引論：我們?yōu)槟砹?3篇虛擬裝配技術(shù)論文范文，供您借鑒以豐富您的創(chuàng)作。它們是您寫作時(shí)的寶貴資源，期望它們能夠激發(fā)您的創(chuàng)作靈感，讓您的文章更具深度。
篇1
Unity3D不只是單純的游戲引擎，而是已經(jīng)涉及到多種不同領(lǐng)域的一個(gè)跨平臺(tái)的三維游戲與虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)工具，該工具支持多腳本語言以及強(qiáng)大的物理引擎等特點(diǎn)。論文通過研究Unity3D與HTML交互機(jī)制，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景中對(duì)象的動(dòng)態(tài)交互行為，也就是控制各裝配體的裝配順序并實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)、零件實(shí)時(shí)編輯等功能，從而使得整個(gè)裝配過程具有邏輯合理性和可控制性。
2、Unity3D與HTML交互機(jī)理
2.1 Unity3D瀏覽器調(diào)用HTML網(wǎng)頁中的函數(shù)
Unity3D瀏覽器通過執(zhí)行Application.ExternalCall（）來調(diào)用任何在HTML網(wǎng)頁里定義JavaScript函數(shù)，比如下面一句調(diào)用了HTML網(wǎng)頁里SayHello（）函數(shù)，并傳遞了一句話作為參數(shù)。
Application.ExternalCall（ "SayHello"， "The game says hello！" ）；
2.2 HTML網(wǎng)頁調(diào)用Unity3D瀏覽器中的腳本函數(shù)
Unity3D 瀏覽器的插件或ActiveX控件都有一個(gè)SendMessage（）的函數(shù)，HTML網(wǎng)頁通過這個(gè)函數(shù)與Unity3D進(jìn)行通信，通過該函數(shù)可以傳遞對(duì)象名、函數(shù)名以及簡(jiǎn)單參數(shù)，然后SendMessage（）就會(huì)調(diào)用Unity3D中GameObject上綁定的函數(shù)。在調(diào)用SendMessage（）函數(shù)之前，必須先得到Unity Web Player的引用。這里可以使用JavaScript 對(duì)象Document的getElementById（）函數(shù)來獲得該引用。
3、減速器虛擬裝配的實(shí)現(xiàn)
3.1交互界面設(shè)計(jì)
交互式虛擬裝配的重點(diǎn)不僅在于產(chǎn)品虛擬裝配的過程，還在于它可以與用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。系統(tǒng)界面分為兩部分：網(wǎng)頁中為利用HTML提供的控件加入按鈕、列表框、滾動(dòng)條、文本區(qū)、標(biāo)簽等；Unity3D瀏覽器中為利用Unity提供的GUI接口加入按鈕、窗口、標(biāo)簽等控件分別實(shí)現(xiàn)了減速器裝配體的自動(dòng)裝配、手動(dòng)裝配、原理演示、零件查看、零部件實(shí)時(shí)編輯等功能，充分實(shí)現(xiàn)用戶參與下的人機(jī)實(shí)時(shí)交互。
3.2碰撞檢測(cè)及裝配順序規(guī)劃
虛擬裝配是一個(gè)實(shí)時(shí)交互系統(tǒng)，如用戶可以在虛擬場(chǎng)景中用鼠標(biāo)選取裝配體的零件進(jìn)行拆裝。Unity3D引擎本身提供了基本形體的碰撞器，通過PhysX物理引擎自動(dòng)檢測(cè)碰撞。根據(jù)Unity3D碰撞器提供的OnCollisionEnter方法，獲得相關(guān)碰撞信息，然后由它繼續(xù)調(diào)用其他處理過程（相對(duì)位置檢測(cè)、碰撞檢測(cè)等），實(shí)現(xiàn)手動(dòng)裝配過程。
虛擬裝配過程中零件拆裝順序的檢測(cè)也是一個(gè)關(guān)鍵問題，用戶選擇零件正確與否直接決定該零件是否進(jìn)行拆裝。系統(tǒng)為每一個(gè)零件定義一個(gè)唯一識(shí)別拆裝順序的順序號(hào)，當(dāng)用戶選擇某一零件后，調(diào)用相應(yīng)的拆裝順序檢測(cè)模塊進(jìn)行比較當(dāng)前選擇零件的順序號(hào)與系統(tǒng)預(yù)定的順序號(hào)是否一致決定拆裝是否進(jìn)行或者根據(jù)零件間的位置約束關(guān)系判斷某零件當(dāng)前是否可以移動(dòng)來決定拆裝是否進(jìn)行。
3.3 裝配體零件的任意移動(dòng)及實(shí)時(shí)編輯
在虛擬裝配中，用戶對(duì)場(chǎng)景中零件的選取及操作（位移、顏色等的實(shí)時(shí)修改）是交互性最充分的體現(xiàn)。當(dāng)用戶在虛擬場(chǎng)景中用鼠標(biāo)點(diǎn)擊或指向某一零件時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)該做出響應(yīng)，如被指向或點(diǎn)擊的零件應(yīng)實(shí)時(shí)改變顏色或彈出對(duì)話框提示用戶等。Unity3D的GUI接口提供了各種控件可以非常方便的編輯一些按鈕、窗口等用戶界面，通過重寫鼠標(biāo)事件可以檢測(cè)用戶的各中輸入信息并作出正確的響應(yīng)。通過變換組件可以完成產(chǎn)品的平移和任意角度旋轉(zhuǎn)操作以及裝配體零件某一方向比例變換。
4、結(jié)論
本文對(duì)基于Unity3D的虛擬裝配相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究，并實(shí)現(xiàn)了在用戶參與的人機(jī)界面下的虛擬裝配實(shí)例。對(duì)在虛擬裝配過程中零件的碰撞檢測(cè)、裝配順序規(guī)劃、零件選取及實(shí)時(shí)編輯等功能的實(shí)現(xiàn)提出了有效的方法，具有一定的參考價(jià)值。
【參考文獻(xiàn)】
篇2
1 分層序列裝配模型
由于機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每個(gè)零部件之間都有嚴(yán)格的裝配關(guān)系[4-5]，無論是拆還是裝都需要按照設(shè)計(jì)的裝配結(jié)構(gòu)來進(jìn)行。本文采用層次化序列裝配模型，即將產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)按照其真實(shí)的裝配標(biāo)準(zhǔn)按層次劃分或分解為不同級(jí)別的能夠進(jìn)行獨(dú)立裝配的裝配單元，形成并行裝配序列。通常產(chǎn)品的裝配單元可分為：零件、合件、組件、部件、機(jī)器五個(gè)等級(jí)的裝配體，裝配時(shí)，按照上述等級(jí)依次分解，上一級(jí)包含下一級(jí)子裝配體，下一級(jí)子裝配體又包含更下一級(jí)子裝配體直至最終不可分解的零件，其中每一級(jí)裝配體按照其裝配次序形成序列。層次化模型的優(yōu)點(diǎn)在于更清晰表達(dá)產(chǎn)品中零部件之間的層次關(guān)系，并可以用子裝配體表達(dá)一組功能上或物理結(jié)構(gòu)上相關(guān)的零件集，可減少裝配分析的復(fù)雜性，簡(jiǎn)化問題的求解過程。圖1 為分層序列裝配示意。
幾點(diǎn)說明：
（1）在裝配模型設(shè)計(jì)中，每一層裝配體都會(huì)存在基準(zhǔn)件，按照裝配工藝要求將基準(zhǔn)件設(shè)為該層序列的第一個(gè)裝配體，以保證滿足裝配標(biāo)準(zhǔn)和裝配精度；
（2）裝配單元的劃分依據(jù)具體機(jī)械產(chǎn)品的裝配要求，如果在某層子裝配體中如（部件層）出現(xiàn)單一零件時(shí)，該類零件則視為部件級(jí)零件，可以直接在相應(yīng)層中進(jìn)行裝配順序排序。
2 基于Quest3D的虛擬裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)
本文的虛擬裝配系統(tǒng)分為兩個(gè)區(qū)，即場(chǎng)景區(qū)和功能區(qū)。場(chǎng)景區(qū)包括攝像機(jī)控制、3D模型導(dǎo)入和顯示、環(huán)境設(shè)置。其中，攝像機(jī)控制是根據(jù)用戶需求實(shí)現(xiàn)對(duì)模型及場(chǎng)景的瀏覽漫游功能如移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和縮放等；3D模型導(dǎo)入和顯示則是基于原始模型實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化和表示，每個(gè)零件都具有位置、材料及貼圖信息屬性；環(huán)境設(shè)置包括場(chǎng)景布置、燈光設(shè)置以及UI設(shè)計(jì)。功能區(qū)由五個(gè)功能模塊組成，分別為：整體拆裝模塊、序列拆裝模塊；手工模擬拆裝模塊及運(yùn)動(dòng)仿真模塊。如圖2所示。
2.2 模型導(dǎo)入轉(zhuǎn)化及場(chǎng)景設(shè)置
通過UG NX三維建模，生成原始數(shù)據(jù)模型，應(yīng)用Deep Exploration軟件將prt文件模型進(jìn)行文件格式轉(zhuǎn)換為dae文件，中學(xué)英語論文然后導(dǎo)入到Quest3D中。Quest3D可對(duì)導(dǎo)入所有數(shù)字內(nèi)容的進(jìn)行設(shè)置和編制。由于機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所包含零件繁多，Dae初始模型是分成若干個(gè)可裝配的零部件，需要通過程序定義其在場(chǎng)景中的世界坐標(biāo)及彼此位置關(guān)系，用3D render場(chǎng)景模塊把它們組合在一起并顯示。
為了能更好控制每個(gè)零部件裝配運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在Quest3D中可添加Motion模塊作為每個(gè)可裝配零部件的運(yùn)動(dòng)屬性[6]，如圖3所示。為保證零件裝配運(yùn)動(dòng)速度可調(diào)節(jié)性，Quest3D 提供阻尼模塊參數(shù)Damping value，將其與運(yùn)動(dòng)方向建立聯(lián)系。在拆或裝時(shí)候，阻尼參數(shù)發(fā)揮作用，Damping 值增加時(shí)，阻尼增大，零件裝配運(yùn)動(dòng)減慢，反之亦然。
場(chǎng)景設(shè)置主要包括光照、攝影機(jī)設(shè)置、貼圖、材料、紋理等效果制作。光照采用平行光源和點(diǎn)光源從攝像機(jī)的投射方向給予模型物體較好的立體視覺效果，增強(qiáng)用戶的沉浸感和系統(tǒng)的交互性。攝影機(jī)是用于確定觀察者位置和投射方向以及與物體相對(duì)空間視窗的對(duì)應(yīng)關(guān)系。系統(tǒng)采用物體注視攝像機(jī)（Object Inspection Camera）作為場(chǎng)景的交互窗口，通過調(diào)節(jié)攝像機(jī)的Position Vector，Camera Matrix和Camera Target模塊參數(shù)，設(shè)定攝像機(jī)的位置、縮放的范圍等，用戶即可利用三維鼠標(biāo)就可以對(duì)三維場(chǎng)景中所有物體進(jìn)行瀏覽操作。圖4為三維模型導(dǎo)入效果圖中，（a）為一個(gè)二級(jí)減速器，（b）為車床主軸箱。
2.3 裝配及運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)
Quest3D中的三維模型中各個(gè)裝配體依據(jù)裝配單元建立層級(jí)鏈表，即確定拆裝過程的序列。每個(gè)裝配體都具有Motion模塊屬性，包括postion Vector（位置）、Rotation Vector（旋轉(zhuǎn)）和Size Vector（縮放），拆裝的原理是根據(jù)裝配序列依次對(duì)裝配體的各個(gè)矩陣中參數(shù)的進(jìn)行改變?cè)O(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)裝配體的平移運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到零部件裝配效果。
虛擬裝配過程分為整體拆裝、順序拆裝及模擬手動(dòng)拆裝方式。整體拆裝是對(duì)整個(gè)模型一次性實(shí)現(xiàn)拆分和裝配過程，體現(xiàn)“爆炸”效果；順序拆裝是按照裝配單元依次進(jìn)行拆裝；模擬手動(dòng)拆裝則是通過建立工具箱模塊，用戶可從工具箱中選擇合適工具模擬真實(shí)拆裝過程。無論以何種方式進(jìn)行裝配，拆裝模塊作為獨(dú)立模塊可進(jìn)行重復(fù)調(diào)用，表1為拆裝模塊中相關(guān)設(shè)置參數(shù)表示。
系統(tǒng)的UI模塊是用戶實(shí)現(xiàn)裝配操作的交互窗口，不同類型的機(jī)械產(chǎn)品可根據(jù)其復(fù)雜程度和操作方便性、人性化原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)可用三維鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景模型的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和縮放，同時(shí)設(shè)置菜單、按鈕、復(fù)選框等控件進(jìn)行裝配過程的選擇、設(shè)置和操作。圖5是減速器（a）和車床主軸箱（b）虛擬拆裝圖示，圖6為CA6140車床的18級(jí)變速虛擬傳動(dòng)示意圖。
3 結(jié)論
本文提出了分層裝配思想應(yīng)用Quest3D 引擎開發(fā)的虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)可用于不同類型的機(jī)械產(chǎn)品模型，通過建立虛擬場(chǎng)景、UI功能模型有效達(dá)到了用戶對(duì)于產(chǎn)品的交互操作，其虛擬裝配過程和運(yùn)動(dòng)仿真對(duì)于企業(yè)設(shè)計(jì)制造及高校實(shí)踐教學(xué)提供了較好的虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)。
【參考文獻(xiàn)】
[1]寧汝新，鄭軼.虛擬裝配技術(shù)的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)機(jī)械工程，2005，8 （16）：139-144.
篇3
裝配過程直接影響產(chǎn)品的性能、成本和質(zhì)量，還影響產(chǎn)品生命周期各個(gè)環(huán)節(jié)：資源和原材料的利用、生產(chǎn)過程的管理、工裝的制備、調(diào)試維護(hù)的便捷和回收性能．
虛擬裝配系統(tǒng)可使用戶在產(chǎn)品生產(chǎn)以前在虛擬環(huán)境中模擬實(shí)際的裝配過程，評(píng)價(jià)零部件 的可裝配性 ；預(yù)先檢驗(yàn)裝配結(jié)果，展示產(chǎn)品原型結(jié)構(gòu)和功能 ；分析產(chǎn)品原型性能，并最終利用這些結(jié)果指導(dǎo)實(shí)際設(shè)計(jì)開發(fā)過程，從而大大節(jié)約開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期．
本文討論了對(duì)復(fù)雜零部件、大型或精密產(chǎn)品進(jìn)行原型展示、功能分析和虛擬裝配時(shí)的功能需求，設(shè)計(jì)了原型展示分析與虛擬裝配系統(tǒng)(PAVAS)的體系結(jié)構(gòu)，基于模塊化的思想提出一種既可以分布處理又可以集成整合的系統(tǒng)框架，并研究了組成系統(tǒng)框架的一些關(guān)鍵技術(shù)．
1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)是面向大型復(fù)雜產(chǎn)品虛擬裝配和結(jié)構(gòu)功能展示及性能分析而設(shè)計(jì)的，所以它主要包括產(chǎn)品虛擬裝配功能、產(chǎn)品功能虛擬展示和強(qiáng)沉浸感顯示三大功能．與一般性的虛擬裝配系統(tǒng)不同，本系統(tǒng)更加偏重于后兩點(diǎn)功能的表現(xiàn)．為實(shí)現(xiàn)功能需求，系統(tǒng)采用了如圖 1所示的硬件結(jié)構(gòu) ．各部分功能如圖2所示．其中Onyx4系統(tǒng)通過 5BNC接口與 CRT和投影儀連接；PC機(jī)通過 RS232接 口對(duì) Onyx4系統(tǒng)的控制臺(tái)進(jìn)行操作，還通過以太網(wǎng)接口向Onyx4系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)文件；數(shù)據(jù)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器通過以太網(wǎng)與Onyx4系統(tǒng)連接 ，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互相傳輸．其中數(shù)據(jù)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行特定的功能配置或者省略．
2 系統(tǒng)模塊及功能
本系統(tǒng)的模塊如圖3所示．整個(gè)系統(tǒng)在 IRIX6．5上基于 Performer 3．2．2構(gòu)建．主要分為控制核心、裝配控制、圖形引擎、文件服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)和應(yīng)用服務(wù) 6個(gè)大模塊[ 1 J．其中前 3個(gè)模塊作為系統(tǒng)功能核心，安裝于同一硬件系統(tǒng)中，通過計(jì)算機(jī)內(nèi)部總線和相應(yīng)的數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行連接；后 3個(gè)模塊可根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用的實(shí)際情況，分別安裝于獨(dú)立的服務(wù)器通過快速以太網(wǎng)進(jìn)行連接或者與核心功能模塊安裝在一起．PAVAS系統(tǒng)模塊功能分述如下 ．
1)控制核心．控制核心用于協(xié)調(diào)和管理PAVAS的其他各個(gè)模塊，進(jìn)行消息管理并提供控制臺(tái)連接，同時(shí)支持基本 I／O設(shè)備．
2)裝配控制模塊．它需要完成 4點(diǎn)主要功能：裝配關(guān)系模型的創(chuàng)建和管理、約束管理、裝配路徑管理、可裝配性評(píng)價(jià)．
3)圖形引擎．生成虛擬環(huán)境，創(chuàng)建裝配和展示場(chǎng)景；處理用戶與系統(tǒng)的交互；在操作時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)；立體顯示輸出；提供物理系統(tǒng)．
4)文件服務(wù)模塊．實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品原始數(shù)字模型與系統(tǒng)文件格式之間的雙向轉(zhuǎn)換；與數(shù)據(jù)服務(wù)模塊進(jìn)行雙向通信，將模型信息傳遞其中以供其他模塊利用，或者將修改后的模型數(shù)據(jù)導(dǎo)出．
5)數(shù)據(jù)服務(wù)模塊．存儲(chǔ)產(chǎn)品模型和虛擬場(chǎng)景數(shù)據(jù)信息；綜合文件服務(wù)模塊提供的模型信息和應(yīng)用服務(wù)模塊提供的交互信息供高層模塊使用；將高層模塊運(yùn)行生成的新模型信息和交互反饋信息傳遞給文件服務(wù)模塊和應(yīng)用服務(wù)模塊．
6)應(yīng)用服務(wù)器．提供 I／0接口；處理人機(jī)交互信息；與數(shù)據(jù)服務(wù)模塊雙向通信實(shí)現(xiàn)交互信息的寫人及輸出．
3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析
PAVAS的關(guān)鍵技術(shù)主要有：主動(dòng)立體顯示技術(shù)、實(shí)時(shí)的快速碰撞檢測(cè)技術(shù)、虛擬環(huán)境中物理系統(tǒng)的模型建立與實(shí)現(xiàn)技術(shù)、人機(jī)交互模型的建立與交互設(shè)備之間的聯(lián)系方法、裝配模型的創(chuàng)建和表達(dá)技術(shù)、約束的識(shí)別和捕捉技術(shù)以及數(shù)據(jù)服務(wù)模塊中數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)與文件結(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)換等．本文主要分析主動(dòng)立體顯示技術(shù)、產(chǎn)品可裝配性評(píng)價(jià)和實(shí)時(shí)快速碰撞檢測(cè)技術(shù)．
3．1 主動(dòng)立體顯示中的圖像視差計(jì)算
由于人的兩眼之間存在瞳距，所以每只眼睛感受的圖像之 間也存在一個(gè)水平方向的差距，如圖 4所示．大腦利用這個(gè)差距來處理圖像從而產(chǎn)生立體感 ．
主動(dòng)立體顯示就是通過使左右眼圖像分時(shí)交替在顯示屏上刷新顯示實(shí)現(xiàn)的．立體圖像的計(jì)算方法主要有旋轉(zhuǎn)法和雙中心法，如圖5所示．
旋轉(zhuǎn)法采用一個(gè)投影中心，通過使被觀察對(duì)象分別向兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)相同角度投影來計(jì)算左右眼圖像，如圖 5a所示．使用這種方法得到：
其中，Xo，y0，Zo是 P0的坐標(biāo)；是兩次旋轉(zhuǎn)后位置的夾角．這種方法需要作除法運(yùn)算，因此速度稍慢，且會(huì)在實(shí)際使用中造成原理屏幕中心的地方垂直視差增大的情況．雙中心法因采用兩個(gè) 投影 中心，如 圖 5b所示 ，因此得到：
這種方法可以避免產(chǎn)生垂直誤差，效果較好．在這一系列的計(jì)算過程中，諸如用戶瞳距、用戶與被觀察對(duì)象的距離等數(shù)據(jù)可以通過交互設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤或者針對(duì)應(yīng)用使用平均數(shù)據(jù)．
3．2 零件和產(chǎn)品的可裝配性評(píng)價(jià)
對(duì)于零件的可裝配性評(píng)價(jià) ：首先選擇 種因素對(duì)產(chǎn)品零件的可裝配性進(jìn)行評(píng)價(jià)，定義 F= 表示影響因素集合；U(z)表示裝配難度的隸屬度函數(shù)，z代表影響因素的特征值， 亂，見表為影響因素集對(duì)應(yīng)的影響因素重要程度向量，其中a 表示因素 對(duì)零件可裝配性影響程度的大小，且滿足：
定義零件的可裝配性指數(shù)根據(jù)．廠的取值來評(píng)價(jià)零件的可裝配性．對(duì)于產(chǎn)品的可裝配性評(píng)價(jià)：在零件可裝配性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上定義產(chǎn)品的可裝配性指數(shù)向量，A 為零件P 可裝配性指數(shù)．另定義 0為n*m階模糊關(guān)系矩陣，元素 O 代表零件 只中因素 對(duì)裝配難度的隸屬度函數(shù)值．
則有而產(chǎn)品的可裝配性指數(shù)產(chǎn)品的平均可裝配性指數(shù) A ，則為A 與零件總數(shù) 的商．A 作為最 終的產(chǎn)品可裝配性評(píng)價(jià)指標(biāo)．
3．3 實(shí)時(shí)的快速碰撞檢測(cè)方法
在實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)中，主要解決時(shí)間步長(zhǎng)問題、多物體對(duì)測(cè)試問題和兩兩物體對(duì)測(cè)試問題．PAVAS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)按照以下規(guī)則進(jìn)行．
規(guī)則1 在碰撞頻率較高的時(shí)候采用小時(shí)間步長(zhǎng)檢測(cè) ，在碰撞頻率較低的時(shí)候采用大步長(zhǎng)檢測(cè)．時(shí)間步長(zhǎng)同時(shí)與被檢測(cè)對(duì)象的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度相關(guān)．
規(guī)則2 免除靜止模型之間的碰撞檢測(cè)；免除距運(yùn)動(dòng)模型較遠(yuǎn)物體與運(yùn)動(dòng)模型之間的碰撞檢測(cè)；對(duì)于距運(yùn)動(dòng)模型較近物體首先采用 K—dop包圍盒算法進(jìn)行粗略檢測(cè)，若發(fā)生碰撞則改用精密的檢測(cè)算法 ．
規(guī)則 3 在精密的檢測(cè)和針對(duì)具有內(nèi)部空間的多面體零件的裝配檢測(cè)過程中使用距離跟蹤算法 ．
4 應(yīng)用實(shí)例
按照本 文思路，基于 SGI Onyx4可視化系統(tǒng) 、科視立體投影系統(tǒng)和 Dell PE46大型服務(wù)器等硬件設(shè)備構(gòu)建了虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)；利用 uG，OpenGL PerforlTler和 C語言等軟件、庫和開發(fā)語言構(gòu)建用于數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)分析和虛擬裝配的原型系統(tǒng)．圖 6是某數(shù)控機(jī)床模型在系統(tǒng)屏幕上的投影；圖 7是該機(jī)床主軸有限元分析結(jié)果在屏幕上的投影 ．
5 結(jié) 語
1)本文提出的PAVAS軟硬件結(jié)構(gòu)可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)的功能需求進(jìn)行不同的配置，可以構(gòu)建成基于 PC或者基于工作站甚至小型機(jī)的系統(tǒng)．
2)系統(tǒng)采用雙中心投影法來實(shí)現(xiàn)主動(dòng)立體顯示，消除了垂直誤差，提高了運(yùn)行速度，在給人沉浸感的同時(shí)增加舒適性．
3)系統(tǒng)綜合目前采用的一些碰撞檢測(cè)方法結(jié)合 K—dop和距離跟蹤法來進(jìn)行碰撞檢測(cè)，在不失精度的前提下可進(jìn)一步加快計(jì)算速度．
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篇4
關(guān)鍵詞：數(shù)控銑床；3D造型；模塊化設(shè)計(jì)；虛擬裝配；仿真
Design of Universal Components and Simulation of Feeding Movements for Numerical Control Milling Machine Based on Pro/E
ABSTRACT：The numerical control lathe is equipped by the foundation of the manufacture industry , its level influences the development of the manufacturing industry directly. The function, performance and manufacturing cost of the lathe are often contradictory, and more than 75% of total cost of the products and performance of the products have already been fixed during the course of designing, so should improve the quality and performance of the products and reduce their cost through improving and designing , and module designing technique is exactly the important means to solve this contradiction.
篇5
. 液壓破碎錘及其組成
車載液壓破碎錘可以高效地完成碎石、拆除、公路修補(bǔ)、凍土挖掘、二次破碎等艱苦工作，歐洲和美國(guó)的各種車載破碎錘紛紛面世，如Atlas Copco、Rammer、Montabert、Indeco等。.80年代，韓國(guó)的破碎錘也繼日本之后有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，1986年韓國(guó)水山重工推出了液壓破碎錘，韓國(guó)相繼出現(xiàn)了很多品牌。
破碎錘的沖擊能量的來源還是由以下3種方式提供：第一種由液壓油提供，例如Rammer和Montabert；第二種由氣壓提供，例如日本的破碎錘；第三種也是效果最好的，由液壓、氣壓混合提供，一般液壓占25％、氣壓占75％，如Atlas Copco公司設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的破碎錘。但所有的破碎錘活塞回到原位的力完全是由液壓提供。目前液壓破碎錘已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于公路再建、市政拆除、礦山、采石、隧道、水下作業(yè)等工程建設(shè)領(lǐng)域。
..本文所研究的液壓破碎錘是在單斗反鏟型液壓挖掘機(jī)上改裝的，將液壓挖掘機(jī)上的鏟斗改裝成液壓錘。因此總體結(jié)構(gòu)包括動(dòng)力裝置、工作裝置、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、操縱機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)、行走機(jī)構(gòu)和輔助設(shè)備等。常用的全回轉(zhuǎn)式液壓挖掘機(jī)的動(dòng)力裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)的主要部分、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、輔助設(shè)備和駕駛室等都安裝在可回轉(zhuǎn)的平臺(tái)上，通常稱為上部轉(zhuǎn)臺(tái)。因此又可將液壓破碎錘概括成工作裝置、上部轉(zhuǎn)臺(tái)和行走機(jī)構(gòu)等三部分。.
二、工作裝置設(shè)計(jì)方法
1． 工作裝置傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法
我國(guó)工程機(jī)械發(fā)展與國(guó)外相比相對(duì)較晚、較慢，技術(shù)水平整體較低。工作裝置的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在設(shè)計(jì)歷史中起到了主要作用。對(duì)于工作裝置的設(shè)計(jì)方面國(guó)內(nèi)外研究的情況大致是：
(1) 圖解設(shè)計(jì)法；(2) 基于平移性的作圖法；(3)解析法；(4) 綜合圖解設(shè)計(jì)法；(5) 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以上設(shè)計(jì)方法基本上遵循一般連桿機(jī)構(gòu)的位置綜合原則，側(cè)重考慮工作裝置的平移性。對(duì)它的工作裝置伸縮性與平移性，平移性與自動(dòng)放平性，動(dòng)力性與自動(dòng)放平性之間的矛盾關(guān)系未能綜合分析，只是滿足單個(gè)性能的要求，無法達(dá)到全局最優(yōu)。總之，這些方法都是基于二維平面上進(jìn)行的。對(duì)于工作裝置干涉問題、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)等問題不可能很好的解決，也不可能直觀的表現(xiàn)出來。
近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在工作裝置設(shè)計(jì)上出現(xiàn)了基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的工作裝置設(shè)計(jì)。例如吉林工業(yè)大學(xué)、大連理工大學(xué)和洛陽拖拉機(jī)廠等利用虛擬樣機(jī)技術(shù)不但研究了工作裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特性，而且對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，但是它們不是對(duì)模型進(jìn)行了大量的簡(jiǎn)化，就是只局限于對(duì)剛體情況下工作裝置虛擬樣機(jī)的研究。
本論文是在全面分析液壓破碎錘工作裝置的基礎(chǔ)上，建立工作裝置的虛擬樣機(jī)模型，在虛擬環(huán)境下模擬物理樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀況，快速分析各種設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)、參數(shù)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，幫助設(shè)計(jì)人員完成以前需經(jīng)數(shù)次物理樣機(jī)才能完成的實(shí)驗(yàn)研究。
2． CAX技術(shù)及其軟件
由文獻(xiàn)可知，CAX技術(shù)是虛擬樣機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)技術(shù)平臺(tái)。一般意義的CAX技術(shù)主要指CAD、CAPP、CAM、CAE、CAQ等，限于篇幅，本文主要闡述CAD/CAE技術(shù)及其軟件。
目前，工程設(shè)計(jì)中常用的CAD軟件有二維和三維軟件之分。其中三維造型軟件比較知名的有Pro/ENGINEER，UG，Solid works，I-DEAS，CATIA，CIMATRON等。各個(gè)三維CAD軟件當(dāng)前的最新版本是Pro/ENGINEER wildfire2.0，UG NX4.0，Solid works 2006，I-DEAS NX V11，CATIA V5，CIMATRON E6.0等等。
本文將采用Pro/ENGINEER wildfire軟件完成液壓破碎錘工作裝置的建模與裝配，建立工作裝置的虛擬樣機(jī)并進(jìn)行不同作業(yè)工況下的動(dòng)態(tài)模擬。
所謂CAE即Computer Aided Engineering（計(jì)算機(jī)輔助工程）是指工程設(shè)計(jì)中的分析計(jì)算與分析仿真，具體包括工程數(shù)值分析、結(jié)構(gòu)與過程優(yōu)化設(shè)計(jì)、強(qiáng)度與壽命評(píng)估、運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)仿真。工程數(shù)值分析用來分析確定產(chǎn)品的性能；結(jié)構(gòu)與過程優(yōu)化設(shè)計(jì)用來保證產(chǎn)品功能、工藝過程的基礎(chǔ)上，使產(chǎn)品、工藝過程的性能最優(yōu)；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與壽命評(píng)估用來評(píng)估產(chǎn)品的精度設(shè)計(jì)是否可行，可靠性如何以及使用壽命為多少；運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)仿真用來對(duì)CAD建模完成的虛擬樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和動(dòng)力學(xué)仿真。從過程化、實(shí)用化技術(shù)發(fā)展的角度看，CAE的核心技術(shù)為有限元技術(shù)與虛擬樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)。
目前工程實(shí)際中應(yīng)用較多的CAE軟件有ANSYS、MATLAB、ADAMS、ALGOR等。各個(gè)軟件的最新版本是ANSYS 8.0、MATLAB 8.5、ADAMS 2005、ALGOR V17等。
本文采用MSC.ADAMS軟件進(jìn)行液壓破碎錘工作裝置虛擬樣機(jī)的仿真研究。
3． 多體動(dòng)力學(xué)理論
多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)包括多剛體動(dòng)力學(xué)和多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，是研究多體系統(tǒng)（一般由若干柔性和剛性物體相互連接所組成）運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)[17]。
多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的核心問題是建模和求解問題，其系統(tǒng)研究開始于20世紀(jì)60年代。從60年代到80年代，側(cè)重于多剛體系統(tǒng)的研究，主要是研究多剛體系統(tǒng)的自動(dòng)建模和數(shù)值求解；到了80年代中期，多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究已經(jīng)取得一系列成果，尤其是建模理論趨于成熟，但更穩(wěn)定、更有效的數(shù)值求解方法仍然是研究的熱點(diǎn)；80年代之后，多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究更偏重于多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，這個(gè)領(lǐng)域也正式被稱為計(jì)算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，它至今仍然是力學(xué)研究中最有活力的分支之一，但已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過一般力學(xué)的涵義。多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的根本目的是應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析與仿真。
三、 液壓破碎錘工作裝置的研究體系
1． 液壓破碎錘工作裝置虛擬樣機(jī)的構(gòu)建流程
本文液壓破碎錘工作裝置虛擬樣機(jī)的建立主導(dǎo)思想是：根據(jù)液壓破碎錘工作裝置的試制圖紙，在Pro/ENGINEER中進(jìn)行三維實(shí)體建模，通過虛擬裝配，建立工作裝置的三維模型，然后添加適當(dāng)?shù)募s束以及驅(qū)動(dòng)，使之成為一個(gè)虛擬機(jī)構(gòu)。其構(gòu)建流程如圖2-1所示。
圖2-1虛擬樣機(jī)的構(gòu)建流程
2． 液壓破碎錘工作裝置的研究體系
篇6
FA702并紗機(jī)用于將棉、毛、絹、化纖等寶塔筒子單紗及細(xì)紗管紗并成股紗供捻線用，外形最長(zhǎng)尺寸達(dá)13.670米，排布的零部件很多，如需更改總體的尺寸，如按照常規(guī)的設(shè)計(jì)方法，需更改細(xì)節(jié)的零件參數(shù)，再重新調(diào)整裝配約束，這樣耗時(shí)且很容易出錯(cuò)。
UGNX／WAVE技術(shù)使設(shè)計(jì)者將驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中最重要的總體設(shè)計(jì)參數(shù)建立在具有相關(guān)性的控制結(jié)構(gòu)中，僅用幾個(gè)設(shè)計(jì)變量表達(dá)式就可以控制設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)、尺寸，修改關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)及表達(dá)式，可使整個(gè)零部件自動(dòng)更新。因此，在這一設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)員只需對(duì)關(guān)鍵部件的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行修改就可以得到正確的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)。
2．FA702并紗機(jī)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)
(1)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：
設(shè)計(jì)新穎，結(jié)構(gòu)合理，車速高，噪音低，操作方便。整機(jī)為兩面車，分離傳動(dòng)，易于調(diào)整。筒錠為雙支撐形式，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，適應(yīng)高速生產(chǎn)。
(2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介
本機(jī)由以下部分組成：車頭傳動(dòng)，機(jī)架，卷繞，斷頭自停，托盤，車尾傳動(dòng)，供紗架與張力裝置等部分組成。
(3)主要機(jī)構(gòu)
1)卷繞機(jī)構(gòu)2)防疊裝置3)斷頭自停機(jī)構(gòu)
(4)總體布置
圖1FA702并紗機(jī)的總體布置圖
3.UGNX／WAVE技術(shù)
(1)UGNX/WAVE基礎(chǔ)知識(shí)
WAVE是一種實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品裝配的各組件間關(guān)聯(lián)建模的技術(shù)，采用關(guān)聯(lián)性復(fù)制幾何體方法來控制總體裝配結(jié)構(gòu)，從而保證整個(gè)裝配和零部件的參數(shù)關(guān)聯(lián)性，最適合于復(fù)雜產(chǎn)品的幾何界面相關(guān)性、產(chǎn)品系列化和變型產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)。
總體設(shè)計(jì)可以嚴(yán)格控制子系統(tǒng)和零部件的關(guān)鍵尺寸與形狀，而無需考慮細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)；而子系統(tǒng)和零部件的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)對(duì)總體設(shè)計(jì)沒有影響，并無權(quán)改變總體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵尺寸。因此，當(dāng)總體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵尺寸修改后，子系統(tǒng)和零部件的設(shè)計(jì)自動(dòng)更新，從而避免了零部件的重復(fù)設(shè)計(jì)的浪費(fèi)，使得后續(xù)零部件的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)得到到有效的管理和再利用，大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期。
(2)基本概念
1)控制結(jié)構(gòu):傳遞產(chǎn)品全局性的參數(shù)、外形、基準(zhǔn)位置等約束條件至零件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)的樹狀結(jié)構(gòu)。
2)起始部件:包含零件詳細(xì)設(shè)計(jì)所必需的各種約束條件的Ugpart文件。對(duì)于不同零件所需的不同約束條件，通過CopyGeometrytoPart來包含不同的約束條件，可以通過引用集的區(qū)分不同的幾何體。
3)連接零件:產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹和控制結(jié)構(gòu)樹發(fā)生關(guān)聯(lián)的UGPart文件，在其中進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，使其成為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹中的零件或部件。
4.WAVE應(yīng)用在FA702并紗機(jī)設(shè)計(jì)的實(shí)例
(1)確定FA702并紗機(jī)設(shè)計(jì)的總體控制參數(shù)及子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)控制參數(shù)
總體控制參數(shù)：并紗機(jī)的總長(zhǎng)、總寬及總高，各子系統(tǒng)的位置及總體形狀，子系統(tǒng)的總體布置、形狀參數(shù)，建立用于控制系統(tǒng)的主參數(shù)。
(2)建立并紗機(jī)的控制結(jié)構(gòu)
確定完控制參數(shù)之后，應(yīng)先建立總體裝配結(jié)構(gòu)的樹形結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)所有子系統(tǒng)之間的幾何關(guān)系和位置關(guān)系。樹形結(jié)構(gòu)以每個(gè)功能部件族作為子節(jié)點(diǎn)，父節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)之間的幾何關(guān)系及各節(jié)點(diǎn)之間的位置關(guān)系則由相關(guān)幾何參數(shù)和位置參數(shù)來確定。
圖2FA702并紗機(jī)的總體控制結(jié)構(gòu)
圖3FA702并紗機(jī)的總體控制結(jié)構(gòu)裝配樹
(3)建立并紗機(jī)子系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)
同上，建立子系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，如車尾傳動(dòng)的控制結(jié)構(gòu)
圖4FA702并紗機(jī)的車尾傳動(dòng)部分控制結(jié)構(gòu)
(4)零件細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)
根據(jù)建立的子系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)，再分解到進(jìn)一步的子零件控制組件，建立起始部件，進(jìn)而建立連接部件，在連接部件中進(jìn)行零部件的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。
(5)產(chǎn)品裝配
完成整個(gè)零部件模型詳細(xì)設(shè)計(jì)后，使用UGNX的裝配功能將零部件進(jìn)行裝配，生成產(chǎn)品裝配。可以通過調(diào)整主參數(shù)來驅(qū)動(dòng)整個(gè)模型，在控制結(jié)構(gòu)的管理和控制下，設(shè)計(jì)整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)形成一個(gè)有機(jī)整體。圖5為完成的FA702裝配圖。
圖5FA702并紗機(jī)的裝配模型
5結(jié)束語
WAVE技術(shù)為我們提供了一個(gè)很好的工作平臺(tái)，總體參數(shù)的定義與應(yīng)用完全可以用控制結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)上一級(jí)參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，下一級(jí)參數(shù)也會(huì)發(fā)生改變更新，一旦總體參數(shù)發(fā)生改變，零部件的控制幾何體自動(dòng)更新，這樣既保證了整體裝配結(jié)構(gòu)的一致性，又使得設(shè)計(jì)效率大大提高。
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篇7
作者簡(jiǎn)介：伊紀(jì)斌（1994-），男，山東淄博人，山東理工大學(xué)國(guó)防教育學(xué)院學(xué)生，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)
隨著知識(shí)經(jīng)濟(jì)和工業(yè)制造的快速發(fā)展，現(xiàn)代化的市場(chǎng)要求產(chǎn)品生產(chǎn)廠商要以最快的速度、最優(yōu)的品質(zhì)、最短的研發(fā)時(shí)間、最低的成本消耗和最佳的服務(wù)來滿足顧客的需求。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)一般是在圖紙結(jié)合產(chǎn)品的特性和設(shè)計(jì)的具體要求進(jìn)行的，在機(jī)械設(shè)計(jì)的過程中需要提前對(duì)設(shè)計(jì)中的設(shè)備裝配的干擾因素的不確定進(jìn)行考慮，但是產(chǎn)品在裝配中的缺陷只有在產(chǎn)品開發(fā)的后期才能暴露出來或者在產(chǎn)品的試制階段和裝配中顯現(xiàn)出來。如果設(shè)計(jì)的零件已經(jīng)開始投入生產(chǎn)了，那么損失就更加嚴(yán)重了。產(chǎn)品的質(zhì)量在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造方式上不能得到很好的保證，并且傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的工藝比較粗糙、開發(fā)的效率低、花費(fèi)時(shí)間比較長(zhǎng)、耗費(fèi)的資金比較大。在變化速度快、持續(xù)性發(fā)展和不可預(yù)測(cè)性市場(chǎng)中難以適應(yīng)。因此，企業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)需要具備高度的柔性和快速的反應(yīng)，與此同時(shí)信息技術(shù)的飛速發(fā)展保證了機(jī)械制造的先進(jìn)性，信息化的使用對(duì)于現(xiàn)代機(jī)械工程設(shè)計(jì)十分重要。
1虛擬機(jī)械制造技術(shù)
以往傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)的設(shè)備條件比較差，設(shè)計(jì)技術(shù)性不強(qiáng)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)觀念比較保守，設(shè)計(jì)的手段主要依靠的是粗略的計(jì)算和估算，主要是在較多的簡(jiǎn)化和靜止化假設(shè)中完成機(jī)械工程的設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)具有較大的隨意性，并且設(shè)計(jì)的關(guān)鍵過程還對(duì)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)習(xí)慣具有很大的依賴性。設(shè)計(jì)的過程很難實(shí)現(xiàn)合理、高效和準(zhǔn)確。但是在現(xiàn)代化虛擬設(shè)計(jì)的相關(guān)技術(shù)可以很好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)依賴性強(qiáng)、設(shè)計(jì)過程靜態(tài)性和設(shè)計(jì)理念隨意性向現(xiàn)代化設(shè)計(jì)精確性、以數(shù)據(jù)知識(shí)工程和專家系統(tǒng)為保證的設(shè)計(jì)方式的發(fā)展，虛擬計(jì)算機(jī)技術(shù)需要對(duì)必要的信息進(jìn)行檢索、分析和收集。最終找出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案和數(shù)值運(yùn)算的方式，當(dāng)然也會(huì)對(duì)CAD技術(shù)和人工智能技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等進(jìn)行大量的應(yīng)用。虛擬機(jī)械制造技術(shù)主要是在虛擬環(huán)境下對(duì)計(jì)算機(jī)的模型進(jìn)行虛擬分析的一種計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)。該技術(shù)集成并綜合應(yīng)用了綜合性的機(jī)械制造環(huán)境，主要包括了各種仿真、分析、應(yīng)用等工具以及信息模型和控制工具等。虛擬制造需要經(jīng)歷的主要階段有裝配產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)仿真、回收利用。依靠虛擬制造技術(shù)，機(jī)械設(shè)計(jì)人員不需要將所有的零件設(shè)備生產(chǎn)制造出來，可以通過對(duì)零件模型的建立，隨后對(duì)零件進(jìn)行虛擬裝配，并對(duì)各零件部位之間的裝配間隙進(jìn)行干涉、對(duì)裝配的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)檢查，對(duì)零件設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤及時(shí)發(fā)現(xiàn)，如果零件不符合設(shè)計(jì)要求，可以依靠計(jì)算機(jī)技術(shù)方便及時(shí)更改模型，最后形成新的零部件設(shè)計(jì)圖和裝配圖，達(dá)到設(shè)計(jì)、裝配和制造檢驗(yàn)的協(xié)調(diào)。
2虛擬制造技術(shù)的關(guān)鍵
虛擬制造技術(shù)包含了許多方面，主要有設(shè)計(jì)技術(shù)的提出、產(chǎn)品制造過程的抽取、原模型的建立、集成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、建模仿真等。下面就對(duì)虛擬制造技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的介紹：
2.1虛擬技術(shù)中的建模技術(shù)
虛擬指的是在系統(tǒng)中將現(xiàn)實(shí)制造系統(tǒng)映射到虛擬環(huán)境下，主要涉及了RMS的模型化、形式化、計(jì)算機(jī)化的抽象描述和表示。VMS建模的主要內(nèi)容有生產(chǎn)模型建立、產(chǎn)品模型建立、工藝模型建立的信息化體系結(jié)構(gòu)的建立。生產(chǎn)模型中有靜態(tài)描述和動(dòng)態(tài)描述兩種。靜態(tài)描述主要是關(guān)于對(duì)系統(tǒng)生產(chǎn)能力和生產(chǎn)特性。動(dòng)態(tài)描述是在已經(jīng)被得知的系統(tǒng)狀態(tài)和需求的性質(zhì)上對(duì)產(chǎn)品的整個(gè)過程進(jìn)行全面的預(yù)測(cè)。在制造過程中我們將種種實(shí)體對(duì)象總的稱之為產(chǎn)品模型。在產(chǎn)品的模型建立中需要對(duì)產(chǎn)品的明細(xì)、形狀特征等方面進(jìn)行描述。對(duì)于VMS而言，要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品實(shí)施過程的全部繼承必須具備完整的產(chǎn)品模型。因此在虛擬制造中的產(chǎn)品模型不再是單一和靜止的，它可以運(yùn)用抽象的技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(duì)產(chǎn)品的工藝參數(shù)和關(guān)于產(chǎn)品功能的各種因素進(jìn)行聯(lián)系，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品模型和生產(chǎn)模型之間相互作用的反映。
2.2虛擬制造技術(shù)中的仿真技術(shù)
仿真指的是通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的抽象化和簡(jiǎn)潔化最終形成的系統(tǒng)模型，并且在仿真的基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行應(yīng)用，最終得到相應(yīng)的系統(tǒng)性性能分析。仿真主要以系統(tǒng)模型為主體的研究方法，它對(duì)實(shí)際的生產(chǎn)系統(tǒng)沒有直接的干擾作用，并且仿真系統(tǒng)可以對(duì)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力進(jìn)行應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)在短時(shí)間內(nèi)完成在實(shí)際工作中需要很長(zhǎng)時(shí)間的工作，有效縮短了生產(chǎn)決策的時(shí)間，最大化地避免了對(duì)人力、物力和資金的投入以及浪費(fèi)。計(jì)算機(jī)技術(shù)還有很好的仿真修復(fù)功能，最大化地保證了方案的最優(yōu)。仿真技術(shù)過程的主要步驟有系統(tǒng)研究、數(shù)據(jù)收集、系統(tǒng)模型建立、仿真算法的確定、仿真模型的計(jì)算、仿真模型的運(yùn)行、結(jié)果的輸出和分析。仿真在產(chǎn)品的制造過程主要被分為制造的仿真和加工的仿真。在系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)中主要涉及的是產(chǎn)品建模、設(shè)計(jì)交互行為仿真等。方便對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的評(píng)價(jià)，及時(shí)進(jìn)行反饋，降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤。加工過程的仿真主要有切削、裝配、檢驗(yàn)及焊接、壓力加工和鑄造等。以上兩種仿真過程是相對(duì)獨(dú)立的，兩者不能實(shí)現(xiàn)集成，而VM中應(yīng)建立全面過程的統(tǒng)一仿真。
2.3虛擬制造中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的目的是改善計(jì)算機(jī)的交互方式，提高計(jì)算機(jī)的可操作性，它是在對(duì)計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)和多種顯示以及控制等接口設(shè)備的基礎(chǔ)上，以交互的三維環(huán)境為人提供沉浸體驗(yàn)的技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要由圖形系統(tǒng)和多種接口設(shè)備組成，使人在虛擬環(huán)境中感受到真實(shí)的沉浸感覺，交互性計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中有操作者、機(jī)器和人機(jī)接口。它幫助提升人和計(jì)算機(jī)間的和諧度，同時(shí)也是最有力的仿真工具。在VRS的作用下實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)世界的模擬。在用戶交互輸入以及輸出修改虛擬環(huán)境的條件下，使人達(dá)到身臨其境的沉浸感覺。VM的關(guān)鍵技術(shù)之一就是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。
3機(jī)械虛擬樣機(jī)技術(shù)介紹
虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中被稱作機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)，它是20世紀(jì)80年代在計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展中發(fā)展起來的一種計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)。在計(jì)算機(jī)建立樣機(jī)模型后，對(duì)模型的多種動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行具體的分析，最后對(duì)樣機(jī)方案實(shí)現(xiàn)改進(jìn)。用數(shù)字化模型代替物理性的樣機(jī)。通過虛擬樣機(jī)技術(shù)的作用，簡(jiǎn)化了機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)過程，有效縮短產(chǎn)品開發(fā)的時(shí)間，最大程度降低產(chǎn)品的開發(fā)成本和費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量和系統(tǒng)性能的提升，使設(shè)計(jì)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化和最具創(chuàng)新性。綜合以上優(yōu)勢(shì)，該技術(shù)一經(jīng)出現(xiàn)就受到了眾多工業(yè)發(fā)達(dá)和高等院校及設(shè)計(jì)和生產(chǎn)企業(yè)的重視，許多著名的產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)者都對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了引入并運(yùn)用在自身產(chǎn)品的開發(fā)中，并且取得了極好的經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)效益。在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用仿真技術(shù)對(duì)零件進(jìn)行設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工序等方面的選用以及工藝參數(shù)、加工工藝、裝配工藝等構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)性等均可以實(shí)現(xiàn)建模仿真。
4虛擬制造技術(shù)在機(jī)械工程中發(fā)揮的優(yōu)勢(shì)
4.1強(qiáng)大的通用性和分析處理復(fù)雜問題的能力
虛擬樣機(jī)技術(shù)建立和發(fā)展的基礎(chǔ)是分析力學(xué)和多體運(yùn)動(dòng)力學(xué)，該技術(shù)的關(guān)鍵是對(duì)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)建模。因此，大多數(shù)的虛擬樣機(jī)技術(shù)軟件主要運(yùn)用的是帶約束乘子的微分代數(shù)混合方程。令每個(gè)構(gòu)件都有六個(gè)自由度是它的核心，還要要求其對(duì)多余的自由度進(jìn)行限制，實(shí)現(xiàn)其具有良好的通用性，達(dá)到適用性強(qiáng)的目的。與此同時(shí)，虛擬樣機(jī)技術(shù)還對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的詳細(xì)環(huán)節(jié)進(jìn)行考慮，具體指彈性、接觸和摩擦等因素。
4.2為機(jī)械系統(tǒng)建模帶來便利
傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)建模中要先建立運(yùn)動(dòng)分析，隨后在運(yùn)動(dòng)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)力分析，這中間需要許多的圖形分析和公式推導(dǎo)。但是圖形的分析和公式的推導(dǎo)過程往往比較復(fù)雜，并且錯(cuò)誤率高。同樣的建模過程中設(shè)計(jì)人員只需要將機(jī)械的構(gòu)成方式和連接方法以及相應(yīng)的物理參數(shù)實(shí)施輸入，其后的建模和求解只需要計(jì)算來完成就可以了，極大地幫助設(shè)計(jì)人員承擔(dān)了許多的設(shè)計(jì)難度。
4.3強(qiáng)大的后期處理能力
在傳統(tǒng)的分析方法上通常得出的是大量的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的理解還要依靠豐富的經(jīng)驗(yàn)和理論。但是運(yùn)用虛擬樣機(jī)計(jì)算軟件為復(fù)雜性的數(shù)據(jù)提供了可視化技術(shù)，使得設(shè)計(jì)人員直觀地看到機(jī)械設(shè)計(jì)的性能和運(yùn)動(dòng)效果。
5結(jié)語
虛擬制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代工程機(jī)械工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的設(shè)計(jì)、試制等一系列過程的直觀性。實(shí)現(xiàn)了在產(chǎn)品真正制造出來前，可以在虛擬的制造環(huán)境中生成產(chǎn)品的原型，更好地替代現(xiàn)實(shí)中的硬件產(chǎn)品，更方便地對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的性能和可生產(chǎn)性進(jìn)行評(píng)估，極大地縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期，最大化地節(jié)約了產(chǎn)品開發(fā)的成本，保證產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計(jì)可以適應(yīng)市場(chǎng)的靈活性的變化。虛擬制造技術(shù)是現(xiàn)實(shí)技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在機(jī)械制造中的綜合應(yīng)用。在現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)的幫助下實(shí)現(xiàn)對(duì)眾多產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計(jì)，不僅不會(huì)造成實(shí)際物質(zhì)的浪費(fèi)，并且還能更直觀地了解產(chǎn)品生產(chǎn)的具體情況，打開了機(jī)械制造和設(shè)計(jì)的全新局面。
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篇8
〔正文〕
機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械類各專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。同時(shí)，該課程也是工科類專業(yè)的基礎(chǔ)必修課。本課程在教學(xué)內(nèi)容方面，著重基本知識(shí)、基本理論和基本方法，在培養(yǎng)實(shí)踐能力方面，著重設(shè)計(jì)構(gòu)思和設(shè)計(jì)技能的基本訓(xùn)練。在本課程學(xué)習(xí)中，綜合運(yùn)用先修課程中所學(xué)的有關(guān)知識(shí)和技能，結(jié)合各種教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)及課程設(shè)計(jì)的基本鍛煉，為順利地過渡到學(xué)習(xí)有關(guān)專業(yè)課程及進(jìn)行專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。
機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)是機(jī)械類專業(yè)和近機(jī)類專業(yè)學(xué)生在學(xué)完機(jī)械設(shè)計(jì)及同類課程以后所設(shè)置的一個(gè)重要的教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，也是學(xué)生第一次較全面、規(guī)范地進(jìn)行設(shè)計(jì)訓(xùn)練機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)的一個(gè)重要實(shí)踐環(huán)節(jié)。其主要目的是培養(yǎng)學(xué)生的理論聯(lián)系實(shí)際的設(shè)計(jì)能力，訓(xùn)練學(xué)生綜合運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)課程和其他先修課程的基礎(chǔ)理論并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行分析和解決工程實(shí)際問題的能力，鞏固、深化和擴(kuò)展學(xué)生有關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)方面的知識(shí)；通過對(duì)通用機(jī)械傳動(dòng)或簡(jiǎn)單機(jī)械的設(shè)計(jì)，使學(xué)生掌握一般機(jī)械設(shè)計(jì)的程序和方法，樹立正確的工程設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)獨(dú)立、全面、科學(xué)的工程設(shè)計(jì)能力等；在課程設(shè)計(jì)實(shí)踐中，對(duì)學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)基本技能的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生查閱和使用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊(cè)、圖冊(cè)及相關(guān)技術(shù)資料的能力以及計(jì)算、繪圖、數(shù)據(jù)處理和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等方面的能力等。
基于以上認(rèn)識(shí)，結(jié)合近年我校機(jī)械設(shè)計(jì)課程體系、課程內(nèi)容以及立體化教學(xué)模式的改革和重點(diǎn)課程建設(shè)，在學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)踐中，主要從機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法和手段的改進(jìn)等方面進(jìn)行了大膽的改革與實(shí)踐，逐步實(shí)施了從手工繪圖到二維AUTOCAD的應(yīng)用最終到三維 CAD的過渡，在提高學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和綜合素質(zhì)方面得到了較好的效果。
一. 機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐的現(xiàn)狀
幾個(gè)世紀(jì)以來，人們用手工繪圖來表達(dá)自己的設(shè)計(jì)理念。圖紙作為工程師的語言，為工程設(shè)計(jì)技術(shù)人員之間進(jìn)行有效的交流帶來極大方便。然而，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，手工繪圖已不能滿足機(jī)械設(shè)計(jì)的要求。現(xiàn)在，機(jī)械設(shè)計(jì)手段從20世紀(jì)70年代的手工繪圖轉(zhuǎn)向計(jì)算機(jī)繪圖，大大提高了繪圖效率和繪圖質(zhì)量。
目前，CAD技術(shù)主要以二維繪圖軟件AUTOCAD為代表，在機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐中只是教會(huì)學(xué)生操作和繪制簡(jiǎn)單的零件圖，而用AUTOCAD繪制裝配圖以及進(jìn)行有關(guān)的工程分析是非常不便的且很難實(shí)現(xiàn)。為此，為了能夠方便地繪制裝配圖，在機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)和畢業(yè)設(shè)計(jì)中逐步地采用了CAXA電子圖版、開目CAD等二維繪圖軟件作為繪圖工具，輔助完成零部件設(shè)計(jì)。 當(dāng)前，我國(guó)制造業(yè)已全面完成甩圖板工程，二維CAD技術(shù)的普及結(jié)束了手工繪圖的歷史，對(duì)減輕人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高經(jīng)濟(jì)效益起到了很明顯的作用。隨著技術(shù)的發(fā)展，CAD技術(shù)正從二維CAD向三維CAD過渡，有相當(dāng)一部分CAD應(yīng)用較早的企業(yè)已完成了從二維CAD向三維CAD轉(zhuǎn)換，并取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。企業(yè)需要掌握三維CAD技術(shù)的專業(yè)人才，掌握三維CAD技術(shù)已成為工科院校畢業(yè)生最基本的要求。因此，在機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)中采用三維 CAD技術(shù)，已成為我們現(xiàn)在機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)改革的重要內(nèi)容和亟待解決的問題。
二. 三維CAD關(guān)鍵技術(shù)
三維CAD造型技術(shù)也稱建模技術(shù)，它是CAD技術(shù)的核心。從20世紀(jì)60年代至今，三維建模技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了線框建模、曲面建模、實(shí)體建模、特征建模、參數(shù)化建模、變量化建模，以及當(dāng)今正在研究的產(chǎn)品集成建模、行為建模等發(fā)展過程。三維CAD以三維造型設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，只要形成了三維模型，各種二維視圖唾手可得。三維CAD技術(shù)在產(chǎn)品的三維造型、虛擬裝配、工程圖生成、動(dòng)態(tài)干涉檢驗(yàn)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)態(tài)仿真、有限元分析等方面帶來了革命性得突破，提高了設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。三維設(shè)計(jì)的真正意義不僅僅在于設(shè)計(jì)模型本身，而是設(shè)計(jì)出模型的后處理工作。
三維CAD技術(shù)主要包括以下內(nèi)容：三維造型/三維設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助工程分析、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析/仿真、裝配干涉檢驗(yàn)、三維轉(zhuǎn)二維、圖樣檔案管理等。科技論文。科技論文。利用這種全過程的三維CAD系統(tǒng)完成設(shè)計(jì)以后，不僅使設(shè)計(jì)對(duì)象的幾何形狀和性能滿足要求，而且使各方面的指標(biāo)（強(qiáng)度、剛度、重量和成本等）都達(dá)到最佳狀態(tài)，這是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和輔助工程分析的根本目的。三維CAD符合設(shè)計(jì)者的思維習(xí)慣，可以充分發(fā)揮設(shè)計(jì)者創(chuàng)造力和想象力。三維 CAD技術(shù)不僅解決了產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工程圖繪制的問題，更重要的是利用三維CAD技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)，所生產(chǎn)的三維零件可以直接與CAE/CAM/CAPP等CIMS技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和銜接，是將來實(shí)現(xiàn)無圖樣生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，是實(shí)現(xiàn)虛擬制造的重要手段。掌握三維CAD技術(shù)的使用，已經(jīng)逐步同使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行文字處理一樣，成為產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計(jì)人員的一種基本技能。
三、CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
隨著計(jì)算機(jī)性能的提高，網(wǎng)絡(luò)通訊的普及化、信息處理的智能化，CAD三維技術(shù)正向規(guī)范化、智能化、集成化的方向發(fā)展。
1. 規(guī)范化。ス娣痘(標(biāo)準(zhǔn)化)的趨勢(shì)體現(xiàn)在幾個(gè)方面：數(shù)據(jù)模型的規(guī)范化(標(biāo)準(zhǔn)化)、數(shù)據(jù)交換格式的標(biāo)準(zhǔn)化和CAD資源的規(guī)范化等。數(shù)據(jù)模型應(yīng)采用STEP標(biāo)準(zhǔn)體系。隨著STEP標(biāo)準(zhǔn)體系的逐步完善，它對(duì)于幾何數(shù)據(jù)、工程數(shù)據(jù)模型的思想將作為新一代CAD系統(tǒng)的開發(fā)指南。靠以前的一些標(biāo)準(zhǔn)接口已經(jīng)無法完全滿足CAD數(shù)據(jù)交換的要求。目前，參數(shù)化特征模型的傳輸還是一個(gè)世界難題，在STEP標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，相信這一點(diǎn)能有所突破。
2.智能化。ヌ卣髟煨禿筒問設(shè)計(jì)的采用即是智能化方面的進(jìn)步。軟件不僅僅是提供一些繪制的工具由人們?nèi)ナ褂茫膊辉賹⒄季€面數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一起，而忽略其內(nèi)在聯(lián)系。特征和參數(shù)的引入使得軟件似乎成為人類(用戶)一個(gè)更聰明的助手。科技論文。CAD軟件應(yīng)該更大限度地將工程數(shù)據(jù)概念集成到數(shù)據(jù)模型中，例如目前，CAD軟件的特征模型主要是解決零件幾何造型的問題，而對(duì)于后續(xù)分析、CAPP和加工的需要還考慮得不夠。
3.集成化。ゼ成化是當(dāng)今CAD技術(shù)發(fā)展的又一大趨勢(shì)。CAD技術(shù)不是孤立的。首先，它集成了計(jì)算機(jī)軟硬件、數(shù)據(jù)庫、外圍設(shè)備、圖形學(xué)、網(wǎng)絡(luò)及各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)。同時(shí)，它又不斷和CAM(計(jì)算機(jī)輔助制造)、CAPP(計(jì)算機(jī)輔助工藝流程規(guī)劃)、MIS（管理信息系統(tǒng))、PDM(產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理)以及MRP(制造資源管理)等系統(tǒng)相集成。由于Internet的發(fā)展，使得這些設(shè)想得以實(shí)現(xiàn)。如何構(gòu)造在Internet體系上的CAD/CAM集成化系統(tǒng)將會(huì)是人們追蹤的熱點(diǎn)。特別是在全球經(jīng)濟(jì)一體化的背景下，并行工程、異地設(shè)計(jì)制造等概念的發(fā)展和應(yīng)用，基于網(wǎng)絡(luò)、基于WEB的協(xié)同設(shè)計(jì)制造系統(tǒng)大受青睞。現(xiàn)在已有一些標(biāo)準(zhǔn)，如解決異構(gòu)系統(tǒng)平臺(tái)的XML和XML-3D，以及解決三維圖形、圖像在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸共享的VRML標(biāo)準(zhǔn)相繼出臺(tái)，已經(jīng)為我們?cè)诨ヂ?lián)網(wǎng)的構(gòu)架下，建立協(xié)同設(shè)計(jì)和協(xié)同工作的環(huán)境打下了基礎(chǔ)。
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篇9
實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅能幫助學(xué)生形成正確的概念，加深對(duì)規(guī)律的理解，而且與課堂理論教學(xué)相比，實(shí)驗(yàn)課程為培養(yǎng)和提高學(xué)生的動(dòng)手能力、研究能力、創(chuàng)新意識(shí)提供了較好的途徑。因此，實(shí)驗(yàn)課程在學(xué)科教學(xué)中具有不可替代的作用。隨著高等教育的普及，對(duì)實(shí)驗(yàn)資源的需求與目前存在的實(shí)驗(yàn)條件不足之間的矛盾日益突出。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的出現(xiàn)，很好地解決了這一問題。但是，目前現(xiàn)有的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要存在以下問題：
(1)呈現(xiàn)方式上以提供實(shí)驗(yàn)的文字和圖片資料為主。這些文字和圖片資料涉及實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)儀器的介紹，學(xué)生更多的只是停留在“看”的層次上，這在一定程度上不能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，不利于實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力的培養(yǎng)。
(2)用戶與虛擬實(shí)驗(yàn)的交互性不強(qiáng)。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)多以提供實(shí)驗(yàn)操作過程的視頻和動(dòng)畫為主，主要呈現(xiàn)演示型實(shí)驗(yàn)，學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)操作較少。
(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果多以靜態(tài)圖像形式呈現(xiàn)，這在一定程度上影響了實(shí)驗(yàn)者的沉浸感。
虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)技術(shù)的發(fā)展，為利用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開展教學(xué)注入了新的活力。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能為學(xué)生提供生動(dòng)、逼真的三維學(xué)習(xí)環(huán)境, 學(xué)生作為一名參與者操縱該環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)對(duì)象。該虛擬環(huán)境具有豐富的媒體表現(xiàn)形式、增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)感，這對(duì)調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性, 突破教學(xué)的重點(diǎn)、難點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的技能將起到積極的作用。虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言VRML(Virtual Reality Modeling Language)是一種用于描述三維物體及其行為的建模語言，它可以構(gòu)建虛擬世界，并集成文本、圖像、音響、MPEG 影像等多種媒體類型。在VRML中雖然可以嵌入Vrmlscript、Javascript 等語言編寫的程序代碼，但它本身并沒有直接和用戶進(jìn)行交互的能力，需要與其他語言結(jié)合才能實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景和用戶交互的要求。因此，為了構(gòu)建功能強(qiáng)大的三維虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，有必要對(duì)現(xiàn)階段VRML語言與其他軟件的交互方式進(jìn)行探討。
二、虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言及其特點(diǎn)
VRML是一種三維場(chǎng)景的描述性語言，使用它能在Web上創(chuàng)建可導(dǎo)航的、超鏈接的三維虛擬現(xiàn)實(shí)空間。虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言的出現(xiàn)，改變了Web頁面限于二維空間的表達(dá)方式，創(chuàng)造了交互式瀏覽的三維空間。VRML并不是用三維坐標(biāo)點(diǎn)的數(shù)據(jù)來描述三維物體的，而是用類似HTML標(biāo)記文本語言來描述三維場(chǎng)景。它以靈活多樣的方式將二維、三維圖形和動(dòng)畫、影片、聲響、音樂等多種效果調(diào)和在一起，具有對(duì)內(nèi)的樹型場(chǎng)景結(jié)構(gòu)和對(duì)外的分布式場(chǎng)景結(jié)構(gòu)，提供了可重用的節(jié)點(diǎn)和原型，便于建模。用戶在場(chǎng)景中可以根據(jù)不同的視點(diǎn)巡視，有很大的自由度。[1]VRML文件包括兩大部分，場(chǎng)景描述部分和動(dòng)態(tài)交互處理部分。場(chǎng)景描述部分主要通過造型(shape)結(jié)點(diǎn)定義了對(duì)象的幾何尺寸、材質(zhì)紋理，通過組(Group)結(jié)點(diǎn)將各個(gè)對(duì)象按一定的結(jié)構(gòu)組織為場(chǎng)景，通過光照及聲音結(jié)點(diǎn)在場(chǎng)景中模仿對(duì)象的自然特性。動(dòng)態(tài)交互處理部分主要通過傳感器(Sensor)結(jié)點(diǎn)感知用戶與對(duì)象的交互，插值器(Interpolator)結(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)類似關(guān)鍵幀技術(shù)的插值動(dòng)畫，Script結(jié)點(diǎn)是VRML與Java、JavaScript等語言的接口，通過Script結(jié)點(diǎn)與其他語言的結(jié)合，能擴(kuò)展VRML的功能。[2]VRML有以下特點(diǎn)：
1.C/S的工作模式和平臺(tái)無關(guān)性。VRML的訪問方式是基于C/S模式的，其中服務(wù)器提供VRML文件及圖像、視頻、聲音等支持資源，客戶通過網(wǎng)絡(luò)下載希望訪問的文件，并通過本地平臺(tái)上的VRML瀏覽器交互式地訪問該文件描述的虛擬世界。由于瀏覽器是本地平臺(tái)提供的，從而實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)無關(guān)性。
2.實(shí)時(shí)3D圖形渲染。實(shí)時(shí)3D著色引擎在VRML中得到了更好的體現(xiàn)。
3.網(wǎng)絡(luò)傳輸容易。VRML適合于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的傳輸，并不要求很高的網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬，而且圖形生成的工作可以放在性能要求不高的客戶機(jī)上。
4.VRML具有可伸縮性。首先對(duì)于 VRML 瀏覽器來說，從理論上講，應(yīng)能處理由數(shù)億個(gè)對(duì)象組成的分布在 Internet 上的場(chǎng)景。其次，VRML在高、低檔的機(jī)器上都應(yīng)該工作得很好，它允許瀏覽器為了提高性能而降低圖像或仿真質(zhì)量，而在硬件性能增強(qiáng)時(shí)質(zhì)量可以變得更好。第三，VRML場(chǎng)景可以相對(duì)于網(wǎng)絡(luò)性能而伸縮。
三、三維虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)軟件的三種交互
雖然VRML語言具有以上優(yōu)點(diǎn)，但由于他本身缺乏直接和用戶進(jìn)行交互的能力, 所以在開發(fā)三維虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)時(shí)，常常需要將他與其他語言相結(jié)合。針對(duì)目前常用的三維虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)，筆者對(duì)三種交互方式進(jìn)行了分析。
1.VRML與Java交互
VRML作為面向?qū)ο蟮慕ＵZ言，長(zhǎng)于表達(dá)三維物體的靜態(tài)特征，但其VRML本身不具有與外部交互的能力，它必須和其他語言相結(jié)合才能構(gòu)造出具備交互能力的三維場(chǎng)景。為了實(shí)現(xiàn)與外界更復(fù)雜的交互，VRML2.0標(biāo)準(zhǔn)提供了兩種擴(kuò)展VRML并和外部程序?qū)崿F(xiàn)連接的機(jī)制，一種是通過Script節(jié)點(diǎn)完成復(fù)雜的交互過程，另一種是通過外部編程接口EAI實(shí)現(xiàn)。
(1)通過Script節(jié)點(diǎn)與外部交互
Script節(jié)點(diǎn)本身沒有任何動(dòng)作，其動(dòng)作是由程序腳本來實(shí)現(xiàn)的，它是VRML與其他編程語言的接口。內(nèi)嵌在Script節(jié)點(diǎn)中的程序腳本可用JavaScript 和Java 編寫，其交互過程是，Script節(jié)點(diǎn)通過eventIn接口將事件傳至Script節(jié)點(diǎn)中的程序腳本;瀏覽器就立即調(diào)用內(nèi)嵌程序腳本將事件進(jìn)行處理;被加工的信息由Script節(jié)點(diǎn)的eventOut字段將結(jié)果送出。
VRML瀏覽器捆綁了用于VRML編程的Java類包，該VRML類包主要包括vrml，vrml.node，vrml.field，還有一個(gè)可以操縱瀏覽器狀態(tài)的Browser類。通過調(diào)用這些類包，Java程序可以實(shí)現(xiàn)與VRML場(chǎng)景的交互。雖然利用Script節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)瀏覽者與VRML場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)交互，但這種交互只能按預(yù)先設(shè)定的狀態(tài)進(jìn)行，如果要在外界與VRML場(chǎng)景之間進(jìn)行信息交流，Script 節(jié)點(diǎn)就顯得力不能及了。
(2)通過EAI與外部交互
EAI(External Authoring Interface)是VRML2.0提供的介于VRML世界與外部環(huán)境的編程接口，通過此接口VRML場(chǎng)景可以和與其嵌在同一網(wǎng)頁上的Java Applet程序進(jìn)行交互。Java Applet可以監(jiān)視VRML場(chǎng)景事件，并能夠在節(jié)點(diǎn)間傳遞事件，實(shí)現(xiàn)VRML節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)增加和刪除，同時(shí)可以在瀏覽者與VRML場(chǎng)景間傳遞信息，從而大大提高了外界與VRML場(chǎng)景的交互能力。VRML的EAI接口定義了一套針對(duì)VRML瀏覽器的Java類包，它由三部分組成：vrml.external，vrml.external.field，vrml.external.exception。
EAI在Java Applet與VRML場(chǎng)景進(jìn)行通訊時(shí)，首先需要獲取Browser類的實(shí)例, 通過調(diào)用封裝在vrml.external包中的Browser類的靜態(tài)方法getBrowser( )來實(shí)現(xiàn)，在Java Applet中建立Browser對(duì)象后即標(biāo)識(shí)了一個(gè)VRML場(chǎng)景。Browser類包含獲取當(dāng)前瀏覽器環(huán)境信息的各種方法，其中通過調(diào)用getNode( )方法直接獲得VRML場(chǎng)景中使用DEF關(guān)鍵字定義的節(jié)點(diǎn)對(duì)象，調(diào)用getEvent In( )、getEvent Out( )方法獲得訪問節(jié)點(diǎn)的入事件、出事件。 眾多學(xué)者對(duì)利用VRML與Java技術(shù)混合開發(fā)的三維虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了研究。如金俠杰等人基于VRML技術(shù)與Java技術(shù)開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)交互式虛擬裝配環(huán)境;池建斌等人通過VRML外部編程接口EAI及內(nèi)嵌腳本節(jié)點(diǎn)編程，實(shí)現(xiàn)了二級(jí)圓柱齒輪減速器虛擬拆裝系統(tǒng);吳波等人基于VRML與Java技術(shù)在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了研究，提出一種新型的Web環(huán)境下3D交互仿真結(jié)構(gòu)，復(fù)雜的運(yùn)算和仿真在服務(wù)器上進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端裝配模型和客戶端顯示模型的分離，并在此基礎(chǔ)之上提出協(xié)同環(huán)境開發(fā)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。[3][4][5] 此外，楊雨標(biāo)等運(yùn)用VRML與Java技術(shù)在微機(jī)上進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真。 [6] 分析以上系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，VRML技術(shù)與Java技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)三維虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的三維立體感和交互性，常用于虛擬裝配及其他工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域。
2.VRML與Matlab/Simulink交互
利用Matlab提供的虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱，可以實(shí)現(xiàn)和VRML程序的直接交互。虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱是Matlab 6.X版新增加的工具箱，能在一個(gè)三維虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行可視化操作和與動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行交互提供一種有效的解決方案，這些動(dòng)態(tài)系統(tǒng)用Matlab和Simulink來描述。[7] 虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱拓展了Matlab和Simulink處理虛擬現(xiàn)實(shí)圖像的能力。使用標(biāo)準(zhǔn)的VRML技術(shù)，可以通過Matlab和Simulink環(huán)境生成三維場(chǎng)景。
虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱可以在Matlab接口和Simulink接口兩種環(huán)境中運(yùn)行，而Simulink接口更直接、更容易使用，很容易通過圖形用戶界面進(jìn)行交互，因而可能是更適合的工作方式。通過Simulink這一接口，可以在一個(gè)虛擬的三維模型中觀察動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的模擬。一旦在Simulink對(duì)話框中包含了虛擬現(xiàn)實(shí)模塊，就可以選擇與Simulink信號(hào)連接的虛擬世界。所有VRML節(jié)點(diǎn)的屬性分別列在等級(jí)樹樣式的觀察窗口中，可以選擇控制的自由度。當(dāng)關(guān)閉接口對(duì)話框后，虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱模塊自動(dòng)更新在虛擬世界中與選擇節(jié)點(diǎn)有關(guān)的輸入和輸出。當(dāng)連接這些輸入到一定的Simulink信號(hào)上時(shí)，就可以在一個(gè)支持VRML的瀏覽器中觀察可視化的模擬。
使用Matlab的虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱開發(fā)三維虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：(1)利用Matlab虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱，能夠?qū)⒖菰锏腣RML編程變?yōu)榭梢暬幊蹋?jiǎn)化了虛擬場(chǎng)景的設(shè)計(jì)。(2)Matlab /Simulink是專用的計(jì)算軟件，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算方面表現(xiàn)出極強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。(3)通過Simulink接口，很容易實(shí)現(xiàn)與三維圖形用戶界面的交互。但是如果在本地機(jī)上使用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，需要在本地機(jī)上安裝Matlab/Simulink、虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱以及VRML編輯器、Web瀏覽器和VRML插件。如果本地機(jī)上不能安裝Matlab/Simulink，用戶也可以通過遠(yuǎn)程機(jī)來觀察和控制三維虛擬世界。當(dāng)然，要求遠(yuǎn)程機(jī)上所有的組成部分都需要支持標(biāo)準(zhǔn)的VRML97軟件。通過Matlab Web Server功能也可以實(shí)現(xiàn)三維虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的遠(yuǎn)程訪問。用戶可以通過客戶端瀏覽器瀏覽包含有虛擬場(chǎng)景和相應(yīng)表單的頁面，瀏覽虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的同時(shí)可以在表單中修改實(shí)驗(yàn)參數(shù)，點(diǎn)擊發(fā)送后，客戶端的參數(shù)通過HTTP協(xié)議傳送給Web服務(wù)器, 由matweb.exe將參數(shù)提取出來，再傳送給指定的M文件。該M文件對(duì)matweb傳送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算后傳送到Simulink仿真模型中去，以改變虛擬場(chǎng)景的運(yùn)行。
3.VRML、Java以及Matlab三者交互
使用VRML、Java以及Matlab軟件混合開發(fā)的三維虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要有兩種，一是針對(duì)Matlab虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱與VRML程序交互的局限性，采用Java編程擴(kuò)展Matlab虛擬現(xiàn)實(shí)可視化交互功能。這種方案結(jié)合了前兩種交互方式的優(yōu)點(diǎn)，有效地運(yùn)用Matlab虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱實(shí)用的建模環(huán)境和Java 擴(kuò)展的人機(jī)交互性，在三維虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)中具有廣闊的應(yīng)用前景。二是直接采用VRML、Java以及Matlab/Simulink三種軟件之間的接口編程。采用Java Applet程序和VRML構(gòu)建的3D場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)用戶界面，利用Java套接字，通過部署在客戶端的Java Applet和服務(wù)器端Java應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)客戶端與服務(wù)器端的傳輸。運(yùn)用Matlab/Simulink進(jìn)行實(shí)驗(yàn)建模和運(yùn)算，并利用Matlab的COM接口實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器端的Java連接，將客戶端實(shí)驗(yàn)參數(shù)傳送到Matlab/Simulink中進(jìn)行仿真運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)束后再將實(shí)驗(yàn)結(jié)果傳送回客戶端。該方案采用B/S結(jié)構(gòu)，滿足了網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。客戶端只需一個(gè)集成Java虛擬機(jī)的瀏覽器即可運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，同時(shí)由于網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容存放在服務(wù)器端，易于實(shí)驗(yàn)功能擴(kuò)展和管理。此外，該方案特別適用于復(fù)雜實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆抡妗?/p>
使用VRML、Java以及Matlab軟件開發(fā)的三維虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)，在呈現(xiàn)方式上采用3D技術(shù)，豐富了媒體的表現(xiàn)形式，增強(qiáng)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的臨境感;由于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠?jì)算采用的是專用的計(jì)算軟件，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算方面也表現(xiàn)出極強(qiáng)的優(yōu)勢(shì);系統(tǒng)能根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)地顯示三維實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪\(yùn)動(dòng)，并以相圖等形式呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的直觀化、形象化，能夠促進(jìn)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的深入探究，提高其問題解決能力。
四、結(jié)束語
三維虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間和空間，提高了教學(xué)效率，不僅可以作為課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)的補(bǔ)充，而且為遠(yuǎn)程教育中實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展注入了新的活力，因而具有良好的應(yīng)用前景。本文介紹了三維虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)過程中常用軟件的三種交互方式，對(duì)各種交互方式進(jìn)行了分析，希望對(duì)廣大開發(fā)者有所啟發(fā)。
篇10
文章編號(hào)：1672-5913(2007)13-0031-03
引言
機(jī)械測(cè)繪課程設(shè)計(jì)是我國(guó)高校機(jī)械類和電機(jī)類專業(yè)普遍開設(shè)的一門重要實(shí)踐課程，是機(jī)械制圖教學(xué)中一個(gè)重要后續(xù)環(huán)節(jié)，要求學(xué)生利用一周時(shí)間，對(duì)典型的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行工作原理分析，拆卸、安裝并使用簡(jiǎn)單的測(cè)繪工具如鋼板尺、游標(biāo)卡尺、內(nèi)外卡鉗、各種螺絲刀等對(duì)各個(gè)零件進(jìn)行測(cè)量，畫出零件圖和裝配圖并標(biāo)注尺寸，填寫明細(xì)表和技術(shù)要求。其目的是加強(qiáng)、鞏固、深化、擴(kuò)展課堂教學(xué)的理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力及操作能力，進(jìn)一步提高學(xué)生分析問題和解決問題的水平。但是傳統(tǒng)的手工測(cè)繪和計(jì)算機(jī)二維繪圖的實(shí)踐方式已經(jīng)落后于時(shí)代，手工測(cè)繪工作量大，重復(fù)勞動(dòng)較多，修改復(fù)制不方便，學(xué)生普遍興趣不高。以AutoCAD為代表的二維繪圖軟件一度成為計(jì)算機(jī)繪圖和輔助設(shè)計(jì)的首選軟件，在高校機(jī)械測(cè)繪教學(xué)實(shí)踐中得到普遍應(yīng)用，但是近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，三維彩色圖像仿真技術(shù)和軟件編程技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)繪圖已從二維平面圖發(fā)展到三維立體圖，機(jī)械計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)也從二維設(shè)計(jì)發(fā)展到三維設(shè)計(jì)。當(dāng)前不少CAD應(yīng)用系統(tǒng)已經(jīng)將設(shè)計(jì)、繪圖、分析、仿真、加工等一系列功能集成于一體，并在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。因此對(duì)機(jī)械測(cè)繪課程設(shè)計(jì)的改革迫在眉睫，讓學(xué)生在機(jī)械測(cè)繪的繪圖實(shí)踐中就掌握三維CAD軟件的應(yīng)用尤為重要。
1使用三維建模和設(shè)計(jì)軟件的優(yōu)點(diǎn)和必要性
(1) 隨著先進(jìn)數(shù)控設(shè)備及大量的CAD/CAM/CAE軟件的不斷涌現(xiàn)，設(shè)計(jì)、分析、加工、檢測(cè)等功能一體化已經(jīng)成為現(xiàn)代制造技術(shù)的基本特征，工程圖樣是CAD/CAPP/CAM/ERP各個(gè)模塊間的重要的信息載體，它不僅表達(dá)產(chǎn)品的幾何構(gòu)造，還是對(duì)產(chǎn)品性能進(jìn)行分析和優(yōu)化，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行模擬和驗(yàn)證及工程數(shù)據(jù)管理的重要基礎(chǔ)，二維圖樣已遠(yuǎn)不能滿足要求，而能夠完成這一系列制造工程的信息載體只能是三維模型。
(2) 三維設(shè)計(jì)符合人的思維過程。設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)時(shí)，總是先構(gòu)思，后表達(dá)，即先構(gòu)思出產(chǎn)品的形狀，然后再將構(gòu)思出的產(chǎn)品形狀表達(dá)出來。由于在腦海中構(gòu)思出的產(chǎn)品形狀是三維的，因此，畫三維立體圖符合設(shè)計(jì)師的創(chuàng)新意識(shí)流，有利于設(shè)計(jì)的深入進(jìn)行。
(3) 由三維設(shè)計(jì)得到的三維立體圖具有直觀、易于理解等特點(diǎn)，便于與他人進(jìn)行技術(shù)交流，甚至可以與不懂機(jī)械制圖的人們交流。
(4) 有利于獲得復(fù)雜的幾何造型，如截交、相貫、不規(guī)則復(fù)雜曲面等。
(5) 可以在計(jì)算機(jī)上對(duì)零件進(jìn)行力學(xué)分析、虛擬加工、虛擬裝配，檢驗(yàn)零件的裝配情況，從而減少制造昂貴的產(chǎn)品樣機(jī)的數(shù)量。
2國(guó)內(nèi)外較流行的三維建模和設(shè)計(jì)軟件
目前不少公司和高校都從事機(jī)械三維設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)，推出了不少各具特色的軟件，當(dāng)前較流行的國(guó)內(nèi)外軟件有：Unigraphics Solutions公司的UGⅡ、 SDRC公司的IDEAS、Dassult公司CATIA、PTC公司的PRO/E、MATRA公司的Euclid、CV公司的CADDS5、Solidworks公司的Solidworks、Autodesk公司的MDT和Inventor、北航海爾的CAXA，華中軟件集團(tuán)的InerCAD、開目軟件公司的開目CAD等。
筆者所選擇的Solidworks軟件，是一個(gè)美國(guó)Solidworks公司開發(fā)的基于Windows平臺(tái)的CAD軟件，有較強(qiáng)大的三維建模、工程圖繪制、動(dòng)畫制作和模型渲染功能，以其為核心集成的CAD/CAM/CAM系統(tǒng)可較好滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析、制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的一體化要求，并能與其他CAD/CAM/CAE軟件達(dá)到無縫連接和集成。該軟件在較短時(shí)間得到了企業(yè)和高校的認(rèn)可，在上海，該軟件已成為不少單位招聘機(jī)械崗位員工的基本需求之一，上海十多所工科高校自2000年開始連續(xù)舉辦和參與SolidWorks軟件應(yīng)用大賽，在美國(guó)筆者進(jìn)修的加州大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)的課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)中也得到普遍使用。
3應(yīng)用Solidworks軟件的齒輪減速器各零件的三維建模
齒輪減速器就是各高校普遍采用的測(cè)繪對(duì)象，它由齒輪、齒輪軸、軸、滾動(dòng)軸承、鍵等零件安裝在封閉的箱體內(nèi)組成，是工程上具有典型性和代表性的部件。
3.1箱座的三維建模
箱座是減速器的主要零件之一，主要用來支承和固定其他零件。如圖1所示，結(jié)構(gòu)有一定復(fù)雜性，在三維建模前，首先進(jìn)行形體分析，如將其分為箱座主體、內(nèi)腔、底板、箱體聯(lián)接凸緣、加強(qiáng)肋、螺栓凸臺(tái)、回油溝、吊耳、排油孔等部分，然后就可以應(yīng)用Solidworks進(jìn)行三維實(shí)體建模，通過各種二維繪圖和編輯操作產(chǎn)生二維圖形，通過二維圖形拉伸、旋轉(zhuǎn)、薄壁特征、抽殼、打孔以及三維編輯等操作來實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體建模，且Solidworks的實(shí)體建模為基于特征的參數(shù)化建模，采用樹狀結(jié)構(gòu)來記錄設(shè)計(jì)歷程中的每一步特征，可以對(duì)特征的狀態(tài)和創(chuàng)建順序進(jìn)行修改、回溯到某一特征然后繼續(xù)進(jìn)行造型，并支持創(chuàng)建特征庫，可以將一些常用特征存在特征庫中，以后再使用時(shí)只需定位和輸入某些尺寸數(shù)值即可完成特征的創(chuàng)建。
3.2螺紋緊固件的三維建模
螺紋緊固件是廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)件，減速器各零件中，除螺釘、螺栓、螺母等標(biāo)準(zhǔn)件外，箱體、箱蓋、通氣塞、排油螺塞等多個(gè)零件都有螺紋，在AutoCAD等軟件中，精確繪制螺紋有一定的困難，采用Solidworks軟件，相對(duì)就比較方便，首先繪制好輪廓和路徑，然后利用掃描工具就可精確構(gòu)造出螺紋的三維結(jié)構(gòu)，圖2是通氣塞三維模型渲染圖。
4減速器的三維裝配
該齒輪減速器的三維裝配比較復(fù)雜，關(guān)鍵在裝配時(shí)要明確各個(gè)零部件間的位置約束關(guān)系，如對(duì)齊、重合、平行、相切、同軸等，并注意裝配的前后順序，可將其分為主動(dòng)軸系零件：主動(dòng)齒輪軸、滾動(dòng)軸承、擋油環(huán)、調(diào)整環(huán)、主動(dòng)軸透蓋、主動(dòng)軸悶蓋等；從動(dòng)軸系零件：從動(dòng)軸、齒輪、滾動(dòng)軸承、定位套筒、調(diào)整環(huán)、從動(dòng)軸透蓋與從動(dòng)軸悶蓋等；箱座及其附件：油標(biāo)小蓋、反光片、油面指示片、螺釘、油塞等；箱蓋及其附件：窺視孔蓋、通氣塞、螺釘、螺母等；一一裝配，然后再集中安裝。圖3是該減速器三維裝配整機(jī)渲染圖，Solidworks裝配較為靈活，采用樹形方式表達(dá)裝配體中的層次和約束關(guān)系，采用SmartMate方法，在動(dòng)態(tài)拖動(dòng)零部件的同時(shí)，可自動(dòng)捕捉適當(dāng)?shù)呐浜详P(guān)系，進(jìn)行裝配。同其他CAD三維軟件，在進(jìn)行零件間三維裝配時(shí)，可進(jìn)行零部件之間的干涉檢查，計(jì)算裝配體的各種物理屬性。
裝配爆炸圖是將裝配到一起的零部件分別移開，使設(shè)計(jì)人員可以更好地對(duì)裝配結(jié)構(gòu)和裝配關(guān)系進(jìn)行分析和觀察。現(xiàn)在不少CAD三維軟件，都可形象地模擬出裝配體各零件間的裝配和拆卸過程，并直接轉(zhuǎn)化為動(dòng)畫，如圖4是采用Solidworks制作的減速器整機(jī)爆炸圖。該軟件除可自動(dòng)根據(jù)裝配關(guān)系生成爆炸圖外，還提供了自動(dòng)和手動(dòng)相結(jié)合的方法生成爆炸圖，在手動(dòng)調(diào)整中可以對(duì)每個(gè)零件移出的方向、距離等進(jìn)行設(shè)定。
5工程圖
現(xiàn)在，絕大多數(shù)的CAD三維軟件，可直接從三維模型投影產(chǎn)生各種工程圖，包括標(biāo)準(zhǔn)三視圖、軸側(cè)圖、向視圖、各種剖視圖、局部視圖等及相關(guān)的尺寸與標(biāo)注，且工程圖和三維模型可相關(guān)聯(lián)，改變某張工程圖紙中的機(jī)件的局部結(jié)構(gòu)和大小，相關(guān)聯(lián)的三維模型和其他圖紙也同時(shí)發(fā)生變化。當(dāng)然，國(guó)外的CAD三維軟件的制圖標(biāo)準(zhǔn)與我國(guó)制圖標(biāo)準(zhǔn)不一致，在由減速器三維模型轉(zhuǎn)化為工程圖紙時(shí)，需根據(jù)我國(guó)國(guó)標(biāo)對(duì)視圖中的某些線條和尺寸標(biāo)注進(jìn)行調(diào)整，標(biāo)注相應(yīng)的工程符號(hào)，即可完成減速器的零件圖和裝配圖。
結(jié)論：
在機(jī)械測(cè)繪課程設(shè)計(jì)中結(jié)合Solidworks等三維CAD軟件，不僅可以提高學(xué)生機(jī)械測(cè)繪能力和制圖技能，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力及用計(jì)算機(jī)進(jìn)行機(jī)械造型的能力，開闊學(xué)生的專業(yè)視野，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和工程素養(yǎng)，為后續(xù)專業(yè)課程如機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、有限元分析等學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)引進(jìn)設(shè)備的消化、吸收、改造也有積極的現(xiàn)實(shí)意義。
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篇11
一、 基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的工程圖學(xué)教學(xué)目標(biāo)
為達(dá)到“厚基礎(chǔ)、寬口徑、重能力、高素質(zhì)、強(qiáng)能力、具有創(chuàng)新精神”的應(yīng)用型人才模式培養(yǎng)目標(biāo)，使學(xué)校所培養(yǎng)的學(xué)生適應(yīng)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)需要，不妨借鑒英國(guó)的機(jī)械類教育模式，即在教學(xué)中強(qiáng)調(diào)一個(gè)“用”字，一切以將來的實(shí)際應(yīng)用為目標(biāo)，對(duì)任何一門課程，都要求教師努力做到讓學(xué)生在學(xué)習(xí)了這門課程之后即可運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)解決生產(chǎn)中的某些實(shí)際問題，這就要求每門課程設(shè)定的目標(biāo)較清晰，讓學(xué)生了解這門課程所學(xué)習(xí)的知識(shí)和培養(yǎng)的技能將來在社會(huì)工作中有何用途。為此，我們?cè)O(shè)定了如下明確的課程教學(xué)目標(biāo)：一是熟練運(yùn)用投影理論并遵照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定繪制和閱讀工程圖樣；二是具有工程圖學(xué)思維能力和工程圖學(xué)素質(zhì)，包括形象思維能力、圖形表達(dá)能力、空間想象能力和嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的工程素質(zhì)；三是熟練運(yùn)用某種cad軟件進(jìn)行二維繪圖和三維構(gòu)型設(shè)計(jì)。
二、 構(gòu)建符合人才培養(yǎng)目標(biāo)的理論教學(xué)體系
教學(xué)體系直接反映了教學(xué)目的和培養(yǎng)目標(biāo),是培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的核心環(huán)節(jié)。在教學(xué)過程中，我們把基本理論、創(chuàng)新能力、綜合素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展作為教學(xué)目標(biāo)，在學(xué)時(shí)少的情況下，不過于強(qiáng)調(diào)知識(shí)的完整與系統(tǒng)，對(duì)教學(xué)體系進(jìn)行了重新優(yōu)化和整合。
（一） 畫法幾何部分強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)理論作用，淡化其難度
畫法幾何是滿足工程設(shè)計(jì)的需要誕生的，它為工程和科學(xué)技術(shù)各個(gè)領(lǐng)域解決機(jī)械結(jié)構(gòu)、空間幾何及工程設(shè)計(jì)等問題提供了可靠的理論依據(jù)及解決問題的有效手段，可提高學(xué)生的空間想象能力和邏輯思維能力。但是，長(zhǎng)期以來畫法幾何占用了大量的教學(xué)時(shí)間，因此，在教學(xué)中，我們重點(diǎn)講清點(diǎn)、線、面和立體投影的基本理論，為學(xué)生學(xué)習(xí)工程制圖打下基礎(chǔ)，不強(qiáng)調(diào)畫法幾何的深度和廣度，對(duì)于圖解法、在三維建模時(shí)自動(dòng)生成的截交線和相貫等比較抽象、難度較大的部分適當(dāng)刪減，剩余內(nèi)容留作自學(xué)，學(xué)生可以根據(jù)自己的掌握情況選擇取舍，教師可以給予相應(yīng)的指導(dǎo)，做到因材施教。
（二） 工程制圖部分重在工程實(shí)踐和實(shí)際應(yīng)用
工程制圖的基本目的是培養(yǎng)學(xué)生利用二維圖形表達(dá)三維形體的能力、閱讀和繪制工程圖樣的能力。這是一個(gè)從“畫法幾何”理論到“工程圖樣”應(yīng)用實(shí)踐的跨越過程，而工程制圖的實(shí)質(zhì)內(nèi)容就是零件圖、裝配圖兩大部分，教材中各章節(jié)都應(yīng)該圍繞這兩個(gè)部分展開。授課時(shí)，首先采用現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)的方式，在實(shí)驗(yàn)室和實(shí)訓(xùn)中心，甚至帶學(xué)生到校外實(shí)習(xí)基地，讓學(xué)生直接感受、觀察、裝拆、測(cè)繪或模擬工程安裝，使學(xué)生對(duì)零件圖、裝配圖的實(shí)用性這一特點(diǎn)有一個(gè)清楚的認(rèn)識(shí)。
關(guān)于零件圖部分，主要通過多個(gè)實(shí)例的講解，把重點(diǎn)放在機(jī)件的表達(dá)方法、表面粗糙度、公差與配合等主要內(nèi)容的實(shí)際應(yīng)用上，對(duì)于尺寸標(biāo)注和和專業(yè)課程密切相關(guān)，在此只是復(fù)習(xí)組合體尺寸標(biāo)注部分，適當(dāng)介紹一些常見工藝結(jié)構(gòu)如鑄造圓角、退刀槽等的標(biāo)注方法。技術(shù)要求部分則重點(diǎn)介紹書寫格式及其在圖樣上的標(biāo)注方法，對(duì)有關(guān)符號(hào)的含意和選用只作簡(jiǎn)介，由學(xué)生自學(xué)。
關(guān)于裝配圖，在圖形表達(dá)部分，重點(diǎn)介紹裝配圖表達(dá)方法的特點(diǎn)，即規(guī)定畫法和特殊表達(dá)方法。尺寸標(biāo)注重點(diǎn)講解裝配圖中必要尺寸與零件圖中完整尺寸標(biāo)注的不同，通過舉例說明性能尺寸、安裝尺寸及裝配尺寸等，使學(xué)生了解其標(biāo)注的重要性，在后續(xù)課程學(xué)習(xí)和應(yīng)用中引起重視。技術(shù)要求中配合符號(hào)在裝配圖中的標(biāo)注及其與零件圖的關(guān)系要向?qū)W生講清楚，其余留待學(xué)生自學(xué)和后續(xù)課程講解。讓學(xué)生明確標(biāo)題欄中的名稱對(duì)看裝配圖的重要性以及明細(xì)表中零件的名稱及材料對(duì)看圖和拆圖的重要性。
（三） 加強(qiáng)利用cad軟件進(jìn)行三維構(gòu)型的教學(xué)
在制造業(yè)中，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中實(shí)際是先在大腦中形成空間形體模型，然后運(yùn)用投影法進(jìn)行表達(dá)，畫出平面圖樣，而生產(chǎn)技術(shù)人員首先閱讀工程圖樣，然后通過空間想象，把圖樣中的內(nèi)容轉(zhuǎn)化到空間去，構(gòu)建出三維形體后再按尺寸和技術(shù)要求進(jìn)行加工生產(chǎn)，因此，在設(shè)計(jì)制造過程中，三維構(gòu)形貫穿始終。但根據(jù)我國(guó)目前機(jī)械裝備現(xiàn)狀，采用三維實(shí)體建模設(shè)計(jì)的企業(yè)絕大部分還只在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、研發(fā)、分析等環(huán)節(jié)采用三維技術(shù)，而最終的生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)還要將其轉(zhuǎn)換為二維圖樣進(jìn)行生產(chǎn)，從我國(guó)制造業(yè)發(fā)展縱向分析，工程形體的三維造型表達(dá)完全取代二維圖樣還需要一個(gè)過程，因此，在教學(xué)中要做到制圖基礎(chǔ)與實(shí)體構(gòu)形相結(jié)合，零件圖繪制與零件實(shí)體造型相結(jié)合，裝配圖繪制與虛擬裝配相結(jié)合，常用零件的畫法與相應(yīng)零件的實(shí)體模型相結(jié)合，三維造型設(shè)計(jì)與制造、分析相結(jié)合。
三、 構(gòu)建符合人才培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)踐教學(xué)體系
工程圖學(xué)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的技術(shù)基礎(chǔ)課,只有通過實(shí)踐,讓學(xué)生盡快將圖學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化為圖學(xué)能力，學(xué)生的創(chuàng)新素質(zhì)和應(yīng)用能力才能得到提升，因此，我們構(gòu)筑的實(shí)踐教學(xué)體系主要有以下幾方面：
（一） 徒手繪圖、儀器繪圖、計(jì)算機(jī)繪圖基本技能訓(xùn)練
在儀器測(cè)繪、討論設(shè)計(jì)方案、技術(shù)交流、現(xiàn)場(chǎng)參觀時(shí)，受現(xiàn)場(chǎng)條件或時(shí)間的限制，經(jīng)常繪制草圖，草圖對(duì)于捕捉設(shè)計(jì)靈感，現(xiàn)場(chǎng)記錄，加速新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開發(fā)，幫助技術(shù)人員組織、形成和拓展思路非常有用。儀器繪圖既是工程技術(shù)人員的必備基本技能，又是學(xué)習(xí)和鞏固圖學(xué)理論知識(shí)不可缺少的方法，在計(jì)算機(jī)繪圖技術(shù)廣泛應(yīng)用的今天，仍然必不可少。因此，在教學(xué)中，徒手繪圖、儀器繪圖和計(jì)算機(jī)繪圖一樣作為基礎(chǔ)平臺(tái)，貫穿在教學(xué)的全過程。
（二） 部件測(cè)繪動(dòng)手環(huán)節(jié)
在部件測(cè)繪動(dòng)手環(huán)節(jié)中，學(xué)生通過測(cè)繪方法的確定、尺寸數(shù)據(jù)的獲取及處理、公差與配合、工量具的正確使用、裝配圖的表達(dá)方案的最優(yōu)選擇等內(nèi)容，增強(qiáng)工程意識(shí)，理論與實(shí)踐相結(jié)合，為提高學(xué)生的圖學(xué)能力和工程應(yīng)用能力打下了基礎(chǔ)。
（三） 三維構(gòu)形設(shè)計(jì)
三維構(gòu)形設(shè)計(jì)就是在給出一定約束條件的前提下，讓學(xué)生通過自己的想象、分析，構(gòu)思三維形體，自主進(jìn)行組合體、零件和裝配體的設(shè)計(jì)以及計(jì)算機(jī)輔助造型等一系列設(shè)計(jì)，采取自由創(chuàng)作和發(fā)現(xiàn)、收集、分析、比較案例的實(shí)踐方式，培養(yǎng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，從而促進(jìn)學(xué)生圖學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)新素質(zhì)的提升。
綜上所述，培養(yǎng)工程應(yīng)用型人才應(yīng)強(qiáng)調(diào)學(xué)用結(jié)合，在工程圖學(xué)教學(xué)中應(yīng)重點(diǎn)突出“學(xué)以致用”，而不是主要強(qiáng)調(diào)知識(shí)的完整性和系統(tǒng)性。筆者面向企業(yè)應(yīng)用與技術(shù)創(chuàng)新，推動(dòng)工程圖學(xué)教育改革，使畫法幾何、工程制圖、計(jì)算機(jī)繪圖三部分內(nèi)容融會(huì)貫通，徒手繪圖、儀器繪圖、計(jì)算機(jī)繪圖三種繪圖能力全面培養(yǎng)，機(jī)電產(chǎn)品、工程項(xiàng)目、軟件系統(tǒng)三種形態(tài)對(duì)象協(xié)調(diào)應(yīng)用，加強(qiáng)測(cè)繪和設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)教學(xué)，并且在教學(xué)中注重充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用和學(xué)生的主體作用，采用啟發(fā)式、討論式、案例式等教學(xué)方法，為學(xué)生圖學(xué)能力的提高和勝任相關(guān)工作奠定了良好的基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)：
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航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的關(guān)鍵部件，而葉片類零件則是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心零件之一，也是發(fā)動(dòng)機(jī)研制和批產(chǎn)的“瓶頸”環(huán)節(jié)。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、品種、數(shù)量繁多，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能影響大、設(shè)計(jì)和制造周期長(zhǎng)、工作量大。由于葉片類零件種類多，葉型、榫頭的形狀復(fù)雜，其工裝設(shè)計(jì)也相對(duì)復(fù)雜。有效的工裝設(shè)計(jì)可以提高工裝設(shè)計(jì)效率、提高工裝(包括零部件)重用度、縮短工裝制造周期、降低工裝制造成本。
目前工裝設(shè)計(jì)選擇的cad平臺(tái)主要以電子圖板方式在企業(yè)工裝設(shè)計(jì)領(lǐng)域使用，即人工進(jìn)行工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算，然后利用cad軟件平臺(tái)進(jìn)行繪圖、出圖。其中大部分企業(yè)采用二維cad基本上只解決工裝繪圖問題，起到了電子圖板的作用，但是參數(shù)化功能不足，設(shè)計(jì)效率低。而極少數(shù)采用三維cad軟件的企業(yè)由于三維實(shí)體造型速度慢，三維實(shí)體模型虛擬裝配繁瑣，輸出符合國(guó)標(biāo)的二維工程圖速度更慢等因素并沒有在工裝設(shè)計(jì)中切實(shí)的發(fā)揮出三維cad軟件強(qiáng)大的實(shí)體造型和參數(shù)化驅(qū)動(dòng)等功能。
基于上述的工裝設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，提出以壓氣機(jī)葉片為對(duì)象，開發(fā)工序數(shù)模驅(qū)動(dòng)的葉片類零件的工裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)中不同級(jí)的葉片，很大一部分在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上一樣，裝夾方式也相同，只在尺寸上有差異，如圖1所示。因此設(shè)計(jì)這些葉片的工裝時(shí)，采用基于實(shí)例的三維工序驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方法，即實(shí)現(xiàn)工序數(shù)模驅(qū)動(dòng)下的工裝數(shù)模自動(dòng)進(jìn)行尺寸調(diào)整，形成新的工裝數(shù)模，并通過設(shè)計(jì)者局部小的修改后，形成最終的滿足要求的新工裝。
1系統(tǒng)特點(diǎn)
本系統(tǒng)與翼寵cad彰工裝設(shè)計(jì)相比，具有以下的特點(diǎn)。
1．1實(shí)現(xiàn)工藝工裝并行設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)的工藝過程設(shè)計(jì)和夾具設(shè)計(jì)過程是相分離的，通常由工藝設(shè)計(jì)部門進(jìn)行零件的工藝設(shè)計(jì)，生成詳細(xì)的加工工序后，將有關(guān)信息傳遞給工裝設(shè)計(jì)部門，由它完成工裝設(shè)計(jì)。然而，建立基于面向工裝設(shè)計(jì)的工藝成熟度模型，在pdm產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理平臺(tái)上，直接使用同一數(shù)據(jù)源三維模型，定制工藝、工裝并行設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)流程，從而實(shí)現(xiàn)工裝工藝的并行設(shè)計(jì)。
1．2三維工序數(shù)模驅(qū)動(dòng)工裝設(shè)計(jì)
其核心思想是通過工序數(shù)模中包含的工藝特征信息(如基準(zhǔn)特征信息、定位及夾緊基準(zhǔn)信息、精度特征信息、材料特征信息和管理特征信息等)來驅(qū)動(dòng)工裝中的相關(guān)組件，使這些組件在空間位置和尺寸上做相應(yīng)的調(diào)整，從而達(dá)到自動(dòng)生成新工裝的目的。
1．3基于pdm的集成化工裝數(shù)據(jù)管理
基于pdm平臺(tái)，建立單一數(shù)據(jù)源的工裝數(shù)據(jù)庫，保證工裝數(shù)據(jù)的唯一性、實(shí)時(shí)性、有效性和安全性。工裝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和信息包括：產(chǎn)品信息、工藝信息、已有工裝信息、工裝標(biāo)準(zhǔn)件庫、典型構(gòu)架．結(jié)構(gòu)庫、加工設(shè)備接口信息，工裝設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)等。通過對(duì)工裝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和信息的有效組織和利用，創(chuàng)造能讓工裝設(shè)計(jì)人員迅速、有效地掌握和借鑒已有工裝設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的環(huán)境，從而提高工裝設(shè)計(jì)速度。
2系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
基于上述特點(diǎn)，本系統(tǒng)以oracle為底層數(shù)據(jù)庫，以tcenterprise(pdm)為數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，以u(píng)gnx3．0為cad支撐系統(tǒng)，采用ug／openapi對(duì)ug進(jìn)行二次開發(fā)，運(yùn)用參數(shù)化建模方法和專家系統(tǒng)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工裝的快速設(shè)計(jì)；所有工裝數(shù)據(jù)全部基于pdm系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理，保證工裝數(shù)據(jù)的唯一性、實(shí)時(shí)l生、有效性和安全性。
基于以上思路，本系統(tǒng)由工序模型設(shè)計(jì)子系統(tǒng)、工裝設(shè)計(jì)子系統(tǒng)、工裝實(shí)例添加子系統(tǒng)三部分組成，具體系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，如圖2所示。
3系統(tǒng)工作流程
系統(tǒng)采用工序數(shù)模驅(qū)動(dòng)的工裝設(shè)計(jì)方法，其工作流程，如圖3所示。
3．1建立新的工序數(shù)模
這是新工裝設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)力，是工裝模型進(jìn)行自適應(yīng)變化的信息來源。
3．2建立典型工裝裝配體模型
這是新工裝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，即典型實(shí)例模型將根據(jù)新工裝數(shù)模中的信息做相應(yīng)的變化，形成新的工裝模型。
3．3新工裝的形成過程
新工裝的形成過程主要是在新工序數(shù)模驅(qū)動(dòng)下的自動(dòng)化過程。首先，需要找到合適的典型工裝；然后，將這個(gè)工裝裝配體模型另存為新名字，同時(shí)修改各組件的名字；再次，將新工序數(shù)模裝配進(jìn)去，執(zhí)行相關(guān)程序，使裝配體各個(gè)組件及相互配合關(guān)系發(fā)生改變；最后，手動(dòng)進(jìn)行某些細(xì)節(jié)的修改，從而形成最終的新工裝。
4系統(tǒng)功能
系統(tǒng)的功能主要分為三部分：工序數(shù)模設(shè)計(jì)功能、基于實(shí)例的工裝設(shè)計(jì)功能、實(shí)例添加向?qū)Чδ堋?/p>
4．1工序數(shù)模設(shè)計(jì)模塊
主要提供計(jì)算機(jī)輔助造型、數(shù)模屬性添加兩類功能。具體功能：(1)葉片零件模型葉身截型線造型功能；(2)葉身數(shù)據(jù)處理完成葉身的造型功能；(3)葉身的葉根葉尖的延伸功he；(4)凸臺(tái)的造型功能；(5)榫頭的造型功能；(6)對(duì)工序模型各部分進(jìn)行布爾并運(yùn)算生成工序模型；(7)向工序模型添加相關(guān)屬性等功能。
4．2工裝設(shè)計(jì)模塊
三維工序驅(qū)動(dòng)的工裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能主要為：工裝設(shè)塊提供基于工序數(shù)模的工裝設(shè)。工序數(shù)模驅(qū)動(dòng)的工裝設(shè)計(jì)，其核心思想是通過工序數(shù)模中包含的信息來驅(qū)動(dòng)工裝中的相關(guān)組件，使這些組件在空間位置和尺寸上做相應(yīng)的調(diào)整，從而達(dá)到自動(dòng)生成新工裝的目的。改設(shè)計(jì)思想中包含有三個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)：工序數(shù)模包含的信息、工裝組件數(shù)模包含的信息、工裝裝配體的相關(guān)約束。
要達(dá)到上述目的，需要提取一些信息：
(1)工裝與工序數(shù)模之間的裝配信息，包括裝配元素和裝配關(guān)系。其中裝配元素是指裝配關(guān)系中直接裝配的那些組件的幾何元素，如工序數(shù)模的葉盆表面，工裝中定位銷球形表面等。裝配關(guān)系是指裝配元素之間以什么關(guān)系裝配在一起，如對(duì)齊、面貼合等。
(2)工裝裝配體組件之間的尺寸關(guān)聯(lián)信息。由于采用數(shù)模驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方法，所以當(dāng)用一個(gè)新的工序數(shù)模驅(qū)動(dòng)工裝裝配體實(shí)例時(shí)，與工序數(shù)模直接接觸的那些組件會(huì)根據(jù)工序數(shù)模包含的信息進(jìn)行自動(dòng)的適應(yīng)性調(diào)整，包括空間位置和尺寸。這就要求其它組件也必須在空間位置和尺寸上做相應(yīng)的變化。為此，工裝裝配體各個(gè)組件之間需要建立尺寸關(guān)聯(lián)關(guān)系。建立關(guān)聯(lián)關(guān)系的原則是：當(dāng)一個(gè)組件的尺寸變化后，會(huì)影響到哪些組件的尺寸，如何影響。建立的尺寸關(guān)系用ug中的表達(dá)式進(jìn)行記錄，包括兩種：裝配關(guān)系中的距離表達(dá)式和組件所對(duì)應(yīng)的part文件中的特征表達(dá)式。
4．3工裝實(shí)例添加功能
這是一個(gè)向?qū)Чぞ撸龑?dǎo)操作人員定義新典型工裝裝配體，并對(duì)添加相應(yīng)的屬性。
工裝實(shí)例庫中的實(shí)例是相對(duì)典型的和穩(wěn)定的工裝裝配體。實(shí)例庫的建立需要在pdm平臺(tái)下完成，要考慮實(shí)例庫和pdm之間的管理關(guān)系，以及實(shí)例庫中的實(shí)例與pdm中產(chǎn)品bom之間的關(guān)系。實(shí)例庫中工裝實(shí)例的添加、刪除、修改和查詢功能均需在pdm環(huán)境中完成。
工裝實(shí)例庫的建立需要兩方面的工作：
(1)以葉片類零件為應(yīng)用對(duì)象，對(duì)典型工裝設(shè)計(jì)知識(shí)進(jìn)行總結(jié)歸納，包括：典型且可以重用的零組件、零組件的尺寸參數(shù)、技術(shù)規(guī)格、圖形、設(shè)計(jì)流程，形成相應(yīng)的夾具零組件庫和工裝實(shí)例庫。
(2)工裝實(shí)例庫的構(gòu)造使用相關(guān)參數(shù)化造型等技術(shù)，在典型工裝或?qū)Ｓ霉ぱb設(shè)計(jì)完成之后，任何新的工裝設(shè)計(jì)如果滿足一定的相似條件，就可以快速的從庫中實(shí)例派生出新的工裝設(shè)計(jì)，從而解決快速設(shè)計(jì)的需求。
5系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
本系統(tǒng)是以u(píng)g／nx3．0為開發(fā)平臺(tái)，下面具體介紹系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)過程。
從工藝部門接到工裝設(shè)計(jì)任務(wù)后，進(jìn)入ug軟件進(jìn)行工裝設(shè)計(jì)。典型工裝在pdm下進(jìn)行管理，根據(jù)制造bom的結(jié)構(gòu)，這些工裝的part文件與使用它們的那些物料關(guān)聯(lián)在一起，并建立屬性信息，表明該工裝是哪道工序使用的。生成的工序模型，如圖4所示。
下面以壓氣機(jī)葉片毛坯鍛件的第一道工序—銑進(jìn)排氣邊的工裝夾具設(shè)計(jì)為例，進(jìn)行描述。首先，根據(jù)工藝規(guī)程和葉片毛坯鍛件圖，利用ug二次開發(fā)的參數(shù)化工序建模菜單，輸人參數(shù)和屬性添加進(jìn)行工序建模，生成的工序模型和各部分名稱信息，如圖4所示。根據(jù)建好的三維工序模型，在pdm下的工裝實(shí)例庫選擇工裝類型；緊接著，在ug中打開選好工裝類型模型，然后在裝配環(huán)境下調(diào)入三維工序模型，進(jìn)入ug二次開發(fā)的工裝設(shè)計(jì)菜單，根據(jù)對(duì)話框提示指出葉盆或葉背(定位點(diǎn)在葉盆就指定葉盆，在葉背就指定葉背)，接著通過遍歷工序模型得到工序數(shù)模驅(qū)動(dòng)的新工裝模型，最后通過適應(yīng)性裝配和局部小的修改得到完全滿足需求的新工裝模型。系統(tǒng)各菜單和葉片工序數(shù)模驅(qū)動(dòng)的新工裝，如圖5所示。
篇13
目前主要的電子設(shè)備包括電臺(tái)、無線電羅盤、高度表、雷達(dá)等，其主要功能是獲取信息、傳輸信息并進(jìn)行顯示。由于電子設(shè)備涉及到多個(gè)學(xué)科和專業(yè)，設(shè)備復(fù)雜，在工作中故障率很高。對(duì)電子設(shè)備的維修能力是正常使用電子設(shè)備的前提。采用實(shí)際設(shè)備進(jìn)行維修訓(xùn)練，可以獲得較好的訓(xùn)練效果。但由于電子設(shè)備昂貴的造價(jià)，使得實(shí)裝訓(xùn)練變得比較困難。并且，使用實(shí)際設(shè)備直接進(jìn)行訓(xùn)練，尤其是讓新手進(jìn)行訓(xùn)練，帶有很大的風(fēng)險(xiǎn)，容易損害正常的設(shè)備。采用計(jì)算機(jī)軟件配合簡(jiǎn)單的硬件構(gòu)造虛擬化的維修訓(xùn)練環(huán)境，用于訓(xùn)練電子設(shè)備維護(hù)人員，既可以降低訓(xùn)練成本，又可以避免新手操作不熟練造成對(duì)設(shè)備的損害，訓(xùn)練效果也有一定的保證。
然而，目前虛擬維修主要應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備的維修訓(xùn)練，電子設(shè)備的虛擬維修較少提及。這是由于電子設(shè)備的特殊性。電子設(shè)備的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)特殊之處包括三點(diǎn)，一是電子設(shè)備所產(chǎn)生或接收的各種信號(hào)。一般情況下，電子設(shè)備通過產(chǎn)生或者接收大量的信號(hào)進(jìn)行工作，這些信號(hào)的特性各異，并且信號(hào)之間的依賴關(guān)系復(fù)雜。二是與電子設(shè)備狀態(tài)相關(guān)的多種顯示符號(hào)。不同的設(shè)備操作會(huì)導(dǎo)致不同的顯示符號(hào)。三是維修過程中用于測(cè)量信號(hào)的儀器。因此，開發(fā)電子設(shè)備的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)，關(guān)鍵在于建立電子設(shè)備的信號(hào)模型，根據(jù)信號(hào)的依賴關(guān)系，建立電子設(shè)備的故障模型，同時(shí)利用虛擬儀器模擬信號(hào)的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)故障維修訓(xùn)練。
本文采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和多信號(hào)模型，設(shè)計(jì)并開發(fā)了電子設(shè)備的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)，用于新手的維修訓(xùn)練。本系統(tǒng)采用3DMax建立電子設(shè)備的三維模型，用于展示設(shè)備的外形；采用GL-Studio建立設(shè)備的響應(yīng)模型，用于訓(xùn)練電子設(shè)備的各種操作；采用多信號(hào)模型，建立電子設(shè)備的故障模型，用于模擬電子設(shè)備的各種常見故障；采用虛擬儀器，實(shí)現(xiàn)設(shè)備主要射頻、低頻信號(hào)的虛擬測(cè)試；最后采用專家系統(tǒng)對(duì)訓(xùn)練過程進(jìn)行評(píng)估。本論文分為以下幾部分：首先介紹虛擬維修的現(xiàn)狀，然后介紹了電子設(shè)備虛擬維修的關(guān)鍵技術(shù)，接著給出了電子設(shè)備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的硬件架構(gòu)和軟件架構(gòu)，并對(duì)主要部分進(jìn)行分析；最后總結(jié)了電子設(shè)備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的主要特點(diǎn)和發(fā)展方向。
1.虛擬維修的研究現(xiàn)狀
德國(guó)Fraunhofer計(jì)算機(jī)圖形研究所與寶馬公司聯(lián)合開展以寶馬汽車裝配和維修過程的核查與確認(rèn)為目的的虛擬裝配仿真，美國(guó)Lockheed Martin公司在F-16飛機(jī)設(shè)計(jì)過程中采用虛擬維修確認(rèn)和人素分析[1]，英國(guó)Salford大學(xué)虛擬環(huán)境中心對(duì)包括碰撞檢測(cè)、約束建模等關(guān)鍵性問題展開研究。華中科技大學(xué)對(duì)虛擬維修拆卸過程規(guī)劃與仿真進(jìn)行了深入的研究，該文研究了基于零件約束關(guān)系的Petri網(wǎng)拆卸序列規(guī)劃，對(duì)模型特性進(jìn)行了分析和驗(yàn)證，用獲得的拆卸序列建立拆卸序列數(shù)據(jù)鏈表，存儲(chǔ)零件的信息。
文獻(xiàn)[2]對(duì)于三維環(huán)境下的路徑規(guī)劃，本文先是對(duì)三維路徑規(guī)劃中所需要采用的一些關(guān)鍵技術(shù)作了研究，包括關(guān)鍵幀路徑動(dòng)畫、人體步行周期以及OSG骨骼動(dòng)畫技術(shù)。然后本文將這些技術(shù)應(yīng)用于虛擬應(yīng)急演練系統(tǒng)中，完成了基于OSG的虛擬人路徑規(guī)劃模擬系統(tǒng)。可獲得外界數(shù)據(jù)，達(dá)到人機(jī)交互，呈現(xiàn)相應(yīng)信息給用戶。
文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了某型雷達(dá)結(jié)構(gòu)虛擬維修的總體方案和維修仿真規(guī)劃，建立了維修仿真環(huán)境，給出了某型雷達(dá)結(jié)構(gòu)虛擬維修的操作流程及可視化的碰撞檢測(cè)結(jié)果，同時(shí)對(duì)其維修性和人機(jī)工效學(xué)進(jìn)行了評(píng)估與驗(yàn)證。
2.電子設(shè)備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)軟件架構(gòu)
該系統(tǒng)通過任務(wù)選擇和角色指派為受訓(xùn)對(duì)象提供虛擬化維修場(chǎng)景和維修訓(xùn)練環(huán)境，訓(xùn)練科目包括外場(chǎng)維護(hù)和內(nèi)場(chǎng)維修，主要建設(shè)內(nèi)容包括設(shè)備拆裝建模、設(shè)備信號(hào)建模、虛擬儀器建模、三維虛擬場(chǎng)景建模、維修過程建模和維修評(píng)估建模等。
裝備的三維模型用于展示裝備的外觀，裝備的拆裝模型用于訓(xùn)練裝備拆裝順序。裝備的信號(hào)模型用于模擬裝備的工作過程和各種故障。裝備是否發(fā)生故障，在實(shí)際訓(xùn)練過程中需要采用虛擬儀器進(jìn)行虛擬化測(cè)試，根據(jù)測(cè)試得到的結(jié)果對(duì)裝備的狀態(tài)進(jìn)行判斷。總之，裝備的三維與拆裝模型、裝備的信號(hào)模型和虛擬儀器構(gòu)成電子設(shè)備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的維修場(chǎng)景，維修場(chǎng)景編輯器通過編輯裝備的狀態(tài)、設(shè)定維修科目實(shí)現(xiàn)虛擬化維修訓(xùn)練。
三維虛擬場(chǎng)景用于展示整個(gè)的飛機(jī)維修場(chǎng)景，維修過程建模將設(shè)備所有的標(biāo)準(zhǔn)化維修步驟進(jìn)行建模，虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)通過比對(duì)訓(xùn)練者每個(gè)步驟的操作與標(biāo)準(zhǔn)化維修步驟之間的差別，實(shí)現(xiàn)對(duì)維修訓(xùn)練效果的評(píng)估。
從以上分析可以看出，機(jī)載電子裝備虛擬維修的核心問題是建立各種模型。尤其是信號(hào)模型、故障模型和虛擬儀器模型。這些模型通過模擬真實(shí)裝備的工作過程，構(gòu)建虛擬化的訓(xùn)練環(huán)境。另外比較重要的模型是維修過程的建模和維修效果的評(píng)估，維修過程建模需要考慮多種裝備在不同狀態(tài)和不同任務(wù)階段的維護(hù)需求，尤其是在故障排查和維修時(shí)，需要考慮多種不同的排故策略。
3.電子設(shè)備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)
3.1 交互式操作的仿真。在電子設(shè)備的操作過程中，需要通過一些按鍵、開關(guān)或遙感的操作實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)的改變和監(jiān)控。因此，電子設(shè)備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)中，必須實(shí)現(xiàn)各種交互式操作的仿真。
為了實(shí)現(xiàn)電子裝備的交互式操作，本系統(tǒng)采用GL Studio為開發(fā)工具，開發(fā)了虛擬座艙，圖3給出了多功能顯示器和平顯的交互式操作模型。訓(xùn)練人員可以通過操作各種按鍵或旋鈕，獲觀察平顯上的符號(hào)，操控裝備。
3.2 虛擬儀器建模。電子設(shè)備在維修過程中需要用到必須用到兩類儀器，一類是通用儀器；一類是專用儀器。通用儀器包括信號(hào)源、頻譜儀、示波器、萬用表、功率計(jì)等；專用儀器是指為電子設(shè)備專門研制的外場(chǎng)和內(nèi)場(chǎng)測(cè)試設(shè)備，包括雷達(dá)信號(hào)模擬器、電臺(tái)模擬器等。這兩類儀器的使用熟練程度又直接決定著維修效果，所以必須建立與之對(duì)應(yīng)的虛擬儀器。虛擬儀器是以通用計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)控制器、由軟件來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和大部分儀器功能的計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。虛擬儀器的操作和測(cè)量結(jié)果的顯示是以虛擬面板的形式借助于計(jì)算機(jī)顯示來顯示的，而且數(shù)據(jù)的傳送、分析、處理等都是由計(jì)算機(jī)軟件來完成的，可提供多人次、多場(chǎng)位的訓(xùn)練環(huán)境，改進(jìn)訓(xùn)練效果，提高儀器的使用水平。
4.小結(jié)
為節(jié)約訓(xùn)練成本，降低訓(xùn)練風(fēng)險(xiǎn)，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)建了電子設(shè)備虛擬維修訓(xùn)練過程，給出了軟件架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。該虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)可以用于多種飛機(jī)航空電子設(shè)備的虛擬維修訓(xùn)練，具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。
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