现代机械工程设计中的虚拟制造技术探讨

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　　【摘 要】虚拟制造技术是指对机械制造过程进行模拟和仿真，以最大限度地降低机械产品的生产成本。从90年代到现在，虚拟制造技术发展迅速。它在现代机械工程设计中得到了广泛的应用，并逐渐成为现代机械工程设计中的一项关键技术。介绍了最新的计算机虚拟制造技术和虚拟技术在现代机械工程设计中的应用。
　　【关键词】虚拟制造技术；现代机械工程设计；机械制造；机械产品；机械设计
　　1虚拟机械制造技术
　　过去，传统机械设计技术的设备条件相对较差，设计技术不强，传统设计理念保守，设计方法主要依靠粗略的计算和估算，主要是在更简单和静态的假设下完成机械工程设计。传统设计具有较大的随机性，设计的关键过程对设计人员也有一定的经验。而设计习惯则高度依赖。设计过程难以做到合理、高效、准确。然而，现代虚拟设计的相关技术可以很好地实现现代设计的发展，对现代设计的准确性依赖于设计经验、静态设计过程和随机设计理念，由数据知识工程和专家系统保证。虚拟计算机技术需要检索、分析和收集必要的信息。找出优化设计方案和数值计算方法，当然也将在计算机辅助设计技术、人工智能技术、数据库技术等方面有大量的应用。虚拟机械制造（VMM）是一种用于虚拟环境下计算机模型虚拟分析的计算机设计技术。
　　2现代化机械工程设计
　　机械设计的主要目的是实现在实际应用中的使用功能，让机械产品具有一定的创新性，实现功能强大，经济低廉等的优势。传统机械工程在设计过程中主要是受当时条件的影响，在许多方面有局限性。与传统机械设计不同的是现代化机械工程设计充分利用了当前社会科学发展的技术条件，如先进的计算机技术，在一些列分析过程中运用了有关力学和数学等学科知识。从传统的比较随意性的设计中，逐渐转化为以计算数据为基础的设计，拥有的知识体系比较完整，其中涉及到动态现代化设计，使机械设计更符合现代化发展的需要。
　　3虚拟制造过程
　　3.1虚拟制造的模型设计
　　传统的设计模型是设计者通过手绘作图完成的，一旦客户的意向发生改变，设计者需要推翻原先的设计图，进行重新设计和制定模型。虚拟制造的模型设计的方便性在于可以根据客户的要求只对设计好的模型进行部分修改。因此，虚拟制造的模型设计具有灵活性强的特点。虚拟制造的模型设计除了具有灵活性强的特点外，最重要的是虚拟制造技术，可以对设计的模型进行虚拟加工，加工之后又可以对产品进行仿真实验。
　　3.2模型设计的步骤
　　一个完整的模型设计出来，需要很多步骤和程序。从模型的结构来讲，模型的设计可以分为三个步骤：元模型的设计、机构模型的设计和产品模型的设计。首先，元模型的设计是模型设计的第一道工序，通常是模型的最基本的构造的设计。如：模型产品的通用螺丝、螺帽和齿轮等。这些簡单的元模型，在设计起来并不简单，因为原模型的设计需要相应的理论公式、理论计算和实验推理等知识无差别的使用。元模型虽小，设计它的方法却非常复杂，并且元模型的规格要符合国家标准和准则。所谓“千里之堤毁于蚁穴”，元模型设计的不符合标准，会导致后续的模型设计也会出现错误。其次，机构模型是由元件模型组成的，机构模型的设计只有在元建模型设计好的基础之上才能进行设计。对设计好的元件模型，进行分类、分级。不同类别，不同级别的元件模型通过设计就构成不同的机构模型。机构模型的设计构成，简而言之，就是对元件模型按要求进行组装，是模型总体设计中比较简单的一种模型设计。最后，产品模型设计作为产品在计算机上的产品信息载体，是虚拟制造的模型设计的终极目标。产品模型的设计是对机构模型进行系统的结合，分为相应的模块，完成最终想要生产的产品模型的最后一道工序。
　　4虚拟制造技术的核心
　　4.1虚拟制造中的建模技术
　　虚拟技术的虚拟指的是通过计算机语言将现实生产当中的机械制造流程映射出来，其中涉及到很多流程和步骤，主要有模型化、形式化以及计算机化等。建模环节涉及三种模型的建立。第一，生产模型。生产模型可以宏观的划分为动态和静态两种描述。动态描述需要基于系统状态以及需求性质均已知，然后进行全方位的预测和判断。静态描述主要考察的是系统生产的能力和特性。第二，产品模型。该环节的主要工作是对产品的外观特征以及各参数进行具体的描述。第三，工艺模型。这个环节需要在产品的生产过程当中充分联系各工艺参数，从而将现实制造系统映射出来。
　　4.2虚拟制造中的仿真技术
　　所谓仿真技术是指通过计算机语言将复杂的机械生产系统进行模型化处理，对其进行模型化和简洁化从而获得最终的系统模型。对于仿真得到的系统模型进行应用分析，便可以实现在虚拟状态下对产品的性能参数进行分析。仿真和实际的生产系统是两个互相独立的系统，他们之间不会产生相互干扰作用，与此同时，仿真系统可以充分地利用计算机的计算能力，从而大大缩短生产过程当中所耗用的时间成本，可以帮助我们最大化地减少人力、物力以及财力的浪费。仿真技术涉及到的环节比较复杂，其中，制造的仿真和加工的仿真是两个互相独立的过程。
　　4.3虚拟制造中的虚拟现实技术
　　虚拟制造中的虚拟现实技术是基于计算机图像系统、计算机显示系统以及计算机控制等接口设备，为人类展现出一种沉浸体验的计算机技术。虚拟现实技术主要是为了改善以往使用的传统的计算机交互方式，从而更好地提升计算机的操作性能。此外，虚拟现实技术中的操作者、机器以及人机接口是目前为止最有力的一种仿真形式，极大地便利了人们对虚拟环境的体验，给人以身临其境的感觉。
　　5虚拟制造技术在现代机械工程中的应用
　　5.1具有强大的通用性和功能性
　　虚拟样机技术的建立和发展离不开分析力学和多刚体动力学，这两门学科是该技术得以快速发展的必要基础条件，虚拟样机技术的核心所在是解决复杂状况下的机械系统建模问题。实际上，虚拟样机软件在对机械系统的运动进行分析计算的时候绝大多数采取的都是带有约束乘子的微分方程。建立该微分方程的基础是假设系统当中构建的自由度是六，对于多余的自由度分别进行限制，从而保证其通用性和适用性。
　　5.2极大的简化了建模过程
　　传统意义上的建模是在对机械系统的运动状况进行分析的基础上作出相应的动力分析和计算，因此，该过程当中不可避免的是对图形的分析处理以及相关公式的大量计算。考虑到系统运动的复杂性，所以，图形及其公式处理都是相当繁琐的，这就导致在对图形分析和公式计算的时候很容易出现各种各样的错误。与之相对应的虚拟制造技术当中的建模不需要做这些大量的前期工作，而仅仅需要工作人员将构建的连接方式、基本的物理参数进行输入，然后借助强大的计算机来完成后期的分析和求解，不仅大大减少了工作量还有效提升了设计的精准度。
　　5.3具备高效的数据处理能力
　　数据处理一直以来都是一个比较繁琐的过程，出来对数据理性的归纳分析以外还必须要求工作人员具备极高的工作素养。虚拟制造技术不仅帮助我们直观的看到运动的整个过程，还可以对机械的性能进行全方位的掌握。
　　6结束语
　　随着科学技术的提高，我国工业领域中的技术发展和先进工艺技术的应用也越来越广泛。虚拟制造技术的发展和应用，将会改变现代化机械工程设计过程中传统的制造模式。能在产品制造出来之前对出现错误的地方进行修改，实现对产品性能的预测等优势，提高了产品质量和生产效率以及制造周期，具有广阔的发展前景。
　　参考文献：
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　　[2]黄岳阳.现代机械工程设计中的虚拟制造技术初探.科技展望，2016，26.34.107.
　　[3]伊纪斌.现代机械工程设计中的虚拟制造技术探讨.中国高新技术企业，2016.05.73-74.
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