虛擬樣機(jī)技術(shù)在礦業(yè)機(jī)械中的分析

彭凱峰 范應(yīng)光

(河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州 450002)

隨著時(shí)代的發(fā)展，新的機(jī)械設(shè)備的出現(xiàn)與舊的機(jī)械設(shè)備的快速更新成為時(shí)代發(fā)展的必然趨勢。過去通過設(shè)計(jì)制作樣機(jī)進(jìn)行實(shí)地檢測，通過檢測的結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)，最后才是批量生產(chǎn)。這一過程中需要對樣機(jī)進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)，這樣以來就造成了生產(chǎn)周期的延長、生產(chǎn)成本的提高等。為此實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)技術(shù)的快速更新且又不對資源造成浪費(fèi)，就不得不對傳統(tǒng)的研發(fā)工藝進(jìn)行改進(jìn)，虛擬樣機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)有效地解決了這一問題，它通過計(jì)算機(jī)相應(yīng)程序，將實(shí)際模型通過三維動(dòng)畫的仿真模擬，來檢測機(jī)械的工作狀態(tài)。

一 虛擬樣機(jī)技術(shù)概述

首先我們需要對虛擬應(yīng)用技術(shù)有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)。虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用是從分析產(chǎn)品整體性能及其相關(guān)性能及存在的問題的角度為出發(fā)點(diǎn)。在機(jī)械設(shè)計(jì)過程之中設(shè)計(jì)師可以直接運(yùn)用CAD軟件系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)。像零件的設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)原理的設(shè)計(jì)，零部件的排列與組合，力學(xué)原理的應(yīng)用以及數(shù)據(jù)分析等。這樣就可以通過對機(jī)械工作環(huán)境的真實(shí)再現(xiàn)并對各種情況下的受力情況進(jìn)行分析對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行不斷改進(jìn)直至一個(gè)整體性的方案的最終出現(xiàn)。

目前礦業(yè)機(jī)械軟件應(yīng)用市場中，最為廣泛的是機(jī)械仿真軟件ADAMS軟件系統(tǒng)，這套軟件系統(tǒng)是集合了建模、求解與技術(shù)化分析。其工作原理是根據(jù)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)的相關(guān)原理并以此作為虛擬樣機(jī)的工作程序，在空間視覺效果上可能不如現(xiàn)實(shí)中的樣機(jī)那樣具有三維立體效果，但是計(jì)算機(jī)的響應(yīng)模建軟件對于三維模具的構(gòu)建具有強(qiáng)大的支撐作用，這些軟件通常使用許許多多的電子顯示原點(diǎn)組成的，這些原點(diǎn)的排列組合是根據(jù)實(shí)際模具的造型特征進(jìn)行安排的，在模具的關(guān)鍵位置上進(jìn)行布點(diǎn)或做出標(biāo)記。然后再根據(jù)點(diǎn)線面的原理進(jìn)行連接，通過點(diǎn)成線，線成面，面成體的關(guān)系構(gòu)成了三維立體效果圖。

一件機(jī)器的好壞需要在實(shí)踐中進(jìn)行檢驗(yàn)，并在實(shí)踐中不斷的改進(jìn)。對于樣機(jī)中存在的各種誤差通過虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行誤差分析，可以減少機(jī)械在實(shí)際運(yùn)作中出現(xiàn)的誤差。在虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用于制造誤差分析時(shí)，虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用主要軟件是ADAMS軟件的參數(shù)化分析技術(shù)，對于參數(shù)化技術(shù)分析而言，參數(shù)化分析技術(shù)本身就是一種改進(jìn)后的設(shè)計(jì)方法，相對于原有的各種設(shè)計(jì)方案都更加具有便捷性。

二 虛擬樣機(jī)技術(shù)的特點(diǎn)

只有準(zhǔn)確的掌握虛擬樣機(jī)技術(shù)的特點(diǎn)，才能根據(jù)特點(diǎn)不斷改進(jìn)礦業(yè)機(jī)械。首先我們應(yīng)當(dāng)了解虛擬樣機(jī)技術(shù)的功能組合，虛擬樣機(jī)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)必須由三大組成部分構(gòu)成，即CAD技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)以及體現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下機(jī)器工作為最終目的的人機(jī)交換技術(shù)這三大領(lǐng)域。所謂的CAD就是指的是虛擬電子機(jī)械的設(shè)計(jì)軟件，這種三維幾何造型軟件能快速準(zhǔn)確的制作出三維立體形象，其中還包含了物件的外觀特征像是機(jī)械的顏色，以及機(jī)械表面的花紋以及材質(zhì)機(jī)理特征等。概括起來講就是它的仿真性。虛擬樣機(jī)之所以能夠取代顯示機(jī)械，就在于它包含了用以組成眾多組成整體的子系統(tǒng)的模型也就是所謂的DMU，并且在這一整體性的系統(tǒng)之中還提供了所有相關(guān)領(lǐng)域的多方面特征項(xiàng)產(chǎn)品的外觀、性能等信息，所以通過計(jì)算機(jī)的虛擬樣機(jī)技術(shù)可以對機(jī)械設(shè)計(jì)有一個(gè)整體性的認(rèn)識(shí)，這樣就不同于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)那樣只是專注于產(chǎn)品單一性能而忽視其他方面的關(guān)聯(lián)性的弊端，也就不能對產(chǎn)品進(jìn)行綜合性的分析評價(jià)。

另外，在虛擬樣機(jī)技術(shù)中還應(yīng)當(dāng)考慮到在實(shí)際操作中還存在著許多誤差現(xiàn)象，主要有原理誤差、制造誤差以及運(yùn)動(dòng)誤差等。原理誤差主要是指因原理方面考慮不周全而導(dǎo)致的機(jī)械在實(shí)際工作中造成的故障。制造誤差是指制造過程中存在的誤差。運(yùn)動(dòng)誤差則是指機(jī)械由于在長期的工作狀態(tài)下因?yàn)槟p或者是受力發(fā)生變形而導(dǎo)致了機(jī)械零部件之間的振動(dòng)或摩擦力減小，在實(shí)際的工作狀態(tài)中不能產(chǎn)生像是在理論狀態(tài)下或者是在計(jì)算機(jī)上的虛擬樣機(jī)技術(shù)模擬過程中所設(shè)想的那樣。在使用虛擬樣機(jī)技術(shù)的過程中應(yīng)當(dāng)充分考慮到各個(gè)因素的發(fā)生。

三 虛擬樣機(jī)技術(shù)在礦業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用

以往我國機(jī)械設(shè)備的研發(fā)一般要經(jīng)過幾個(gè)階段:產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)制作模型，在實(shí)踐中進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果對設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)、完善之后進(jìn)行批量生產(chǎn)。這些程序是研制新產(chǎn)品必經(jīng)的步驟，每一個(gè)步驟都不能忽略。礦業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境一般工況惡劣、地質(zhì)情況復(fù)雜。礦業(yè)設(shè)備的造價(jià)昂貴，根據(jù)常規(guī)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)步驟制造樣機(jī)并進(jìn)行試驗(yàn)，是不合理的。采用虛擬樣機(jī)技術(shù)是一種很好的選擇，設(shè)計(jì)人員不必按照傳統(tǒng)的幾個(gè)設(shè)計(jì)程序，人員的設(shè)計(jì)思想完全可以通過虛擬樣機(jī)在計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)地顯示出來，借助友好的交互式界面觀察設(shè)備的外型和結(jié)構(gòu)，還可以虛擬實(shí)際工況進(jìn)行仿真測試，對整機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性和動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行虛擬試驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。而且，人員在觀看設(shè)備的配合程度和運(yùn)動(dòng)受力情況時(shí)，能夠在觀看的過程中隨時(shí)按照用戶的需求和相關(guān)人員的建議修改相關(guān)參數(shù)，而得到優(yōu)化的虛擬樣機(jī)。

虛擬樣機(jī)技術(shù)打破了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)程序，提高了設(shè)備設(shè)計(jì)的質(zhì)量，降低了前期投入的費(fèi)用，縮短了從設(shè)計(jì)到產(chǎn)品之間的時(shí)間，可以較快的進(jìn)入市場，當(dāng)前，在礦業(yè)機(jī)械領(lǐng)域中沒有廣泛運(yùn)用是虛擬樣機(jī)技術(shù)的原因，主要是建立一個(gè)企業(yè)級的虛擬樣機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)需購買大量針對系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程設(shè)計(jì)、分析軟件和高檔圖形工程站，需要專業(yè)的設(shè)計(jì)人員，對于一些技術(shù)性較高的專用軟件還需企業(yè)與軟件開發(fā)商合作編寫，這個(gè)過程需要投入大量的物力、人力和財(cái)力，對于一個(gè)沒有強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和人才資源的企業(yè)，建立一個(gè)整機(jī)水平的虛擬樣機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)還有很大的困難。但隨著企業(yè)的不斷發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，可以預(yù)見虛擬樣機(jī)技術(shù)在礦業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用也會(huì)越來越廣泛。

四 結(jié)語

虛擬樣機(jī)技術(shù)作為對礦業(yè)機(jī)械制作過程的改進(jìn)，不僅可以精簡機(jī)械工作系統(tǒng)減少不必要的程序，并且可以大大縮短工作周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，在改進(jìn)后的機(jī)械中加工出來的產(chǎn)品的質(zhì)量也更高，有效的節(jié)約了成本，提高了礦業(yè)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。相信在我國現(xiàn)代化建設(shè)的過程中，大型機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用越加頻繁，規(guī)模化的生產(chǎn)更加突出，這樣一來虛擬樣機(jī)技術(shù)的地位就變得更加突出鮮明，在新技術(shù)的推動(dòng)下，我國礦業(yè)的發(fā)展也將進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代。