仿真技術在機械設計與制造中的應用

譚 展

（北京奧茲王國科技有限公司，北京 101102）

機械設計制造包括機電產品研發設計和工業裝備的制造運行等。隨著科技的發展，機械設計制造作為工業生產領域的重要內容，逐漸在各個領域普及使用，推動了社會的發展。機械設計與制造需要用到信息技術和自動控制技術等，來解決機械制造中可能出現的問題。仿真技術使得機械設計制造在傳統設計制造的基礎上融入更多科學理念，能夠統計分析機械設計制造過程中的數據，建立模型，以便更好地發現問題、分析問題和解決問題。仿真技術對機械制造業的發展具有重要意義。

1 仿真技術與機械設計制造概述

1.1 仿真技術

仿真技術即虛擬樣機技術，通過虛擬系統對運行原理和控制技術等深入解讀，再通過計算機設備或者專用儀器進行相關實驗，能夠充分了解運行動態成本。在機械設計制造業，仿真技術可提高機械設計的品質和產品質量。仿真技術在機械設計和制造業應用范圍不斷擴大，技術也在不斷進步，已經能夠虛擬展示圖形，并在機械設計中展現仿真技術的相關理論和設計制造過程，提高機械產品質量。仿真技術還具有集成化特征，對已經設計完成的產品特征進行模擬，即便是十分細節和復雜的數據，也能準確模擬，使得機械制造變得更加便捷[1]。

1.2 機械設計制造

機械設計制造的發展需要不同學科理論和技術的支持，如電子工程、機械自動化等?？茖W技術的發展為機械設計制造提供了技術支持。在信息技術沒有應用于機械制造業前，機械制造業的工作模式比較傳統，設計對象主要是設備零件和工業機械。正式制造前必須構建模型，再反復進行科學實驗，保證設計的合理性。在信息技術應用于機械設計制造后，整個制造過程變得便捷。當前，國內的機械加工制造行業獲得了信息技術和其他技術的支持，變得更加自動化和科技化[2]。

2 仿真技術在機械設計制造中的應用價值

2.1 有助于改進機械設計方案

在傳統機械設計和制造中，由于很多步驟都由人工完成，整個設計制造過程對人工依賴性較高，要求工作人員具有較硬的專業知識和較為豐富的制造經驗。如果要保持較高的工作效率，需要更多的人力和時間，且容易因為個人的偏差產生產品質量問題，給企業和個人帶來損失。在機械設計制造過程中，仿真技術尤為重要。構建產品模型，必須利用仿真技術進行分析和處理，以幫助設計師完善設計方案，優化機械設計內容，推動機械設計制造的發展。

2.2 有助于提高數據分析的效率和水平

各行各業在發展過程中都會接觸到大量數據資源，如果不能有效處理這些數據，將會給行業的發展帶來很多負面影響。近幾年，社會經濟的發展推動了機械制造業的發展，而機械制造業為適應社會經濟的發展需要不斷創新。將仿真技術應用于機械設計制造，能夠強化各行各業對復雜數據的儲存、分析和處理能力，提高數據分析和應用的效率和水平，充分發揮仿真技術的價值。

2.3 有助于節約設計成本

在機械設計制造中，仿真技術的應用可實現二維模型和三維模型的組建，模擬機械設計與制造的過程，使機械設計更加科學合理。在機械制造行業的發展中，機械設計是尤其重要的一個環節。設計師應從整個行業的發展趨勢出發，不斷創新。仿真技術能夠將計算機技術應用于機械設計和制造，方便產品模型的設計構建，減少實體模型的構建費用，既節約了設計成本，又節省了時間，提高了工作效率。這樣的方式能夠提高各項重復性工作的綜合處理效率，解放勞動力，減少機械制造過程中的人工成本，全面提高機械設計的制造效率[3]。

3 仿真技術的應用特點

3.1 應用范圍廣

在信息技術發展的時代背景下，仿真技術迅速步入快速發展階段。它與社會發展的軌跡高度契合，功能得到了各行各業的青睞，應用范圍廣泛。在機械設計制造領域，仿真技術被應用于產品設計、制造和檢驗過程。應用仿真技術進一步優化了機械產品的制造工藝和質量，使得產品質量和性能能夠滿足市場的多方面需求，有助于機械制造行業的可持續發展。目前，仿真技術的應用范圍還在擴大，對企業的發展有一定的促進作用。

3.2 集成化

在機械設計和制造中，仿真技術的應用具有集成化特點。仿真技術集合了多種技術和理念，構造和作用復雜，能模擬不同產品。在機械設計和制造過程中，發揮仿真技術的集成化特點，能夠分析和處理機械設計的多重數據，有利于優化機械設計和制造過程。

3.3 分布特性突出

仿真技術的建立基于網絡技術和計算機技術。分析研究表明，仿真技術離不開理論和圖形規定的合理運用。在虛擬網絡和制造技術的加持下，仿真技術對機械設計制造的作用才能充分彰顯，從而保障機械設計和制造過程中的產品質量[4]。

4 仿真技術在機械設計制造中的具體應用

4.1 應用于機械設備的結構設計

仿真技術能夠應用于機械制造行業的結構設計和齒輪設計等環節。在機械制造過程中，機械結構中的部件正常運行尤其關鍵。運用仿真技術模擬機械運行可了解機械結構和內容是否合理，從而進行調試和完善，使得機械結構設計更加科學合理。在大規模的機械設計與制造中，不同零部件之間的相互配合尤其重要。因此，對于大規模機械設計和制造，要保證各個零部件的有效銜接和相互配合，防止出現偏差而出現機械故障[5]。

4.2 應用于齒輪設計

齒輪設計是技術人員十分重視的環節。齒輪在機械設備運行過程中發揮著重要作用。機械設備需要齒輪之間互相配合轉動，才能順利運行。齒輪的質量對機械的運行效率和壽命具有重要影響。將仿真技術應用于齒輪設計，通過模型模擬和數據分析，監測設計圖紙是否能滿足不同工藝的加工要求。齒輪的模型可以放在不同的環境中進行作業模擬。若模擬過程發現問題，能夠及時優化齒輪設計。比如，技術人員可以利用仿真技術模擬齒輪的運行軌跡，進一步研究齒輪轉動接觸點的設計，提高齒輪的性能和品質。

4.3 應用于加工設計

機械產品的設計和制造過程，需要按照一定的流程和步驟。尤其在傳統機械設計制造中，流程和步驟更為復雜。機械設計制造實際上是要滿足多種多樣的生產加工需要，有效提高產品價值。仿真技術能整理復雜的數據，確保機械零部件運行更加準確和便捷。在機械設備加工過程中，利用仿真技術能夠減輕工作人員的工作量，提高工作效率。例如，如果將仿真技術融入切削加工工藝流程，能構建以時間軸為單位的數學模型，從而監測不同運行條件下機械設備的性能和質量，并對磨削時間進行實時分析。通過對重要參數的分析和應用構建模型并對模型開展仿真分析，可知該項機械產品在加工磨削這一工作步驟中所需的時間，有助于設計師制定最為合適的打磨時間，從而選擇最優的加工方案。

4.4 應用于復雜數據的計算

應用仿真技術能夠將機械設計制造中的復雜問題簡單化，快速解決瓶頸問題。機械設計制造中涉及各種數據計算，利用仿真技術可以快速處理復雜的數據，為機械設計師降低計算難度，提高計算結果的準確率。在設計和研發機械新產品時，在仿真技術的加持下，設計師能夠更容易使產品的性能和指標達到規定的標準，一定程度上節省了研發需要的材料，幫助企業降低了研發成本。在機械設計和制造中，把仿真技術和動力學模型結合應用，能快速獲取機械結構的強度、剛度和熱態等數據。如果將仿真技術和計算機技術結合使用，能夠分析計算產品數據，規避機械運行可能出現的安全隱患，保障機械產品的安全[6]。

4.5 應用于大中型機械產品的設計

機械產品的設計涉及范圍較廣。對于設計師來說，任何體積的機械產品設計都有可能涉及。而對于大中型機械產品的設計，則要涉及更復雜的結構。在設計大中型機械產品時，零部件的設計是工作難度較高的一個環節，需要清晰規劃什么部位需要什么型號的零件。過去設計大中型機械產品時，零部件裝配不合格等問題時有發生。究其原因，主要在于大中型機械零部件繁多，在生產過程中容易出現質量問題，或者在裝配時容易發生裝配錯誤，從而影響大中型機械設備的運行效果和整體質量，一定程度上阻礙了機械制造企業的正常生產，造成了經濟損失。然而，利用仿真技術服務大中型機械設備的零部件裝配，可以較大程度上避免疏漏。例如，運用仿真技術可以及時發現零部件裝配出現的問題。完成裝配后，還可以對大中型機械設備進行動態運行模擬實驗，從而檢驗大中型機械設備質量，為企業減少經濟損失。

4.6 用于數學建模

首先，在機械設計制造中可以借助仿真技術進行數學模型構建。但是，在進行這一操作前需要做好計算機系統的準備，提前設置計算機系統的相關參數，并把技術需求輸入計算機系統。完成這些準備工作后，計算機可以直接開展工作。對計算機系統輸入信息進行整合時，可以借助技術初步構建模型。此時構建的數學模型是仿真技術得到有效應用的基礎條件。在初步構建數學模型時，需要準確把握模型形態，確定構建的模型類型是動態模型還是靜態模型，是連續變量模型還是離散時間模型，避免模型構建過程中出現數據偏差。其次，仿真技術可以應用在對數學模型的轉換中。數學模型轉換是指將原先已經構建的模型變成計算機系統中的模型。轉成計算機系統模型后可以進行各項數據和功能的快速轉換。但是，在轉換模型時需要借助專業軟件實現。利用專業軟件分析解讀數據，對內部語言進行轉換，完成仿真模型的轉換。因此，機械制造企業可以投入資金購買已經研發的軟件，快速獲得軟件使用權。此外，機械制造企業可以通過自主研發，根據自身條件和實際情況，研發高度適合企業自身的軟件。最后，在完成數學模型轉換后，需要開展實驗檢驗計算機系統模型，確保模型在仿真運行過程中產生的各項數據都能被記錄和收集。即便出現錯誤，系統也能通過查找數據找出問題。在對計算機系統模型進行實驗后，還應分析和評估實驗結果，根據有關標準和規定確定計算機系統模型是否科學合理。如果在對實驗結果進行評估過程中出現相關標準中沒有提及的內容，或者對部分內容的評價出現困難難以統一意見，機械制造企業可以使用置信通道法和反向驗證法重新評估實驗結果，形成準確率較高的分析報告。

5 結語

隨著社會經濟的發展和科技的不斷進步，新技術不斷涌現。仿真技術的誕生對各行各業有著重要意義，被廣泛應用于各個行業。仿真技術在機械制造領域的投入使用，為機械制造發展注入了新鮮血液，解決了機械設計制造中出現的部分問題，縮短了機械設計制造周期，提高了機械產品質量，推動了機械制造行業的健康發展。