在工程机械中虚拟制造技术的应用

　　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 虚拟制造的特点分析

　　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.

　　2 虚拟制造技术在工程机械制造技术中的应用

　　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

　　3 虚拟制造技术在工程机械产品研发中的应用

　　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、卸土等作业工况.对液压缸的摩擦力、油缸动作速度、结构件的强度等指标进行仿真.

　　图6 利用虚拟样机技术对挖掘机工作装置进行仿真

　　挖掘机的工作要求操作精度和重复精度，需要确定摩擦力和摩擦因数以进行控制补偿，达到提高作业精度和运动控制精度的目的.传统的液压缸摩擦力测定方法由于是与工作系统分离测定，不能反映液压缸工作时摩擦力的变化.利用虚拟样机静力学和逆动力学计算的方法，根据挖掘机实际工作时的实验数据计算得到各组油缸的摩擦力数值曲线，较好地反映了挖掘机实际工作时摩擦力的变化情况，找出了摩擦力与运动之间的关系，为挖掘机的控制提供了一定的依据.

　　虚拟样机技术采用数字仿真进行虚拟产品的设计开发，仿真模型的参数就是物理样机的设计参数，可以用仿真模型代替物理样机进行设计参数的测试评估.因为参数修改方便，能很容易地实现模型的多样化，柔性好.图7利用虚拟样机技术对挖掘机的油缸动作速度曲线进行仿真，通过不断调整液压元件的各个参数，对液压系统进行优化，提高挖掘机的油缸动作速度，进而提升作业效率.

　　图7 油缸动作速度响应曲线

　　图8通过虚拟样机技术，结合Craig-Bampton模态综合法，对挖掘机的斗杆进行了刚柔耦合分析及结构优化设计，最终解决了困扰多年的20 t级挖掘机的斗杆开裂问题，并成功开发了一款新一代的SY235威猛型工作装置.

　　图8 20 t斗杆新结构

　　3.2利用虚拟样机技术对矿用机械进行仿真

　　超大型矿用机械在运行时，工况比较恶劣，电控柜等电子控制系统对振动有严格的要求，为了提取振动响应数据，三一重机CAE工程师建立SET230矿用自卸车的整车多体动力学模型，在计算机上再现车辆在路面上爬坡、转弯、卸货、过坎等作业情况，如图9所示为矿车在30%坡道爬坡时的工作情况.利用虚拟样机技术，提取了底盘系统、转向系统、油气悬挂及车厢等时间历程载荷数据，控制柜的加速度响应数据.并结合有限元技术对车架减重达1 t，大大提高了产品的高速行驶性能与重载作业性能.

　　图9 SET230矿车爬坡工况模拟

　　3.3利用虚拟样机技术分析蛇行问题

　　轮式机械在运行时，转向轮突然遇到侧向外力或二轮遇到阻力不等时，转向轮会发生偏摆，而不能迅速回正，车体也随之改变行驶方向.这种改变具有偶然性与经常性.车速愈高，道路条件愈差，此现象愈严重.约翰迪尔(John Deere)公司针对工程机械在高速行驶时的蛇行现象以及在重载下机械的自激振动问题，利用虚拟样机技术，不仅找到了原因，而且提出了改进方案，并且在虚拟样机上得到了验证，大大提高了产品的高速行驶性能与重载作业性能.

　　3.4利用专用仿真软件对装载机进行优化设计及分析

　　世界上最大的工程机械制造商卡特彼勒(Caterpillar)公司的工程师们采用了虚拟样机技术，对装载机和挖掘机的工作装置进行了优化设计及分析，对其进行了上万个工位的运动和受力分析仅需要1 d的时间.Caterpillar公司还与美国Iowa大学联合开发了装载机专用仿真软件IDS(Iowa Driving Simulator).装载机专用仿真软件IDS在考虑了轮胎和液压系统作用的前提下，建立装载机开环模型，并仿真装载机行驶过程中的操作性能以及仿真装载机行走过程中和工作过程中驾驶员的运动.除此之外，利用该专用仿真软件的图形用户界面，还可建立装载机在矿山路面和矿山场景的虚拟仿真环境，并且对装载机仿真模型的参数，包括底盘参数、传动系统参数、液压系统参数和轮胎参数进行修改.修改所需要研究的参数后，仿真软件在虚拟环境中快速改变设计参数，装载机按照修改后的参数重新装配，精确性较高，实时性较强.更重要的是，IDS还考虑到装载机的发动机的驱动液压马达，在仿真模型中连接了液压系统与传动系统，对装载机底盘和工作装置模型进行细化，进一步提高仿真精度.模型仿真工作装置的工作过程，研究解决了机械系统与液压系统的协调性能.瑞典的Volvo公司也与瑞典Link6ping大学、瑞典Royal Institute of Technology等合作，发展多学科仿真集成软件技术，制订了虚拟系统编程(VISP)研究项目，解决了很多关于复杂工程车辆多学科仿真问题.VISP目标针对工程人员采用合适的方法，开发界面友好的动力学分析研究软件平台，进行复杂工程车辆的建模和准确的仿真.VISP以装载机为研究对象，仿真内容包含装载机整车机械系统、控制系统和液压系统.

　　4 结论

　　在工程机械行业的制造技术和产品研发中，引用虚拟制造技术具有一定的理论创新和实际应用意义.它已经成为跨学科、融合各种先进技术为一体的现代制造支撑技术之一.在给出虚拟制造技术的定义、特点等的基础上，阐述了虚拟制造在制造装配、车间布局设计、焊接等工程机械制造技术中的应用，进而介绍了虚拟制造技术在挖掘机、矿用机械、装载机等工程机械产品研发中的应用，并对工程机械中的蛇形问题进行了探讨.虚拟制造以产品的“软”模型取代了实物样机，通过对模型的模拟测试进行产品评估，能够以较低的生产成本获得较高的设计质量，缩短了产品的发布周期，提高了企业生产效率.企业的生产因为虚拟制造技术的应用而具有了高度的柔性化和快速的市场反应能力，因而市场竞争能力大大增强.作为一种先进的制造模式，虚拟制造的应用范围必然会不断扩大，给更多的企业带来更大的收益.