包装机械虚拟设计技术的研究
我国是一个包装机械大国，但我国包装机械水平与国外先进水平相比还有很大差距。要提高我国包装机械技术水平，就要在产品的设计开发和生产制造上采用先进的方法。计算机及网络技术的迅速发展为实现这一目标提供了强有力的支持，许多新概念、新观点应运而生，虚拟设计就是其中之一。虚拟设计技术是以计算机仿真和产品全生命周期建模为基础，集计算机图形学、人工智能、并行工程、网络技术、多媒体技术和虚拟现实技术等诸多技术为一体，在虚拟条件下对产品进行构思、设计、制造、测试和分析。它的显著特点就是利用数字化模型一一虚拟产品来代替实物模型进行仿真分析，从而提供产品在时间、质量、成本、服务和环境等多目标中的决策水平，达到全局优化和一次性开发成功的目的[1]。
面向用户的产品虚拟设计是适应产品多样化的需求的有效手段，国内外已有学者对此进行了研究。如J．Bernhard等研究并实现了一个基于Java3D技术的虚拟设计服务系统[2] ；山东大学周军等详细研究了生产线虚拟设计的设计原理、基本特征、体系结构、设计内容和设计流程，并结合应用实例，建立了生产线的虚拟模型，可视化地仿真其运行状态，能迅速地诊断出其瓶颈工序，有效地集成生产线的设计、仿真、分析、诊断、优化和重组等功能[3]；天津大学高广达等研究了模块化虚拟设计系统的宏观规划、模块的创成设计和接口设计，以及模块化产品的快速虚拟创建技术和方案评价技术，并开发了数控机床虚拟模块化设计平台[4]。
将虚拟设计技术应用于包装机械设计领域，在计算机上实现产品设计、制造、预估产品性能及可加工性等，使得包装机械的设计开发和制造技术从传统的方法发展到一个崭新的阶段，使企业能够对市场需求的变化做出快速敏捷的反应，及时对自身的生产做出合理的调整与重新规划，以最经济的成本和最短的开发周期，研制出适用的包装机械系统或产品。
1包装机械虚拟设计的开发环境
包装机械虚拟设计的实现需要有一个合理的产品开发环境。它能够使设计、评价和产品更改在开发团队里并行地进行，通过共享产品数据库中的虚拟原型在产品开发的不同阶段建立桥梁。该环境可以用现有的CAD、CAE、CAM 工具和工程知识库、模型库来组建，利用计算机手段将产品的概念原型虚拟地产生出来，可利用交互仿真来评价该虚拟产品，并仿真和优化其关键制造过程及费用。
在并行工程中，产品数据在各个设计单元中动态地流动，如果没有一个产品数据管理(PDM)系统，几何模型、计算结果、输入数据和分析数据都将产生多个备份，并且可能发生过时的数据被使用，这将浪费时间和费用。因此虚拟产品开发环境应有一个PDM 子系统，另外还要有虚拟设计和仿真分析两个子系统。
PDM子系统是虚拟产品开发的核心，主要管理三维CAD模型数据和产品开发过程；虚拟设计子系统可实现设计问题的定义和求解，并将原型化、仿真和评价阶段产生的信息反馈给设计者，辅助设计决策；仿真分析子系统是通过定义合适的产品、过程和活动模型，集成原型与制造活动直接产生设计决策，并能仿真整个装配过程，而且机器的运行时间和费用也可以利用企业的标准计算出来[5]。图1 为包装机械虚拟设计的开发环境。
产品开发过程中，设计概念确定以后，基本的设计模型表现为三维实体模型，即虚拟原型，可通过CAD 软件实现，模型和相关信息存储在PDM 系统中。利用实体模型进而可以创建分析模型，比如过程模型和活动模型等，实现过程设计、装配仿真和虚拟测试，以及结构、运动学和动力学分析等。
2 包装机械虚拟设计的建模过程
建立包装机械的三维模型是系统中工作量最大的部分，为了在总体参数变化时，所有零部件都能保持正确的几何尺寸和约束，必须采用三维参数化技术。Pro/E 参数化CAD/CAM 设计软件是目前应用广泛的一种三维建模工具，它广泛应用于机械、汽车、家电等工业领域的机械设计、模具设计、加工制造和机构分析等，具有零件设计、工程制图、产品装配等功能。Pro/E 的设计模块都是相关的，设计过程中任一处的修改，都能够扩展到整个设计中，可自动更新所有的工程文档、装配和设计图纸、制造数据等。因此可采用Pro/E 为主要支撑软件，建立包装机械所有零部件的实例库，并根据零部件的几何形状和相互关系的约束条件，建立参数关系，使得包装机械零部件之间在设计过程中始终保持正确的相对位置和装配关系。
为了能让普通技术人员也能够使用PRO/E 这一个功能强大的CAD/CAM 设计软件，可采用352Pro/TOOLKIT 技术调用Pro/E 的功能模块，实现应用程序与Pro/E 的集成，形成包装机械设计的特定架构和设计菜单，使技术人员很快掌握软件的使用。将包装机械的基本参数输入、有限元分析和三维参数化设计模块均集成在Pro/E 的运行环境中，设计用户可随时对包装机械的任一结构进行参数和尺寸的设计修改，并调用有限元分析模块进行强度和刚度校核。系统中除了调用Pro/E 的应用程序外，设计过程及数据输入和输出等功能均采用VC 编程实现。
3 虚拟开发环境下的产品样机
为了在虚拟环境下对零件装配情况进行干涉检查，及时发现设计上的错误，提高设计效率，我们不是制造真实样机，而是采用虚拟样机技术构造虚拟产品样机。虚拟样机技术是一种基于产品的计算机仿真模型的全数字化的设计方法。虚拟样机环境可以将不同工程领域的开发模型结合在一起，使设计者在物理样机生产出来之前就可进行有效的、可验证的设计工作，提高了产品开发项目中的相互交流。虚拟样机使开发者可及早地与客户对产品以自然的方式进行交流，满足客户的要求。
虚拟样机在计算机上建立起如同真实样机的可视化的数字模型。虚拟样机采用的是“引用”的方法，它不是将所有组件全部真实送人装配模型，而只是记忆零部件在模型中的位量，当需要时才装入组件，从而大大节省硬盘及内存空间，而且当零部件修改后，装配模型会自动地更新，节省了大量的工作。另外，装配模型所引用的各零部件可以储存于各用户的计算机、中心服务器或可通过网络连接的任何地方，为并行工程的开展提供了技术基础，使得团队协同作业成为可能。虚拟装配有二种装配形式，自顶向下式和自下向上式[6]。
对于产品结构、外形复杂的机械，内部零部件的尺寸及外形很大程度上依赖于产品外形的产品，可采用自顶向下式。在虚拟装配的环境下，首先对整机外形进行设计，确定外形后，将其中的“控制部件”输出分发到与其相关的各个零部件中，再对零部件进行详细设计。
对于从每个零部件的详细设计开始，最后进行零部件装配的设计过程，可采用自下向上式。零部件装配时可采用贴合、对齐和定向三种方式约束相互配合的零件，即使某个零件作了修改，这种约束关系也依然存在。这种装配模式适用于传动机构复杂、结构紧凑，形式变化多、零件之间容易发生干涉、对动作可靠性和准确性要求高的产品。
4 结束语
虚拟设计以产品模型取代实物样机，通过对模型的模拟测试进行产品评估，能够以较低的成本获得较高的设计质量，而且极大地提高了在新产品开发过程中的柔性和敏捷性。把虚拟设计技术应用到包装机械设计上，将有利于提高包装机械产品的设计能力，促进我国包装机械工业的发展。
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