包裝機械虛擬設計技術的研究

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水平，就要在產品的設計開發和生產制造上采用先進的方法。計算機及網絡技術的迅速發展為實現這一目標提供了強有力的支持，許多新概念、新觀點應運而生，虛擬設計就是其中之一。虛擬設計技術是以計算機仿真和產品全生命周期建模為基礎，集計算機圖形學、人工智能、并行工程、網絡技術、多媒體技術和虛擬現實技術等諸多技術為一體，在虛擬條件下對產品進行構思、設計、制造、測試和分析。它的顯著特點就是利用數字化模型一一虛擬產品來代替實物模型進行仿真分析，從而提供產品在時間、質量、成本、服務和環境等多目標中的決策水平，達到全局優化和一次性開發成功的目的[1]。

面向用戶的產品虛擬設計是適應產品多樣化的需求的有效手段，國內外已有學者對此進行了研究。如j．bernhard等研究并實現了一個基于java3d技術的虛擬設計服務系統[2] ；山東大學周軍等詳細研究了生產線虛擬設計的設計原理、基本特征、體系結構、設計內容和設計流程，并結合應用實例，建立了生產線的虛擬模型，可視化地仿真其運行狀態，能迅速地診斷出其瓶頸工序，有效地集成生產線的設計、仿真、分析、診斷、優化和重組等功能[3]；天津大學高廣達等研究了模塊化虛擬設計系統的宏觀規劃、模塊的創成設計和接口設計，以及模塊化產品的快速虛擬創建技術和方案評價技術，并開發了數控機床虛擬模塊化設計平臺[4]。

將虛擬設計技術應用于包裝機械設計領域，在計算機上實現產品設計、制造、預估產品性能及可加工性等，使得包裝機械的設計開發和制造技術從傳統的方法發展到一個嶄新的階段，使企業能夠對市場需求的變化做出快速敏捷的反應，及時對自身的生產做出合理的調整與重新規劃，以最經濟的成本和最短的開發周期，研制出適用的包裝機械系統或產品。

1包裝機械虛擬設計的開發環境

包裝機械虛擬設計的實現需要有一個合理的產品開發環境。它能夠使設計、評價和產品更改在開發團隊里并行地進行，通過共享產品數據庫中的虛擬原型在產品開發的不同階段建立橋梁。該環境可以用現有的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品的概念原型虛擬地產生出來，可利用交互仿真來評價該虛擬產品，并仿真和優化其關鍵制造過程及費用。

在并行工程中，產品數據在各個設計單元中動態地流動，如果沒有一個產品數據管理(pdm)系統，幾何模型、計算結果、輸入數據和分析數據都將產生多個備份，并且可能發生過時的數據被使用，這將浪費時間和費用。因此虛擬產品開發環境應有一個pdm 子系統，另外還要有虛擬設計和仿真分析兩個子系統。

pdm子系統是虛擬產品開發的核心，主要管理三維cad模型數據和產品開發過程；虛擬設計子系統可實現設計問題的定義和求解，并將原型化、仿真和評價階段產生的信息反饋給設計者，輔助設計決策；仿真分析子系統是通過定義合適的產品、過程和活動模型，集成原型與制造活動直接產生設計決策，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的標準計算出來[5]。圖1 為包裝機械虛擬設計的開發環境。

產品開發過程中，設計概念確定以后，基本的設計模型表現為三維實體模型，即虛擬原型，可通過cad 軟件實現，模型和相關信息存儲在pdm 系統中。利用實體模型進而可以創建分析模型，比如過程模型和活動模型等，實現過程設計、裝配仿真和虛擬測試，以及結構、運動學和動力學分析等。

2 包裝機械虛擬設計的建模過程

建立包裝機械的三維模型是系統中工作量最大的部分，為了在總體參數變化時，所有零部件都能保持正確的幾何尺寸和約束，必須采用三維參數化技術。pro/e 參數化cad/cam 設計軟件是目前應用廣泛的一種三維建模工具，它廣泛應用于機械、汽車、家電等工業領域的機械設計、模具設計、加工制造和機構分析等，具有零件設計、工程制圖、產品裝配等功能。pro/e 的設計模塊都是相關的，設計過程中任一處的修改，都能夠擴展到整個設計中，可自動更新所有的工程文檔、裝配和設計圖紙、制造數據等。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，并根據零部件的幾何形狀和相互關系的約束條件，建立參數關系，使得包裝機械零部件之間在設計過程中始終保持正確的相對位置和裝配關系。

為了能讓普通技術人員也能夠使用pro/e 這一個功能強大的cad/cam 設計軟件，可采用352pro/toolkit 技術調用pro/e 的功能模塊，實現應用程序與pro/e 的集成，形成包裝機械設計的特定架構和設計菜單，使技術人員很快掌握軟件的使用。將包裝機械的基本參數輸入、有限元分析和三維參數化設計模塊均集成在pro/e 的運行環境中，設計用戶可隨時對包裝機械的任一結構進行參數和尺寸的設計修改，并調用有限元分析模塊進行強度和剛度校核。系統中除了調用pro/e 的應用程序外，設計過程及數據輸入和輸出等功能均采用vc 編程實現。

3 虛擬開發環境下的產品樣機

為了在虛擬環境下對零件裝配情況進行干涉檢查，及時發現設計上的錯誤，提高設計效率，我們不是制造真實樣機，而是采用虛擬樣機技術構造虛擬產品樣機。虛擬樣機技術是一種基于產品的計算機仿真模型的全數字化的設計方法。虛擬樣機環境可以將不同工程領域的開發模型結合在一起，使設計者在物理樣機生產出來之前就可進行有效的、可驗證的設計工作，提高了產品開發項目中的相互交流。虛擬樣機使開發者可及早地與客戶對產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，從而大大節省硬盤及內存空間，而且當零部件修改后，裝配模型會自動地更新，節省了大量的工作。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、中心服務器或可通過網絡連接的任何地方，為并行工程的開展提供了技術基礎，使得團隊協同作業成為可能。虛擬裝配有二種裝配形式，自頂向下式和自下向上式[6]。

對于產品結構、外形復雜的機械，內部零部件的尺寸及外形很大程度上依賴于產品外形的產品，可采用自頂向下式。在虛擬裝配的環境下，首先對整機外形進行設計，確定外形后，將其中的“控制部件”輸出分發到與其相關的各個零部件中，再對零部件進行詳細設計。

對于從每個零部件的詳細設計開始，最后進行零部件裝配的設計過程，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，這種約束關系也依然存在。這種裝配模式適用于傳動機構復雜、結構緊湊，形式變化多、零件之間容易發生干涉、對動作可靠性和準確性要求高的產品。

4 結束語

虛擬設計以產品模型取代實物樣機，通過對模型的模擬測試進行產品評估，能夠以較低的成本獲得較高的設計質量，而且極大地提高了在新產品開發過程中的柔性和敏捷性。把虛擬設計技術應用到包裝機械設計上，將有利于提高包裝機械產品的設計能力，促進我國包裝機械工業的發展。

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