我國(guó)是一個(gè)包裝機(jī)械大國(guó)，但我國(guó)包裝機(jī)械水平與國(guó)外先進(jìn)水平相比還有很大差距。要提高我國(guó)包裝機(jī)械技術(shù)水平，就要在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)和生產(chǎn)制造上采用先進(jìn)的方法。計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)提供了強(qiáng)有力的支持，許多新概念、新觀點(diǎn)應(yīng)運(yùn)而生，虛擬設(shè)計(jì)就是其中之一。虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)是以計(jì)算機(jī)仿真和產(chǎn)品全生命周期建模為基礎(chǔ)，集計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能、并行工程、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等諸多技術(shù)為一體，在虛擬條件下對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行構(gòu)思、設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試和分析。它的顯著特點(diǎn)就是利用數(shù)字化模型一一虛擬產(chǎn)品來代替實(shí)物模型進(jìn)行仿真分析，從而提供產(chǎn)品在時(shí)間、質(zhì)量、成本、服務(wù)和環(huán)境等多目標(biāo)中的決策水平，達(dá)到全局優(yōu)化和一次性開發(fā)成功的目的[1]。
面向用戶的產(chǎn)品虛擬設(shè)計(jì)是適應(yīng)產(chǎn)品多樣化的需求的有效手段，國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。如J．Bernhard等研究并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于Java3D技術(shù)的虛擬設(shè)計(jì)服務(wù)系統(tǒng)[2] ；山東大學(xué)周軍等詳細(xì)研究了生產(chǎn)線虛擬設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原理、基本特征、體系結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)內(nèi)容和設(shè)計(jì)流程，并結(jié)合應(yīng)用實(shí)例，建立了生產(chǎn)線的虛擬模型，可視化地仿真其運(yùn)行狀態(tài)，能迅速地診斷出其瓶頸工序，有效地集成生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)、仿真、分析、診斷、優(yōu)化和重組等功能[3]；天津大學(xué)高廣達(dá)等研究了模塊化虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)的宏觀規(guī)劃、模塊的創(chuàng)成設(shè)計(jì)和接口設(shè)計(jì)，以及模塊化產(chǎn)品的快速虛擬創(chuàng)建技術(shù)和方案評(píng)價(jià)技術(shù)，并開發(fā)了數(shù)控機(jī)床虛擬模塊化設(shè)計(jì)平臺(tái)[4]。
將虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用于包裝機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、預(yù)估產(chǎn)品性能及可加工性等，使得包裝機(jī)械的設(shè)計(jì)開發(fā)和制造技術(shù)從傳統(tǒng)的方法發(fā)展到一個(gè)嶄新的階段，使企業(yè)能夠?qū)κ袌?chǎng)需求的變化做出快速敏捷的反應(yīng)，及時(shí)對(duì)自身的生產(chǎn)做出合理的調(diào)整與重新規(guī)劃，以最經(jīng)濟(jì)的成本和最短的開發(fā)周期，研制出適用的包裝機(jī)械系統(tǒng)或產(chǎn)品。
1包裝機(jī)械虛擬設(shè)計(jì)的開發(fā)環(huán)境
包裝機(jī)械虛擬設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)需要有一個(gè)合理的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境。它能夠使設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)和產(chǎn)品更改在開發(fā)團(tuán)隊(duì)里并行地進(jìn)行，通過共享產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫中的虛擬原型在產(chǎn)品開發(fā)的不同階段建立橋梁。該環(huán)境可以用現(xiàn)有的CAD、CAE、CAM 工具和工程知識(shí)庫、模型庫來組建，利用計(jì)算機(jī)手段將產(chǎn)品的概念原型虛擬地產(chǎn)生出來，可利用交互仿真來評(píng)價(jià)該虛擬產(chǎn)品，并仿真和優(yōu)化其關(guān)鍵制造過程及費(fèi)用。
在并行工程中，產(chǎn)品數(shù)據(jù)在各個(gè)設(shè)計(jì)單元中動(dòng)態(tài)地流動(dòng)，如果沒有一個(gè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)系統(tǒng)，幾何模型、計(jì)算結(jié)果、輸入數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)都將產(chǎn)生多個(gè)備份，并且可能發(fā)生過時(shí)的數(shù)據(jù)被使用，這將浪費(fèi)時(shí)間和費(fèi)用。因此虛擬產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境應(yīng)有一個(gè)PDM 子系統(tǒng)，另外還要有虛擬設(shè)計(jì)和仿真分析兩個(gè)子系統(tǒng)。
PDM子系統(tǒng)是虛擬產(chǎn)品開發(fā)的核心，主要管理三維 CAD模型數(shù)據(jù)和產(chǎn)品開發(fā)過程；虛擬設(shè)計(jì)子系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)問題的定義和求解，并將原型化、仿真和評(píng)價(jià)階段產(chǎn)生的信息反饋給設(shè)計(jì)者，輔助設(shè)計(jì)決策；仿真分析子系統(tǒng)是通過定義合適的產(chǎn)品、過程和活動(dòng)模型，集成原型與制造活動(dòng)直接產(chǎn)生設(shè)計(jì)決策，并能仿真整個(gè)裝配過程，而且機(jī)器的運(yùn)行時(shí)間和費(fèi)用也可以利用企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出來[5]。圖1 為包裝機(jī)械虛擬設(shè)計(jì)的開發(fā)環(huán)境。
產(chǎn)品開發(fā)過程中，設(shè)計(jì)概念確定以后，基本的設(shè)計(jì)模型表現(xiàn)為三維實(shí)體模型，即虛擬原型，可通過CAD 軟件實(shí)現(xiàn)，模型和相關(guān)信息存儲(chǔ)在PDM 系統(tǒng)中。利用實(shí)體模型進(jìn)而可以創(chuàng)建分析模型，比如過程模型和活動(dòng)模型等，實(shí)現(xiàn)過程設(shè)計(jì)、裝配仿真和虛擬測(cè)試，以及結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析等。
2 包裝機(jī)械虛擬設(shè)計(jì)的建模過程
建立包裝機(jī)械的三維模型是系統(tǒng)中工作量最大的部分，為了在總體參數(shù)變化時(shí)，所有零部件都能保持正確的幾何尺寸和約束，必須采用三維參數(shù)化技術(shù)。Pro/E 參數(shù)化 CAD/CAM 設(shè)計(jì)軟件是目前應(yīng)用廣泛的一種三維建模工具，它廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車、家電等工業(yè)領(lǐng)域的機(jī)械設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、加工制造和機(jī)構(gòu)分析等，具有零件設(shè)計(jì)、工程制圖、產(chǎn)品裝配等功能。Pro/E 的設(shè)計(jì)模塊都是相關(guān)的，設(shè)計(jì)過程中任一處的修改，都能夠擴(kuò)展到整個(gè)設(shè)計(jì)中，可自動(dòng)更新所有的工程文檔、裝配和設(shè)計(jì)圖紙、制造數(shù)據(jù)等。因此可采用Pro/E 為主要支撐軟件，建立包裝機(jī)械所有零部件的實(shí)例庫，并根據(jù)零部件的幾何形狀和相互關(guān)系的約束條件，建立參數(shù)關(guān)系，使得包裝機(jī)械零部件之間在設(shè)計(jì)過程中始終保持正確的相對(duì)位置和裝配關(guān)系。
為了能讓普通技術(shù)人員也能夠使用PRO/E 這一個(gè)功能強(qiáng)大的CAD/CAM 設(shè)計(jì)軟件，可采用352Pro/TOOLKIT 技術(shù)調(diào)用Pro/E 的功能模塊，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序與Pro/E 的集成，形成包裝機(jī)械設(shè)計(jì)的特定架構(gòu)和設(shè)計(jì)菜單，使技術(shù)人員很快掌握軟件的使用。將包裝機(jī)械的基本參數(shù)輸入、有限元分析和三維參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊均集成在Pro/E 的運(yùn)行環(huán)境中，設(shè)計(jì)用戶可隨時(shí)對(duì)包裝機(jī)械的任一結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)和尺寸的設(shè)計(jì)修改，并調(diào)用有限元分析模塊進(jìn)行強(qiáng)度和剛度校核。系統(tǒng)中除了調(diào)用Pro/E 的應(yīng)用程序外，設(shè)計(jì)過程及數(shù)據(jù)輸入和輸出等功能均采用VC 編程實(shí)現(xiàn)。
3 虛擬開發(fā)環(huán)境下的產(chǎn)品樣機(jī)
為了在虛擬環(huán)境下對(duì)零件裝配情況進(jìn)行干涉檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)上的錯(cuò)誤，提高設(shè)計(jì)效率，我們不是制造真實(shí)樣機(jī)，而是采用虛擬樣機(jī)技術(shù)構(gòu)造虛擬產(chǎn)品樣機(jī)。虛擬樣機(jī)技術(shù)是一種基于產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)仿真模型的全數(shù)字化的設(shè)計(jì)方法。虛擬樣機(jī)環(huán)境可以將不同工程領(lǐng)域的開發(fā)模型結(jié)合在一起，使設(shè)計(jì)者在物理樣機(jī)生產(chǎn)出來之前就可進(jìn)行有效的、可驗(yàn)證的設(shè)計(jì)工作，提高了產(chǎn)品開發(fā)項(xiàng)目中的相互交流。虛擬樣機(jī)使開發(fā)者可及早地與客戶對(duì)產(chǎn)品以自然的方式進(jìn)行交流，滿足客戶的要求。
虛擬樣機(jī)在計(jì)算機(jī)上建立起如同真實(shí)樣機(jī)的可視化的數(shù)字模型。虛擬樣機(jī)采用的是“引用”的方法，它不是將所有組件全部真實(shí)送人裝配模型，而只是記憶零部件在模型中的位量，當(dāng)需要時(shí)才裝入組件，從而大大節(jié)省硬盤及內(nèi)存空間，而且當(dāng)零部件修改后，裝配模型會(huì)自動(dòng)地更新，節(jié)省了大量的工作。另外，裝配模型所引用的各零部件可以儲(chǔ)存于各用戶的計(jì)算機(jī)、中心服務(wù)器或可通過網(wǎng)絡(luò)連接的任何地方，為并行工程的開展提供了技術(shù)基礎(chǔ)，使得團(tuán)隊(duì)協(xié)同作業(yè)成為可能。虛擬裝配有二種裝配形式，自頂向下式和自下向上式[6]。
對(duì)于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、外形復(fù)雜的機(jī)械，內(nèi)部零部件的尺寸及外形很大程度上依賴于產(chǎn)品外形的產(chǎn)品，可采用自頂向下式。在虛擬裝配的環(huán)境下，首先對(duì)整機(jī)外形進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定外形后，將其中的“控制部件”輸出分發(fā)到與其相關(guān)的各個(gè)零部件中，再對(duì)零部件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。
對(duì)于從每個(gè)零部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)開始，最后進(jìn)行零部件裝配的設(shè)計(jì)過程，可采用自下向上式。零部件裝配時(shí)可采用貼合、對(duì)齊和定向三種方式約束相互配合的零件，即使某個(gè)零件作了修改，這種約束關(guān)系也依然存在。這種裝配模式適用于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)緊湊，形式變化多、零件之間容易發(fā)生干涉、對(duì)動(dòng)作可靠性和準(zhǔn)確性要求高的產(chǎn)品。
4 結(jié)束語
虛擬設(shè)計(jì)以產(chǎn)品模型取代實(shí)物樣機(jī)，通過對(duì)模型的模擬測(cè)試進(jìn)行產(chǎn)品評(píng)估，能夠以較低的成本獲得較高的設(shè)計(jì)質(zhì)量，而且極大地提高了在新產(chǎn)品開發(fā)過程中的柔性和敏捷性。把虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用到包裝機(jī)械設(shè)計(jì)上，將有利于提高包裝機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)能力，促進(jìn)我國(guó)包裝機(jī)械工業(yè)的發(fā)展。
共有 網(wǎng)友評(píng)論