在工程机械中虚拟制造技术的应用 - 制造技术 - 中国软件网-中国

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虚拟制造是20世纪末在全球制造业中引起广泛关注的一种新的制造方法与模式，其本质是以计算机支持的仿真技术和虚拟现实技术为前提，对产品设计、工艺规划、加工制造等生产过程进行统一建模Ⅲ，在产品设计阶段，实时地、并行地模拟出产品未来制造全过程及其对产品设计的影响，预测产品性能、产品制造技术、产品的可制造性，从而更有效、更经济、柔性灵活地组织生产，以达到产品的开发周期和成本的最小化，产品设计质量的最优化，生产效率的最高化.

1.1虚拟制造与虚拟现实

虚拟现实是一种计算机生成的动态的虚拟环境，人通过适当的接口置身其中，可以参与和操纵虚拟环境中的对象.虚拟制造强调虚拟现实(VR)在设计和制造过程仿真中的应用.强调以一种可视化的直观的方式增进技术人员对所设计的产品或过程的理解，从而发现其中的问题.

1.2虚拟制造与智能制造

智能制造的特征是：以制造工业的各个环节的高度柔性与高度集成的方式，通过计算机和模拟人类专家的智能活动，进行分析、判断、推理、构思和决策，旨在取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动.显然，虚拟制造是实现智能制造强有力的支撑环境和有效的支持工具.

1.3虚拟制造与虚拟企业

虚拟企业是以竞争力和信誉度为基础，选择合作者分工合作，组成动态联盟，为同一目标共同努力来增强整体竞争能力，达到敏捷制造.虚拟制造可为虚拟企业协同提供包括异地设计、装配、测试的环境，特别是基于广域网的三维图形的异地快速传送、过程控制、人机交互等环境.

1.4虚拟制造与数字制造

数字制造是用信息技术对实际制造的全面改造和提升，是将产品传统开发和制造在计算机上表示出来的技术.虚拟制造虽然也是在计算机上实现实际制造，但它强调的是实际制造在计算机上的“本质实现”，因此，可以说，虚拟制造技术是实际制造在计算机上的“本质实现”技术.

从以上的分析中可以看出，各种先进制造技术是相互关联、彼此交叉、互为补充的.没有必要也不可能用一个技术替代另一个，准确地把握其内涵，促进其良性发展才是最重要的任务.

虚拟制造技术不是已有各单项技术的简单组合，而是对制造知识进行系统化组织，对工程对象和制造活动进行全面建模，在相关理论和已积累知识的基础上实现集成.虚拟制造进展最重要的是在制造业中的广泛应用.

2.1虚拟装配

虚拟装配采用计算机仿真与虚拟现实技术，通过仿真模型在计算机上进行仿真装配，实现产品的工艺规划、加工制造、装配和调试，它是实际装配过程在计算机上的本质体现.虚拟装配是在虚拟环境中，利用虚拟现实技术将设计的产品三维模型进行预装配，在满足产品性能与功能的条件下，通过分析、评价、规划、仿真等改进产品的设计和装配的结构，实现产品可装配性和经济性.

据统计，产品的装配费用占整个生产成本的30%～50%乃至更高，虚拟装配技术将从根本上改变传统的产品研发模式，其目的是研究虚拟产品模型的建立和虚拟装配环境的建立，并将其应用于实际产品的生产技术研究中，对实际产品的性能和可装配性等进行评价，从而达到全局最优，以缩短产品研发周期，降低成本，获得最大的经济效益.

2.2虚拟车间布局设计

制造系统的布局设计就是在企业经营策略的指导下，针对生产过程，将人员物料及所需的相关设备设施等，做最有效的组合和规划，并与其他相关设施协调，以期获得安全、效率与经济的操作，满足企业经营需求.运用面向对象的模拟仿真，可以帮助使用者建立用于规划、设计和流程优化的虚拟模型，依据不同决策变量之组合，分析设备使用率、系统产能、有效产出率，以及交货期、成本等策略，达到产能最大化、排程最优化、半成品及库存最小化等目标.

图1～3分别为三一重机使用Flexsim仿真软件，对规划中的7号厂房挖掘机装配线及高架仓库进行的模拟.

图1 7号装配厂房模型全局图

图2 上车部分装配线模拟

图3 下车部分装配线模拟

模型中以1格为1 mm2，然后按照实际的设备、边线库、行车、人员的尺寸，体现三维的产品流向和工艺布局.对于厂房内不同零件的物流方式分别采用叉车、转运小车、行车、自动导引运输车(AGV)体现，构建存放区，并且在各道工位设定了加工时间，配以工位标识.模型数据方面，导入下料计划、物流转运速度及工位月加工能

力，最后导出工位的负荷率、AGV小车的使用率、产能统计，目的是寻找瓶颈，并分析规划中的装配线是否满足预期的生产要求.对于以上数据，可以以图表的形式查看，也可以以Excel文档的形式将数据导出来。

2.3虚拟焊接

着焊接技术的不断提高，采用虚拟制造与仿真技术，通过CAD/CAE等技术把产品的数据集成到一个计算机环境中，对焊接制造系统的物理模型及其相互关系在计算机中映射，对系统的设计与分析进行仿真，实现工艺规划、加工制造与装配、设备选型和质量检验等焊接产品的制造周期的全部过程.

在未焊接之前，所有条件的确定都是根据经验或者公式估计出来的，而在实际生产中则需要合理有效的参数.为了提高焊接质量、缩短产品的开发时间、提高企业的效益，有必要定量分析各个参数会产生什么样的焊接质量，利用有限元分析方法能够进行有效准确的非线性分析，预测不同参数条件下的焊接质量.

以薄板焊接为例，薄板在焊接过程中经历了焊接热循环，焊缝与热影响区受周围低温金属的约束产生了焊后等效的压缩塑性应变，这些应变直接导致了薄板焊接的变形，采用热弹塑性有限元法可以确定薄板焊接中失稳发生的位置与时间.图4为3 mm薄板的焊接热分析，图5为失稳变形试验数据与计算数据的对比，通过试验值与计算值的对比，可以看出计算与试验测试结果一致，计算值与试验测量值的误差主要是忽略了收缩引起的角变形、高温性能等因素.因此，能够利用热弹塑性有限元法实现焊接失稳变形预测，从而对生产工艺进行进一步的完善.

图4 焊接薄板的热分析

图5 计算与试验结果

虚拟样机是利用计算机仿真技术建立的，取代物理样机进行评估和测试以获取候选设计方案特性的等效数字模型，是存在于计算机中的参数化“软模型”，它能像物理样机一样，反映最终产品的外观、结构、动力学和运动学等综合特性.

虚拟样机工程忉以虚拟样机和虚拟样机环境为基础，将系统工程方法、反求工程方法、优化方法、计算机建模仿真技术、计算机辅助设计技术和计算机支持的协同工作(CSCW)、产品数据管理(PDM)等有机地结合在一起，为产品的全寿命周期设计和评估提供分布式的集成环境，以达到优化整个设计周期，节约开发成本的目的.

3.1利用虚拟样机技术对挖掘机进行仿真

挖掘机虚拟样机技术就是采用系统建模、模型集成、模型的参数化处理、数据接口和仿真实验等技术，建立一个包括实际挖掘机中各个子系统的模型，能够模拟实际系统的各种功能.以此虚拟样机模型代替实际物理样机进行各种仿真实验，得到包括运动学及动力学响应、液压系统状态参数等在内的各种系统性能参数.

根据图6所示，三一重机公司CAE工程师采用虚拟样机技术平台建立了单斗反铲液压挖掘机整机模型，利用机械、液压及控制系统模型进行联合仿真，基于多体动力学原理，利用拉格朗日动力学方程求解其雅可比矩阵，在计算机上再现挖掘、提升、转向、卸土等作 …… 此处隐藏：4176字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……