，所以在虚拟制造技术中生产计划和调度规划的研究开发需要加强。

虚拟制造技术的工作环境太过分散。有些产品制造需要很多家企业联合制作，利用共享的信息和技术进行进行研发，但是受不同公司的企业文化以及经营理念不同的影响，工作研发人员的配合和协作效果会受到不同程度的影响，进而拖慢整个产品制造的进度。

2 几何建模

几何建模建立的基础是几何信息和拓扑，作用是描绘或表达形体。几何建模的信息基本上是在三维空间内的展示，模型的性状、大小和位置。拓扑信息则是模型的数量和位置关系。根据不同的因素可以将几何建模分为以下三种类型。

2.1 线框建模

线框建模是用来描绘形体最基本的建模方法，主要使用各种线条如直线、圆弧、各种曲线等构造成立体线框图来描绘形体。线框建模是最基本、最简单的结构，线框建模是计算机中处理速度最快的，它立体的视图可以通过投影技术得到实现。但是线框模型所描述的立体在计算机中只能体现出与线有关的信息，对形状、特征以及规格等无法做出充分的表达，无法实现线框建模求体积、重量、质量等参数。

2.2 表面建模

表面建模的建立依据是以线框模型的结构为基础的，有些类似于点线面的机构，构造出各种面相关的数据，形成表面建模。在对模型的面进行定义的时候，只要提供该面由哪些线框按照什么顺序连接而构成的基本信息和形状信息。表面建模与线框建模相比只是增加了面的定义中的部分数据量，通过对表面建模数据中蕴含的信息资源进行处理，可以绘制出相应的剖面图、计算不同的面相交产生的线以及消除隐藏的线等功能。

2.3 实体建模

实体建模是比较复杂的，它是建立在表面建模数据的基础上，通过增加实体在这些面的信息构造而成的。实体建模主要通过CSG（体素构造法）和B-rep（边界表示法）这两种方法表达的。为了让几何建模有着统一的表达，研发人员还开发出了NURBS（非均匀有理B样条）算法。在几何建模中，这种计算方法发挥着及其重要的作用，有着不可忽视的意义。

体素构造法是使用简单的几个模型模拟复杂的实体做构造的造型方法。通俗的讲就是通过系统的定义，将几何体的模型诸如立方体、球体、不规则物体等进行运算，并根据计算结果制造出实体的造型，创造出实际生产中需要的形体。体素构造法制造出的模型有着完整的几何信息，是真实存在的三维实体，实体的造型主要包括体素的定义和描述，体素之间的集合运算。

对体素进行定义的时候，只需要将立体所占据的空间划分开来。在计算机中创建空间直角坐标轴，在坐标轴中建立相关联的不等式，对满足不等式联立的点设置为体素内的点。然后对各个体素之间的模型进行合理的逻辑计算，组合出新的几何形状。

3 特征建模

特征建模有着不同的定义，在各种设计、研究以及加工的生产活动中，需要通过特征建模进行推理，并将结果紧紧的联系在相对应的应用领域上，在不同的领域产生了不同的定义用途。在机械行业零件制造中，特征是一组有关联的集合，这个集合构造出一个有着特殊功能，特定工艺属性和特定形状的表面。任何一个产品零件都可以视为由若干个有着工程意义的结构特征构造而成的形状特征。