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時(shí)間：2023-04-17 17:54:32
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一、 液壓破碎錘概述
. 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(lái)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(wú)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(wèn)題、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)等問(wèn)題不可能很好的解決，也不可能直觀的表現(xiàn)出來(lái)。
近年來(lái)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(yáng)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(guò)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(lái)分析確定產(chǎn)品的性能；結(jié)構(gòu)與過(guò)程優(yōu)化設(shè)計(jì)用來(lái)保證產(chǎn)品功能、工藝過(guò)程的基礎(chǔ)上，使產(chǎn)品、工藝過(guò)程的性能最優(yōu)；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與壽命評(píng)估用來(lái)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(lái)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(guò)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(wèn)題是建模和求解問(wèn)題，其系統(tǒng)研究開(kāi)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(guò)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(guò)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
中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2013）14-0065-01
為了使自身在市場(chǎng)上立于不敗之地，很多企業(yè)都對(duì)產(chǎn)品的模式進(jìn)行了更新，其目的是提高產(chǎn)品的效率及收益。隨著社會(huì)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)水平的提高，競(jìng)爭(zhēng)也愈發(fā)激烈，除了要減少成本以外，還要提高產(chǎn)品的質(zhì)量和使用價(jià)值。
1 什么是虛擬樣機(jī)
所謂的虛擬樣機(jī)，指的是產(chǎn)品的多領(lǐng)域數(shù)字化模型的集合體，它包含了真實(shí)產(chǎn)品的所有特點(diǎn)。運(yùn)用這種技術(shù)，可以對(duì)機(jī)器的零件進(jìn)行模擬制造，從而在設(shè)計(jì)階段提高產(chǎn)品的使用性能和質(zhì)量。
用這種技術(shù)來(lái)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)零件、結(jié)構(gòu)、裝配等部分進(jìn)行分析，使機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)更加具有直觀性和可視性。
2 基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)與建模方法
2.1 利用CAD軟件建模仿真
在對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，必須要運(yùn)用一系列的軟件來(lái)對(duì)機(jī)械零件的設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行分析，并且對(duì)機(jī)械零件開(kāi)始進(jìn)行一個(gè)一個(gè)的建模。這樣就可以得到一個(gè)三維的圖片，然后再對(duì)零件模型的表面、材質(zhì)、質(zhì)量、性能等進(jìn)行虛擬的設(shè)計(jì)，從而進(jìn)行仿真分析。
建模完成以后，再利用三維軟件，將需要調(diào)入的零件模型進(jìn)行裝配，裝配的時(shí)候要充分的利用平衡、垂直、重合等。裝配還必須按照順序來(lái)進(jìn)行，比如先裝配部件，然后再將部件模擬裝配成樣機(jī)。此外，可以通過(guò)運(yùn)動(dòng)集成模塊來(lái)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，這些模塊有很多的優(yōu)點(diǎn)，比如能夠矯正機(jī)械的運(yùn)行，能夠注意到機(jī)械的位置、運(yùn)行速度、性能是否正常。另外，這些模塊還能夠通過(guò)對(duì)尺寸的計(jì)算，優(yōu)化整個(gè)機(jī)械的性能。
2.2 對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件進(jìn)行分析和仿真
在對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程當(dāng)中，除了必須要考慮設(shè)計(jì)中的運(yùn)動(dòng)以外，還要考慮所設(shè)計(jì)的零件是否有一定的承載能力，或者強(qiáng)度和性能是否符合要求。進(jìn)行了建模以后，因?yàn)檐浖幸粋€(gè)比較好的接口，因此可以采用這種軟件對(duì)機(jī)械的各個(gè)部分進(jìn)行強(qiáng)度分析，分析的時(shí)候還要計(jì)算有限元，這樣才能夠使設(shè)計(jì)更加的合理。另外還要分析設(shè)計(jì)要求是否符合機(jī)械的使用要求，如果得出的數(shù)據(jù)證明虛擬樣機(jī)的一部分不符合機(jī)械使用要求，那么，就只能重新進(jìn)行修改。同時(shí)，這也是一個(gè)系統(tǒng)而繁雜的過(guò)程。
2.3 對(duì)行星架進(jìn)行分析
行星架是機(jī)械的承載構(gòu)建，如果機(jī)械的行星架設(shè)計(jì)不合理，就會(huì)影響到整個(gè)機(jī)械的使用。同時(shí)，行星架也是非常復(fù)雜的一部分，很容易出現(xiàn)軸的強(qiáng)度過(guò)低，而計(jì)算應(yīng)力又會(huì)顯得比較復(fù)雜。首先要在軟件中創(chuàng)建幾何模型，其次要導(dǎo)入其中，導(dǎo)入之后可以添加材料信息了，然后要根據(jù)裝配體的情況，來(lái)設(shè)置接觸選項(xiàng)，最后再根據(jù)參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)網(wǎng)格，施加載荷，并且求出結(jié)果。
3 虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
我國(guó)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)經(jīng)歷了很多個(gè)歷程，最先開(kāi)始是二維技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)來(lái)生成零件，或者是整機(jī)的二維圖形，然后是三維技術(shù)，最后才是現(xiàn)在的虛擬樣機(jī)技術(shù)。筆者總結(jié)了虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，具體為以下幾點(diǎn)。
3.1 采用ADAMS軟件對(duì)運(yùn)動(dòng)仿真進(jìn)行分析
這種方法比較準(zhǔn)確可靠，而且還可以使數(shù)據(jù)無(wú)縫連接，但是建模功能卻不好。我國(guó)很早就采用ADAMS軟件應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械當(dāng)中，最普遍的是用收割機(jī)、深耕機(jī)。同時(shí)，在不同機(jī)械系統(tǒng)工作的參數(shù)下，油菜物料在清選袋置中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律也不同。
3.2 ADAMS軟件和造型軟件的聯(lián)合仿真
這種方法是首先在軟件中建模，然后再把建的模導(dǎo)入ADAMS中，這種方法的建模功能非常的好，而且仿真功能也很強(qiáng)大，但是在導(dǎo)入模型的過(guò)程當(dāng)中，很容易丟失一些信息。20世紀(jì)90年代末，運(yùn)用這種技術(shù)設(shè)計(jì)了播種機(jī)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化和科學(xué)化的播種。此外，這種技術(shù)還被運(yùn)用在馬鈴薯收獲機(jī)當(dāng)中。
3.3 ADAMS和控制系統(tǒng)分析軟件的聯(lián)合仿真
機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是現(xiàn)代機(jī)械的主要發(fā)展方向，兩者結(jié)合可以降低機(jī)械設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，還能提高機(jī)械運(yùn)動(dòng)的效率。幾年前，我國(guó)通過(guò)將ADAMS與控制系統(tǒng)的聯(lián)合，研制出了彈性軸軸承系統(tǒng)在徑向正弦載荷作用下的動(dòng)力學(xué)特征。在農(nóng)業(yè)機(jī)械方面，還研制出了馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)輸送臂，對(duì)輸送臂的整個(gè)運(yùn)行進(jìn)行了分析和研究，提高了其使用性能。
4 虛擬樣機(jī)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)
4.1 縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期
虛擬樣機(jī)技術(shù)在傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改善，從不同角度、不同使用需求出發(fā)，縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。此外，還提高了機(jī)械運(yùn)行的性能。
4.2 降低了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本
因?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜而系統(tǒng)的工作，需要耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力，而虛擬樣機(jī)技術(shù)雖然對(duì)計(jì)算機(jī)軟件、硬件的要求很高，卻降低了機(jī)械設(shè)計(jì)的總體成本。
4.3 提高了零件的設(shè)計(jì)效率
與傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)相比，虛擬樣機(jī)技術(shù)只需要輸入一個(gè)基本模型，便可以導(dǎo)出精確的幾何，對(duì)于形狀大致相似的一系列零件，只需要稍微修改一下，就能夠生成新的零件，這樣就提高了零件的設(shè)計(jì)效率。
5 總結(jié)與體會(huì)
現(xiàn)在，虛擬樣機(jī)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的運(yùn)用越來(lái)越廣泛，從過(guò)去的二維、三維發(fā)展到CAD建模，再到如今的虛擬樣機(jī)技術(shù)。不但提高了設(shè)計(jì)效率，還降低了設(shè)計(jì)成本，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程也大大的被簡(jiǎn)化，使得機(jī)械產(chǎn)品本身的操作也變得簡(jiǎn)單易懂。
參考文獻(xiàn)
[1]徐海枝.我國(guó)虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用研究論文計(jì)量分析[J].價(jià)值工程，2013，32（9）：312-313.
隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，設(shè)計(jì)領(lǐng)域正在進(jìn)行一場(chǎng)深刻的變革，各種現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法不斷涌現(xiàn)，設(shè)計(jì)方法更為科學(xué)、系統(tǒng)、完善和先進(jìn)。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法已發(fā)展成為一門新興的綜合性、交叉性學(xué)科——現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法。現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法的廣泛應(yīng)用，必將為我國(guó)的工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)提高我國(guó)工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短設(shè)計(jì)周期，推動(dòng)設(shè)計(jì)工作的現(xiàn)代化、科學(xué)化方面將發(fā)揮巨大作用。
《現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法》涉及到的內(nèi)容較多，設(shè)計(jì)方法種類繁多，而且課時(shí)有限，傳統(tǒng)的講解授課模式，教學(xué)效果必然是課堂氣氛沉悶，學(xué)生感覺(jué)枯燥、單調(diào)，為此應(yīng)根據(jù)《現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法》課程的特點(diǎn)，積極探討教學(xué)方法，分析學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)，以應(yīng)用為主導(dǎo)，適可兼并理論，綜合應(yīng)用多種教學(xué)手段，多側(cè)面、多角度的向?qū)W生展示知識(shí)信息。
1.教學(xué)模式的探討
1.1傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與現(xiàn)代設(shè)計(jì)的比較
傳統(tǒng)設(shè)計(jì)常用的設(shè)計(jì)方法有理論設(shè)計(jì)、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過(guò)程是利用經(jīng)驗(yàn)公式通過(guò)大量的手工或計(jì)算機(jī)計(jì)算，對(duì)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的尺寸參數(shù)、性能等計(jì)算求解，制作模型樣機(jī)，對(duì)實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)分析、研究，有些試驗(yàn)是破壞性的，當(dāng)通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)，又要回頭修改設(shè)計(jì)制作樣機(jī)，并再用樣機(jī)試驗(yàn)，只有通過(guò)周而復(fù)始的設(shè)計(jì)——試驗(yàn)——設(shè)計(jì)過(guò)程，產(chǎn)品才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
現(xiàn)代設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方法很多：優(yōu)化設(shè)計(jì)、虛擬設(shè)計(jì)、有限元分析，并行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過(guò)程是利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段，輔助計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，在各種虛擬環(huán)境中真實(shí)地模擬產(chǎn)品的各種特性、工作環(huán)境，快速分析各種設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行對(duì)實(shí)物樣機(jī)而言難以進(jìn)行或根本無(wú)法進(jìn)行的試驗(yàn)，直到獲得最優(yōu)的設(shè)計(jì)。
通過(guò)現(xiàn)代設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的比較教學(xué)，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到現(xiàn)代設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的弊端，充分認(rèn)識(shí)現(xiàn)代設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)過(guò)程、特點(diǎn)，以便更好的理解現(xiàn)代設(shè)計(jì)，利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，增加學(xué)習(xí)的積極性。
1.2理論教學(xué)與應(yīng)用教學(xué)的統(tǒng)一
現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法設(shè)計(jì)理論復(fù)雜，牽扯的內(nèi)容深，范圍廣，本科生很難理解和接受，所以教學(xué)中多利用現(xiàn)有的、成熟的設(shè)計(jì)實(shí)例，介紹其在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的使用過(guò)程、分析方法，同時(shí)兼顧設(shè)計(jì)理論的要點(diǎn)，使學(xué)生即會(huì)利用設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)過(guò)程、特點(diǎn)，同時(shí)明白設(shè)計(jì)方法的理論及應(yīng)用，這樣對(duì)于設(shè)計(jì)比較復(fù)雜的產(chǎn)品、較深的設(shè)計(jì)理論，枯燥的設(shè)計(jì)方法學(xué)習(xí)使學(xué)生能夠用得得心應(yīng)手，游刃自由。
1.3多媒體觀摩教學(xué)
要提高教學(xué)質(zhì)量，還必須進(jìn)行教學(xué)手段的革新。多媒體技術(shù)是利用多媒體計(jì)算機(jī)綜合處理和控制文字、圖形、聲音、圖形、圖像、動(dòng)畫和活動(dòng)視頻多種形式的媒體信息，是計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的最佳手段，可以按照教學(xué)需要、在諸多媒體元素之間建立起一定的邏輯關(guān)系，從而把它們有機(jī)的結(jié)合并呈現(xiàn)出來(lái)，同時(shí)完成一系列的人機(jī)交互式操作，并在這種交互過(guò)程中完成教學(xué)目標(biāo)。
1.4網(wǎng)絡(luò)教學(xué)
建立網(wǎng)上教學(xué)平臺(tái)，以瀏覽器為用戶界面，將課程教學(xué)文件、教學(xué)研究、學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)及相關(guān)信息上網(wǎng)，用于指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，建立教學(xué)論壇，充分利用網(wǎng)絡(luò)功能，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，主動(dòng)性，使師生共同學(xué)習(xí)，共同進(jìn)步。
2.實(shí)踐教學(xué)模式的探討
2.1開(kāi)設(shè)現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法設(shè)計(jì)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)周
由于學(xué)生課堂學(xué)習(xí)有限，很難做到現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與應(yīng)用的綜合試驗(yàn)訓(xùn)練，通過(guò)開(kāi)設(shè)綜合實(shí)驗(yàn)周，使學(xué)生集中一定時(shí)間，利用產(chǎn)品現(xiàn)代設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)過(guò)程，綜合練習(xí)、理解掌握現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法的理念、應(yīng)用和技巧，達(dá)到理論與實(shí)踐的學(xué)習(xí)，充分掌握現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。
2.2現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法與理論課外大賽
采用命題與自主命題的方式，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，要求學(xué)生利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法完成某個(gè)小產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、并進(jìn)行有關(guān)的性能分析。通過(guò)舉辦現(xiàn)代設(shè)計(jì)課外作品大賽，一是可以普及推廣現(xiàn)代設(shè)計(jì)的應(yīng)用，還可以增加學(xué)生利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法能力的鍛煉、增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，更好地融匯理解學(xué)習(xí)自己的專業(yè)知識(shí)。
3.考試模式的探討
現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法的特點(diǎn)，是培養(yǎng)學(xué)生利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)的能力，所以考試命題應(yīng)注重應(yīng)用能力的培養(yǎng)，考試可采用多種形式，如筆試測(cè)驗(yàn)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)用大作業(yè)綜合訓(xùn)練的方式進(jìn)行。
3.1教師命題上機(jī)操作
上課教師根據(jù)教學(xué)的重點(diǎn)，選擇適合的命題，要求學(xué)生利用一種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，在計(jì)算機(jī)上完成產(chǎn)品的現(xiàn)代設(shè)計(jì)與分析試驗(yàn)研究；同時(shí)為了兼顧更好地、更多地掌握現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法，可以筆試測(cè)驗(yàn)一部分現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，以更廣泛的掌握理解現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法，即采用實(shí)際操作與筆試聯(lián)合考核的方式進(jìn)行。
3.2設(shè)計(jì)論文
這種測(cè)試方法是把設(shè)計(jì)的內(nèi)容、要求發(fā)給學(xué)生，要求學(xué)生在一段時(shí)間內(nèi)完成設(shè)計(jì)，并提交設(shè)計(jì)分析論文，這種測(cè)試方法靈活性強(qiáng)，題目可大可小，也可以因人的能力不同，適合布置設(shè)計(jì)題目，同時(shí)設(shè)計(jì)題目可以是實(shí)際工程上的真題真做，也可以真題假做，學(xué)生可以充分發(fā)揮能動(dòng)性，知識(shí)性、實(shí)用性和趣味性、創(chuàng)造性，在虛擬環(huán)境下設(shè)計(jì)出符合要求的產(chǎn)品，并議論文的形式寫下來(lái)，這樣既可以考核學(xué)生掌握現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法的掌握，又能鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力。
4.結(jié)論
1、引言
機(jī)械產(chǎn)品全壽命設(shè)計(jì)是衡量產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平先進(jìn)與否的重要指標(biāo)，現(xiàn)代設(shè)計(jì)過(guò)程迫切需要通過(guò)工程分析手段預(yù)測(cè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)可靠性。近年來(lái)研究人員試圖將虛擬設(shè)計(jì)思想更多地融人到復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)中，借助工程分析軟件對(duì)計(jì)算機(jī)中虛擬的產(chǎn)品樣機(jī)進(jìn)行應(yīng)力分布、疲勞壽命和可靠性設(shè)計(jì)等，大大提高了可靠性設(shè)計(jì)水平。
利用國(guó)外先進(jìn)有限元軟件豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用項(xiàng)目組成員進(jìn)行的42crmo硬齒面齒輪的彎曲疲勞可靠性試驗(yàn)及資料，提出該硬齒面齒輪的結(jié)構(gòu)可靠性虛擬疲勞設(shè)計(jì)方法，由虛擬零部件疲勞工作的情況快捷地得到應(yīng)力一壽命(s一n)曲線，推知其疲勞壽命大樣本，以供可靠性分析設(shè)計(jì)使用。
2、結(jié)構(gòu)可靠性虛擬疲勞設(shè)計(jì)方法
2.1結(jié)構(gòu)可靠性虛擬疲勞設(shè)計(jì)軟件
進(jìn)行產(chǎn)品零部件結(jié)構(gòu)可靠性虛擬疲勞設(shè)計(jì)首先需要構(gòu)造產(chǎn)品虛擬樣機(jī)，目前國(guó)內(nèi)外比較成熟實(shí)用的樣機(jī)幾何造型cad軟件有autocad, pro/e等，同時(shí)還有可以進(jìn)行各種系統(tǒng)仿真分析的多體運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)軟件adams, simpack等。
目前國(guó)際知名的通用有限元工程分析軟件大多可完成對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析、疲勞壽命測(cè)試及壽命概率分析的功能，目前見(jiàn)長(zhǎng)的軟件有ansys,msc/fatigue, msc/nastran，考慮虛擬環(huán)境的cfx及fluent。近年來(lái)，樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)及疲勞分析技術(shù)正處于逐漸深人和系統(tǒng)化階段，但有許多重要內(nèi)容要填補(bǔ)，如虛擬環(huán)境的融入、幾何造型、動(dòng)力學(xué)、疲勞分析技術(shù)的集成及開(kāi)放式。
2.2疲勞壽命預(yù)測(cè)方法
多年來(lái)人們發(fā)展了各種疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，其中名義應(yīng)力壽命法(s-n法)、局部應(yīng)變法(e-n法)與基于斷裂力學(xué)理論的疲勞裂紋擴(kuò)展壽命方法，已成為三種經(jīng)典的疲勞壽命預(yù)測(cè)方法。
(1)名義應(yīng)力壽命法(s-n法)
名義應(yīng)力壽命法通常稱為總壽命法。該方法用于構(gòu)件總壽命的預(yù)測(cè)，是以材料或零部件的疲勞壽命曲線為基礎(chǔ)的。該方法可以考慮構(gòu)件表面加工和表面處理對(duì)其疲勞壽命的影響，也可以考慮構(gòu)件焊縫的疲勞壽命，適用于低應(yīng)力高周疲勞問(wèn)題。
(2)局部應(yīng)變法(e-n法)
局部應(yīng)變壽命法通常稱為裂紋萌生法。該方法用于預(yù)測(cè)構(gòu)件的裂紋萌生壽命。它應(yīng)用了材料的“記憶特性”，計(jì)人了名義應(yīng)力無(wú)法計(jì)及的載荷循環(huán)順序的影響，使壽命估算結(jié)果更接近實(shí)際情況，適用于高應(yīng)變低周疲勞問(wèn)題。
(3)疲勞裂紋擴(kuò)展壽命方法
基于斷裂力學(xué)理論的疲勞裂紋擴(kuò)展壽命方法主要用于預(yù)測(cè)構(gòu)件從裂紋產(chǎn)生到發(fā)生破壞的疲勞壽命。該方法結(jié)合模擬材料微觀結(jié)構(gòu)變形的數(shù)值方法，是數(shù)值模擬斷裂的主要發(fā)展方向之一。
3、在硬齒面齒輪彎曲疲勞試驗(yàn)中的應(yīng)用
根據(jù)項(xiàng)目要求對(duì)42crmo材質(zhì)的硬齒面齒輪進(jìn)行了彎曲疲勞可靠性全壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)在機(jī)械部機(jī)械科學(xué)研究院英國(guó)產(chǎn)instron1603型電磁諧振疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。采用4級(jí)應(yīng)力水平，即作4組不同應(yīng)力的輪齒全壽命大樣本試驗(yàn)，得到了硬齒面齒輪定壽命下的r-s-n曲線(見(jiàn)圖4中實(shí)線部分)。本文以此試驗(yàn)為研究基礎(chǔ)，進(jìn)行42crmo硬齒面齒輪的結(jié)構(gòu)可靠性虛擬疲勞設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，得到了虛擬試驗(yàn)的各應(yīng)力水平下疲勞壽命數(shù)據(jù)，即s-n曲線。
3.1三維幾何造型設(shè)計(jì)
三維cad軟件為構(gòu)造精準(zhǔn)的零部件虛擬幾何造型設(shè)計(jì)打下軟件基礎(chǔ)。42crmo硬齒面齒輪是斜齒圓柱齒輪按漸開(kāi)線形成的，為從齒輪的造型機(jī)理開(kāi)始就嚴(yán)格遵循漸開(kāi)線齒面生成和加工機(jī)理，應(yīng)用三維虛擬造型軟件mdi公司的adams能在幾何形體上展成曲面和使曲面扭曲變形的功能，開(kāi)發(fā)出以法平面標(biāo)準(zhǔn)漸開(kāi)線齒形為基準(zhǔn)的斜齒模擬加工過(guò)程。
3.2疲勞載荷譜分析
載荷譜是有限壽命設(shè)計(jì)的依據(jù)之一。因此，掌握載荷譜的變化規(guī)律是進(jìn)行壽命設(shè)計(jì)的先決條件。通常，載荷譜是由現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集并經(jīng)數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析獲得?，F(xiàn)場(chǎng)采集的載荷時(shí)間歷程具有很大的隨機(jī)性，并且因現(xiàn)場(chǎng)各種因素如開(kāi)關(guān)信號(hào)、電磁干擾等影響，會(huì)造成原始信號(hào)記錄失真，出現(xiàn)偽信號(hào)。齒輪結(jié)構(gòu)所承受的疲勞載荷，實(shí)際上是一連續(xù)的隨機(jī)過(guò)程，借助動(dòng)力學(xué)分析軟件adams平臺(tái)，可直接給出機(jī)械構(gòu)件在整個(gè)裝置工作過(guò)程中的疲勞載荷譜f-t曲線(見(jiàn)圖2)，以此作為理論分析和結(jié)構(gòu)可靠性虛擬疲勞設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。
3.3有限元分析軟件中的應(yīng)力分析
建立一對(duì)輪齒的有限元模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型主要為六節(jié)點(diǎn)五面體單元，單元總數(shù)為63359個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為15213個(gè)。這樣有利于單元自動(dòng)生成，有利于提高計(jì)算精度。有限元計(jì)算中，齒輪材料的彈性模量為4. 6 x 107mpa，波松比為0.3。
由有限元法(fem)分析計(jì)算出隨機(jī)動(dòng)載荷譜下輪齒在嚙合過(guò)程中最大動(dòng)應(yīng)力齒輪的位置、數(shù)值及周期。
3.4基于斷裂力學(xué)的疲勞裂紋壽命預(yù)測(cè)
斷裂力學(xué)是在承認(rèn)裂紋存在的前提下進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算(即微裂紋形成忽略)，失效判據(jù)是裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸時(shí)發(fā)生疲勞斷裂，應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度可用以下關(guān)系表示
對(duì)裂紋半長(zhǎng)a的積分求出裂紋擴(kuò)展的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，即疲勞壽命。計(jì)算n時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度因子幅}k、裂紋初始半長(zhǎng)a1、裂紋半長(zhǎng)極限值a2由式(1)計(jì)出。其中:c為與材料有關(guān)的系數(shù)，a為幾何效應(yīng)因子，山為復(fù)應(yīng)力變化范圍。
3.5虛擬試驗(yàn)結(jié)果分析
以實(shí)作齒輪試驗(yàn)的4級(jí)應(yīng)力水平作虛擬疲勞試驗(yàn)，求得各應(yīng)力水平下的疲勞壽命數(shù)據(jù)，這樣可用最小二乘法得出待試驗(yàn)材料齒輪的s一n曲線。
圖4虛線部分為42crmo材料齒輪采用上述虛擬技術(shù)所作的s一n曲線，試驗(yàn)中取5個(gè)壽命水平n= 0.5 x 1護(hù)，1.0 x 1護(hù)，1.5 x 1護(hù)，2.0 x 1護(hù)，2.5 x 1護(hù)的應(yīng)力分布。與圖4中實(shí)線部分的實(shí)作齒輪試驗(yàn)s一n曲線對(duì)比可知，虛擬試驗(yàn)得到的s一n曲線與實(shí)際齒輪高可靠度下的s一n曲線比較接近，有一定的參考價(jià)值。
4、結(jié)語(yǔ)
您的研究方向：管理
是否有數(shù)據(jù)處理要求：否
您的國(guó)家：北京
您的學(xué)校背景：北京理工大學(xué)
要求字?jǐn)?shù)：6000 (開(kāi)題報(bào)告)
論文用途：碩士畢業(yè)論文
是否需要盲審(博士或碩士生有這個(gè)需要)：否
補(bǔ)充要求和說(shuō)明：先要一個(gè)開(kāi)題報(bào)告! 正式畢業(yè)論文的要求 學(xué)校還沒(méi)通知 開(kāi)題報(bào)告要求 見(jiàn) 附件 題目方向是 三維制造工藝 對(duì)機(jī)加企業(yè)(車間) 的影響 或 數(shù)字化制造 對(duì)機(jī)加企業(yè)(車間)的影響 (最好是針對(duì)航天制造企業(yè))
北京理工大學(xué)研究生院工程碩士學(xué)位論文開(kāi)題報(bào)告：基于三維模型的工藝對(duì)技術(shù)對(duì)航天制造企業(yè)生產(chǎn)效率的影響
一、學(xué)位論文選題的目的和意義
1.1 選題背景
進(jìn)入21世紀(jì),數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)在國(guó)際航空制造業(yè)新產(chǎn)品研制中發(fā)展迅猛,傳統(tǒng)的以模擬量傳遞為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)制造手段，已經(jīng)逐漸被以數(shù)字量傳遞為基礎(chǔ)的數(shù)字化手段所代替,通過(guò)全面采用數(shù)字化產(chǎn)品定義、數(shù)字化預(yù)裝配、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、并行工程和虛擬制造技術(shù),極大縮短了機(jī)型研制周期、提高了產(chǎn)品質(zhì)量。
二、本選題研究領(lǐng)域歷史、現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)分析
三、研究方案
四、研究計(jì)劃進(jìn)度表
五、經(jīng)費(fèi)預(yù)算
六、參考文獻(xiàn)
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1.引言
光伏水泵亦稱太陽(yáng)能水泵，主要由水泵和光伏揚(yáng)水逆變器組成。具體應(yīng)用時(shí)，再根據(jù)日用水量和不同揚(yáng)程量的需求配以相應(yīng)功率的光伏陣列，統(tǒng)稱為光伏揚(yáng)水系統(tǒng)。光伏水泵利用清潔無(wú)污染、取之不盡用之不竭的太陽(yáng)能資源，日出而作，日落而歇，無(wú)需電網(wǎng)、無(wú)需柴油、無(wú)需人員看管，可與滲灌、噴灌、滴灌等灌溉設(shè)施配套應(yīng)用。節(jié)水節(jié)能，可大幅降低使用化石能源電力的投入成本。是全球“能源問(wèn)題”、“糧食問(wèn)題”綜合系統(tǒng)解決方案的新能源、新技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)品。
本文設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)的新型的光伏揚(yáng)水系統(tǒng)，該系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)是采用直流無(wú)刷電機(jī)，系統(tǒng)選用MicroChip公司所生產(chǎn)的PIC16F877作為光伏水泵系統(tǒng)的主控芯片，對(duì)系統(tǒng)硬件和控制軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)直流無(wú)刷電機(jī)的反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)光伏陣列點(diǎn)的TMPPT跟蹤、系統(tǒng)無(wú)人監(jiān)控和故障檢測(cè)等功能。
2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)構(gòu)成
光伏水泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要包括四個(gè)部分：太陽(yáng)電池陣列、控制器、電機(jī)和水泵。 系統(tǒng)利用光伏陣列將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)變成電能。經(jīng)過(guò)DC/DC升壓后然后經(jīng)過(guò)具有TMPPT功能的變頻器輸出三相交流電壓，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)和水泵負(fù)載，完成向水塔儲(chǔ)水功能。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及硬件構(gòu)成
本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，光伏電池陣列的輸出端與Boost相接，單片機(jī)集光伏陣列母線的電壓值和電流值從而做出是否欠壓過(guò)流的判斷，采集到的數(shù)據(jù)如果符合條件，微控制器將根據(jù)MPPT算法改變電壓的增量移動(dòng)方向從而調(diào)整PWM信號(hào)的占空比。通過(guò)調(diào)整占空比來(lái)驅(qū)動(dòng)DC-DC電路的功率管導(dǎo)通，這一部分完成了最大功率點(diǎn)跟蹤控制。
三相逆變橋電路與最大功率點(diǎn)跟蹤控制的輸出端相連，IR2130組成功率驅(qū)動(dòng)電路，單片機(jī)的PWM控制信號(hào)通過(guò)此驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制六個(gè)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，使UVW三相交替導(dǎo)通使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)期間不斷地通過(guò)三相反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)電路檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，獲得準(zhǔn)確的換相信息。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)保護(hù)功能包括打干保護(hù)、低日照保護(hù)和過(guò)流保護(hù)。我們知道，根據(jù)直流無(wú)刷電機(jī)的運(yùn)行原理通過(guò)由6只功率管組成的三相六狀態(tài)電路的斷開(kāi)與導(dǎo)通可以控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。而對(duì)光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤而言，則是通過(guò)改變DC-DC的占空比D來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖
圖3 系統(tǒng)主程序流程圖
3.軟件設(shè)計(jì)
在本光伏水泵系統(tǒng)中，選用單片機(jī)PIC16F877作為系統(tǒng)的主控芯片。系統(tǒng)的軟件部分包括主程序和中斷服務(wù)程序，主程序的任務(wù)主要是完成系統(tǒng)的初始化、A/D采樣、讀入用戶設(shè)置、電機(jī)轉(zhuǎn)速識(shí)別及轉(zhuǎn)速異常保護(hù)、PI調(diào)節(jié)、MPPT或CVT功能等功能。主程序流程圖如圖3所示。
4.總結(jié)
論文經(jīng)過(guò)理論設(shè)計(jì)及硬件制作完成了樣機(jī)試制，該樣機(jī)的設(shè)計(jì)采用單片機(jī)PIC16F877作為系統(tǒng)的主控芯片。系統(tǒng)采用“虛擬中性點(diǎn)法”，從而解決了無(wú)位置傳感器的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制的關(guān)鍵問(wèn)題即轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)問(wèn)題。本樣機(jī)利用單片機(jī)所擁有的豐富的I/O口和A/D采樣功能，采用調(diào)節(jié)PWM占空比調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤功能。樣機(jī)還完善了對(duì)系統(tǒng)的各種保護(hù)功能，提供各種監(jiān)控功能，這提高了光伏揚(yáng)水系統(tǒng)的可靠性和靈活性。在實(shí)驗(yàn)中，選用24V，30W的無(wú)位置傳感器直流無(wú)刷電機(jī)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，直流無(wú)刷電機(jī)能夠自動(dòng)切換到自同步運(yùn)行狀態(tài)并實(shí)現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的步進(jìn)起動(dòng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量了電子換向逆變器的各種電壓，電機(jī)運(yùn)行性能良好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該試制樣機(jī)基本上達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
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關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì)；CAD技術(shù)
1CAD技術(shù)的發(fā)展
CAD(ComputerAidedDesign)是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的英文縮寫，是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形處理能力和數(shù)值計(jì)算能力，輔助工程技術(shù)人員進(jìn)行工程或產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與分析，達(dá)到理想的目的，并取得創(chuàng)新成果的一種技術(shù)。自1950年計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)誕生以來(lái)，已廣泛地應(yīng)用于機(jī)械、電子、建筑、化工、航空航天以及能源交通等領(lǐng)域，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率飛速地提高?，F(xiàn)已將計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)（Com-puterAidedManufacturing，CAM）和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)（ProductDataManagement，PDM）及計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（ComputerItegratedmanufacturingsystem，CIMS）集于一體。
產(chǎn)品設(shè)計(jì)是決定產(chǎn)品命運(yùn)的研究，也是最重要的環(huán)節(jié)，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作決定著產(chǎn)品75%的成本。目前，CAD系統(tǒng)已由最初的僅具數(shù)值計(jì)算和圖形處理功能的CAD系統(tǒng)發(fā)展成為結(jié)合人工智能技術(shù)的智能CAD系統(tǒng)（ICAD）(IntelligentCAD)。21世紀(jì)，ICAD技術(shù)將具備新的特征和發(fā)展方向，以提高新時(shí)代制造業(yè)對(duì)市場(chǎng)變化和小批量、多品種要求的迅速響應(yīng)能力。
以智能CAD（ICAD）為代表的現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)、智能活動(dòng)是由設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)完成。這種系統(tǒng)能夠模擬某一領(lǐng)域內(nèi)專家設(shè)計(jì)的過(guò)程，采用單一知識(shí)領(lǐng)域的符號(hào)推理技術(shù)，解決單一領(lǐng)域內(nèi)的特定問(wèn)題。該系統(tǒng)把人工智能技術(shù)和優(yōu)化、有限元、計(jì)算機(jī)繪圖等技術(shù)結(jié)合起來(lái)，盡可能多地使計(jì)算機(jī)參與方案決策、性能分析等常規(guī)設(shè)計(jì)過(guò)程，借助計(jì)算機(jī)的支持，設(shè)計(jì)效率有了大大地提高。
2三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的優(yōu)點(diǎn)
通過(guò)實(shí)際應(yīng)用三維CAD系統(tǒng)軟件,筆者體會(huì)到三維CAD系統(tǒng)軟件比二維CAD在機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中具有更大的優(yōu)勢(shì),具體表現(xiàn)在以下幾點(diǎn):
2.1零件設(shè)計(jì)更加方便
使用三維CAD系統(tǒng),可以裝配環(huán)境中設(shè)計(jì)新零件,也可以利用相鄰零件的位置及形狀來(lái)設(shè)計(jì)新零件,既方便又快捷,避免了單獨(dú)設(shè)計(jì)零件導(dǎo)致裝配的失敗。資源查找器中的零件回放還可以把零件造型的過(guò)程通過(guò)動(dòng)畫演示出來(lái),使人一目了然。
2.2裝配零件更加直觀
在裝配過(guò)程中,資源查找器中的裝配路徑查找器記錄了零件之間的裝配關(guān)系,若裝配不正確即予以顯示,另外,零件還可以隱藏,在隱藏了外部零件的時(shí)候,可清楚地看到內(nèi)部的裝配結(jié)構(gòu)。整個(gè)機(jī)器裝配模型完成后還能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)演示,對(duì)于有一定運(yùn)動(dòng)行程要求的,可檢驗(yàn)行程是否達(dá)到要求,及時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行更改,避免了產(chǎn)品生產(chǎn)后才發(fā)現(xiàn)需要修改甚至報(bào)廢。
2.3縮短了機(jī)械設(shè)計(jì)周期
采用三維CAD技術(shù),機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)間縮短了近1/3,大幅度地提高了設(shè)計(jì)和生產(chǎn)效率。在用三維CAD系統(tǒng)進(jìn)行新機(jī)械的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí),只需對(duì)其中部分零部件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和制造,而大部分零部件的設(shè)計(jì)都將繼承以往的信息,使機(jī)械設(shè)計(jì)的效率提高了3~5倍。同時(shí),三維CAD系統(tǒng)具有高度變型設(shè)計(jì)能力,能夠通過(guò)快速重構(gòu),得到一種全新的機(jī)械產(chǎn)品。
2.4提高機(jī)械產(chǎn)品的技術(shù)含量和質(zhì)量
由于機(jī)械產(chǎn)品與信息技術(shù)相融合,同時(shí)采用CADCIMS組織生產(chǎn),機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)有了新發(fā)展。三維CAD技術(shù)采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法,如優(yōu)化、有限元受力分析、產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)方針和優(yōu)化設(shè)計(jì)等,保證了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。同時(shí),大型企業(yè)數(shù)控加工手段完善,再采用CAD/CAPP/CAM進(jìn)行機(jī)械零件加工,一致性很好,保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。
3CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
3.1零件與裝配圖的實(shí)體生成
3.1.1零件的實(shí)體建模。CAD的三維建模方法有三種,即線框模型、表面模型和實(shí)體模型。在許多具有實(shí)體建模功能的CAD軟件中,都有一些基本體系。如在AutoCAD的三維實(shí)體造型模塊中,系統(tǒng)提供了六種基本體系,即立方體、球體、圓柱體、圓錐體、環(huán)狀體和楔形體。對(duì)簡(jiǎn)單的零件,可通過(guò)對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,將其分解成若干基本體,對(duì)基本體進(jìn)行三維實(shí)體造型,之后再對(duì)其進(jìn)行交、并、差等布爾運(yùn)算,便可得出零件的三維實(shí)體模型。
對(duì)于有些復(fù)雜的零件,往往難以分解成若干個(gè)基本體,使組合或分解后產(chǎn)生的基本體過(guò)多,導(dǎo)致成型困難。所以,僅有基本體系還不能完全滿足機(jī)器零件三維實(shí)體造型的要求。為此,可在二維幾何元素構(gòu)造中先定義零件的截面輪廓,然后在三維實(shí)體造型中通過(guò)拉伸或旋轉(zhuǎn)得到新的“基本體”,進(jìn)而通過(guò)交、并、差等得到所需要零件的三維實(shí)體造型。
3.1.2實(shí)體裝配圖的生成。在零件實(shí)體構(gòu)造完成后,利用機(jī)器運(yùn)動(dòng)分析過(guò)程中的資料,在運(yùn)動(dòng)的某一位置,按各零件所在的坐標(biāo)進(jìn)行“裝配”,這一過(guò)程可用CAD軟件的三維編輯功能實(shí)現(xiàn)。
3.2模具CAD/CAM的集成制造
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,制造行業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)不斷提高,從普通機(jī)床到數(shù)控機(jī)床和加工中心,從人工設(shè)計(jì)和制圖到CAD/CAM/CAE,制造業(yè)正向數(shù)字化和計(jì)算機(jī)化方向發(fā)展。同時(shí),模具CAD/CAM技術(shù)、模具激光快速成型技術(shù)(RPM)等,幾乎覆蓋了整個(gè)現(xiàn)代制造技術(shù)。
一個(gè)完整的CAD/CAM軟件系統(tǒng)是由多個(gè)功能模塊組成的。如三維繪圖、圖形編輯、曲面造型、仿真模擬、數(shù)控加工、有限元分析、動(dòng)態(tài)顯示等。這些模塊應(yīng)以工程數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ),進(jìn)行統(tǒng)一管理,而實(shí)體造型是工程數(shù)據(jù)的主要來(lái)源之一。
3.3機(jī)械CAE軟件的應(yīng)用
機(jī)械CAE系統(tǒng)的主要功能是:工程數(shù)值分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、強(qiáng)度設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)與壽命預(yù)估、動(dòng)力學(xué)/運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真等。CAD技術(shù)在解決造型問(wèn)題后,才能由CAE解決設(shè)計(jì)的合理性、強(qiáng)度、剛度、壽命、材料、結(jié)構(gòu)合理性、運(yùn)動(dòng)特性、干涉、碰撞問(wèn)題和動(dòng)態(tài)特性等。
4CAD前沿技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)
4.1圖形交互技術(shù)
CAD軟件是產(chǎn)品創(chuàng)新的工具,務(wù)求易學(xué)好用,得心應(yīng)手。一個(gè)友好的、智能化的工作環(huán)境可以開(kāi)拓設(shè)計(jì)師的思路，解放大腦，讓他把精力集中到創(chuàng)造性的工作中。因此,智能化圖標(biāo)菜單、“拖放式”造型、動(dòng)態(tài)導(dǎo)航器等一系列人性化的功能，為設(shè)計(jì)師提供了方便。此外，筆輸入法草圖識(shí)別、語(yǔ)言識(shí)別和特征手勢(shì)建模等新技術(shù)也正在研究之中。
4.2智能CAD技術(shù)
CAD/CAM系統(tǒng)應(yīng)用逐步深入,逐漸提出智能化需求.設(shè)計(jì)是一個(gè)含有高度智能的人類創(chuàng)造性活動(dòng)。智能CAD/CAM是發(fā)展的必然方向。智能設(shè)計(jì)在運(yùn)用知識(shí)化、信息化的基礎(chǔ)上，建立基于知識(shí)的設(shè)計(jì)倉(cāng)庫(kù),及時(shí)準(zhǔn)確地向設(shè)計(jì)師提品開(kāi)發(fā)所需的知識(shí)和幫助,智能地支持設(shè)計(jì)人員，同時(shí)捕獲和理解設(shè)計(jì)人員意圖、自動(dòng)檢測(cè)失誤，回答問(wèn)題、提出建議方案等。并具有推理功能,使設(shè)計(jì)新手也能做出好的設(shè)計(jì)來(lái),現(xiàn)代設(shè)計(jì)的核心是創(chuàng)新設(shè)計(jì),人們正試圖把創(chuàng)新技法和人工智能技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用到CAD技術(shù)中,用智能設(shè)計(jì)、智能制造系統(tǒng)去創(chuàng)造性指導(dǎo)解決新產(chǎn)品、新工程和新系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造,這樣才能使我們的產(chǎn)品、工程和系統(tǒng)有創(chuàng)造性。
4.3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在CAD中已開(kāi)始應(yīng)用,設(shè)計(jì)人員在虛擬世界中創(chuàng)造新產(chǎn)品,可以從人機(jī)工程學(xué)角度檢查設(shè)計(jì)效果,可直接操作模擬對(duì)象,檢驗(yàn)操作是否舒適、方便,及早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)空間布局中的干涉和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的碰撞等問(wèn)題,及早看到新產(chǎn)品的外形,從多方面評(píng)價(jià)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品.虛擬產(chǎn)品建模就是指建立產(chǎn)品虛擬原理或虛擬樣機(jī)的過(guò)程.虛擬制造用虛擬原型取代物理原型進(jìn)行加工、測(cè)試、仿真和分析,以評(píng)價(jià)其性能,可制造性、可裝配性、可維護(hù)性和成本、外觀等,基于虛擬樣機(jī)的試驗(yàn)仿真分析,可以在真實(shí)產(chǎn)品制造之前發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題,從而降低產(chǎn)品成本.虛擬制造、虛擬工廠、動(dòng)態(tài)企業(yè)聯(lián)盟將成為CAD技術(shù)在電子商務(wù)時(shí)代繼續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要方向.另外,隨著協(xié)同技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、概念設(shè)計(jì)面向產(chǎn)品的整個(gè)生命周期設(shè)計(jì)理論和技術(shù)的成熟和發(fā)展,利用基于網(wǎng)絡(luò)的CAD/CAPP/CAM/PDM/ERP集成技術(shù),實(shí)現(xiàn)真正的全數(shù)字化設(shè)計(jì)和制造,已成為機(jī)械設(shè)計(jì)制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。
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中圖分類號(hào)：TH132.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/ki.kjdkx.2015.04.027
Design of Virtual Prototype of Multi-purpose Mechanical Transmission
Experiment Platform System Based on Pro/E Platform
GUI Wei， YAO Cenglin， LI Chenglong， SHEN Caixia， ZHENG Mengwei， HAN Qiang
（Wuhan Business University， Wuhan， Hubei 430056）
Abstract In this paper， based on the Pro/E software， with the multipurpose Laboratory of mechanical transmission station as a typical example， the application of virtual design technology， virtual assembly of 3D design， completed the experiment table of all parts of the student movement of mechanical transmission mechanism， teacher movement of mechanical transmission mechanism， clock movement of mechanical transmission mechanism， the classroom door moving mechanical transmission mechanism and the projection screen motion of mechanical transmission mechanism five parts and virtual assembly of the whole experiment platform.
Key words Pro/E; mechanical system; experiment platform; virtual design
0 引言
目前，機(jī)械領(lǐng)域的虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)是利用三維設(shè)計(jì)軟件如Pro/E、UG、Solidworks、CATIA等對(duì)機(jī)械裝置的零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、虛擬裝配、運(yùn)動(dòng)仿真分析。它是基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，在虛擬環(huán)境中對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，達(dá)到縮短研發(fā)周期、減少研發(fā)成本的目的。
多用途機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)融鏈傳動(dòng)、直齒圓柱齒輪傳動(dòng)、直齒圓錐齒輪傳動(dòng)、平面連桿傳動(dòng)，蝸輪蝸桿傳動(dòng)、絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)以及齒輪齒條傳動(dòng)等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)于一體。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)以學(xué)生最為熟悉的課堂作為展示機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)景，可以起到趣味性教學(xué)的目的，增加學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)械專業(yè)課程的興趣。敞開(kāi)式的場(chǎng)景，在不用拆開(kāi)演示臺(tái)的前提下就可以讓學(xué)生清楚地觀察到內(nèi)部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)全過(guò)程，操作簡(jiǎn)單、比較實(shí)用。多個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)集中在一個(gè)場(chǎng)景展示，可以使學(xué)生系統(tǒng)性地認(rèn)識(shí)不同機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)傳遞過(guò)程，有助于學(xué)生對(duì)不同的機(jī)構(gòu)進(jìn)行區(qū)別。
本文基于Pro/E平臺(tái)的虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)，完成多用途機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)各零件的三維建模設(shè)計(jì)，虛擬樣機(jī)裝配干涉檢查、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析，在仿真中對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡可能降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，避免實(shí)際制造中出現(xiàn)問(wèn)題，從而使實(shí)驗(yàn)臺(tái)一次性制造成功。
1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)典型零件齒輪的三維建模
通常，在Pro/E中每個(gè)零件的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程步驟基本相同，如下：（1）依據(jù)各個(gè)零件的三視圖，想象零件的形狀，為選擇合適的建模方法做好鋪墊。（2）根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)，選擇建模的方法。（3）根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行草繪，然后利用拉伸、旋轉(zhuǎn)等特征操作，以完成零件的三維設(shè)計(jì)。（4）在已建零件模型上進(jìn)行輔助特征設(shè)計(jì)，完成零件三維設(shè)計(jì)，然后保存。
多用途機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)有多個(gè)不同類型的零件，三維設(shè)計(jì)的過(guò)程步驟基本相同，本論文只簡(jiǎn)單闡述典型零件齒輪的三維設(shè)計(jì)過(guò)程步驟。
直齒圓柱齒輪由輪齒、鍵槽、軸孔等基本結(jié)構(gòu)特征組成，創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)直圓柱齒輪的三維參數(shù)化模型。主要操作步驟如下：
（1）創(chuàng)建齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)：
在Pro/E軟件的產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)置界面中，輸入齒輪的設(shè)計(jì)參數(shù)及相應(yīng)的初始值，模數(shù)m=2，壓力角alpha=20度，齒根圓直徑df，齒頂圓直徑da，基圓直徑db，分度圓直徑d，齒寬b=30，齒數(shù)z=56，如圖1，添加完畢后，單擊【確定】按鈕。
（2）使用Pro/E的草繪功能先繪制基準(zhǔn)曲線，后繪制四個(gè)尺寸任意的同心圓。
（3）調(diào)出Pro/E中各參數(shù)之間關(guān)系設(shè)置的對(duì)話框，在其中輸入標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪的關(guān)系式，如圖2，添加完畢后，單擊【確定】按鈕。
圖1 齒輪參數(shù)對(duì)話框
圖2 齒輪關(guān)系對(duì)話框
（4） 系統(tǒng)進(jìn)入三維實(shí)體模式，單擊【編輯】頡駒偕模型】工具，自動(dòng)生成滿足一定關(guān)系式的齒輪參照?qǐng)A。
（5）單擊特征工具欄中的【基準(zhǔn)曲線】工具，彈出的【曲線選項(xiàng)】菜單，單擊【從方程】―【完成】命令，在工作區(qū)選取系統(tǒng)默認(rèn)的坐標(biāo)系，單擊對(duì)話框中的【確定】按鈕，在彈出的【設(shè)置坐標(biāo)系類型】菜單中，選擇【笛卡爾】坐標(biāo)系，輸入形成齒輪漸開(kāi)線的參數(shù)化方程，輸入完畢單擊【記事本】主菜單中的【文件】―【保存】命令，最后單擊【確定】按鈕。即可生成漸開(kāi)線。
（6）創(chuàng)建鏡像漸開(kāi)線特征。選取已繪制的齒輪漸開(kāi)線的特征，選擇軟件中【特征】-【鏡像】命令，選擇基準(zhǔn)平面DTM2作為鏡像平面，單擊【確定】按鈕。
（7）先進(jìn)入草繪平面，選擇齒頂輪廓線，拉伸創(chuàng)建成齒輪基本實(shí)體。
（8）創(chuàng)建第一個(gè)齒槽特征。先進(jìn)入草繪平面，再根據(jù)漸開(kāi)線以及齒輪參照?qǐng)A草繪出齒廓外形，然后對(duì)其進(jìn)行拉伸切除，完成齒槽的創(chuàng)建。
（9）創(chuàng)建齒槽陣列特征。創(chuàng)建齒輪槽，選擇軟件征工具欄中的【陣列】命令，選擇軸陣列選項(xiàng)，輸入陣列個(gè)數(shù)56個(gè)，角度為360埃繕杓埔蟮某萋幀？
（10）拉伸切除創(chuàng)建成齒輪軸孔。
（11）拉伸軟件的切除功能畫出成齒輪鍵槽，完成齒輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)如圖3所示。
圖3 齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)
2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)樣機(jī)的虛擬裝配
一般說(shuō)，機(jī)械裝置的虛擬裝配是利用三維設(shè)計(jì)軟件在計(jì)算機(jī)中，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與裝配。多用途機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要包括學(xué)生運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、教師運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、時(shí)鐘運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、教室門運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及投影幕布運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)五個(gè)部分。虛擬樣機(jī)在裝配時(shí)，首先把這5個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作為一個(gè)組件進(jìn)行虛擬裝配，然后把這5個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)裝配成整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。
2.1 學(xué)生運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)虛擬裝配
學(xué)生運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要由電動(dòng)機(jī)、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、連桿限位變形機(jī)構(gòu)，以及固定構(gòu)件課桌、課椅以及電機(jī)支架組成。虛擬裝配如圖4所示。小腿在固定在機(jī)架上，小手臂與機(jī)架在形成固定鉸鏈，小手臂、大手臂、身軀、大腿、小腿之間通過(guò)活動(dòng)鉸鏈鏈接。電機(jī)通過(guò)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)五連桿限位變形機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，完成學(xué)生起立和坐下的動(dòng)作。
圖4 學(xué)生運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)虛擬裝配圖
2.2 教師運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)虛擬裝配
教師運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由：電動(dòng)機(jī);由16齒的大鏈輪、8齒的小鏈輪和鏈條組成的鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu);齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu);螺距6mm，單頭絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu);限位開(kāi)關(guān)、限位板以及講臺(tái)等固定構(gòu)件組成，虛擬裝配如圖5所示。電機(jī)啟動(dòng)，通過(guò)鏈傳動(dòng)傳遞給絲桿，絲桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成螺母的直線運(yùn)動(dòng)，通過(guò)螺母上的銷軸帶動(dòng)放置在螺母上的尺寸做直線移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)教師木偶人的移動(dòng)，通過(guò)齒輪齒條機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)教師旋轉(zhuǎn)90度面向?qū)W生的動(dòng)作。
圖5 教師運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)虛擬裝配圖
2.3 時(shí)鐘運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)虛擬裝配
時(shí)鐘運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由：電動(dòng)機(jī);齒數(shù)為35的蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu);每級(jí)大齒輪齒數(shù)45，小齒輪齒數(shù)13，模數(shù)1.5的二級(jí)直齒圓柱齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及電動(dòng)機(jī)架、鐘罩和紅外位置探測(cè)器等固定構(gòu)件組成，虛擬裝配如圖6所示。電機(jī)啟動(dòng)，通過(guò)蝸輪蝸桿把運(yùn)動(dòng)傳遞給二級(jí)直齒圓柱齒輪，與蝸輪連接的第一級(jí)圓柱齒輪的小齒輪帶動(dòng)分針轉(zhuǎn)動(dòng)，第二級(jí)圓柱齒輪齒輪的大齒輪帶動(dòng)時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。
2.4 教室門運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)虛擬裝配
教室門運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由：電動(dòng)機(jī);雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)以及導(dǎo)桿、限位開(kāi)關(guān)、電機(jī)機(jī)架等固定構(gòu)件組成，虛擬裝配如圖7所示。電機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中雙曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，曲柄通過(guò)連桿，帶動(dòng)教室門在導(dǎo)軌上進(jìn)行來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)教室門的開(kāi)關(guān)。
圖6 時(shí)鐘運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)虛擬裝配圖
圖7 教室門運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)虛擬裝配圖
2.5 投影幕布運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)虛擬裝配
投影幕布運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由：電動(dòng)機(jī)，錐齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，虛擬裝配如圖8所示。電機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)大圓錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)小圓錐齒輪帶動(dòng)幕布上下運(yùn)動(dòng)。
圖8 投影幕布運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)虛擬裝配圖
2.6 多用途機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)虛擬裝配
多用途機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)虛擬樣機(jī)的主體裝配主要是學(xué)生運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、教師運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、時(shí)鐘運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、教室門運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及投影幕布運(yùn)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)五個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之間的裝配。虛擬樣在裝配時(shí)，為方便整個(gè)樣機(jī)的的虛擬裝配，可以把裝置的幾個(gè)相關(guān)零件組裝成組件，然后再把相關(guān)組件裝配在一起構(gòu)建試實(shí)驗(yàn)臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)，如圖9所示。
圖9 多用途機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)虛擬裝配圖
3 結(jié)束語(yǔ)
多用途機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的虛擬設(shè)計(jì)，減少設(shè)計(jì)物理樣機(jī)所需的人力及時(shí)間，可以達(dá)到降低產(chǎn)品成本，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期的目的。
基金項(xiàng)目：湖北省高等學(xué)校2014年省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目《多用途機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)研究》（項(xiàng)目編號(hào)：201411654009）、武漢商學(xué)院2014年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目《多用途機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)研究》（項(xiàng)目序號(hào)：7）、武漢商學(xué)院2014年度教學(xué)研究項(xiàng)目《基于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的課程教學(xué)研究―以機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程為例》（項(xiàng)目編號(hào)：2014Y013）的階段性研究成果
參考文獻(xiàn)
而今，經(jīng)過(guò)三十載的努力，這種夢(mèng)想正在逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
孫建華用實(shí)際行動(dòng)詮釋愛(ài)國(guó)情懷，用不竭的創(chuàng)新精神詮釋著“中國(guó)創(chuàng)造”，憑借頑強(qiáng)的毅力，終于獲得生物感應(yīng)傳感器基礎(chǔ)理論研究、軟硬件開(kāi)發(fā)、系列產(chǎn)品定型設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用的成果，并完成了專利技術(shù)到市場(chǎng)應(yīng)用的商業(yè)轉(zhuǎn)化。不僅打破傳統(tǒng)觸摸式報(bào)警產(chǎn)品的技術(shù)缺陷，更是填補(bǔ)了全球生物感應(yīng)智能報(bào)警技術(shù)的空白。他為推動(dòng)世界安全防范技術(shù)由傳統(tǒng)技術(shù)向生物感應(yīng)智能化傳感技術(shù)發(fā)展的變革作出了重要貢獻(xiàn)，被譽(yù)為全球生物感應(yīng)技術(shù)的“第一人”。
生物感應(yīng)技術(shù)的發(fā)明成功，無(wú)疑將是劃時(shí)代的成果，它突破了國(guó)際入侵報(bào)警技術(shù)領(lǐng)域，漏報(bào)、誤報(bào)的技術(shù)瓶頸，并帶來(lái)安全防范技術(shù)（如生物感應(yīng)介質(zhì)與普通塑鋼門窗融合實(shí)現(xiàn)智能塑鋼門窗）等的變革，將徹底改變傳統(tǒng)安全防范技術(shù)的設(shè)計(jì)理念，一張紙、一根繩、一個(gè)坐墊、一個(gè)錢包，都可能是您想要的安防產(chǎn)品，使國(guó)際社會(huì)人們對(duì)安全的需求觸手可及。
為理想而奮斗
蘇格拉底曾說(shuō)過(guò)，“世界上最快樂(lè)的事，莫過(guò)于為理想而奮斗?！?/p>
多年來(lái)，孫建華用堅(jiān)持不懈、務(wù)實(shí)創(chuàng)新來(lái)追求他的科技創(chuàng)新之夢(mèng)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)工人發(fā)明家的夢(mèng)想。
上世紀(jì)70年代，高中畢業(yè)的孫建華作為知青下鄉(xiāng)，招工到中國(guó)工程物理研究院從事廣播電視設(shè)備維護(hù)工作。在工作中，他發(fā)現(xiàn)人體在接觸電視機(jī)天線時(shí)會(huì)產(chǎn)生圖像變化和噪聲，同樣在觸摸收音機(jī)天線時(shí)也會(huì)產(chǎn)生類似的現(xiàn)象，而非生物接觸天線時(shí)則沒(méi)有影響。
這一常見(jiàn)的現(xiàn)象，讓孫建華對(duì)探索生物感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生了濃厚的興趣，萌發(fā)了“利用人體生物感應(yīng)現(xiàn)象研究可以區(qū)別生物與非生物報(bào)警技術(shù)的念頭”。他開(kāi)始利用業(yè)余時(shí)間，自修大學(xué)專業(yè)理論和有關(guān)電子學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)。無(wú)廠房，就把家里當(dāng)成實(shí)驗(yàn)室；缺設(shè)備，就東拼西湊買二手的儀器；無(wú)團(tuán)隊(duì)，就一個(gè)人堅(jiān)持。孫建華傾其所有，致力于生物感應(yīng)發(fā)明技術(shù)的研究、試驗(yàn)等工作，經(jīng)過(guò)二十多年的努力，他終于在家庭實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成了生物感應(yīng)報(bào)警技術(shù)原理研究和樣機(jī)試驗(yàn)，于2001年申請(qǐng)發(fā)明專利，2004年獲得了國(guó)家專利局授權(quán)。
相比傳統(tǒng)的接觸式報(bào)警，生物感應(yīng)技術(shù)采用感應(yīng)介質(zhì)產(chǎn)生空間弱電場(chǎng)形成的“虛擬屏障”非接觸感應(yīng)人體報(bào)警，對(duì)人體各種入侵方式100%響應(yīng)，具有不漏報(bào)、防破壞、不可破解的技術(shù)特征。此外，采取生物甄別和環(huán)境自適應(yīng)技術(shù)，具有區(qū)別小動(dòng)物、非生物和自然氣候的功能，不僅極大地降低了誤報(bào)的可能性，在戶外各種氣候環(huán)境下也能穩(wěn)定工作。
目前，入侵報(bào)警安防產(chǎn)品存在漏報(bào)、誤報(bào)的技術(shù)缺陷一直是世界性的難題。隨著生物感應(yīng)技術(shù)的成功研發(fā)，不僅突破了國(guó)際入侵報(bào)警技術(shù)領(lǐng)域，漏報(bào)、誤報(bào)的技術(shù)瓶頸，并帶來(lái)安全防范技術(shù)的變革。
2001年，他先后入選《中國(guó)專家人名辭典》、《中國(guó)專家學(xué)者辭典》、《中國(guó)專利發(fā)明人大全》。在平凡的工人崗位，他先后獲得中國(guó)工程物理院第一屆青年科技論文報(bào)告會(huì)“優(yōu)秀論文獎(jiǎng)”；中國(guó)工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所科技論文報(bào)告會(huì)“優(yōu)秀論文獎(jiǎng)”；1998年至1999年期間，參與研制臭氧發(fā)生器及實(shí)驗(yàn)研究工作，獲得中國(guó)工程物理研究院環(huán)保工程研究中心科技論文報(bào)告會(huì)“優(yōu)秀論文獎(jiǎng)。”
探索產(chǎn)業(yè)化發(fā)展路徑
孫建華發(fā)明的生物感應(yīng)傳感器研究和產(chǎn)品應(yīng)用走在世界安全防范技術(shù)領(lǐng)域的前列，開(kāi)創(chuàng)了生物安防智能報(bào)警技術(shù)的變革。
2002年孫建華得到綿陽(yáng)市游仙區(qū)政府10萬(wàn)元科技資金的無(wú)償支持，創(chuàng)辦了四川省綿陽(yáng)市安防科技有限公司，專業(yè)從事生物感應(yīng)報(bào)警技術(shù)應(yīng)用探索與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。
面對(duì)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)應(yīng)用中的空白，孫建華再次帶團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了研發(fā)。要實(shí)現(xiàn)生物感應(yīng)安全防范報(bào)警技術(shù)的應(yīng)用，首先需要研發(fā)在安全防范技術(shù)領(lǐng)域的實(shí)用產(chǎn)品，但在產(chǎn)品研發(fā)和市場(chǎng)應(yīng)用初期，公司面臨國(guó)內(nèi)外無(wú)先例、無(wú)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、無(wú)融資渠道的鴻溝和門檻；技術(shù)上也需要突破空間電場(chǎng)載體排除干擾和設(shè)備工作穩(wěn)定性等問(wèn)題。
經(jīng)過(guò)13年的堅(jiān)持，如今孫建華已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了生物感應(yīng)系列產(chǎn)品的定型設(shè)計(jì)，不僅具有人體感應(yīng)空間電場(chǎng)非接觸報(bào)警的穩(wěn)定的物理性能，而且具有區(qū)別生物與非生物及小動(dòng)物的智能，產(chǎn)品可隱蔽、可粘貼、可移動(dòng)、可水下、可地下、可隨身攜帶布防，適應(yīng)室內(nèi)外全天候工作。這些突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和巨大的產(chǎn)業(yè)空白，使得孫建華和他的公司在很短的時(shí)間內(nèi)，相繼開(kāi)發(fā)成功金融、國(guó)防、軍事、監(jiān)獄、航空、文物、電力、家庭等領(lǐng)域的生物感應(yīng)智能安全防范系列產(chǎn)品，并已獲得了在相關(guān)領(lǐng)域成功應(yīng)用的工程案例。
目前，孫建華的企業(yè)已成熟的核心技術(shù)包括“空間電場(chǎng)介質(zhì)”為載體的“生物感應(yīng)傳感器”及系列產(chǎn)品的軟件和硬件設(shè)計(jì)。已成熟的樣機(jī)更是多種多樣，有針對(duì)野外周界入侵報(bào)警的需求設(shè)計(jì)的“智能周界”，有針對(duì)臨時(shí)移動(dòng)目標(biāo)的“移動(dòng)周界”，有針對(duì)門窗防盜報(bào)警的“便攜式伸縮隔離帶”，更有“智能語(yǔ)音一米線”、“智能不干膠紙”、“智能通道”、“智能門鎖裝置”、“語(yǔ)音地毯”等一系列能廣泛適用的生物感應(yīng)智能安全防范系列產(chǎn)品，這些產(chǎn)品經(jīng)過(guò)不斷地試驗(yàn)、應(yīng)用和反復(fù)改進(jìn)，均已進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化定型設(shè)計(jì)階段。
0 引言
虛擬現(xiàn)實(shí) vr (virtual reality)是一種高度逼真的模擬人在 自然 環(huán)境 中的視 、聽(tīng)、動(dòng)等行為 的人機(jī)界面。 簡(jiǎn)單地說(shuō)，是一種可 以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的 計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是 20世紀(jì)末興起的一 門新的綜合性信息技術(shù) ，它融合了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù) 、人工智能、人機(jī)接口技術(shù) 、數(shù)字圖像處理 、 網(wǎng)絡(luò) 技術(shù) 、傳感器技術(shù)及高度并行的實(shí)時(shí)計(jì)算等技術(shù)，它不僅指那些戴著頭盔和手套的技術(shù)，而且還包括一切與之有關(guān)的具有 自然模擬、逼真體驗(yàn)的技術(shù)和方法 ，它的根本目標(biāo)就是達(dá)到真實(shí)體驗(yàn)和基于 自然技能的人機(jī)交互。
工業(yè)設(shè)計(jì)是建立在 科學(xué) 技術(shù)基礎(chǔ)之上 ，以賦予工業(yè)產(chǎn)品 藝術(shù) 性為目的的一項(xiàng)感性思維和理性思維相互融合的工作。工業(yè)設(shè)計(jì)的程序有具體的方法和整體的戰(zhàn)略進(jìn)行指導(dǎo)和支持，不同國(guó)家、不同時(shí)期面對(duì)不同的設(shè)計(jì)對(duì)象時(shí)，工業(yè)設(shè)計(jì)的程序與方法也是各不相同，大體上有以下幾種：創(chuàng)新設(shè)計(jì)法 、人機(jī)工程學(xué)法 、形態(tài)組構(gòu)法 、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 、caid方法 、價(jià)值工程與價(jià)值創(chuàng)新法、設(shè)計(jì)管理法等 。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入工業(yè)設(shè)計(jì)中，在設(shè)計(jì)的各個(gè)階段利用虛擬數(shù)字模型方便快速地進(jìn)行各種調(diào)查和試驗(yàn)，可以取得適用面更廣、更接近真實(shí)狀態(tài)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。同時(shí)，建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作將更具科學(xué)性和客觀性，給工業(yè)設(shè)計(jì)的方法論 以新的理念。
1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀
1．1 國(guó)外的研究情況
隨著虛擬技術(shù)的不斷成熟與 發(fā)展 ，一些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)在很多領(lǐng)域 中應(yīng)用了虛擬設(shè)計(jì) ，也成立了許多與虛擬技術(shù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室、課題組，其中著名的有美 國(guó)貝卡羅來(lái)那大學(xué)(unc)的計(jì)算機(jī)系 ，其主要的研究課題是物理建模與仿真項(xiàng)目和建筑漫游項(xiàng) 目，此外還有美 國(guó)的密歇根大學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室，主要研究 vr在轎車車身設(shè)計(jì)中的應(yīng)用以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用。瑞士蘇黎士理工大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形實(shí)驗(yàn)室主要的研究課題包括動(dòng)畫與虛擬平臺(tái)、協(xié)同虛擬環(huán)境 (collaborative virturalenvironment)等。美國(guó)宇航局(nasa)的ames研究中心利用流行的液晶現(xiàn)實(shí)技術(shù)和其它零部件研制出了虛擬飛行器，彌補(bǔ)了飛行模擬器成本過(guò)高的不足。美國(guó)麥道飛機(jī)公司采用沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行新型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的輔助設(shè)計(jì)。
1．2 國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀
相對(duì)于國(guó)外虛擬設(shè)計(jì)的發(fā)展。國(guó)內(nèi)虛擬技術(shù)的研究和應(yīng)用還比較落后。自20世紀(jì) 80年代 vr技術(shù)開(kāi)始起步以來(lái)，至今我國(guó)在 vr的基礎(chǔ)圖形技術(shù)領(lǐng)域 已經(jīng)具備了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前全國(guó)已有 34家科研機(jī)構(gòu)、高等院校和 企業(yè) 正在開(kāi)展虛擬制造技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)及初步的示范應(yīng)用工作 ，有 4家企業(yè)參與了這種新的探索，其主要的研究?jī)?nèi)容包括：① 產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì)；② 熱加工工藝模擬；③加工過(guò)程、裝配過(guò)程的仿真；④ 虛擬軸機(jī)床和虛擬量?jī)x的研制和開(kāi)發(fā)；⑤虛擬企業(yè)?？傮w來(lái)看，我國(guó)虛擬制造技術(shù)的研究多數(shù) 是在原先的cad／cam 及仿真技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，而系統(tǒng) 、全面的虛擬制造技術(shù)的研究尚未開(kāi)展，還很少能將成熟的虛擬技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際開(kāi)發(fā)中，尤其在產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，虛擬技術(shù)還未發(fā)揮出它應(yīng)有的作用，應(yīng)用水平遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。由此來(lái)看，我國(guó)重視產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平的提升，將虛擬技術(shù)應(yīng)用到設(shè)計(jì)領(lǐng)域已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的重要環(huán)節(jié)。
2 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的工業(yè)設(shè)計(jì)方法
2．1 創(chuàng)新設(shè)計(jì)法
創(chuàng)新是工業(yè)設(shè)計(jì) 的靈魂所在。當(dāng)代社會(huì) 經(jīng)濟(jì) 條件下 ，市場(chǎng)產(chǎn)品沒(méi)有創(chuàng)新就猶如失去了靈魂，很難在競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手如林的市場(chǎng)上取得優(yōu)勝。在當(dāng)今全新 的經(jīng)濟(jì)背景下，設(shè)計(jì)創(chuàng)新將引導(dǎo)消費(fèi)、把握機(jī)遇，成為決定產(chǎn)品生命力的重要條件之一，以思維創(chuàng)新、行為創(chuàng)新、方式創(chuàng)新為核心的工業(yè)設(shè)計(jì)將在企業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中扮演著舉足輕重的角色。如圖 1、2所示 ，在傳統(tǒng) 的工業(yè)設(shè)計(jì)中，人們一直沿用著平面 圖來(lái)表達(dá)設(shè)計(jì)思想。即使應(yīng)用計(jì)算 機(jī)三維 軟件，最終也只能得到某個(gè)視角的立體效果圖，難以真實(shí)完整地表達(dá) 出設(shè)計(jì)者的意圖。而基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的工業(yè)設(shè)計(jì)方法將 以數(shù)字化的三維模型作為設(shè)計(jì)思想的載體，全面表達(dá)設(shè)計(jì)者的意圖。人們可以根據(jù)自己的需要任意放大、旋轉(zhuǎn)模型 ，主動(dòng)索取信息，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè) 計(jì)由 面表達(dá) 向體表達(dá) 的突破 ，使設(shè)計(jì)師有更充裕 的時(shí)間來(lái)考慮設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié) 問(wèn)題這無(wú)疑對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)的方法創(chuàng)新帶來(lái)了革命性的沖擊如圖 3所示。
此外 ，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合，將可以構(gòu)建一個(gè)全新的開(kāi)放式設(shè)計(jì)平臺(tái)，以三維數(shù)字化模型作為設(shè)計(jì)思想的載體 ，全面表達(dá)設(shè)計(jì)者的意圖。打破地域限制，實(shí)現(xiàn)用戶與設(shè)計(jì) 、開(kāi)發(fā)人員的良好溝通和互動(dòng)。
2．2 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的產(chǎn)品人機(jī)工程分析
(1)人機(jī)工程學(xué)參數(shù)的采集與分析。傳統(tǒng)的人機(jī)工程學(xué)在參數(shù)的采集和分析中存在諸多問(wèn)題：①采樣數(shù)量 、測(cè)量和數(shù)據(jù)分析的工作量均很大，且成本高 、周期長(zhǎng)；②無(wú)法進(jìn)行動(dòng)態(tài)修訂；③缺乏對(duì)于企業(yè)具體產(chǎn)品的針對(duì)性；④參數(shù)多為二維模型。若在具體的采集和分析中使用三維掃描技術(shù) (獲取靜態(tài)三維數(shù)據(jù) )、 動(dòng)作捕捉技術(shù) (獲取動(dòng)作特征數(shù)據(jù))，即可生成虛擬被試三維動(dòng)態(tài)數(shù)字模型 。這些數(shù)字模型在被更新前一直可以 “活在”虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)平臺(tái)上，通過(guò)對(duì)虛擬被試三維動(dòng)態(tài)數(shù)字模型的關(guān)鍵點(diǎn)控制 ，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的不斷更新。 (2)虛擬人機(jī)工程設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià) 。虛擬人機(jī)工程設(shè)計(jì)借助于虛擬樣機(jī) (virtual prototype)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì) ，故也稱其為虛擬人機(jī)工程學(xué)環(huán)境。設(shè)計(jì)人員和不同技術(shù)背景的人可以直觀地觀察到各種虛擬人體三維數(shù)字模型的實(shí)時(shí)情況，精確研究產(chǎn)品的人機(jī)工程學(xué)參數(shù) ，直接與設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行交互，并評(píng)價(jià)產(chǎn)品的性能。
在傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的人機(jī)系統(tǒng)中，人是操作者 ，機(jī)器只是被動(dòng)的反應(yīng) ，而在虛擬產(chǎn) 品設(shè)計(jì)的人機(jī)系統(tǒng)中，人成為主動(dòng)參與者 ，復(fù)雜系統(tǒng)中可能有許多參與者共同在以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的虛擬環(huán)境中協(xié)同工作。在基于人機(jī)工程的傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，人機(jī)分析和評(píng)價(jià)必須是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后的樣機(jī)模型中或者在試制的產(chǎn)品中進(jìn)行．而在基于人機(jī)工程的虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，人機(jī)設(shè)計(jì)分析評(píng)價(jià)又是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過(guò)程中可以同時(shí)進(jìn)行，也可與產(chǎn)品使用者進(jìn)行各種實(shí)時(shí)的交互。
如圖 4所示．基于人機(jī)工程的傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的人機(jī)評(píng)價(jià)是在樣品試制后才進(jìn)行，若人機(jī)評(píng)價(jià)結(jié)果達(dá)不到要求 ，就需要進(jìn)行重新設(shè)計(jì) 和樣 品試 制 ，再進(jìn)行人機(jī)評(píng)價(jià)，這樣反復(fù)循環(huán)指導(dǎo)方能達(dá)到要求，這種評(píng)價(jià)方式既浪費(fèi)時(shí)間又耗費(fèi)資源。而圖 5基于人機(jī)工程的虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)全過(guò)程采用協(xié) 同并行式，人機(jī)設(shè)計(jì) 、人機(jī)仿真和人機(jī)評(píng)價(jià)實(shí)現(xiàn)交互式。不需要樣品試制的過(guò)程 ，而且和虛擬加工 、虛擬制造形成并行 ，大大 的節(jié)省 了時(shí) 間和資原，也加快 企業(yè) 新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)進(jìn)程。
2.3形態(tài)組構(gòu)法
有研究表明，“看”是人類五種感覺(jué)中最為重要的感覺(jué)，因此，形態(tài)與色彩在設(shè)計(jì)中占據(jù)著尤為關(guān)鍵的地位。嶄新符號(hào)的合理創(chuàng)造，依賴于深入觀察理解生活與 自然 形態(tài)，及隨后進(jìn)行的創(chuàng)造性抽象思維活動(dòng)。這里需要強(qiáng)調(diào)的是，通過(guò)對(duì)自然的學(xué)習(xí)、研究、分析，進(jìn)一步升華創(chuàng)造出富有生命力的形態(tài)這一過(guò)程，必須遵循 科學(xué) 的研究方法與程序[5]。圖2所示的電錘，其頭部造型形成了電錘強(qiáng)勁的沖擊力，而整體的外形設(shè)計(jì)不僅有傳統(tǒng)電錘的風(fēng)格，更有本款造型個(gè)性設(shè)計(jì)的明顯特征；錘前端典型的電錘圓鼓造型構(gòu)成了錘的共有特征，但也被賦予了更明確的時(shí)尚個(gè)性，線條形式隨錘體輕微向外彎曲，以至前端產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)感，海魚般的外形與原有造型相比更是有著大膽的突破，但那正體現(xiàn)了電錘靈活的運(yùn)動(dòng)特征。在采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行本產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師借助于freeform系統(tǒng)，依照科學(xué)的方法從虛擬立體的觀察和人機(jī)交互中不斷進(jìn)行深入分析研究，見(jiàn)圖6，找出形態(tài)變化的一般 規(guī)律 ，使其在固有的限定條件下自如地進(jìn)行聯(lián)想、抽象與創(chuàng)造，把思維與創(chuàng)造力帶入一個(gè)“美的自由王國(guó)”。
2.4設(shè)計(jì)管理法
一、前言
傳統(tǒng)榫卯工藝是傳統(tǒng)文化中的瑰寶[1]，在現(xiàn)代家具設(shè)計(jì)中迫切需要對(duì)其進(jìn)行深入學(xué)習(xí)與研究。但是由于榫卯工藝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在教學(xué)中此類物理教具制作困難，不能進(jìn)行批量的機(jī)械化生產(chǎn)。并且內(nèi)部榫卯結(jié)構(gòu)不能通過(guò)物理教具直接觀察到，學(xué)習(xí)者不能直觀的理解其結(jié)構(gòu)，這造成學(xué)習(xí)榫卯結(jié)構(gòu)的過(guò)程非常困難[2]。針對(duì)榫卯工藝在研究過(guò)程中存在的此類問(wèn)題，本文提出引入數(shù)字化設(shè)計(jì)中的新方法、新技術(shù)，將數(shù)字化仿真設(shè)計(jì)與榫卯工藝相結(jié)合，以“有束腰方凳”為例，進(jìn)行虛擬仿真設(shè)計(jì)。利用仿真技術(shù)對(duì)榫卯結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)字化模型的構(gòu)建，并利用虛擬裝配技術(shù)對(duì)其進(jìn)行裝配和構(gòu)建。這樣避免了物理教具的批量制造，降低教學(xué)成本，提升了教學(xué)效率，為榫卯結(jié)構(gòu)的教學(xué)研究提供了一條新的思路，本文主要研究的是通過(guò)仿真模擬技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)榫卯工藝進(jìn)行研究及其數(shù)據(jù)庫(kù)的建立。
二、數(shù)字化仿真構(gòu)建方法
1、數(shù)字化仿真技術(shù)含義
數(shù)字化仿真技術(shù)是以虛擬現(xiàn)實(shí)和仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程統(tǒng)一建模，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、加工和裝配、檢驗(yàn)、整個(gè)生命周期的模擬和仿真。這樣可以在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段就模擬出產(chǎn)品及其性能和制造過(guò)程，以此來(lái)優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量和制造過(guò)程。與傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計(jì)相比，數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)在設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)過(guò)程、設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率等各方面都發(fā)生了質(zhì)的變化，數(shù)字化工業(yè)設(shè)計(jì)將主要包括數(shù)字化建模，數(shù)字化裝配，數(shù)字化評(píng)價(jià)，數(shù)字化制造，以及數(shù)字化信息交換等幾方面。
2、數(shù)字化仿真設(shè)計(jì)流程
在現(xiàn)實(shí)家具榫卯工藝研究的方法是：把已有的家具進(jìn)行拆解，對(duì)拆解后的榫卯結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量、記錄與學(xué)習(xí)。而在Pro/E系統(tǒng)中，學(xué)習(xí)研究榫卯結(jié)構(gòu)的方法是：首先通過(guò)對(duì)榫卯家具進(jìn)行拆解，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)測(cè)量；然后通過(guò)數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)，并采用數(shù)字化樣機(jī)來(lái)代替原來(lái)的物理原型，在數(shù)字狀態(tài)下進(jìn)行仿真分析，對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行裝配重組。這樣不需要實(shí)物原型，就可以讓更多的設(shè)計(jì)人員在不同時(shí)間不同的地點(diǎn)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行榫卯結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)和研究。
三、數(shù)字化仿真實(shí)例
首先是建模平臺(tái)的選取，考慮到數(shù)據(jù)格式的通用性、三維模型建設(shè)的便捷性，以及數(shù)據(jù)管理方式的先進(jìn)性，最終選用了軟件Pro/E作為三維建模平臺(tái)。對(duì)結(jié)構(gòu)件和零件用軟件Pro/E進(jìn)行建模來(lái)更直觀的展示傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以此來(lái)系統(tǒng)闡述榫卯結(jié)構(gòu)制圖和模型制作的現(xiàn)代工藝流程。由于凳子是明清家具中最基本的單品，其結(jié)構(gòu)也是桌、案、幾等家具的本源。本文將具有榫卯結(jié)構(gòu)的束腰凳進(jìn)行拆解，并對(duì)拆解后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬。
1、定義初步產(chǎn)品結(jié)構(gòu)
在進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)之前要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行初步結(jié)構(gòu)分析：首先采用自頂向下設(shè)計(jì)方法規(guī)劃出束腰凳的整體造型結(jié)構(gòu)關(guān)系，即產(chǎn)品結(jié)構(gòu)包含了一系列的子裝配件，以及它們所繼承的設(shè)計(jì)意圖。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)由各層次裝配和元件清單組成，在定義設(shè)計(jì)意圖時(shí)，有許多子裝配是預(yù)先確定下來(lái)的：比如對(duì)本例束腰凳進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，可以看到本例凳子一共使用了攢邊打槽裝板、抱肩榫、格肩榫這三種榫卯裝配結(jié)構(gòu)。
2、數(shù)字化樣機(jī)詳細(xì)設(shè)計(jì)
在明確了設(shè)計(jì)意圖并定義了“有束腰凳”產(chǎn)品基本結(jié)構(gòu)和框架前提下，將圍繞設(shè)計(jì)意圖和基本框架展開(kāi)零件和子裝配的詳細(xì)設(shè)計(jì)。首先是子裝配件的確定，通過(guò)對(duì)基本框架的研究分析得出產(chǎn)品共分為三個(gè)子裝配體：攢邊打槽裝板結(jié)構(gòu)子裝配體、抱肩榫結(jié)構(gòu)子裝配體、格肩榫子裝配體。當(dāng)子裝配體確定下來(lái)，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)傳遞下去之后，可以進(jìn)行單個(gè)的零件設(shè)計(jì)。
2.1凳面榫卯結(jié)構(gòu)仿真
從拆解圖二可以看出，凳面采用的是攢邊打槽裝板連接方式。我們將攢邊打槽裝板連接方式定義為子裝配件，在子裝配件下進(jìn)行板心及邊框的詳細(xì)設(shè)計(jì)。趲邊打槽裝板的裝配結(jié)構(gòu)是首先將板心裝納在四根邊框之中，然后將裝板的邊框裝配起來(lái)[3]。這種裝配結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于邊框伸縮性不大，使得整個(gè)家具的結(jié)構(gòu)不至由于面板的脹縮而受影響，起到了穩(wěn)定堅(jiān)實(shí)的作用。
趲邊打槽裝板裝配結(jié)構(gòu)定義完之后開(kāi)始進(jìn)行零部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)，由圖四可以看出此裝配零部件由凳面的帶榫頭的兩根大邊和兩條帶榫眼的抹頭組成。這四根木框兩根長(zhǎng)而出榫的叫“大邊”，兩根短而鑿眼的叫“抹頭”。經(jīng)過(guò)以上分析，在Pro/E環(huán)境中建立這四根帶有榫卯結(jié)構(gòu)的木框零部件。
2.2腿足的抱肩榫結(jié)構(gòu)仿真
從圖三可以看出，凳面與腿足及其束腰采用的是抱肩榫連接方式，將抱肩榫連接方式定義為子裝配件，抱肩榫是束腰家具的腿足與束腰、牙條相結(jié)合時(shí)使用的榫卯結(jié)構(gòu)。首先通過(guò)測(cè)繪獲得各種數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在獲得詳細(xì)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過(guò)三維仿真建模技術(shù)，對(duì)抱肩榫結(jié)構(gòu)進(jìn)行子裝配件的建立。之后在子裝配件下進(jìn)行牙條與腿足的詳細(xì)設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)三維仿真模型的拆解可以看出來(lái)，抱肩榫子裝配件的詳細(xì)結(jié)構(gòu)是在腿足上挖出肩，將牙條插掛在上面來(lái)固定四方的框架。同時(shí)掛銷進(jìn)一步定位橫材和豎材，將面受到的壓力均勻傳遞到四足上，腿足上端的長(zhǎng)短榫通過(guò)抹頭的插接固定了承重面。
2.3.腳檔的格肩榫模型仿真
通過(guò)下圖對(duì)束腰凳的拆解可以看出，數(shù)字化模型中腳檔與腿足的連接方式為格肩榫，將格肩榫裝配方式定義為子裝配體，然后分析其詳細(xì)零部件。本實(shí)例束腰凳的腿足是方形豎材，此家具用的是大格肩榫結(jié)構(gòu)，肩部為尖角，格肩部分和長(zhǎng)方形的陽(yáng)榫貼實(shí)在一起的，為不帶夾皮的格肩榫，又叫“實(shí)肩”。詳細(xì)零部件構(gòu)成為：格肩榫榫頭在中間，兩邊為榫肩，格肩部分和長(zhǎng)方形的陽(yáng)榫貼實(shí)在一起的，為不帶夾皮的格肩榫，又叫“實(shí)肩”。 齊頭碰在形式上有透榫。
3、數(shù)字化樣機(jī)虛擬裝配
假如在榫卯結(jié)構(gòu)的物理教具裝配演示過(guò)程中，需要將裝配的各個(gè)零部件拿到裝配現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行裝配[4]。而在Pro/E虛擬系統(tǒng)中，只需要在計(jì)算機(jī)屏幕上裝配零部件，查看和分析零件的配合情況，這樣可減少對(duì)物理樣機(jī)的依賴。
具體的虛擬裝配的方法是：首先是裝配建模體系結(jié)構(gòu)的建立，根據(jù)有束腰凳裝配給定的功能要求和設(shè)計(jì)約束，先確定產(chǎn)品的大致組成和形狀，確定各組成零部件之間的裝配關(guān)系和約束關(guān)系。然后再把束腰凳分解成若干個(gè)零部件，在總體裝配關(guān)系的約束下，同步根據(jù)裝配關(guān)系對(duì)這些零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。
其次是裝配體層次關(guān)系的定義，束腰凳的裝配體分解成不同層次的子裝配體，子裝配體又可分解成若干子裝配體和各個(gè)零件。通常將零件、子裝配體、裝配體之間的這種層次關(guān)系直觀地表示成裝配樹(shù)，樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)是裝配體，子節(jié)點(diǎn)是組成裝配體的各個(gè)零件，中間節(jié)點(diǎn)則是子裝配體。裝配樹(shù)的的關(guān)系體現(xiàn)了實(shí)際形成裝配體的裝配順序，同時(shí)也表達(dá)了裝配體、子裝配體及零件之間的父、子從屬關(guān)系。圖6是有束腰凳的仿真裝配結(jié)果。
四、 結(jié)語(yǔ)
傳統(tǒng)榫卯結(jié)構(gòu)是我國(guó)寶貴的傳統(tǒng)工藝非物質(zhì)文化遺產(chǎn)，同時(shí)明式家具榫卯結(jié)構(gòu)工藝也是當(dāng)今學(xué)習(xí)榫卯結(jié)構(gòu)的難點(diǎn)，所以有必要對(duì)傳統(tǒng)榫卯結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維數(shù)字模型的仿真研究，使學(xué)習(xí)和掌握榫卯結(jié)構(gòu)的過(guò)程更快捷。通過(guò)三維模型的仿真研究和實(shí)踐，探索出一套學(xué)習(xí)榫卯工藝的學(xué)習(xí)方法，為當(dāng)今家具設(shè)計(jì)提供有益的參考，同時(shí)也促進(jìn)了明式家具的深入研究，有助于傳統(tǒng)文化的廣泛傳播和發(fā)展。
本文為天津市高等學(xué)校人文社會(huì)科學(xué)研究一般項(xiàng)目資助 課題號(hào)：20112303
參考文獻(xiàn)
[1] 胡中艷，曹陽(yáng).中國(guó)古代家具設(shè)計(jì)的繼承與發(fā)展[J].包裝工程，2009，30（1）158-160
