1虛擬制造技術課程的教學改革和成形磨齒實驗臺的應用

為了便于學生更好地認識和理解虛擬制造技術，課程教學中必須結合實踐教學。因此結合學校的成形磨齒機床進行教學，向學生講解磨齒機的工作性能和用途，齒輪的磨削加工方法，以及成形磨齒法和展成磨齒法的區別，大大加深了學生對該門課程內容的理解。在實踐教學中，讓學生根據設計任務書自己操作成形磨齒實驗臺，對齒輪進行磨削加工，學生能直觀地觀察到整個過程，加工過程中出現的任何問題，都能便利地隨時進行觀察檢測，從現場的上課情況看出，這個過程加深了學生對生產過程和制造系統的認識和理解，有利于對其進行理論升華，更好地指導實際生產。使學生對磨齒機的相關知識有一定的了解，對學生以后的專業課學習以及金工實習打下堅實的基礎。

在課程中，應用虛擬制造技術用軟件進行高階復雜修形齒面計算、砂輪截形優化、三維磨削過程可視化、基于KBE技術的齒輪工藝參數智能化管理等技術難題，并在齒輪動態性能預測及噪聲控制軟件部分實現技術突破，軟件可實現齒輪噪音對比預測，并能優化齒輪參數，從而達到降低齒輪運行時振動噪聲的目的，此技術大大縮短了齒輪加工工藝調整周期，并具有較好的可視化功能，得到了用戶一致青睞。通過此教學過程，拓寬了學生的視野，學習到了更多的虛擬制造技術的知識。

為了改善傳統的教學方法，我們在課程中采用了啟發式教學、互動式教學。啟發式教學就是通過在教材的重點、難點、疑點處創設一種問題情境，以引起學生的興趣和注意，并作適當啟發，培養學生的創新思維，鼓勵學生主動地、獨立地分析問題和解決問題。在成形磨齒實踐教學中，通過學生學過的知識進行引導，比如從學習過的車床、銑床等切入，進行類比講解，使沒有接觸過磨齒機的學生對此有一定的了解，介紹磨齒機發展史中的一些實例，讓學生了解到相關知識背景，啟發學生的興趣，激發了學生的求知欲。在互動式教學中，老師提出問題，然后把班級同學分成幾組，先由小組進行討論和查閱資料，然后再進行匯報，這樣可以開闊學生的思路，有助于學生自己解決問題，學生能更多參與課堂教學中，有利于學生潛能的開發，綜合素質的提高和創新能力的培養。

2總結

從學生在課堂上的表現來看，通過對虛擬制造技術課程的教學改革，采用了啟發式教學、互動式教學，并結合成形磨齒實驗臺進行實踐教學，收到了很好的教學效果，活躍了課堂氣氛，調動了學生學習的積極性，增強了學生的動手實踐能力，加深了學生對虛擬制造技術知識的理解、掌握和應用，對培養和提高學生的創新思維、創新能力以及動手能力起到了很好的推動作用，為后續課程的學習和從事生產技術工作打好基礎。

作者：汪中厚周曉玲馬雅鶴單位：上海理工大學

摘要：

虛擬制造技術實現了現代工程機械工程設計領域中的設計、試制等一系列過程的直觀性。實現了在產品真正制造出來前，可以在虛擬的制造環境中生成產品的原型，更好的替代現實中的硬件產品，更方便的對設計產品的性能和可生產性進行評估，有效極大的縮短產品的設計和生產周期，最大化的節約了產品開發的成本，保證產品的開發和設計可以適應市場的靈活性的變化。

關鍵詞：

虛擬制造技術；現代機械；工程設計

隨著知識經濟和工業制造的快速發展，現代化的市場要求產品生產廠商要以最快的速度、最優的品質、最短的研發時間、最低的成本消耗和最佳的服務來滿足顧客的需求。產品的質量在傳統的設計和制造方式上不能得到很好的保證，并且傳統設計的工藝比較粗糙、開發的效率低、花費時間比較長、耗費的資金比較大。在變化速度快、持續性發展和不可預測性市場中難以適應。因此企業的生產活動需要具備高度的柔性和快速的反映，與此同時信息技術的飛速發展保證了機械制造的先進性，信息化的使用對于現代機械工程設計十分重要。

1、機械設計制造中的虛擬制造技術

1.1虛擬技術中的建模技術虛擬指的是在系統中將現實制造系統映射到虛擬環境下，主要涉及了RMS的模型化、形式化、計算機化的抽象描述和表示。VMS建模的主要內容有：生產模型建立、產品模型建立、工藝模型建立的信息化體系結構的建立。生產模型中有靜態描述和靜態描述兩種。靜態描述主要是關于對系統生產能力和生產特性。動態描述是在已經被得知的系統狀態和需求的性質上對產品的整個過程進行全面的預測。在制造過程中我們將種種實體對象總的稱之為產品模型。在產品的模型建立中需要對產品的明細、形狀特征等方面進行描述[1]。對于VMS而言，要實現產品實施過程的全部繼承必須具備完整的產品模型。因此在虛擬制造中的產品模型不再是單一和靜止的，它可以運用抽象的技術實現各種模型面貌的提取。工藝模型主要指的是在制造過程中對產品的工藝參數和關于產品功能的各種因素進行聯系，最終實現對產品模型和生產模型之間相互作用的反映。

1.2虛擬制造技術中的仿真技術仿真指的是通過計算機實現復雜現實系統的抽象化和簡潔化最終形成的系統模型，并且在仿真的基礎上對模型進行應用，最終得到相應的系統性性能分析。仿真主要以系統模型為主體的研究方法，它對實際的生產系統沒有直接的干擾作用，并且仿真系統可以對計算機的計算能力進行應用，實現在短時間內完成在實際工作中需要很長時間的工作，有效縮短了生產決策的時間，最大化的避免了對人力、物力和資金的投入以及浪費。計算機技術還有很好的仿真修復功能，最大化的保證了方案的最優。仿真技術過程的主要步驟有：系統研究、數據收集、系統模型建立、仿真算法的確定、仿真模型的計算、仿真模型的運行、結果的輸出和分析。

1先進機械制造技術經典模式分析

先進機械制造技術隨著新技術的進步得到了快速的發展，在制造生產的不同要求下，先進制造技術擁有了一些比較成熟的制造模式。

1.1并行工程并行工程模式是先進機械制造技術的基礎模式。傳統的機械制造是按照生產順序逐步生產制造，容易出現問題，整個生產制造效率比較低。并行工程在設計初期就可以利用三維軟件進行整體的設計，并利用仿真軟件對機械產品模型進行仿真，這就可以在產品設計初期就解決制造時可能存在的問題。并行工程中，生產制造過程是將整個生產任務分給若干個小組進行同時制造，同時將生產信息實時交流，保證整個生產的順利。但是目前我國的并行工程也存在一些問題，比如沒有國產的商品化軟件，并行的深度和廣度也還不夠，這都需要進一步的研究。

1.2虛擬制造虛擬制造是并行工程的重要基礎技術，它是借助計算機技術將需要設計的機械產品進行仿真，在電腦中將產品呈現在人們面前。通過仿真能夠發現設計初期存在的一些問題，保證制造的成功率，從而可以降低生產成本，使產品的整個設計周期大大縮短。目前，虛擬制造技術在機械制造行業中已得到了廣泛應用，不論是整個產品的整體呈現，還是功能的檢測，或者產品的測試環節，虛擬制造都發揮著重要的作用。

1.3敏捷制造敏捷制造屬于社會分工細化的一個產物，它是指制造企業在接受設計生產任務時，通過快速的協調技術人才、制造廠房以及制造原料等各種資源，實現制造的敏捷化。它的目的就是讓企業能夠對不斷變化的市場做出快速的反應。比如一艘船艦的生產制造過程，制造企業需要協調多方技術人員，聯系各個原料供應商以及制造生產車間，才能夠保證船只的快速制造。

1.4綠色制造隨著環境污染越來越嚴重，國家也推出了可持續發展戰略，先進機械制造技術行業中也出現了綠色制造發展模式。綠色制造的目的就是為了保護環境，避免資源的浪費。它的實現方式就是在機械產品的設計、制造以及運輸的各個環節中考慮節約和環保，比如采用環保原料，使用環保新工藝等。

2先進機械制造技術模式發展的方向

隨著新技術的發展以及人們對機械制造新需求的產生，先進機械制造技術的模式需要新的發展。目前，先進機械制造技術模式發展的趨勢主要有以下幾個。

機械制造業作為一個傳統的領域已經發展了很多年，積累了許多理論和實踐經驗，但隨著當今社會的發展，人們的生活水平不斷提高，各個方面的個性化需求越來越強烈。作為已經深入到各行各業并已成為基礎工業的機械制造業面臨著嚴峻的挑戰。先進制造技術這個概念的提出為機械制造業的發展指明了方向。雖然這個名詞沒有確定的定義，但目前被公認的認識是：先進制造技術是傳統制造技術不斷吸收機械、電子、信息、材料、能源和現代管理等方面的成果，并將其綜合應用于產品設計、制造、檢測、管理、銷售、使用、服務的制造全過程，以實現優質、高效、低耗、清潔、靈活的生產，并取得理想技術經濟效果的制造技術的總稱。它具有如下一些特點：

1．從以技術為中心向以人為中心轉變，使技術的發展更加符合人類社會的需要。

2．從強調專業化分工向模糊分工、一專多能轉變，使勞動者的聰明才智能夠得到充分發揮。

3．從金字塔的多層管理結構向扁平的網絡化結構轉變，減少層次和中間環節。

4．從傳統的順序工作方式向并行工作方式轉變，縮短工作周期，提高工作質量。

5．機械制造技術的發展趨勢可以概括為：（1）機械制造自動化。（2）精密工程。（3）傳統加工方法的改進與非傳統加工方法的發展。

下面對自動化技術給予論述和展望。機械制造自動化技術自本世紀20年代出現以來，經歷了三個階段，即剛性自動化、柔性自動化和綜合自動化。綜合自動化常常與計算機輔助制造、計算集成制造等概念相聯系，它是制造技術、控制技術、現代管理技術和信息技術的綜合，旨在全面提高制造企業的勞動生產率和對市場的響應速度。

一、集成化

1虛擬現實技術的原理、構成和關鍵技術

1.1虛擬現實技術的基本要素

基于虛擬現實技術的虛擬世界能夠滿足下列要求：首先，凸顯那些實際存在，然而由于某種原因導致人類難以達到的區域，比如宇宙空間、核反應堆或者人體內部等距離非常遙遠、具有很大危險性、亦或根本無法進入的領域，這時能夠通過計算機進行作業和感受；其次，反映那些實際根本不存在的事物，和實際存在的事物進行比較，比如世界杯足球賽的模擬比賽就是一個非常典型的案例[3]；再次，發明在現實世界里不可能存在，并且日后也不可能存在的嶄新世界，致使人類步入這一全新的世界之后，能夠得到同現實世界完全不同的感受，比如，時空的轉變、驗證木星等星球上有沒有人類生存的環境以及相應措施等。

1.2虛擬現實技術的關鍵技術

在VRT當中，通常不僅包括高性能計算機系統軟硬件設備，而且還有實時三維圖形系統與虛擬現實交互尖端技術。通過利用實時三維圖形系統，能夠產生有逼真感的圖形，這些圖像具有三維全彩色、明暗、紋理以及陰影等特點。而虛擬現實是一種交互式與高端的計算機顯示技術，通常雙向對話是它的一種非常重要工作途徑。在開展虛擬現實交互技術時，人往往是主動的，必須參與，而不再擔任觀眾，有些時候甚至還擔當主人的任務。

2虛擬技術在現代機械工程中的作用

2.1縮短產品的開發和生產周期

當代機械產品研發能夠全面利用計算機仿真技術，不但可以仿真實現產品的研發與生產過程，而且還不用消耗實際的資源與能量，然而卻可以真實反映產品的相關狀況。虛擬設計技術在概念設計與方案論證當中通常用虛擬模型來取代現實模型驗證設計方案，很好地規避了以往設計模式中設計階段的出現過的失誤對工期與成本的巨大影響將以不斷擴大的方式向后續階段進行傳播的問題，這樣可以更加高效地降低新產品開發的周期，從而提高新產品設計品質與效率[4]。

1現代機械制造技術的現狀

1.1虛擬制造技術

現代機械制造技術當中的虛擬制造技術是指以仿真技術和虛擬技術作為前提條件，根據機械設計制造整個過程當中機械產品的特性建立模型，通過應用計算機，來模擬和仿真操作機械產品設計制造的整個過程。在將虛擬制造技術引入機械設計制造的時候，可以優化實際的方案策略，以更加科學、合理地配置有關的生產資源，這樣能夠大大地減少企業的生產費用，提高企業的競爭優勢。同時，虛擬制造技術是機械制造敏捷的一種重要實現方式，可以有效地突破傳統的機械產品設計制造形式，以更加均衡地處理產品性能、產品作業風險、產品生產精度，以及產品制造成本之間的關系。不僅僅是這樣，應用虛擬制造技術，還可以實時地立足于用戶的實際需要，以及科學地修改機械制造產品，從而使得機械設計制造更加具有針對性。

1.2柔性制造技術

現代機械制造技術當中的柔性制造技術是指以成組技術作為前提條件，通過傳統意義上的數控機床(可劃分成多臺臺數和不一樣的種類)，以及數控柔性機床充當核心。在柔性制造技術和它的應用系統當中，能夠以應用自動化物流系統的形式來連接有關的設備和裝置。雖然自動化制造系統的一種就是柔性制造技術，但是變批量的特征比較顯著地呈現在了生產形式上。在當前的工作實踐當中，都要求應用柔性制造技術來實現相關機械產品的更新換代。通過不斷地總結工作實踐經驗，我們發現：柔性制造技術可以有效地統一所牽涉到的對象（一般是成組地出現）來確定有關的工藝過程，且能夠科學地選擇裝置設備和有關數控加工機械，實現批量地生產工件的目的。尤為重要的一個方面是：在應用柔性制造技術的時候，可以一起進行加工制造和生產管理這兩項工作，在進行焊接、沖壓、加工等一系列操作的時候，應用柔性制造技術能夠大大地增加企業的經濟效益。

2現代化機械制造技術的發展趨勢分析

2.1全球化可以說，現代機械制造技術的全球化是機械制造行業的一個非常重要的發展趨勢。近些年以來，在一系列的工業領域當中，無論是對于大企業，還是中小企業來講，國際化經營是必不可少的一個重要因素。一是因為計算機網絡通訊技術的不斷進步，提供了經營管理、產品研發和信息交流的一種國際化的方式，這就促使著企業朝著合作和競爭的雙重方向進行發展，這種發展使得國際市場之間的競爭加劇。二是因為國內市場與國際市場之間的競爭日趨激烈，比如在機械制造行業當中，國內外的一些企業在如此的競爭當中不斷地淘汰，一些依舊占有國內市場份額的企業為了求得生存和發展，就需要開拓新型的市場。在這兩種原因的互相影響之下，推動著世界化制造行業的發展。

2.2智能化通過機器設備來取代人做一些比較復雜的工作，這種發展趨勢具有必然性。目前形勢下，生物技術、計算機智能，以及人工智能技術的不斷進步推動著現代化機械制造技術的智能化發展，其中，重點體現為智能診斷、智能控制、智能加工、智能計算、智能設計和機器人學等一系列的方面，我們能夠發現不少的企業已經在生產的整個過程當中應用機器人。在整個的制造過程當中，系統可以對工作的狀態進行自動化的檢測，在發生故障的過程中可以進行自動化地調整，以實現最為理想的工作狀態。

1現代機械制造技術的現狀

1.1虛擬制造技術現代機械制造技術當中的虛擬制造技術是指以仿真技術和虛擬技術作為前提條件，根據機械設計制造整個過程當中機械產品的特性建立模型，通過應用計算機，來模擬和仿真操作機械產品設計制造的整個過程。在將虛擬制造技術引入機械設計制造的時候，可以優化實際的方案策略，以更加科學、合理地配置有關的生產資源，這樣能夠大大地減少企業的生產費用，提高企業的競爭優勢。同時，虛擬制造技術是機械制造敏捷的一種重要實現方式，可以有效地突破傳統的機械產品設計制造形式，以更加均衡地處理產品性能、產品作業風險、產品生產精度，以及產品制造成本之間的關系。不僅僅是這樣，應用虛擬制造技術，還可以實時地立足于用戶的實際需要，以及科學地修改機械制造產品，從而使得機械設計制造更加具有針對性。

1.2柔性制造技術現代機械制造技術當中的柔性制造技術是指以成組技術作為前提條件，通過傳統意義上的數控機床(可劃分成多臺臺數和不一樣的種類)，以及數控柔性機床充當核心。在柔性制造技術和它的應用系統當中，能夠以應用自動化物流系統的形式來連接有關的設備和裝置。雖然自動化制造系統的一種就是柔性制造技術，但是變批量的特征比較顯著地呈現在了生產形式上。在當前的工作實踐當中，都要求應用柔性制造技術來實現相關機械產品的更新換代。通過不斷地總結工作實踐經驗，我們發現：柔性制造技術可以有效地統一所牽涉到的對象（一般是成組地出現）來確定有關的工藝過程，且能夠科學地選擇裝置設備和有關數控加工機械，實現批量地生產工件的目的。尤為重要的一個方面是：在應用柔性制造技術的時候，可以一起進行加工制造和生產管理這兩項工作，在進行焊接、沖壓、加工等一系列操作的時候，應用柔性制造技術能夠大大地增加企業的經濟效益。

2現代化機械制造技術的發展趨勢分析

2.1全球化可以說，現代機械制造技術的全球化是機械制造行業的一個非常重要的發展趨勢。近些年以來，在一系列的工業領域當中，無論是對于大企業，還是中小企業來講，國際化經營是必不可少的一個重要因素。一是因為計算機網絡通訊技術的不斷進步，提供了經營管理、產品研發和信息交流的一種國際化的方式，這就促使著企業朝著合作和競爭的雙重方向進行發展，這種發展使得國際市場之間的競爭加劇。二是因為國內市場與國際市場之間的競爭日趨激烈，比如在機械制造行業當中，國內外的一些企業在如此的競爭當中不斷地淘汰，一些依舊占有國內市場份額的企業為了求得生存和發展，就需要開拓新型的市場。在這兩種原因的互相影響之下，推動著世界化制造行業的發展。

2.2智能化通過機器設備來取代人做一些比較復雜的工作，這種發展趨勢具有必然性。目前形勢下，生物技術、計算機智能，以及人工智能技術的不斷進步推動著現代化機械制造技術的智能化發展，其中，重點體現為智能診斷、智能控制、智能加工、智能計算、智能設計和機器人學等一系列的方面，我們能夠發現不少的企業已經在生產的整個過程當中應用機器人。在整個的制造過程當中，系統可以對工作的狀態進行自動化的檢測，在發生故障的過程中可以進行自動化地調整，以實現最為理想的工作狀態。

2.3云制造云制造是一種針對服務的網絡化制造的新型模式，它將制造資源當成一種服務，以云平臺的形式提供給廣大的用戶，切實地給廣大的用戶提供能夠實時地獲取、優質價廉和按需應用的一系列制造服務，它是創新制造資源分配與共享的一種模式。

2.4自動化自動化屬于一個動態性的概念，當前，機械制造自動化的發展趨勢重點體現在適應現代化生產模式的制造環境、柔性制造技術、制造敏捷化、制造全球化、調度與規劃制造過程、制造單元技術、人機一體化制造系統、系統技術與集成系統等一系列的方面。

（1）集成化

集成化（CIMS）就是運用計算機操作與應用系統，達到繼承多種技術與信息的目的。一般來講，它可以分為管理分系統、工程技術信息分系統、質量信息分系統與制造自動化分系統。這一技術融合了計算機技術與機械自動化的優勢，并不斷汲取相關領域的精華。集成化是經濟全球化的必然趨勢，是全球競爭的產物。我國也在這一領域內開展了較為深入的研究，并且在眾多集成應用中有著具體的體現與應用。

（2）智能化

機械制造業牽涉多個領域，已不再是以前單一的生產加工制造，技術含量也日益增高。從數控技術中已經能看到機械智能化的雛形，現在智能化正在不斷完善，使自身更具有人性化的功能，比如檢測和預防之后采取一定措施處理，由人類專家與智能機械組合而成的人機一體化智能系統。上述這些智能化的系統能夠靈活應對來自外界的變化，而且可以自動調整環境變化帶來的差異。其宗旨就是快速適應外界環境，隨時保持最好的狀態，像人一樣應對各種問題。

（3）敏捷化

敏捷制造的基礎是企業的競爭力和信譽度。其核心思想是：要提高企業對市場變化的快速反應能力，滿足顧客的要求。除了充分利用企業內部資源外，還可以充分利用其他企業乃至社會的資源來組織生產。因而，敏捷制造比起其它制造方式具有更靈敏、更快捷的反應能力。要擁有快速應變能力，關鍵技術是成功建立虛擬企業，建立的核心就是虛擬制造技術，即敏捷制造是以虛擬制造技術為基礎的。敏捷制造是現代集成制造系統從信息集成發展到企業集成的必由之路，它的發展水平代表了現代集成制造系統的發展水平，是現代集成制造系統的發展方向。

（4）綠色化

工業化的推進日益改變著人們的日常生活。一方面，物質生活的豐富帶來精神上的愉悅。另一方面，自然資源銳減，物種瀕臨滅絕，生態破壞，環境污染。在這種背景下保護自然資源的綠色產品概念應運而生。綠色產品是大勢所趨。因為綠色產品在設計、制造、使用和消亡的過程中，不污染環境，不危害人類健康，資源利用率極高。因此，設計出生產綠色產品的機械自動化設備，具有深遠的意義和遠大的發展前途。自動化產品的綠色化指的是使用時不危害環境，而且報廢后還可以循環使用。