我國是一個包裝機械大國，但我國包裝機械水平與國外先進水平相比還有很大差距。要提高我國包裝機械技術(shù)水平，就要在產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)和生產(chǎn)制造上采用先進的方法。計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展為實現(xiàn)這一目標提供了強有力的支持，許多新概念、新觀點應(yīng)運而生，虛擬設(shè)計就是其中之一。虛擬設(shè)計技術(shù)是以計算機仿真和產(chǎn)品全生命周期建模為基礎(chǔ)，集計算機圖形學、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)實技術(shù)等諸多技術(shù)為一體，在虛擬條件下對產(chǎn)品進行構(gòu)思、設(shè)計、制造、測試和分析。它的顯著特點就是利用數(shù)字化模型一一虛擬產(chǎn)品來代替實物模型進行仿真分析，從而提供產(chǎn)品在時間、質(zhì)量、成本、服務(wù)和環(huán)境等多目標中的決策水平，達到全局優(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)計是適應(yīng)產(chǎn)品多樣化的需求的有效手段，國內(nèi)外已有學者對此進行了研究。如J．Bernhard等研究并實現(xiàn)了一個基于Java3D技術(shù)的虛擬設(shè)計服務(wù)系統(tǒng)[2] ；山東大學周軍等詳細研究了生產(chǎn)線虛擬設(shè)計的設(shè)計原理、基本特征、體系結(jié)構(gòu)、設(shè)計內(nèi)容和設(shè)計流程，并結(jié)合應(yīng)用實例，建立了生產(chǎn)線的虛擬模型，可視化地仿真其運行狀態(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、仿真、分析、診斷、優(yōu)化和重組等功能[3]；天津大學高廣達等研究了模塊化虛擬設(shè)計系統(tǒng)的宏觀規(guī)劃、模塊的創(chuàng)成設(shè)計和接口設(shè)計，以及模塊化產(chǎn)品的快速虛擬創(chuàng)建技術(shù)和方案評價技術(shù)，并開發(fā)了數(shù)控機床虛擬模塊化設(shè)計平臺[4]。
將虛擬設(shè)計技術(shù)應(yīng)用于包裝機械設(shè)計領(lǐng)域，在計算機上實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計、制造、預(yù)估產(chǎn)品性能及可加工性等，使得包裝機械的設(shè)計開發(fā)和制造技術(shù)從傳統(tǒng)的方法發(fā)展到一個嶄新的階段，使企業(yè)能夠?qū)κ袌鲂枨蟮淖兓龀隹焖倜艚莸姆磻?yīng)，及時對自身的生產(chǎn)做出合理的調(diào)整與重新規(guī)劃，以最經(jīng)濟的成本和最短的開發(fā)周期，研制出適用的包裝機械系統(tǒng)或產(chǎn)品。
1包裝機械虛擬設(shè)計的開發(fā)環(huán)境
包裝機械虛擬設(shè)計的實現(xiàn)需要有一個合理的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境。它能夠使設(shè)計、評價和產(chǎn)品更改在開發(fā)團隊里并行地進行，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 工具和工程知識庫、模型庫來組建，利用計算機手段將產(chǎn)品的概念原型虛擬地產(chǎn)生出來，可利用交互仿真來評價該虛擬產(chǎn)品，并仿真和優(yōu)化其關(guān)鍵制造過程及費用。
在并行工程中，產(chǎn)品數(shù)據(jù)在各個設(shè)計單元中動態(tài)地流動，如果沒有一個產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)系統(tǒng)，幾何模型、計算結(jié)果、輸入數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)都將產(chǎn)生多個備份，并且可能發(fā)生過時的數(shù)據(jù)被使用，這將浪費時間和費用。因此虛擬產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境應(yīng)有一個PDM 子系統(tǒng)，另外還要有虛擬設(shè)計和仿真分析兩個子系統(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)計子系統(tǒng)可實現(xiàn)設(shè)計問題的定義和求解，并將原型化、仿真和評價階段產(chǎn)生的信息反饋給設(shè)計者，輔助設(shè)計決策；仿真分析子系統(tǒng)是通過定義合適的產(chǎn)品、過程和活動模型，集成原型與制造活動直接產(chǎn)生設(shè)計決策，并能仿真整個裝配過程，而且機器的運行時間和費用也可以利用企業(yè)的標準計算出來[5]。圖1 為包裝機械虛擬設(shè)計的開發(fā)環(huán)境。
產(chǎn)品開發(fā)過程中，設(shè)計概念確定以后，基本的設(shè)計模型表現(xiàn)為三維實體模型，即虛擬原型，可通過CAD 軟件實現(xiàn)，模型和相關(guān)信息存儲在PDM 系統(tǒng)中。利用實體模型進而可以創(chuàng)建分析模型，比如過程模型和活動模型等，實現(xiàn)過程設(shè)計、裝配仿真和虛擬測試，以及結(jié)構(gòu)、運動學和動力學分析等。
2 包裝機械虛擬設(shè)計的建模過程
建立包裝機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，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)用于機械、汽車、家電等工業(yè)領(lǐng)域的機械設(shè)計、模具設(shè)計、加工制造和機構(gòu)分析等，具有零件設(shè)計、工程制圖、產(chǎn)品裝配等功能。Pro/E 的設(shè)計模塊都是相關(guān)的，設(shè)計過程中任一處的修改，都能夠擴展到整個設(shè)計中，可自動更新所有的工程文檔、裝配和設(shè)計圖紙、制造數(shù)據(jù)等。因此可采用Pro/E 為主要支撐軟件，建立包裝機械所有零部件的實例庫，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，使得包裝機械零部件之間在設(shè)計過程中始終保持正確的相對位置和裝配關(guān)系。
為了能讓普通技術(shù)人員也能夠使用PRO/E 這一個功能強大的CAD/CAM 設(shè)計軟件，可采用352Pro/TOOLKIT 技術(shù)調(diào)用Pro/E 的功能模塊，實現(xiàn)應(yīng)用程序與Pro/E 的集成，形成包裝機械設(shè)計的特定架構(gòu)和設(shè)計菜單，使技術(shù)人員很快掌握軟件的使用。將包裝機械的基本參數(shù)輸入、有限元分析和三維參數(shù)化設(shè)計模塊均集成在Pro/E 的運行環(huán)境中，設(shè)計用戶可隨時對包裝機械的任一結(jié)構(gòu)進行參數(shù)和尺寸的設(shè)計修改，并調(diào)用有限元分析模塊進行強度和剛度校核。系統(tǒng)中除了調(diào)用Pro/E 的應(yīng)用程序外，設(shè)計過程及數(shù)據(jù)輸入和輸出等功能均采用VC 編程實現(xiàn)。
3 虛擬開發(fā)環(huán)境下的產(chǎn)品樣機
為了在虛擬環(huán)境下對零件裝配情況進行干涉檢查，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計上的錯誤，提高設(shè)計效率，我們不是制造真實樣機，而是采用虛擬樣機技術(shù)構(gòu)造虛擬產(chǎn)品樣機。虛擬樣機技術(shù)是一種基于產(chǎn)品的計算機仿真模型的全數(shù)字化的設(shè)計方法。虛擬樣機環(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)計者在物理樣機生產(chǎn)出來之前就可進行有效的、可驗證的設(shè)計工作，提高了產(chǎn)品開發(fā)項目中的相互交流。虛擬樣機使開發(fā)者可及早地與客戶對產(chǎn)品以自然的方式進行交流，滿足客戶的要求。
虛擬樣機在計算機上建立起如同真實樣機的可視化的數(shù)字模型。虛擬樣機采用的是“引用”的方法，它不是將所有組件全部真實送人裝配模型，而只是記憶零部件在模型中的位量，當需要時才裝入組件，從而大大節(jié)省硬盤及內(nèi)存空間，而且當零部件修改后，裝配模型會自動地更新，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存于各用戶的計算機、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)，使得團隊協(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]。
對于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、外形復雜的機械，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，首先對整機外形進行設(shè)計，確定外形后，將其中的“控制部件”輸出分發(fā)到與其相關(guān)的各個零部件中，再對零部件進行詳細設(shè)計。
對于從每個零部件的詳細設(shè)計開始，最后進行零部件裝配的設(shè)計過程，可采用自下向上式。零部件裝配時可采用貼合、對齊和定向三種方式約束相互配合的零件，即使某個零件作了修改，這種約束關(guān)系也依然存在。這種裝配模式適用于傳動機構(gòu)復雜、結(jié)構(gòu)緊湊，形式變化多、零件之間容易發(fā)生干涉、對動作可靠性和準確性要求高的產(chǎn)品。
4 結(jié)束語
虛擬設(shè)計以產(chǎn)品模型取代實物樣機，通過對模型的模擬測試進行產(chǎn)品評估，能夠以較低的成本獲得較高的設(shè)計質(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)計技術(shù)應(yīng)用到包裝機械設(shè)計上，將有利于提高包裝機械產(chǎn)品的設(shè)計能力，促進我國包裝機械工業(yè)的發(fā)展。
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