智能制造中的数字化设计与仿真技术
智能制造中的数字化设计与仿真技术
智能制造中的数字化设计与仿真技术在现代制造企业的产品设计和制造过程中发挥着至关重要的作用。它不仅能够缩减经费、缩短开发周期，还能提高产品质量。本文将详细介绍数字化设计与仿真的基本概念、与传统设计的比较、基本技术、先进数字化设计与仿真技术（虚拟样机）及其应用案例。
数字化设计与仿真的基本概念
"数字化设计与仿真"是指利用计算机软硬件及网络环境，实现产品开发全过程的一种技术。在网络和计算机辅助下，通过产品数据模型，全面模拟产品的设计、分析、装配、制造等过程。
数字化设计与仿真和传统设计的比较
特征 | 传统设计 | 数字化设计 |
|---|---|---|
设计方式 | 手工绘图 | 计算机绘图 |
设计工具 | 绘图板、丁字尺、圆规、铅笔、橡皮等 | 计算机、网络、CAD/CAE软件、绘图机、打印机等 |
产品表示 | 二维工程图纸、各种明细表等 | 三维CAD模型、二维CAD电子图纸、BOM等 |
设计方法 | 经验设计、手工计算、封闭收敛的设计思维 | 基于三维的虚拟设计、智能设计、可靠性设计、有限元分析、优化设计、动态设计、工业造型设计等现代设计方法 |
工作方式 | 串行设计、独立设计 | 并行设计、协同设计 |
管理方式 | 纸质图档、技术文档管理 | 基于PDM的产品数字化管理 |
仿真方式 | 物理样机 | 虚拟样机、物理样机 |
特点 | 过早进入物理样机阶段，从设计到物理样机反复迭代修正，由个人经验、手工计算带来的设计错误，设计周期长，成本高 | 形象直观，干涉检查、强度分析、动态模拟、优化设计、外观和色彩设计等采用虚拟样机进行实现。设计错误少，设计周期短、成本低 |
数字化设计与仿真基本技术
- CAX工具：包括CAD（计算机辅助设计）、CAM（计算机辅助制造）、CAE（计算机辅助工程）等。
- 并行工程：集成地、并行地设计产品及其相关过程的系统方法。这种方法要求产品开发人员在一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求。
先进数字化设计与仿真技术 - 虚拟样机
产生背景
传统的设计方式要经过图纸设计、样机制造，测试改进、定型生产等步骤，为了使产品满足设计要求，往往要多次制造样机，反复测试，费时费力、成本高昂。虚拟样机技术的出现，改变了传统的设计方式，采用数字技术进行设计。它能够在计算机上实现设计——试验——设计的反复过程，大大降低了研发周期和研发资本，能够快速响应市场，适应现代制造业对产品T（time）、Q（quality）、C（cost）、S（services）、E（environment）的要求，极大地促进了敏捷制造的发展，推动了制造业的数字化、网络化、智能化。
技术定义
虚拟样机技术(Virtual Prototyping, VP)是指在产品设计开发过程中,将分散的零部件设计和分析技术(指在某一系统中零部件的CAD和FEA技术)揉合在一起,在计算机上建造出产品的整体模型,并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析,预测产品的整体性能,进而改进产品设计,提高产品性能的一种新技术。
分类
虚拟样机按照实现功能的不同可分为结构虚拟样机、功能虚拟样机和结构与功能虚拟样机。结构虚拟样机主要用来评价产品的外观、形状和装配。功能虚拟样机主要用于验证产品的工作原理,如机构运动学仿真和动力学仿真。
技术特点
- 新的研发模式：传统的研发方法是一个串行过程,而虚拟样机技术真正地实现了系统角度的产品优化。它基于并行工程使产品在概念设计阶段就可以迅速地分析、比较多种设计方案,确定影响性能的敏感参数,并通过可视化技术设计产品、预测产品在真实工况下的特征以及所具有的响应,直至获得最优的工作性能。
- 更低的研发成本、更短的研发周期、更高的产品质量：通过计算机技术建立产品的数字化模型,可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验,从而无需制造及试验物理样机就可获得最优方案,因此不但减少了物理样机的数量,而且缩短了研发周期、提高了产品质量。
- 实现动态联盟的重要手段：动态联盟的概念即为了适应快速变化的全球市场,克服单个企业资源的局限性,出现了在一定时间内,通过Internet临时缔结的一种虚拟企业。为实现并行设计和制造,参盟企业之间产品信息的交流尤显重要。而虚拟样机是一种数字化模型,通过网络输送产品信息,具有传递快速、反馈及时的特点,进而使动态联盟的活动具有高度的并行性。
功能组成
虚拟样机的功能组成主要包括计算机仿真技术、虚拟现实技术、CAD技术以及人机互动。
生产流程
虚拟样机的生产流程主要包括三个阶段：
- 第一阶段：描述虚拟部件的CAD数据必须产生,并且做针对实时应用的预处理。
- 第二阶段：针对DMU仿真的需要对CAD几何造型进行后处理。
- 第三阶段：将处理好的CAD三维模型连接到虚拟样机内核上，使之与定义好的运动联结(joints)、运动约束(Constraints)的机构系统以及其它子系统有机联系在一起，最后在虚拟样机仿真环境下生成虚拟样机。
应用案例
虚拟样机技术在多个领域都有广泛的应用，包括：
- 火星车勇气号：通过虚拟样机技术进行设计和仿真，确保其在火星环境下的性能和可靠性。
- 汽车试验：在虚拟环境中进行汽车的碰撞测试、动力学分析等，以优化设计和提高安全性。
- 工程机械：通过虚拟样机技术进行工程机械的运动学和动力学仿真，优化设计和性能。
- 产品动力学分析：在产品开发初期进行动力学仿真，预测产品在实际使用中的行为。
- 机械系统参数优化设计：例如洗衣机的震动模拟，通过虚拟样机技术优化设计参数，减少震动和噪音。
- 飞行器设计：通过虚拟样机技术进行飞行模拟，优化飞行器的设计和性能。
案例分析
数字化设计底座三维实体模型掩护梁三维实体模型液压支架：传统设计是一种基于经验、类比的设计模式，这种建立在物理样机上的研发模式，成本高，开发周期长。如果物理样机试验不够充分，产品定型后会造成不可预知的结果，从而影响到液压支架的质量。
虚拟装配液压支架三维实体模型：液压支架零件的三维实体模型完成后，为了建立数字化样机，需要对其各个零件进行虚拟装配。通过确定零件之间的位置约束关系，可以把支架中的各个三维实体零件装配成一个整体——液压支架数字化样机。零件的准确装配是液压支架运动仿真的前提，装配关系的正确与否直接影响着液压支架运动仿真能否正确实现。通过仿真结果，可以根据需要对生成的零件和特征进行修改定义，直至达到设计要求。
数字化设计与仿真技术是智能制造领域的重要组成部分，通过虚拟样机技术的应用，可以显著提高产品开发效率和质量，降低研发成本，推动制造业向数字化、网络化、智能化方向发展。