虚拟制造技术及其在天文仪器设计中的应用

　　1　引　言

　　随着天文学的发展,天文仪器的结构越来越复杂、要求的精度也越来越高、配套设备越来越多等,再加上达到的科学目标也互不相同,使得天文仪器的设计和制造过程不能像一般的机电产品那样通过试制样机来逐步完善设计,这些在不同程度上增加了仪器研发的周期和费用。而随着现代科学技术的发展,信息技术、仿真技术、虚拟现实技术、计算机网络等都有很大的提高,CAD/CAE/CAPP等技术的日趋成熟使仪器研发的整个流程完全可以在计算机上实现,也就是说可以利用现有的技术在计算机上虚拟的完成整个产品的设计开发过程。仪器的设计开发流程可用图1描述。

　　所谓的虚拟制造技术是一种基于智能设计技术、并行工程、仿真工程及网络技术的先进制造技术,它以计算机仿真和建模技术为支持,利用虚拟产品模型,在产品实际加工之前对产品的性能、行为、功能和产品的可制造性进行预测,从而对设计方案进行评估和优化,以达到产品生产的最优目标。虚拟制造技术是在CAD/CAM/CAE技术基础上发展起来的。一方面,CAD/CAM/CAE技术为虚拟制造技术的实现提供了较为成熟建模技术[1],分析优化技术,制造过程仿真技术,分析评价技术,设计分析评价技术,产品信息集成、转换、共享技术等。特别是特征建模技术在虚拟制造技术中占有极为重要的地位;另一方面,虚拟制造技术超越了CAD/CAM/CAE技术,CAD/CAM/CAE技术主要考虑产品本身信息的集成与建模,而虚拟制造技术还要考虑加工过程的建模等问题[2,3]。

　　虚拟制造所涉及到的每项技术在国内外的产品设计开发中都有人应用,但大家都是分开来独立应用的,尤其是在天文仪器的开发过程中,这使得设计人员花费大量的时间和精力做同样的工作。例如,在设计过程中每个工程技术人员都要建立自己的数学模型进行分析,如果所有的设计人员能用同一个模型进行分析讨论,即大家虽然不精通对方的专业知识,但却可以理解和明白合作伙伴的设计意途和设计思想,这样不但设计人员交流起来比较方便,而且更有利于设计的优化和完善。

　　2　天文仪器的现状

　　天文仪器指的是供天文科学家用来进行科学观测的设备。如丽江2.4m光学望远镜,云台低纬子午环和即将在澄江建成的1m红外太阳塔等。由于观测目标和目的各不相同,所以各种天文仪器的设计情况、配套设备、工作运转情况等也各不相同,这使得天文仪器具有大型、单件、结构复杂、精度要求高、配套设备多等特点。因此在进行天文仪器的研制时,不但要投入大量的人力、物力和时间,而且随着社会的进步,科技的发展,科学家们对各类天文仪器的要求也越来越高,他们希望设计出来的天文仪器操作起来更方便,更人性化,同一部仪器能够比以往有更多的用途。现代设计的天文仪器要求具有以下特点: