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第1篇

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)應(yīng)用;裝配規(guī)劃;綜述;虛擬現(xiàn)實(shí);軟計(jì)算;協(xié)同裝配

裝配是產(chǎn)品生命周期的重要環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的主要過(guò)程。寫(xiě)作畢業(yè)論文裝配成本占產(chǎn)品制造成本40%～50%，裝配自動(dòng)化一直是制造自動(dòng)化中的瓶頸問(wèn)題。裝配規(guī)劃是在給定產(chǎn)品與相關(guān)制造資源的完整描述前提下，得到產(chǎn)品詳細(xì)的裝配方案的過(guò)程，對(duì)指導(dǎo)產(chǎn)品可裝配性設(shè)計(jì)、提高產(chǎn)品裝配質(zhì)量和降低裝配成本具有重要意義。產(chǎn)品的裝配規(guī)劃通常需要得到零部件的裝配序列、裝配路徑、使用的工裝夾具和裝配時(shí)間等內(nèi)容[1]~[3]。

較早的傳統(tǒng)裝配規(guī)劃采用人工方式，工藝人員根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和技術(shù)文檔，通過(guò)分析產(chǎn)品裝配圖中零件的幾何形狀和位置關(guān)系，必要時(shí)再和設(shè)計(jì)人員進(jìn)行討論，進(jìn)一步明確設(shè)計(jì)者的真正意圖，利用自己的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)規(guī)劃出產(chǎn)品的裝配方案。這種方法工作量大、效率低，且難于保證裝配方案的經(jīng)濟(jì)性。

隨著計(jì)算機(jī)集成制造CIMS和并行工程CE技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，一方面對(duì)裝配相關(guān)的設(shè)計(jì)技術(shù)提出了計(jì)算機(jī)化的要求，以提高和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中其他環(huán)節(jié)的集成化程度。另一方面要求裝配方案的優(yōu)化以降低成本和縮短規(guī)劃時(shí)間以加快產(chǎn)品開(kāi)發(fā)進(jìn)程。受“需求牽引”和“技術(shù)推動(dòng)”兩方面的影響，80年代初，出現(xiàn)了對(duì)計(jì)算機(jī)輔助裝配規(guī)劃(ComputerAidedAssemblyPlanning，CAAP)技術(shù)的研究。到目前為止，CAAP經(jīng)歷了幾個(gè)不同的發(fā)展階段，出現(xiàn)了4種代表性的方法，按照出現(xiàn)的時(shí)間順序及方法的特點(diǎn)，筆者將其歸結(jié)為經(jīng)典裝配規(guī)劃方法、虛擬裝配規(guī)劃方法、裝配規(guī)劃軟計(jì)算方法和協(xié)同裝配規(guī)劃方法。

1經(jīng)典裝配規(guī)劃方法

早期CAAP的研究側(cè)重于裝配序列的規(guī)劃，以產(chǎn)品CAD裝配模型為基礎(chǔ)，寫(xiě)作碩士論文一般采用幾何推理的方法，通過(guò)產(chǎn)品裝配建模、裝配序列推理和表達(dá)以及裝配序列評(píng)價(jià)和選擇為產(chǎn)品面向裝配的設(shè)計(jì)和裝配工藝規(guī)劃提供指導(dǎo)和支持，其過(guò)程通常如圖1所示。

1.1產(chǎn)品裝配建模

產(chǎn)品裝配模型是裝配規(guī)劃的基礎(chǔ)，為裝配規(guī)劃提供裝配體和零部件的相關(guān)信息。常用的裝配信息表達(dá)模型可分為圖模型和矩陣模型。法國(guó)學(xué)者Bourjauct提出了聯(lián)系圖模型[4]，將零件之間的物理接觸關(guān)系定義為聯(lián)系即裝配關(guān)系，圖中的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)零件，邊表示所連接的零件間至少有一種裝配關(guān)系。關(guān)系模型[5]進(jìn)一步區(qū)分了零件之間的接觸關(guān)系和聯(lián)接關(guān)系，圖中包含3種實(shí)體類型：零件、接觸和聯(lián)接，邊表達(dá)了實(shí)體間的關(guān)系。產(chǎn)品等級(jí)裝配模型[6]將裝配體看成具有層次結(jié)構(gòu)性，即裝配體可以分解為子裝配體，子裝配體又可分解為下級(jí)子裝配體和零件的集合，以此表達(dá)產(chǎn)品的裝配組成。

矩陣比圖易于計(jì)算機(jī)表達(dá)和實(shí)現(xiàn)。Dini和Santochi[7]利用干涉矩陣、接觸矩陣和連接矩陣表達(dá)產(chǎn)品，干涉矩陣描述了零部件間沿坐標(biāo)軸方向裝配時(shí)相互間的干涉情況，接觸矩陣描述了零部件間的物理接觸狀態(tài)，連接矩陣描述了零部件間的連接類型。為減少矩陣的數(shù)量，Huang[8]等把6個(gè)干涉矩陣合并為一個(gè)拆卸矩陣，集成的表達(dá)零部件間沿坐標(biāo)軸方向的干涉情況。

1.2裝配序列推理和表達(dá)

基于聯(lián)系圖模型，Bourjauct采用人機(jī)交互“問(wèn)答式”方法獲取裝配優(yōu)先約束關(guān)系[4]，寫(xiě)作醫(yī)學(xué)論文隨后DeFazio和Whitney[9]，Baldwin[10]等人的工作進(jìn)一步較少了需要由用戶回答問(wèn)題的數(shù)量，然后通過(guò)對(duì)裝配優(yōu)約束關(guān)系進(jìn)行推理得到聯(lián)絡(luò)建立優(yōu)先關(guān)系的層次模型表達(dá)產(chǎn)品的裝配序列。

“割集”法是基于拆卸策略的裝配規(guī)劃中通常采用的圖論算法。HomemdeMell和Sanderson[5]通過(guò)對(duì)產(chǎn)品聯(lián)接圖進(jìn)行縮并，利用“割集”算法對(duì)聯(lián)接圖進(jìn)行循環(huán)分解，生成所有可能的子裝配體，直到不可再分。并提出了裝配序列的AND/OR圖表達(dá)方法，圖中的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)裝配過(guò)程中的子裝配體或零件，超弧表達(dá)將子裝配體或零件聯(lián)接在一起形成更大子裝配體的裝配操作。因?yàn)椤案罴彼惴ǖ挠?jì)算復(fù)雜性為O(3N)(N為零件個(gè)數(shù))，因此，對(duì)于復(fù)雜產(chǎn)品的裝配順序規(guī)劃存在指數(shù)爆炸問(wèn)題，這是難以讓人接受的。

1.3裝配序列評(píng)價(jià)和選擇

裝配序列的選擇對(duì)裝配線設(shè)計(jì)、裝配成本、裝配設(shè)備選擇有很大影響，寫(xiě)作職稱論文而評(píng)價(jià)是選擇的基礎(chǔ)。裝配序列的評(píng)價(jià)可分為定性和定量?jī)煞矫嬉蛩豙11]~[13]，定性因素主要考慮的有裝配方向換向的頻度、子裝配體的穩(wěn)定性和安全性、裝配操作任務(wù)間的并行性、子裝配體的結(jié)合性和模塊性、緊固件的裝配、零件的聚合等。定量因素主要考慮的有整個(gè)裝配時(shí)間(包括子裝配體的操作時(shí)間、運(yùn)輸時(shí)間等)、整個(gè)裝配成本(包括勞動(dòng)成本、夾緊和加工成本)、產(chǎn)品在裝配中再定位的次數(shù)、夾具的數(shù)目、操作者的數(shù)目、機(jī)器人手爪的數(shù)目、工作臺(tái)的數(shù)目等。

更多的經(jīng)典裝配規(guī)劃方法研究文獻(xiàn)可以參見(jiàn)TexasA&M大學(xué)Wolter教授的“AssemblyPlanningBibliography”[14]，其中收集了自1980年起近15年經(jīng)典裝配規(guī)劃方法的相關(guān)研究。經(jīng)典方法一般表達(dá)出全部的序列解空間，這使它可能從中找出最優(yōu)的裝配序列，但隨著產(chǎn)品中零件數(shù)量的增加，解空間的組合爆炸給序列的存儲(chǔ)、選優(yōu)帶來(lái)極大困難；且序列的幾何推理方法不易融入人類的裝配知識(shí)，難免產(chǎn)生眾多幾何可行但工藝不可行的序列結(jié)果。

2虛擬裝配規(guī)劃方法

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為裝配規(guī)劃的“人－機(jī)”協(xié)同工作提供了契機(jī)。虛擬裝配是指由操作者通過(guò)數(shù)據(jù)手套和三維立體顯示設(shè)備直接三維操作虛擬零部件來(lái)模擬裝配/拆卸過(guò)程，無(wú)需產(chǎn)品或支撐過(guò)程的物理實(shí)現(xiàn)，通過(guò)分析、先驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⒖梢暬蛿?shù)據(jù)表達(dá)等手段，利用計(jì)算機(jī)工具來(lái)安排或輔助與裝配有關(guān)的工程決策[15]。虛擬裝配過(guò)程中，人機(jī)可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，即人通過(guò)直覺(jué)/裝配經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)決定產(chǎn)品的裝配過(guò)程，但不能精確地判斷當(dāng)前所有可能裝配的零件，也不太可能準(zhǔn)確判定裝配某一零件后裝配體的穩(wěn)定性等因素，而通過(guò)一定算法和規(guī)則實(shí)現(xiàn)的機(jī)器智能剛好彌補(bǔ)人的不足。虛擬裝配方法得到的不僅僅是零件的順序，還可以包括零件路徑、裝配工具、夾具和工作臺(tái)等信息。圖2為虛擬裝配規(guī)劃的工作步驟。

國(guó)外虛擬裝配規(guī)劃的研究以沉浸式虛擬裝配環(huán)境VADE[16],[17](VirtualAssemblyDesignEnvironment)為代表，寫(xiě)作英語(yǔ)論文通過(guò)建立一個(gè)裝配規(guī)劃和評(píng)價(jià)的虛擬環(huán)境來(lái)探索運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造的潛在技術(shù)可能性，為機(jī)械系統(tǒng)裝配體的規(guī)劃、評(píng)價(jià)和驗(yàn)證提供支持。在虛擬環(huán)境中，利用提取并導(dǎo)入的CAD系統(tǒng)產(chǎn)生的裝配約束信息引導(dǎo)裝配過(guò)程；通過(guò)引入了質(zhì)量、慣性和加速度等物理屬性，基于物理特性進(jìn)行裝配建模，逼真地模擬真實(shí)裝配環(huán)境；支持雙手的靈活裝配和操作；記錄虛擬裝配過(guò)程中產(chǎn)生的掃體積和路徑信息并可進(jìn)行編輯；建立了工具/零件/人相互作用模型，支持裝配工具在虛擬裝配環(huán)境中的運(yùn)用。

國(guó)內(nèi)管強(qiáng)等[18]將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與面向裝配設(shè)計(jì)的理論相結(jié)合，建立了一個(gè)虛擬環(huán)境下的面

向裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)（VirDFA）。萬(wàn)華根等[19]建立了一個(gè)具有多通道界面的虛擬設(shè)計(jì)與虛擬裝配系統(tǒng)（VDVAS），通過(guò)直接三維操作和語(yǔ)音命令方便地對(duì)零件進(jìn)行交互拆裝以建立零件的裝配順序和裝配路徑等裝配信息。在面向過(guò)程與歷史的虛擬設(shè)計(jì)與裝配環(huán)境（VIRDAS）中，張樹(shù)有等[20]通過(guò)識(shí)別裝配關(guān)系進(jìn)行裝配運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)虛擬拆卸/裝配順序規(guī)劃、虛擬裝配分析。從集成的觀點(diǎn)出發(fā)，姚珺等[21]提出面向產(chǎn)品設(shè)計(jì)全過(guò)程的虛擬裝配體系結(jié)構(gòu)，從方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝配工藝設(shè)計(jì)3個(gè)層次上分階段地對(duì)產(chǎn)品可裝配性進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。田豐等[22]提出一個(gè)面向虛擬裝配的三維交互平臺(tái)（VAT），簡(jiǎn)化了虛擬裝配應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)造，便于應(yīng)用的快速生成。

應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境開(kāi)展裝配規(guī)劃，提供了一種新的思路和工具。但是，虛擬環(huán)境的構(gòu)建需要較大資金的軟硬件投入，另外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)本身（如圖形的高速刷新）及其相關(guān)硬件技術(shù)（如力觸覺(jué)設(shè)備）的不成熟使得虛擬裝配的研究仍處于探索階段。

3裝配規(guī)劃軟計(jì)算方法

1994年，Zadeh教授將模糊邏輯與智能技術(shù)結(jié)合起來(lái)，提出了軟計(jì)算方法（softcomputing）[23]。軟計(jì)算以模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和概率推理為基礎(chǔ)，不追求問(wèn)題的精確解，以近似性和不確定性為主要特征，所得到的是精確或不精確問(wèn)題的近似解。為避免組合爆炸同時(shí)又能得到較優(yōu)的裝配規(guī)劃方案，近來(lái)，基于建模、表達(dá)和尋優(yōu)一體化的裝配規(guī)劃軟計(jì)算方法得到廣泛關(guān)注。

3.1裝配規(guī)劃神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模擬人類形象思維的一種人工智能方法，它是由大量神經(jīng)元廣泛互連而成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，寫(xiě)作留學(xué)生論文單一神經(jīng)元可以有許多輸入、輸出，神經(jīng)元之間的相互作用通過(guò)連接的權(quán)值體現(xiàn)，神經(jīng)元的輸出是其輸入的函數(shù)。若將優(yōu)化計(jì)算問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)與網(wǎng)絡(luò)某種狀態(tài)函數(shù)(通常稱網(wǎng)絡(luò)能量函數(shù))對(duì)應(yīng)起來(lái)，網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)向能量函數(shù)極小值方向移動(dòng)的過(guò)程就可視作優(yōu)化問(wèn)題的求解過(guò)程，穩(wěn)態(tài)點(diǎn)則是優(yōu)化問(wèn)題的局部或全局最優(yōu)解。

Hong和Cho[24]用于機(jī)器人裝配順序優(yōu)化的Hopfiled神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，考慮裝配約束、子裝配體穩(wěn)定性和裝配方向改變等因素建立網(wǎng)絡(luò)的能量方程，基于優(yōu)先約束推理和專家系統(tǒng)提供的裝配成本驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)化方程得到優(yōu)化的序列。但由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)缺乏全局搜索能力，計(jì)算結(jié)果顯示，該方法容易產(chǎn)生不優(yōu)化的裝配順序，且常常只能得到一個(gè)局部最優(yōu)的裝配序列。另外，參數(shù)選擇和初始條件對(duì)網(wǎng)絡(luò)的靈敏度影響大；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用前須進(jìn)行訓(xùn)練，而訓(xùn)練時(shí)要由專家提供較多可行的順序作為樣本。而樣本可能是針對(duì)某種類型的產(chǎn)品，對(duì)其它類型的產(chǎn)品則不一定適用，該方法的應(yīng)用范圍窄。

3.2裝配規(guī)劃模擬退火算法

模擬退火算法源于固體退火思想，將一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題比擬成一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，將目標(biāo)函數(shù)比擬為系統(tǒng)的能量，將優(yōu)化求解過(guò)程比擬成系統(tǒng)逐步降溫以達(dá)到最低能量狀態(tài)的退火過(guò)程，通過(guò)模擬固體的退火過(guò)程獲得優(yōu)化問(wèn)題的全局最優(yōu)解。

Saeid等[25]利用模擬退火算法進(jìn)行裝配序列規(guī)劃時(shí)，根據(jù)產(chǎn)品裝配模型獲得裝配優(yōu)先關(guān)系，將裝配過(guò)程總裝配時(shí)間和重定向次數(shù)運(yùn)用多屬性應(yīng)用理論組合成單一目標(biāo)函數(shù)，作為裝配序列優(yōu)化的評(píng)價(jià)函數(shù)。Hong和Cho[26]將裝配約束和裝配過(guò)程的成本映射為裝配序列能量函數(shù)，利用模擬退火算法使裝配序列能量函數(shù)擾動(dòng)地逐步減小，經(jīng)過(guò)多次迭代，直到能量函數(shù)不再變化為止，最后得到具有最小裝配成本的裝配序列。作者將該方法應(yīng)用到一個(gè)電子繼電器裝配體上，并將其性能與利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[24]的裝配規(guī)劃方法進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示基于模擬退火的裝配序列優(yōu)化方法可以產(chǎn)生較好的裝配序列并且在運(yùn)算時(shí)間上優(yōu)于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。

模擬退火算法具有較強(qiáng)的局部搜索能力，并能使搜索過(guò)程避免陷入局部最優(yōu)，但模擬退火算法對(duì)整個(gè)搜索空間的狀況了解不多，不能使搜索過(guò)程進(jìn)入最有希望的搜索區(qū)域，從而使得算法的運(yùn)算效率不高。

3.3裝配規(guī)劃遺傳算法

在眾多軟計(jì)算方法中，遺傳算法得到了眾多研究者的重視。寫(xiě)作工作總結(jié)遺傳算法是模仿生物自然選擇和遺傳機(jī)制的隨機(jī)搜索算法，它將問(wèn)題的可能解組成種群，將每一個(gè)可能的解看作種群的個(gè)體，從一組隨機(jī)給定的初始種群開(kāi)始，持續(xù)在整個(gè)種群空間內(nèi)隨機(jī)搜索，按照一定的評(píng)估策略即適應(yīng)度函數(shù)對(duì)每一個(gè)體進(jìn)行評(píng)價(jià)，不斷通過(guò)復(fù)制、交叉、變異等遺傳算子的作用，使種群在適應(yīng)度函數(shù)的約束下不斷進(jìn)化，算法終止時(shí)得到最優(yōu)/次最優(yōu)的問(wèn)題解。圖3為裝配規(guī)劃遺傳算法的一般流程。

裝配規(guī)劃遺傳算法的研究重點(diǎn)集中于設(shè)計(jì)裝配序列的基因編碼方式以包含更多的裝配過(guò)程信息、設(shè)計(jì)基因操作的形式和改進(jìn)遺傳算法的局部搜索能力上。Lazzerini等[27]的分段編碼遺傳算法中，將染色體分為3段編碼，第1段表示參與裝配的零件編號(hào)，第2段表示零件的可行裝配方向，第3段表示裝配工具，從而使染色體包含了部分工藝信息。為了提高算法的性能，文中將裝配體分解為子裝配體進(jìn)行裝配，減少了參加裝配序列規(guī)劃的零件數(shù)目；Guan等[28]采用基因團(tuán)編碼方式，一個(gè)基因團(tuán)表達(dá)一個(gè)零件的裝配操作，由被裝配零件號(hào)裝配元、裝配工具裝配元、裝配方向裝配元和裝配類型裝配元組成。在擴(kuò)大采樣空間選擇下一代種群的基礎(chǔ)上，通過(guò)交叉和多層次變異實(shí)現(xiàn)裝配序列并行優(yōu)化。廖小云和陳湘鳳[29]在裝配序列規(guī)劃遺傳算法中設(shè)計(jì)了復(fù)制、交叉、變異、剪貼和斷連5種遺傳算子尋找裝配序列優(yōu)化解。在Smith等[30]的增強(qiáng)型遺傳算法中，選擇下一代個(gè)體并不完全依靠適應(yīng)度，而是先把一定數(shù)量較優(yōu)的個(gè)體復(fù)制到下一代，將適應(yīng)度低但幾何可行的序列用于繼續(xù)產(chǎn)生序列，直到滿足下一代種群中序列個(gè)數(shù)的需求，從而使算法能跳出局部最優(yōu)點(diǎn)，在全局范圍內(nèi)搜索最優(yōu)解。

理論上，找到全局最優(yōu)裝配序列要求參加演化計(jì)算的種群規(guī)模要足夠大，迭代次數(shù)要無(wú)限

多，但在計(jì)算資源和時(shí)間限制下是達(dá)不到要求的。因此，遺傳算法求解裝配規(guī)劃問(wèn)題的效率和結(jié)果依賴于初始種群規(guī)模及其質(zhì)量、遺傳算子及其操作概率等因素。

4協(xié)同裝配規(guī)劃方法

裝配體作為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的載體，零部件可能由不同的企業(yè)設(shè)計(jì)，零部件和產(chǎn)品可能在不同的裝配工廠完成裝配過(guò)程，因此需要設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的協(xié)同工作和決策以保證裝配質(zhì)量和降低裝配成本。計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展縮短了異地人員在時(shí)間和空間上的距離，為實(shí)時(shí)的“人－機(jī)－人”協(xié)同裝配工作提供了可能。

Wisconsin-Madison大學(xué)[31]提出網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的電子化裝配（e-Assembly），探討在Internet/Intranet上利用3D模型進(jìn)行協(xié)同虛擬裝配和拆卸的方法論和工具，擬實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)包括3D交互可視化、協(xié)同裝配/拆卸/維護(hù)/回收等。目前已開(kāi)發(fā)了Motive3D系統(tǒng)，利用Synthesizer模塊可以交互/自動(dòng)進(jìn)行產(chǎn)品的裝配建模和規(guī)劃，Visualizer模塊為用戶在Web平臺(tái)上提供裝配序列規(guī)劃結(jié)果的可視化仿真，但缺少交互修改、調(diào)整功能。在ATS項(xiàng)目[32]實(shí)施中，為了向異地的開(kāi)發(fā)人員展示裝配設(shè)計(jì)和裝配規(guī)劃結(jié)果，嘗試?yán)肰RML作為可視化工具，一方面供設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)瀏覽零部件設(shè)計(jì)，另外將裝配模型用文本編輯軟件進(jìn)行編輯，生成裝配序列的VRML仿真文件，供異地的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)實(shí)時(shí)進(jìn)行評(píng)價(jià)和提出修改意見(jiàn)。但手工編輯文件不但花費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)一周，而且每次設(shè)計(jì)修改后都必須重新編輯；同時(shí)，仿真文件僅具有瀏覽功能，不能進(jìn)行交互修改。

Web環(huán)境下的協(xié)同裝配規(guī)劃方法[33]采用協(xié)同工作環(huán)境下的裝配建模、裝配規(guī)劃任務(wù)分配和裝配序列合成等技術(shù)，通過(guò)對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品裝配規(guī)劃問(wèn)題的分解，即降低了單機(jī)規(guī)劃工作模式的復(fù)雜度，又便于集中不同地域多專家的裝配知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行裝配規(guī)劃方案的協(xié)同決策。面向協(xié)同廣義裝配[34]通過(guò)確定裝配子任務(wù)編碼方法、裝配人員評(píng)價(jià)指數(shù)和制定協(xié)同裝配協(xié)議，以VRML為產(chǎn)品模型載體實(shí)現(xiàn)協(xié)同裝配系統(tǒng)。在裝配知識(shí)和規(guī)則的支撐下，支持局域網(wǎng)內(nèi)多用戶實(shí)施產(chǎn)品預(yù)裝配、驗(yàn)證零部件可裝配性，相關(guān)的裝配人員能夠協(xié)同討論裝配方案。Web環(huán)境下3D交互裝配可視化仿真結(jié)構(gòu)是一個(gè)符合開(kāi)放技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的可視化裝配系統(tǒng)[35]，它基于VRML-Java實(shí)現(xiàn)裝配場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)生成、裝配控制、碰撞檢測(cè)以及裝配過(guò)程的動(dòng)畫(huà)回放等功能，目前完成了基于“堆疊”思路的裝配驗(yàn)證方式。但該系統(tǒng)屬于單用戶系統(tǒng)，不能支持多用戶的實(shí)時(shí)協(xié)同裝配工作。

5結(jié)論與展望

CAAP的研究在理論上取得了一定的成果，在工業(yè)界也得到了一定的應(yīng)用，但相對(duì)而言還很少，這說(shuō)明該技術(shù)距離工業(yè)實(shí)用還存在較大差距。裝配規(guī)劃是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)密集型的工作，同時(shí)又與具體行業(yè)和產(chǎn)品有緊密的關(guān)系。經(jīng)典裝配規(guī)劃方法的精確推理在保證序列的幾何可行性方面具有優(yōu)勢(shì)，而軟計(jì)算技術(shù)能夠?qū)⑷说哪：R(shí)融入規(guī)劃過(guò)程中，使得結(jié)果具有更好的工藝可行性，兩者的適當(dāng)結(jié)合將有利于模仿人類裝配專家的實(shí)際裝配規(guī)劃過(guò)程，從而得到合理的裝配方案。

跨地域、跨國(guó)家的網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)同化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造新模式的形成使產(chǎn)品裝配成為一個(gè)需要協(xié)同工作和決策的問(wèn)題。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，建立基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同裝配決策平臺(tái)和虛擬環(huán)境，支持異地多人員協(xié)同裝配方案決策將是新形勢(shì)下裝配規(guī)劃研究的新趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

[1]蘇強(qiáng),林志航.計(jì)算機(jī)輔助裝配順序規(guī)劃研究綜述[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),1999,18(6):1006~1012.

[2]石淼,唐朔飛,李明樹(shù).裝配序列規(guī)劃研究綜述[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展,1994,31(6):30~34.

[3]牛新文,丁漢,熊有倫.計(jì)算機(jī)輔助裝配順序規(guī)劃研究綜述[J].中國(guó)機(jī)械工程,2001,12(12):1440~1443.

第2篇

關(guān)鍵詞：虛擬裝配；虛擬裝配環(huán)境；虛擬裝配應(yīng)用系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2011)18-4420-03

Survey and Analysis of Virtual Assembly

YU Hai-xia, WANG Jia-qi

(Department of Computer Scienct, Anhui Vocational and Technical College of Industry and Trade, Huainan 232007, China)

Abstract: The research progress of Virtual Assembly (VA) in recent years was summarized and analyzed in this paper. According to different functions and objectives, VA can be classified as four aspects. Virtual assembly technology was summarized and analyzed from three aspects: virtual assembly environment, virtual assembly key technologies, and virtual assembly application systems. Aiming at the shortcomings of traditional virtual assembly environment, the two new virtual environment systems were studied. The key technologies of virtual assembly systems, their researches and applications were summarized, and some important technologies including assembly modeling in virtual environment, constraint-based positioning and assembly process planning were studied comprehensively. Four typical virtual assembly application systems arising in recent years were introduced. At last, technological shortcomings and application obstacles for VA are pointed out.

Key words: virtual assembly; virtual assembly environment; virtual assembly application system

1 概述

虛擬裝配是近些年來(lái)被廣泛研究的新興技術(shù)，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在制造業(yè)的典型應(yīng)用，也是虛擬制造技術(shù)研究的重要方向之一。它從產(chǎn)品設(shè)計(jì)裝配的角度出發(fā)，綜合利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)建模與仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)等，建立一個(gè)具有聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、觸覺(jué)的多模式虛擬環(huán)境，設(shè)計(jì)者可在虛擬環(huán)境中交互式地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、裝配操作和規(guī)劃、檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)產(chǎn)品的裝配性能，并制定合理的裝配方案。

虛擬裝配技術(shù)可以降低復(fù)雜產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)難度，縮短開(kāi)發(fā)周期，降低成本，對(duì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的并行開(kāi)發(fā)，提高裝配質(zhì)量和效率具有重要的意義。虛擬裝配可以應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、船舶、工程機(jī)械、教育等領(lǐng)域。

2 虛擬裝配的研究概況

1995年，美國(guó)華盛頓州立大學(xué)和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院聯(lián)合，最早開(kāi)始了對(duì)虛擬裝配技術(shù)的研究，并開(kāi)發(fā)了虛擬裝配設(shè)計(jì)環(huán)境VADE（Virtual Assembly Design Environment）。VADE在裝配領(lǐng)域的成功應(yīng)用，引發(fā)了各個(gè)國(guó)家的高校和研究機(jī)構(gòu)對(duì)虛擬裝配的研究。20世紀(jì)90年代末，國(guó)內(nèi)也開(kāi)始對(duì)虛擬裝配技術(shù)進(jìn)行研究，已經(jīng)取得許多研究成果。虛擬裝配技術(shù)的研究大致可分為三個(gè)階段：虛擬裝配理論的提出和完善階段，虛擬裝配原型系統(tǒng)的研發(fā)階段，虛擬裝配技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用研究階段。目前，國(guó)外已經(jīng)開(kāi)始了第三階段的研究應(yīng)用，國(guó)內(nèi)也開(kāi)始由第二階段向第三階段過(guò)渡。

根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能和目的不同，可以將虛擬裝配分為四種類型[1]。

1）以產(chǎn)品設(shè)計(jì)為中心的虛擬裝配。

2）以裝配工藝規(guī)劃為中心的虛擬裝配。

3）以制造系統(tǒng)規(guī)劃為中心的虛擬裝配。

4）以虛擬原型為中心的虛擬裝配。

3 虛擬裝配的研究?jī)?nèi)容

虛擬裝配的研究?jī)?nèi)容主要有：虛擬環(huán)境的研究、虛擬裝配關(guān)鍵技術(shù)研究和虛擬裝配應(yīng)用系統(tǒng)的研究[2]。

3.1 虛擬環(huán)境的研究

虛擬環(huán)境是虛擬裝配的前提，良好的虛擬環(huán)境能使虛擬裝配與實(shí)際裝配過(guò)程更接近，為生產(chǎn)實(shí)踐提供更可靠的指導(dǎo)。傳統(tǒng)的虛擬環(huán)境可分為四種。

1）桌面式系統(tǒng)

桌面式系統(tǒng)使用普通計(jì)算機(jī)產(chǎn)生三維虛擬場(chǎng)景，用戶通過(guò)顯示器觀看虛擬場(chǎng)景，需要佩戴立體眼鏡才可以看到三維立體圖像。這種場(chǎng)景系統(tǒng)造價(jià)低、簡(jiǎn)單方便，不足之處是沉浸感差。

2）頭盔式系統(tǒng)

頭盔式系統(tǒng)利用頭盔顯示器和數(shù)據(jù)手套等交互設(shè)備把用戶與外界環(huán)境分隔開(kāi)來(lái)，從而使用戶真正成為系統(tǒng)的一個(gè)參與者，沉浸感比較強(qiáng)。但頭盔式顯示器存在約束感較強(qiáng)，分辨率偏低等問(wèn)題，長(zhǎng)時(shí)間易引起疲勞。

3）CAVE系統(tǒng)

CAVE系統(tǒng)的主體是一個(gè)房間，房間的周?chē)纱笃聊唤M成，高分辨率的投影儀將圖像投影到這些屏幕上，用戶通過(guò)立體眼鏡便能看到立體圖像。CAVE系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了大視角、全景、立體且支持多人共享的一個(gè)虛擬環(huán)境，但其造價(jià)太高，參與者被限制在一個(gè)有限的小空間內(nèi)，不能大距離行走。

4）大屏幕投影系統(tǒng)

將多臺(tái)投影儀拼接起來(lái)形成一個(gè)邏輯上統(tǒng)一的大屏幕，實(shí)現(xiàn)大面積、高分辨率的顯示，優(yōu)點(diǎn)是可以產(chǎn)生大視角、高亮度和高分辨率的立體圖像，可使多人沉浸場(chǎng)景之中，具有很強(qiáng)的沉浸感。缺點(diǎn)是成本高，技術(shù)難度大，許多關(guān)鍵問(wèn)題需要解決。

以上各種虛擬環(huán)境都存在一個(gè)共同的問(wèn)題是，操作者被限制在一個(gè)有限的空間內(nèi)，行動(dòng)上受到很大的限制，而現(xiàn)實(shí)中，尤其是大型產(chǎn)品的裝配中，操作產(chǎn)品并不能移動(dòng)，往往要求操作人員要有足夠的活動(dòng)空間。為了解決這個(gè)問(wèn)題，很多研究機(jī)構(gòu)提出一些新型的虛擬裝配環(huán)境，如英國(guó)Warwick大學(xué)研制的Cybersphere系統(tǒng)[3]。Cybersphere系統(tǒng)采用半透明的球體作為顯示裝置，放置在可以自由旋轉(zhuǎn)的支架上，操作者處于球體內(nèi)部，可以自由行走。計(jì)算機(jī)根據(jù)操作者的肢體動(dòng)作產(chǎn)生不斷變化的圖像，并通過(guò)投影系統(tǒng)顯示在球體表面，操作者通過(guò)立體眼鏡看到立體圖像。這種方式實(shí)現(xiàn)了操作者在虛擬環(huán)境中的自由行走。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)也設(shè)計(jì)了一種可實(shí)現(xiàn)操作者自由行走的新型虛擬裝配環(huán)境系統(tǒng)[3]，如圖1所示，該系統(tǒng)也采用球形幕作為顯示裝置，操作者在一個(gè)專門(mén)設(shè)計(jì)的全方位反行走機(jī)構(gòu)上做直線行走或者轉(zhuǎn)向。操作者頭部、手部與雙腳分別裝有3-D位置跟蹤器，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)接收到的3-D位置跟蹤器信號(hào)，控制全方位反行走機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，并生成不斷變化的三維圖像，通過(guò)投影系統(tǒng)顯示到球形幕上。操作者通過(guò)佩戴立體眼鏡、數(shù)據(jù)手套與虛擬環(huán)境交互從而生成沉浸感較強(qiáng)的虛擬環(huán)境，為大型復(fù)雜產(chǎn)品的裝配設(shè)計(jì)、規(guī)劃和訓(xùn)練提供高逼真度的仿真平臺(tái)。

3.2 虛擬裝配關(guān)鍵技術(shù)的研究

虛擬裝配涉及到的關(guān)鍵技術(shù)很多，各種技術(shù)的研究情況及應(yīng)用情況如表1所示。本文只對(duì)其中幾個(gè)重要的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行論述。

1）裝配建模技術(shù)

目前，虛擬裝配中零部件模型的建立和虛擬裝配應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)主要還是基于CAD系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。這種虛擬裝配系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)，零件和裝配體的建模、裝配仿真可在一個(gè)系統(tǒng)下進(jìn)行，操作簡(jiǎn)單，但真實(shí)感和可靠性受到限制，主要用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)軟件開(kāi)發(fā)的虛擬裝配系統(tǒng)，需要將CAD零部件模型及其相關(guān)信息轉(zhuǎn)換后導(dǎo)入到虛擬環(huán)境，實(shí)現(xiàn)交互操作。目前已經(jīng)取得一定的研究成果，美國(guó)的VADE從Pro/Engineer系統(tǒng)中提取產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)信息、裝配約束信息以及零部件幾何信息，實(shí)現(xiàn)CAD系統(tǒng)和虛擬裝配系統(tǒng)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換；新加坡南洋理工大學(xué)開(kāi)發(fā)了基于CAD緊密連接的虛擬裝配環(huán)境；哈爾濱工業(yè)大學(xué)通過(guò)模型轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)了從SolidWorks、Pro/Engineer系統(tǒng)到虛擬裝配系統(tǒng)的輸入。

2）約束定位技術(shù)

由于虛擬環(huán)境缺乏現(xiàn)實(shí)環(huán)境中存在的各種物理約束和感知能力，虛擬裝配過(guò)程中零件之間主要依靠幾何約束進(jìn)行精確定位。華盛頓州立大學(xué)的S.Jayaram等[4]首先提出約束定位的思想，通過(guò)零部件受約束運(yùn)動(dòng)以及約束求解，來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬裝配過(guò)程中待裝配零件的精確定位。英國(guó)Heriot-Watt大學(xué)Richard等[5]提出近似捕捉(proximity snapping)和碰撞捕捉(collision snapping)的方法來(lái)解決虛擬環(huán)境中零部件的精確定位。英國(guó)Salford大學(xué)虛擬環(huán)境中心的Fernando等[6]研究了基于幾何約束的零件精確定位和三維操作，開(kāi)發(fā)了幾何約束管理器，用來(lái)支持虛擬環(huán)境下裝配和維修任務(wù)。浙江大學(xué)劉振宇、譚建榮等[7]在語(yǔ)義識(shí)別的基礎(chǔ)上，提出了基于語(yǔ)義引導(dǎo)的幾何約束識(shí)別方法，通過(guò)語(yǔ)義和約束識(shí)別來(lái)捕捉虛擬裝配過(guò)程中用戶的操作意圖，從而提高了約束識(shí)別速度和準(zhǔn)確性。

3）工藝規(guī)劃技術(shù)

設(shè)計(jì)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)在虛擬環(huán)境中人機(jī)交互式對(duì)產(chǎn)品的三維模型進(jìn)行試裝，規(guī)劃零部件裝配順序，記錄并分析裝配路徑，選擇工裝夾具并確定裝配操作方法，最終得到經(jīng)濟(jì)、合理、實(shí)用的裝配方案。加拿大Yuan等[8]提出了虛擬環(huán)境中交互式裝配序列規(guī)劃的方法。浙江大學(xué)的萬(wàn)華根等人[9]在基于虛擬現(xiàn)實(shí)的CAD系統(tǒng)中提出用戶引導(dǎo)的拆卸方法，基于“可拆即可裝”的原理，將拆卸順序和拆卸路徑進(jìn)行反演，即可得到產(chǎn)品的裝配順序和裝配路徑。

3.3 虛擬裝配應(yīng)用系統(tǒng)的研究

從1995年美國(guó)州立大學(xué)研制出第一個(gè)虛擬裝配系統(tǒng)VADE起，世界各國(guó)陸續(xù)研制出了多種典型的虛擬裝配應(yīng)用系統(tǒng)，分別應(yīng)用于不同的工業(yè)領(lǐng)域。本文只對(duì)幾個(gè)典型的系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

1）CHDP(Cable Harness Design and Planning)系統(tǒng)

CHDP系統(tǒng)是英國(guó)Heriot-Watt大學(xué)在2002年開(kāi)發(fā)出來(lái)的。它是在早期開(kāi)發(fā)的虛擬裝配規(guī)劃系統(tǒng)UVAVU[10] (Unbelievable Vehicle for Assembly Virtual Units)的基礎(chǔ)上提出的，主要針對(duì)現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的管路和線纜裝配的難題。該系統(tǒng)充分利用了虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)者在虛擬環(huán)境中可以充分發(fā)揮已有的裝配經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，根據(jù)周?chē)h(huán)境進(jìn)行快速、直觀地布線。

2）V-REALISM系統(tǒng)

V-REALISM[11]系統(tǒng)是新加坡南洋理工大學(xué)2003年開(kāi)發(fā)的基于CAD的桌面式虛擬環(huán)境系統(tǒng)，可用于虛擬裝配、拆卸與維修。該系統(tǒng)充分體現(xiàn)了可視化、交互性和自由導(dǎo)航三個(gè)特點(diǎn)；系統(tǒng)包括三個(gè)基本功能：提供優(yōu)化的裝配/拆卸序列；提供三維虛擬環(huán)境進(jìn)行操作和導(dǎo)航；將智能裝配/拆卸序列規(guī)劃算法和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)集成到一起。

3）基于虛擬原型的裝配驗(yàn)證環(huán)境VPAVE

2003年，美國(guó)紐約州立大學(xué)開(kāi)發(fā)了基于虛擬原型的裝配驗(yàn)證環(huán)境VPAVE[12] (Virtual Prototype Assembly Validation Environment)。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，零部件在加工過(guò)程會(huì)引起變形或受機(jī)床刀具與夾具的磨損，引起零件最后的尺寸和形狀誤差。而在傳統(tǒng)的面向裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，很少考慮到零件的尺寸誤差，導(dǎo)致最后加工出來(lái)的零件裝配不上或裝配性能不能滿足要求。VPAVE系統(tǒng)就是基于上述不足而提出的。VPAVE系統(tǒng)中采用虛擬原型，通過(guò)提取實(shí)際加工過(guò)程影響參數(shù)，建立對(duì)裝配零件形狀精度和尺寸精度的影響模型，利用有限元軟件分析零件的受力、變形及殘余應(yīng)力情況，在虛擬環(huán)境下進(jìn)行可裝配性分析和評(píng)價(jià)。

4）PAA系統(tǒng)。

2005年，意大利Bologna大學(xué)利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)發(fā)了基于CAD的裝配規(guī)劃與驗(yàn)證系統(tǒng)PAA(Personal Active Assistant)[13]。PAA實(shí)現(xiàn)了CAD裝配系統(tǒng)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)之間集成，從而提高工程設(shè)計(jì)模型和真實(shí)物理模型之間的集成。PAA系統(tǒng)利用CAD工具來(lái)有效提高對(duì)象識(shí)別能力，生成優(yōu)化裝配序列和產(chǎn)生裝配操作指令；另一方面，基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的裝配評(píng)價(jià)工具允許裝配設(shè)計(jì)人員和裝配操作人員之間的直接交互，指導(dǎo)操作人員的裝配。

4 存在問(wèn)題

虛擬裝配在設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域的應(yīng)用，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。國(guó)內(nèi)外研究也取得了很大的進(jìn)展。但總體上看，虛擬裝配技術(shù)目前仍存在許多欠缺，一些關(guān)鍵技術(shù)還需要亟待解決。

1）缺乏規(guī)范化的共享開(kāi)發(fā)平臺(tái)和統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。虛擬裝配系統(tǒng)還不能接受CAD系統(tǒng)的模型信息，實(shí)現(xiàn)與主流CAD系統(tǒng)的無(wú)縫集成。目前各的虛擬裝配系統(tǒng)，都是根據(jù)本單位的情況來(lái)定制CAD接口，實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換，在數(shù)據(jù)的提取和表達(dá)、信息的存儲(chǔ)和管理等方面沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

2）建模能力弱。目前的虛擬裝配系統(tǒng)都以理想的零件模型為基礎(chǔ)，沒(méi)有考慮具體的加工和裝配環(huán)境對(duì)零件形狀精度和尺寸誤差的影響，導(dǎo)致實(shí)際生產(chǎn)出來(lái)的零件裝配不上或裝配性能不滿足要求。

3）交互操作可靠性和靈活性差。由于基于碰撞檢測(cè)的交互操作是一個(gè)多輸入、大計(jì)算量的過(guò)程，輸入系統(tǒng)的靈敏性、碰撞檢測(cè)的計(jì)算效率等因素都影響交互操作的可靠性。

4）功能過(guò)于單一。虛擬裝配系統(tǒng)除了工藝規(guī)劃和裝配過(guò)程仿真外，許多輔助功能還沒(méi)能實(shí)現(xiàn)，如裝配力變形分析、工裝夾具的設(shè)計(jì)、裝配質(zhì)量預(yù)測(cè)、裝配人員工效分析等功能。

5）開(kāi)放性和集成能力弱。由于虛擬裝配系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的方法、環(huán)境差別較大，與其他系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)交換的能力弱，制約了虛擬裝配系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)及與現(xiàn)有其他系統(tǒng)的集成。

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第3篇

關(guān)鍵詞：機(jī)床專用夾具；參數(shù)化；虛擬化裝配

1 機(jī)床專用夾具設(shè)計(jì)內(nèi)容

機(jī)床專用夾具一般是由夾緊裝置、對(duì)刀裝置、定位裝置和夾具體等基本裝置組成，其內(nèi)容主要包括：⑴設(shè)計(jì)夾具的定位機(jī)構(gòu)。此過(guò)程主要包括了對(duì)夾具定位元件與機(jī)構(gòu)的選擇、方案的確定和對(duì)定位誤差的計(jì)算等。定位元件的選擇則是包括定位元件的結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸及布置形式等；定位方案是指工件以內(nèi)孔、以平面定位、以外圓柱表面進(jìn)行定位，之后在根據(jù)不同的定位方式來(lái)進(jìn)行定位誤差的計(jì)算。⑵設(shè)計(jì)夾具的夾緊裝置。這部分主要是由力源裝置、夾緊元件與夾緊機(jī)構(gòu)、中間的傳力機(jī)構(gòu)組成，包括夾具夾緊元件與機(jī)構(gòu)的選擇、夾緊方案的確定以及計(jì)算夾緊力和切削力等。斜楔夾緊機(jī)構(gòu)、螺旋夾緊機(jī)構(gòu)、聯(lián)動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)等則是屬于對(duì)夾緊機(jī)構(gòu)的選擇，根據(jù)切削力計(jì)算夾緊力的大小并且確定合理的夾緊方案。⑶設(shè)計(jì)夾具的對(duì)定機(jī)構(gòu)。夾具對(duì)定機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)包括對(duì)刀裝置與元件、引導(dǎo)裝置與元件、分度裝置以及其相關(guān)的計(jì)算，如定向鍵、對(duì)刀塊、計(jì)算刀塊到定位元件位置的尺寸、分度裝置、計(jì)算分度誤差等。

⑷夾具總體裝配布置和其工藝的設(shè)計(jì)。

2 機(jī)床專用夾具設(shè)計(jì)時(shí)的常用步驟

（1）明確設(shè)計(jì)的要求和生產(chǎn)所需條件、認(rèn)真調(diào)查并收集設(shè)計(jì)資料；（2）確定夾具所用的結(jié)構(gòu)方案、并且繪制夾具所需要的總圖；（3）對(duì)夾具精度的校核和繪制夾具零件的工作圖；（4）夾具設(shè)計(jì)時(shí)其質(zhì)量的評(píng)估。

3 機(jī)床專用夾具的對(duì)象裝配

機(jī)床專用夾具裝配時(shí)的的對(duì)象模型是由機(jī)床專用夾具的裝配對(duì)象和另一個(gè)對(duì)象之間的組合，因?yàn)楦鶕?jù)大量的實(shí)例研究來(lái)看，無(wú)論是機(jī)床專用夾具的零件的裝配還是部件的裝配，都是以一種裝配模型為基礎(chǔ)的。機(jī)床專用夾具的對(duì)象裝配之間的原則是指裝配對(duì)象之間互相存在的約束關(guān)系。這種關(guān)系都是由裝配對(duì)象以及幾何特征和裝配幾何特征之間的裝配來(lái)進(jìn)行約束的。根據(jù)人們研究的模型來(lái)看，組成裝配幾何特征的裝配元素根據(jù)幾何特點(diǎn)可以分為平面、曲面、直線、曲線、點(diǎn)等；通過(guò)對(duì)它的特點(diǎn)分析，幾何特征的元素主要為面元素，其中包括有平面、錐面、柱面、球面等。不僅這樣，對(duì)裝配幾何特征來(lái)說(shuō)，它的排列方式不是沒(méi)有規(guī)則可言的，它的排列還存在著尺寸的約束。

4 機(jī)床專用夾具的裝配過(guò)程

自上而下的裝配過(guò)程是非常符合復(fù)雜裝配的一種方法，它的設(shè)計(jì)步驟為：⑴確定設(shè)計(jì)目標(biāo)。⑵提供設(shè)計(jì)時(shí)所需要的模型。⑶開(kāi)始對(duì)部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。從設(shè)計(jì)好的實(shí)體模型中可以看出，這種自上而下的設(shè)計(jì)方法就是在建立各個(gè)零件間的關(guān)系，并且在每個(gè)零件設(shè)計(jì)好之后自動(dòng)的進(jìn)行裝配。這種自上而下的設(shè)計(jì)技術(shù)是在參數(shù)化特征造型后，CAD技術(shù)再次重要突破。

5 機(jī)床專用夾具設(shè)計(jì)實(shí)例

本節(jié)以壓泵上體的零件圖為例子，加工液壓泵上體部分的三個(gè)階梯孔，根據(jù)其工藝規(guī)程在2nT_階梯孔之前，部件的頂面與底面、兩個(gè)8H7的孔和兩個(gè)奎8mm TL都已加工好。而本工序加工時(shí)所需的要求有：三孔軸線與底面垂直度，四小孔和中間階梯孔的位置要求以及三個(gè)階梯孔的距離是254-O.1mm。后兩項(xiàng)要注公差，加工的要求較低，試設(shè)計(jì)車(chē)床專用夾具。

首先要確定定位方案和設(shè)計(jì)定位裝置。工階梯孔的加工工序的基準(zhǔn)和限位基準(zhǔn)為都分度滑盤(pán)的上表面。根據(jù)基準(zhǔn)垂合的原理，分度滑盤(pán)的上表面應(yīng)該為定位基準(zhǔn)。分度滑盤(pán)的上表面用來(lái)限制XY方向轉(zhuǎn)動(dòng)和Z方向移動(dòng)這三個(gè)自由度的。第二確定夾緊的方案和設(shè)計(jì)其夾緊裝置。車(chē)床夾具的夾緊裝置必須安全又可靠。夾緊時(shí)力作用點(diǎn)和方向應(yīng)按|以下要求進(jìn)行選擇：主要的夾緊力的方向應(yīng)朝向主要定位基準(zhǔn)，作用點(diǎn)靠近支承面的幾何中心；夾緊力方向應(yīng)利于減少夾緊力，盡量和工件的主要定位基面垂直，和切削力、重力的方向是一致的；夾緊力的方向和作用點(diǎn)應(yīng)作用于工件剛性較好的方向和部位。第三就要確定夾具與機(jī)床的連接方式。對(duì)于徑向尺寸大的夾具，一般是通過(guò)車(chē)床主軸軸頸和過(guò)渡盤(pán)進(jìn)行連接的。之后裝配在過(guò)渡盤(pán)的凸緣上，然后再用螺釘進(jìn)行緊固。最后進(jìn)行分度裝置設(shè)計(jì)。

6 結(jié)語(yǔ)

機(jī)床夾具在機(jī)械加工中直接影響著其質(zhì)量，生產(chǎn)的效率和生產(chǎn)成本。這對(duì)一個(gè)企業(yè)來(lái)說(shuō)也是一種影響。企業(yè)在長(zhǎng)期機(jī)床夾具的生產(chǎn)中會(huì)積累一定的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)領(lǐng)用這些來(lái)提高家具生產(chǎn)的效率。本文就簡(jiǎn)單的對(duì)機(jī)床專用夾具參數(shù)化虛擬裝配進(jìn)行了討論，討論了零件與部件之間的連接關(guān)系、零件的設(shè)計(jì)信息和在Pro/E系統(tǒng)中機(jī)床專用夾具怎樣進(jìn)行虛擬裝配等。

通過(guò)對(duì)機(jī)床夾具的了解，我們知道了利用CAD平臺(tái)上機(jī)床虛擬裝配技術(shù)可以快捷的實(shí)現(xiàn)夾具的裝配過(guò)程，這樣的方法不僅節(jié)省了很多時(shí)間和裝配人員的體力，還不易出錯(cuò)，這樣大大的提高了機(jī)床專用家具的生產(chǎn)效率。這對(duì)一個(gè)企業(yè)來(lái)說(shuō)是不僅提高了生產(chǎn)能力、降低了成本，還提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。機(jī)床夾具參數(shù)化虛擬裝配的研究對(duì)我國(guó)也起著很大的作用。

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第4篇

關(guān) 鍵 詞：榫卯結(jié)構(gòu) 數(shù)字化仿真 有束腰凳

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

[2] 楊靜，余隋懷，楊剛俊.明式家具榫卯結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)構(gòu)建與應(yīng)用[J].西北林業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，24（3）：163-166

第5篇

關(guān)鍵詞：工業(yè)設(shè)計(jì)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，計(jì)算機(jī)

 

0.前 言

新世紀(jì)以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)圖像學(xué)，人工智能、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、信息處理、機(jī)械設(shè)計(jì)和制造等技術(shù)的告訴發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工業(yè)實(shí)際中的應(yīng)用越來(lái)越多，已經(jīng)成為工業(yè)設(shè)計(jì)各個(gè)階段不可缺少的工具。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的廣發(fā)應(yīng)用是現(xiàn)代工業(yè)實(shí)際走向更全面的數(shù)字化，是設(shè)計(jì)部門(mén)與企業(yè)管理、工程設(shè)計(jì)與市場(chǎng)營(yíng)銷等產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的主要部門(mén)之間的交流變得更加容易，不記打打縮短了企業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的時(shí)間，而且也為其產(chǎn)品的宣傳、銷售贏得了先機(jī)，為企業(yè)在競(jìng)爭(zhēng)中取勝添加了籌碼，加快了企業(yè)發(fā)展的步伐。

1.虛擬現(xiàn)實(shí)的定義

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）是一種計(jì)算機(jī)界面技術(shù)。從本質(zhì)上講，虛擬現(xiàn)實(shí)就是一種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)用戶接口，它通過(guò)給用戶同時(shí)提供諸如視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等各種直觀、自然的實(shí)時(shí)感知交互工具，最大限度地方便用戶操作，提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。根據(jù)VR應(yīng)用的對(duì)象不同，VR的作用可以表現(xiàn)為不同的形式，如將設(shè)計(jì)概念或方案可視化和可操作化，以方便設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)和優(yōu)化；實(shí)現(xiàn)逼真的遙現(xiàn)場(chǎng)效果等。

2. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)各個(gè)階段中的應(yīng)用

（1）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在需求分析階段中的應(yīng)用

通過(guò)結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的Web頁(yè)面進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)查，可以激發(fā)被訪問(wèn)者的興趣，所得到的信息更豐富，更準(zhǔn)確，并且有針對(duì)性，這樣在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之前可以真正了解市場(chǎng)的需求情況。同時(shí)可以利用給予Web的虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境把產(chǎn)品的特點(diǎn)和功能盡可能展示給用戶，并通過(guò)用戶的反饋信息獲得的個(gè)性化需求信息，這有助于設(shè)計(jì)出符合大批量定制原則的合理的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。。

（2）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在概念設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在概念設(shè)計(jì)中運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以將體驗(yàn)設(shè)計(jì)思想更好地融于其中，也就是更多關(guān)注產(chǎn)品使用者感受，而非產(chǎn)品本身。在不同的虛擬環(huán)境中，讓他們親自體驗(yàn)修改模型的感受；利用觸摸屏來(lái)選擇產(chǎn)品的造型、色彩、裝飾風(fēng)格等許多可選部件，在渲染和生成十分逼真的三維模型時(shí)，充分感受自己所喜愛(ài)的產(chǎn)品在虛擬環(huán)境中的“真實(shí)”情況。甚至還可以根據(jù)用戶的建議，邀請(qǐng)專家和部分用戶一起對(duì)模型提出修改意見(jiàn)，觀察設(shè)計(jì)和修改過(guò)程，直至大多數(shù)人滿意為止。

（3）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在詳細(xì)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

詳細(xì)設(shè)計(jì)是概念設(shè)計(jì)之后的一個(gè)重要階段，包括零件詳細(xì)設(shè)計(jì)、工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)和可制造裝配性詳細(xì)分析等，其中可制造裝配性詳細(xì)分析尤為重要。。在進(jìn)行復(fù)雜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)虛擬像是技術(shù)可以直觀地進(jìn)行裝配分析，避免可能出現(xiàn)的干涉和其他不合理問(wèn)題，及虛擬裝配。

（4）虛擬制造

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為制造模擬帶來(lái)了真正的虛擬制造環(huán)境，通過(guò)虛擬知道可以發(fā)現(xiàn)制造中潛在的問(wèn)題，進(jìn)而在產(chǎn)品實(shí)際生產(chǎn)前就采取預(yù)防措施，達(dá)到產(chǎn)品一次性制造成功的目標(biāo)，從而降低成本，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)奏起，增強(qiáng)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

虛擬制造系統(tǒng)基本上不消耗資源和能源，也不生產(chǎn)實(shí)際的產(chǎn)品，而是運(yùn)用計(jì)算機(jī)迷你現(xiàn)實(shí)中產(chǎn)品進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)與制造過(guò)程，它的運(yùn)用將會(huì)對(duì)未來(lái)制造業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生極大的推動(dòng)作用。。

（5）虛擬評(píng)價(jià)和測(cè)試

在虛擬工業(yè)設(shè)計(jì)中不可忽略的一環(huán)是虛擬產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)價(jià)和測(cè)試。虛擬評(píng)價(jià)技術(shù)主要是在方針的基礎(chǔ)上，對(duì)產(chǎn)品運(yùn)行狀態(tài)與性能進(jìn)行虛擬條件下的評(píng)價(jià)，從中獲得修改的依據(jù)，降低修改和生產(chǎn)的成本。

3.結(jié)束語(yǔ)

正如其它新興科學(xué)技術(shù)一樣，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也是許多相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域交叉、集成的產(chǎn)物。它的研究?jī)?nèi)容涉及到人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)、電子學(xué)、傳感器、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、智能控制、心理學(xué)等。我們必須清醒地認(rèn)識(shí)到，雖然這個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)潛力是巨大的，應(yīng)用前景也是很廣闊的，但仍存在著許多尚未解決的理論問(wèn)題和尚未克服的技術(shù)障礙。客觀而論，目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所取得的成就，絕大部分還僅僅限于擴(kuò)展了計(jì)算機(jī)的接口能力，僅僅是剛剛開(kāi)始涉及到人的感知系統(tǒng)和肌肉系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的結(jié)合作用問(wèn)題，還根本未涉及“人在實(shí)踐中得到的感覺(jué)信息是怎樣在人的大腦中存儲(chǔ)和加工處理成為人對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)”這一重要過(guò)程。只有當(dāng)真正開(kāi)始涉及并找到對(duì)這些問(wèn)題的技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑時(shí)，人和信息處理系統(tǒng)間的隔閡才有可能被徹底的克服了。我們期待這有朝一日，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)成為一種對(duì)多維信息處理的強(qiáng)大系統(tǒng)，成為人進(jìn)行思維和創(chuàng)造的助手和對(duì)人們已有的概念進(jìn)行深化和獲取新概念的有力工具。

參考文獻(xiàn)：

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第6篇

關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)；網(wǎng)絡(luò)通信；虛擬校園

中圖分類號(hào)：TP391.9

1 虛擬校園總體設(shè)計(jì)

虛擬校園系統(tǒng)包括三維虛擬校園場(chǎng)景建模、虛擬漫游、虛擬教室和虛擬教學(xué)、虛擬數(shù)字圖書(shū)館、虛擬實(shí)驗(yàn)室、行政管理系統(tǒng)等功能模塊。三維虛擬場(chǎng)景建模主要是利用三維建模軟件3DS Max對(duì)學(xué)校主要建筑、地形、景觀等進(jìn)行建模，包括教學(xué)樓、實(shí)驗(yàn)樓、圖書(shū)館、體育場(chǎng)館、行政樓、宿舍樓等主要標(biāo)志建筑；虛擬漫游是利用三維游戲引擎Unity3D提供的角色控制組件、相機(jī)控制組件等結(jié)合C#代碼控制虛擬角色在虛擬校園場(chǎng)景模型里的行動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景漫游。虛擬數(shù)字圖書(shū)館提供三維圖書(shū)館的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，并實(shí)現(xiàn)了漫游圖書(shū)館的虛擬角色預(yù)定圖書(shū)館自習(xí)室座位的特色功能。行政管理信息系統(tǒng)為校園管理者提供可視化的管理解決方案，并對(duì)校園遠(yuǎn)景規(guī)劃提供決策支持。本文的研究?jī)?nèi)容的特點(diǎn)主要有如下幾個(gè)方面：首先是在虛擬教學(xué)方面，詳細(xì)闡述如何利用強(qiáng)大的三維游戲引擎Unity，結(jié)合socket網(wǎng)絡(luò)通信，建立實(shí)時(shí)多人在線虛擬教室，使得用戶能遠(yuǎn)程接受如同身臨其境般的虛擬教學(xué)，相比于傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程教育模式，本文設(shè)計(jì)的虛擬教學(xué)系統(tǒng)具有虛擬角色對(duì)應(yīng)、多人實(shí)時(shí)在線音視頻交流互動(dòng)、遠(yuǎn)程提交批閱作業(yè)等沉浸式虛擬環(huán)境；其次，在虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)上，特別是在基礎(chǔ)物理、化學(xué)、生物實(shí)驗(yàn)方面，提供完全仿真過(guò)程的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，避免真實(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能發(fā)生的有毒性、爆炸性等潛在安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)能省去實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)藥品等的花費(fèi)；在機(jī)械的虛擬裝配方面，參照裝配流程，通過(guò)三維模型在虛擬空間的三維坐標(biāo)的控制實(shí)現(xiàn)裝配過(guò)程，節(jié)約了機(jī)械零部件成本，同時(shí)能給予用戶裝配流程指導(dǎo)；再次，在虛擬校園系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)上，充分考慮到現(xiàn)在校園用戶對(duì)移動(dòng)終端的使用頻繁度，利用Unity引擎強(qiáng)大的跨平臺(tái)特性，多平臺(tái)的虛擬校園系統(tǒng)，特別是支持移動(dòng)終端的虛擬校園系統(tǒng)，使得用戶能通過(guò)訪問(wèn)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)方便的使用本系統(tǒng)提供的豐富的功能，既方便用戶隨時(shí)學(xué)習(xí)和使用，也增強(qiáng)了學(xué)習(xí)和使用的趣味性和吸引力，對(duì)提高學(xué)生用戶的學(xué)習(xí)興趣有促進(jìn)作用。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路框圖如圖1。

圖1 虛擬校園系統(tǒng)功能圖

2 部分系統(tǒng)功能詳解

2.1 3D校園模型。為了逼真的表現(xiàn)虛擬校園系統(tǒng)所描繪的環(huán)境，可以給虛擬環(huán)境設(shè)置背景，加上地表與天空，建立的三維世界處于大地的中心，就如同自然界的大地和天空一樣，由于學(xué)校是小區(qū)域，而且實(shí)地地勢(shì)比較平坦，因而，本論文的地表模型建立為一個(gè)平面。在模型的構(gòu)建中需要注意的是多邊形模型的優(yōu)化，一個(gè)虛擬的校園系統(tǒng)還是比較大的，對(duì)模型充分的優(yōu)化可以最大化減小最后網(wǎng)絡(luò)文件的大小，利于用戶瀏覽。空間背景和空間本身都是無(wú)限大的，但是空間背景可以理解為包圍在空間周?chē)囊粋€(gè)球狀殼體，稱為空間背景球體。整個(gè)空間背景可以分為兩個(gè)部分：天空和地面，兩者之間以地平線分隔。設(shè)置背景是通過(guò)設(shè)定Background節(jié)點(diǎn)的各域的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，可分為兩種設(shè)定方式，一種是通過(guò)顏色插值模擬大地和天空；一種是構(gòu)造背景的全景圖。在虛擬校園系統(tǒng)中采用了設(shè)置背景全景圖的方法，在天空模型的內(nèi)表面，用紋理映射產(chǎn)生全天候天空背景。

2.2 虛擬教學(xué)。虛擬教學(xué)是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)模擬教學(xué)過(guò)程，將教學(xué)過(guò)程真實(shí)的展現(xiàn)出來(lái)，它不僅能夠彌補(bǔ)院校硬件設(shè)施的不足，打破傳統(tǒng)的說(shuō)教的教學(xué)模式，而且虛擬現(xiàn)實(shí)的強(qiáng)大的畫(huà)面感會(huì)很大程度的提高學(xué)生上課的積極性，尤其是在一些實(shí)際操作性非常強(qiáng)的專業(yè)上，如導(dǎo)游、旅游、自動(dòng)化、機(jī)械、動(dòng)漫等專業(yè)，可以通過(guò)動(dòng)畫(huà)模擬的形式將理論知識(shí)呈現(xiàn)出來(lái)。不僅如此，本系統(tǒng)同時(shí)還可以對(duì)學(xué)校的宣傳起到積極的推動(dòng)作用，方便想了解學(xué)校的用戶在電腦上就能身臨其境的獲得更多的校園信息，使任何用戶只需一步就能“踏進(jìn)”校園參觀了解。

2.3 交互功能模塊。漫游是該虛擬校園系統(tǒng)的關(guān)鍵，人機(jī)交互部分的主要是利用鼠標(biāo)或者鍵盤(pán)等計(jì)算機(jī)輸入、輸出設(shè)備控制有關(guān)設(shè)備的運(yùn)行和理解，并執(zhí)行通過(guò)人機(jī)交互設(shè)備傳來(lái)的有關(guān)的各種命令和要求。虛擬校園的最終用戶主要是學(xué)生、老師或者家長(zhǎng)，所以其人機(jī)交互界面，必須以一般大眾（而非專家）為其用戶對(duì)象，以簡(jiǎn)單直觀、方便快捷為目的。在本系統(tǒng)中主要的人機(jī)交互包括GUI界面設(shè)計(jì)和漫游設(shè)計(jì)。用戶通過(guò)瀏覽器可以直接打開(kāi)軟件，進(jìn)入使用界面，界面中可以呈現(xiàn)多種的漫游界面以供選擇，例如自動(dòng)導(dǎo)航、手動(dòng)導(dǎo)航燈。

基于虛擬校園的人機(jī)交互，它能使得用戶就像親身行走在校園之中。隨著天氣和時(shí)間的不同，校園中的光線等也隨之發(fā)生變化，對(duì)校園景貌進(jìn)行環(huán)視、俯視、仰視，使人感覺(jué)更真實(shí)。同時(shí)，用戶能夠由遠(yuǎn)及近的觀看校園中建筑物，熟悉校園環(huán)境。由于現(xiàn)在的虛擬校園都是從外觀進(jìn)行游覽，下一階段的目標(biāo)就是能夠讓用戶進(jìn)入教室里體驗(yàn)。在人機(jī)交互時(shí)，視點(diǎn)會(huì)隨著輸入設(shè)備的運(yùn)動(dòng)而發(fā)生變化，這個(gè)過(guò)程會(huì)導(dǎo)致視點(diǎn)進(jìn)入地面下、飛出天空外和穿過(guò)建筑物或樹(shù)木、路燈等特征物，這樣就不夠完美，因此必須進(jìn)行實(shí)時(shí)漫游的碰撞測(cè)試。通過(guò)Vega中的相交矢量控制視點(diǎn)與碰撞檢測(cè)目標(biāo)的距離，減少了不必要的碰撞，提高系統(tǒng)性能和真實(shí)程度。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)水平技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到了各個(gè)領(lǐng)域中，與人們的生活、工作密不可分，其中虛擬校園是一個(gè)很重要的應(yīng)用。它采用虛擬物體和實(shí)景拍攝影音結(jié)合的手法，借助一種新的三維引擎Unity3D生成三維虛擬校園漫游系統(tǒng)，使用用戶能遠(yuǎn)程的通過(guò)單機(jī)或者網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)該系統(tǒng)，以虛擬漫游的形式感受正好校園風(fēng)貌。雖然現(xiàn)在虛擬校園技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用還處于起步階段，但其發(fā)展前景不可估量。它現(xiàn)在正在不斷發(fā)展和完善，并且它對(duì)硬件設(shè)備的要求不高而且設(shè)備價(jià)格不斷降低，使得它逐漸受到越來(lái)越多教育工作者的重視和青睞，因此它會(huì)在教育培訓(xùn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用并發(fā)揮其重要作用。

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第7篇

關(guān)鍵詞：虛擬制造技術(shù)；現(xiàn)代機(jī)械工程設(shè)計(jì)；機(jī)械制造；機(jī)械產(chǎn)品；機(jī)械設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A中圖分類號(hào)：TH166文章編號(hào)：1009-2374（2016）05-0073-02

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(lái)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(guò)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(kāi)發(fā)的后期才能暴露出來(lái)或者在產(chǎn)品的試制階段和裝配中顯現(xiàn)出來(lái)。如果設(shè)計(jì)的零件已經(jīng)開(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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(kù)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(lái)，可以通過(guò)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(guò)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(guò)程進(jìn)行全面的預(yù)測(cè)。在制造過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(méi)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(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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(jué)，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(jué)。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(lái)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(guò)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(kāi)發(fā)過(guò)程，有效縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的時(shí)間，最大程度降低產(chǎn)品的開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(wèn)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(lái)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(guò)程往往比較復(fù)雜，并且錯(cuò)誤率高。同樣的建模過(guò)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(lái)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(yǔ)

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(guò)程的直觀性。實(shí)現(xiàn)了在產(chǎn)品真正制造出來(lái)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(kāi)發(fā)的成本，保證產(chǎn)品的開(kāi)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(kāi)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(kāi)了機(jī)械制造和設(shè)計(jì)的全新局面。

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第8篇

關(guān)鍵詞：機(jī)械類專業(yè)；畢業(yè)設(shè)計(jì)；民族班；改革

畢業(yè)設(shè)計(jì)是學(xué)生在校學(xué)習(xí)期間最后一個(gè)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，是學(xué)生學(xué)習(xí)、研究與實(shí)踐成果的全面總結(jié)，是學(xué)生綜合素質(zhì)與工程能力培養(yǎng)的全面檢驗(yàn)。其主要目的是培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)和技能解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，進(jìn)行創(chuàng)造性工作的基本訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，是對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)成果的一次全面考驗(yàn)。新疆是個(gè)多民族地區(qū)，少數(shù)民族的基礎(chǔ)教育比較薄弱，考入新疆大學(xué)的多數(shù)少數(shù)民族學(xué)生均來(lái)自邊緣地區(qū)。雖然在四年的學(xué)習(xí)過(guò)程中，嚴(yán)格地按照教學(xué)大綱和教學(xué)計(jì)劃完成教學(xué)內(nèi)容，但是由于學(xué)生本身基礎(chǔ)較差、漢語(yǔ)接受能力有限，大部分學(xué)生對(duì)于系統(tǒng)性、實(shí)踐性較強(qiáng)的專業(yè)課程很難全部理解透徹，使學(xué)生在學(xué)習(xí)中總處于被動(dòng)狀態(tài)。為加大民族班教學(xué)改革的力度，提高教學(xué)質(zhì)量，在以往實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)中所積累的經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)采取有效的改革措施，取得了較好的成果。

一、設(shè)計(jì)手段

機(jī)械制圖是機(jī)械工程專業(yè)最基本的工具，是表達(dá)設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方案的語(yǔ)言。以往我們都是采用手工繪圖，其缺點(diǎn)是：繪圖速度慢、出錯(cuò)率高、不易修改、圖面質(zhì)量差。國(guó)家早就規(guī)定要甩掉圖板，利用計(jì)算機(jī)二維繪圖解決以上問(wèn)題，但其設(shè)計(jì)思路仍然建立在手工繪圖的基礎(chǔ)上。機(jī)電產(chǎn)品的配合性和可裝配性是設(shè)計(jì)人員容易出現(xiàn)錯(cuò)誤的地方，以往要到產(chǎn)品最后裝配時(shí)才能發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致零件的報(bào)廢和工期的延誤，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和信譽(yù)損失。采用3D平臺(tái)下的計(jì)算機(jī)輔助裝配技術(shù)可以在設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行驗(yàn)證，確保設(shè)計(jì)的正確性，避免損失。三維設(shè)計(jì)方法與人的思維方式比較接近，較為直觀，可以大大地提高設(shè)計(jì)速度，并且可以進(jìn)行裝配干涉檢驗(yàn)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真及有限元計(jì)算、優(yōu)化設(shè)計(jì)等。尤其對(duì)于空間想象力不高的學(xué)生來(lái)說(shuō)，更是一種比較理想的設(shè)計(jì)方法。此外，三維設(shè)計(jì)后可以立即轉(zhuǎn)化為二維（平面）圖形，因此從三維到二維的整個(gè)過(guò)程不一定比直接畫(huà)二維圖要慢。我們從2000年（95級(jí)民族班）起，要求學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中盡量采用計(jì)算機(jī)繪圖，并在答辯中采用多媒體答辯，這在當(dāng)時(shí)全校民、漢班級(jí)中是比較少見(jiàn)的。直到2004年，采用三維設(shè)計(jì)已經(jīng)較普遍，這方面已經(jīng)達(dá)到了內(nèi)地同類大學(xué)的水平。

二、設(shè)計(jì)題目

選題是否合適，其難易程度直接決定學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)的質(zhì)量。我們?cè)诮鼛啄甑漠厴I(yè)設(shè)計(jì)選題上，淘汰了以前過(guò)時(shí)的老題目，而盡量選擇指導(dǎo)教師的科研課題和當(dāng)前的生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合的題目，充分體現(xiàn)教學(xué)與科研、生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合的原則，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)和技能解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。如2001年機(jī)械制圖96-2班兩名學(xué)生參加了由指導(dǎo)教師主持的橫向課題“數(shù)控塑料切粘機(jī)的研制”，并以之作為畢業(yè)設(shè)計(jì)題目，完成了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、零件的加工到整機(jī)的調(diào)試全過(guò)程，獲得了難得的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并完成了整機(jī)的CAD繪圖工作。長(zhǎng)期以來(lái)，機(jī)械強(qiáng)度分析與計(jì)算一直沿用材料力學(xué)、理論力學(xué)和彈性力學(xué)所提供的公式來(lái)進(jìn)行。由于在計(jì)算過(guò)程中有許多的簡(jiǎn)化條件，因而計(jì)算精度較低；在設(shè)計(jì)中，為了保證設(shè)備或構(gòu)件的安全可靠性，常采用加大安全系數(shù)的方法，結(jié)果使結(jié)構(gòu)尺寸加大，浪費(fèi)材料，有時(shí)還會(huì)造成結(jié)構(gòu)性能的降低。有限元分析技術(shù)是最重要的工程分析技術(shù)之一，它廣泛應(yīng)用于彈塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)、流體力學(xué)、熱傳導(dǎo)等領(lǐng)域。有限元法在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，使機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)產(chǎn)生革命性的變化，理論設(shè)計(jì)代替了經(jīng)驗(yàn)類比設(shè)計(jì)。以前由于其理論性較強(qiáng)，有限元法僅僅用在碩士論文中，但從2002年起，在本科班中嘗試應(yīng)用有限元強(qiáng)度分析作為畢業(yè)論文題目。同時(shí)，由于我們所用的有限元分析軟件在Linux平臺(tái)上運(yùn)行，所以學(xué)生必須掌握Linux操作系統(tǒng)，使學(xué)生在計(jì)算機(jī)方面也有了全方面的提高。

三、創(chuàng)新實(shí)踐

近幾年，我們?cè)趯W(xué)生當(dāng)中廣泛進(jìn)行了課外學(xué)術(shù)活動(dòng)和機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐，并把這些內(nèi)容與學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)相結(jié)合，獲得了可喜的成績(jī)。依布拉音、西克熱木等學(xué)生完成的“油罐車(chē)注油自動(dòng)控制系統(tǒng)”項(xiàng)目在西北地區(qū)比賽中獲得一等獎(jiǎng)，全國(guó)大賽中獲得三等獎(jiǎng)。努爾比亞等學(xué)生完成的“上下樓梯搬運(yùn)機(jī)器人”項(xiàng)目在西北地區(qū)比賽中獲得一等獎(jiǎng)，全國(guó)大賽中獲得三等獎(jiǎng)。通過(guò)這些設(shè)計(jì)大賽及幾年的教學(xué)改革實(shí)踐，學(xué)生不僅從設(shè)計(jì)中得到了鍛煉，學(xué)到了設(shè)計(jì)技能，而且在做設(shè)計(jì)時(shí)的動(dòng)手機(jī)會(huì)多了，培養(yǎng)了他們科學(xué)的思維方法與創(chuàng)新能力，加深了學(xué)生對(duì)機(jī)械制造專業(yè)的認(rèn)識(shí)，促進(jìn)了課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量的提高。要實(shí)現(xiàn)教育改革和建設(shè)的目標(biāo)，關(guān)鍵是教師，教師不但要有高度的敬業(yè)精神和教學(xué)責(zé)任心，還要有較高的教學(xué)業(yè)務(wù)素質(zhì)。為使青年教師提高工程素質(zhì)，增加實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，鼓勵(lì)青年教師積極參與實(shí)際科研工作和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，并對(duì)青年教師制定了嚴(yán)格的培養(yǎng)計(jì)劃。教師梯隊(duì)建設(shè)及青年教師培養(yǎng)有了明確的規(guī)劃，結(jié)合課程建設(shè)，個(gè)人業(yè)務(wù)素質(zhì)提高較快。

四、結(jié)論

第9篇

論文摘要：在《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)中采用UG（Unigraphics）軟件指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行減速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的空間想象能力。

《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程是機(jī)械類專業(yè)一門(mén)重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程。課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生機(jī)械綜合設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新能力和工程意識(shí)的重要環(huán)節(jié)，是啟迪學(xué)生的創(chuàng)新思維、開(kāi)拓學(xué)生創(chuàng)新潛能的重要手段，將為以后的專業(yè)課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)，在教學(xué)計(jì)劃中具有承上啟下的重要作用。我院《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)選用的題目是傳動(dòng)裝置中的減速器設(shè)計(jì)，在以前的課程設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，由于學(xué)生空間想象能力不足，往往照葫蘆畫(huà)瓢，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)自己設(shè)計(jì)的減速器結(jié)構(gòu)似懂非懂，影響了設(shè)計(jì)質(zhì)量。筆者結(jié)合自己對(duì)UG（Unigraphics）軟件技術(shù)的掌握，對(duì)教學(xué)中如何提高學(xué)生空間思維能力的問(wèn)題進(jìn)行了探索。

人們的認(rèn)識(shí)過(guò)程建立在實(shí)踐活動(dòng)中，從具體到抽象，從感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)，在此過(guò)程中，如果缺乏與之有關(guān)的感性認(rèn)識(shí)作為基礎(chǔ)，理解起來(lái)很難。《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程是理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，內(nèi)容比較抽象，減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)離不開(kāi)空間想象，離不開(kāi)對(duì)空間形體的分析和表達(dá)。根據(jù)心理學(xué)的觀點(diǎn)，空間想象能力是形象思維與抽象思維兩種思維活動(dòng)的分析、綜合、加工處理，從而產(chǎn)生新形象的一種綜合性能力，主要來(lái)源于對(duì)空間形體的感性認(rèn)識(shí)。課程設(shè)計(jì)能培養(yǎng)學(xué)生對(duì)空間形體的想象能力、分析能力和表達(dá)能力。這三種能力彼此關(guān)聯(lián)，相互促進(jìn)。在教學(xué)中從學(xué)生的身心發(fā)展規(guī)律和學(xué)生實(shí)際出發(fā)培養(yǎng)學(xué)生空間想象能力的途徑有很多，利用UG軟件進(jìn)行多媒體教學(xué)是非常有效的方法之一。

UG系統(tǒng)起源于美國(guó)麥道飛機(jī)公司。多年來(lái)，UG系統(tǒng)匯集了美國(guó)航空航天與汽車(chē)工業(yè)的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)展成為世界一流的綜合性的設(shè)計(jì)、分析和制造一體化的集成系統(tǒng)。可以實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、虛擬現(xiàn)實(shí)到靜力學(xué)及動(dòng)力學(xué)強(qiáng)度分析，最后由CAM模塊實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助加工制造，貫穿了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和制造全過(guò)程。UG技術(shù)提供的草圖功能、曲線曲面建模、基于特征的實(shí)體建模、虛擬裝配建模、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真、分析等技術(shù)手段，給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了極大的方便。相關(guān)技術(shù)手段的結(jié)合應(yīng)用不僅能快速構(gòu)建出相關(guān)的機(jī)構(gòu)的抽象模型，也能把這種模型快速地映射于機(jī)構(gòu)的裝配模型，還能對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行快速的運(yùn)動(dòng)分析仿真、運(yùn)動(dòng)干涉檢查及動(dòng)力學(xué)分析等。

在課程設(shè)計(jì)之前，為了增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，最好進(jìn)行軸系結(jié)構(gòu)測(cè)繪和減速器結(jié)構(gòu)裝拆實(shí)驗(yàn)，因?yàn)檫@兩個(gè)實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生進(jìn)一步掌握機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)、了解結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則，建立軸系組成的基本概念。在課程設(shè)計(jì)開(kāi)始時(shí)，學(xué)生往往不知從何下手，教師首先應(yīng)該介紹一下設(shè)計(jì)總體過(guò)程。采用課件比較方便，然而也有很大的局限性，因?yàn)橹谱骱玫能浖灰烁膭?dòng)，教學(xué)內(nèi)容的個(gè)性與教學(xué)過(guò)程的適宜性受到了限制，在課堂上不利于發(fā)揮教師的主觀能動(dòng)性，不利于最大限度地融入和體現(xiàn)教師的設(shè)計(jì)思想、教學(xué)特色和個(gè)人風(fēng)格。筆者采用UG軟件對(duì)零件直接進(jìn)行三維建模和用UG建造好的虛擬模型進(jìn)行教學(xué)，在課堂的動(dòng)態(tài)教學(xué)中能夠隨機(jī)應(yīng)變、按需造型以及修改模型，提高課堂教學(xué)質(zhì)量。采用UG軟件建造的虛擬模型比以前采用實(shí)物模型來(lái)增強(qiáng)學(xué)生感性認(rèn)識(shí)要好，因?yàn)閷?shí)物模型由于體積和重量原因會(huì)造成攜帶、拆卸和解剖不便，且操作較為費(fèi)時(shí)。而UG軟件創(chuàng)建的三維模型精度高、質(zhì)感好、形象逼真、色彩豐富，利用UG的局部放大、平移和翻轉(zhuǎn)等工具，能夠在屏幕上觀察零件復(fù)雜形體的外形與內(nèi)腔、相貫體中相貫線的變化等各個(gè)側(cè)面和局部細(xì)節(jié)特征；可以直觀地顯現(xiàn)整個(gè)零件的結(jié)構(gòu)，裝配體中零件之間的連接關(guān)系，使教學(xué)中的知識(shí)難點(diǎn)更加清晰、生動(dòng)、形象；也可以根據(jù)不斷變化的教學(xué)內(nèi)容和不同的教學(xué)對(duì)象的需求，利用UG軟件方便地進(jìn)行教學(xué)模型的修改與新建，滿足教學(xué)中對(duì)模型種類及數(shù)量的需要，并能顯著降低教學(xué)成本。

在介紹設(shè)計(jì)過(guò)程時(shí)，如果采用機(jī)械制圖方法將零件的三維實(shí)體利用投影法原理將其轉(zhuǎn)化到二維平面圖上，再通過(guò)二維視圖想象出三維形狀講解減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，則學(xué)生理解這些傳統(tǒng)的二維平面圖知識(shí)需要有豐富的空間想象力。即使用一些軸測(cè)圖，也只能看到實(shí)體的部分表面，不能解決教學(xué)中向?qū)W生講解清楚空間幾何體的形體問(wèn)題。

并且學(xué)生的認(rèn)識(shí)始終停留在二維圖紙上，不能很好地了解結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)整機(jī)性能的影響以及單個(gè)零件與整機(jī)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，不清楚自己設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是否合理。筆者在教學(xué)中采用UG軟件教學(xué)，使學(xué)生看到零件的設(shè)計(jì)過(guò)程，讓學(xué)生看到教師在繪圖過(guò)程中的細(xì)節(jié)，并且使用UG對(duì)減速器各個(gè)零件進(jìn)行裝配，使學(xué)生比較容易理解。如圖（軸上零件周向、徑向定位）所示，在講解對(duì)減速器軸上各個(gè)零件進(jìn)行裝配時(shí)，介紹裝配基準(zhǔn)，演示如何進(jìn)行傳動(dòng)件的周向和軸向固定；軸的支承、固定；軸承類型如何選擇，應(yīng)考慮哪些因素，軸承如何裝配，間隙如何調(diào)整等問(wèn)題；各零件之間的相互位置關(guān)系、零件的布置方案、裝拆順序；圖樣上的尺寸和公差標(biāo)注及零件的結(jié)構(gòu)工藝性應(yīng)注意的問(wèn)題等等。這樣，不僅能在較短時(shí)間內(nèi)給學(xué)生提供正確的示范，培養(yǎng)學(xué)生的幾何構(gòu)思能力，同時(shí)介紹了有關(guān)結(jié)構(gòu)工藝知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生合理的設(shè)計(jì)思維，有利于學(xué)生理解減速器的工作原理、裝配關(guān)系、各零件的相對(duì)位置關(guān)系以及各零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。這種視覺(jué)效果的刺激能增強(qiáng)學(xué)生的分析、認(rèn)識(shí)和記憶能力，開(kāi)拓學(xué)生的知識(shí)面，活躍課堂氣氛，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也能充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)與教師的雙重作用。

軸上零件周向、徑向定位圖

三維設(shè)計(jì)是工業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，我院機(jī)械類專業(yè)學(xué)生獲得UG或PRO/E三維設(shè)計(jì)技能證書(shū)是學(xué)生的畢業(yè)條件之一，這樣的要求有利于提高學(xué)生實(shí)際工程設(shè)計(jì)能力，創(chuàng)新意識(shí)和就業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力。因?yàn)樵谡n程設(shè)計(jì)之前，一些學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了UG或PRO/E軟件，在課程設(shè)計(jì)中應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生采用三維設(shè)計(jì)。將三維設(shè)計(jì)融入課程設(shè)計(jì)，學(xué)生可以利用UG強(qiáng)大的參數(shù)化功能和裝配功能，完成各零件的設(shè)計(jì)和裝配。由于學(xué)生缺乏實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，往往要對(duì)某些結(jié)構(gòu)不夠合理的地方進(jìn)行多次修改，采用UG軟件只需修改零件的某個(gè)參數(shù)的數(shù)值即可完成整體修改。而采用二維設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)變動(dòng)較大時(shí)則不得不重新設(shè)計(jì)并花費(fèi)很多時(shí)間進(jìn)行繪圖。而采用三維設(shè)計(jì)，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，能使學(xué)生更加深入地理解設(shè)計(jì)的內(nèi)涵，增強(qiáng)學(xué)生的設(shè)計(jì)想象力，啟迪學(xué)生的思維，引導(dǎo)學(xué)生實(shí)現(xiàn)探究性學(xué)習(xí)。三維設(shè)計(jì)能夠使學(xué)生直觀地看到自己的設(shè)計(jì)成果，增強(qiáng)學(xué)生的成就感。而且學(xué)生在完成三維設(shè)計(jì)后，利用UG的制圖轉(zhuǎn)換功能，可將使用實(shí)體建模功能創(chuàng)建的零件或裝配模型引用到工程圖模塊中，快速轉(zhuǎn)換為二維的工程圖，再進(jìn)行尺寸標(biāo)注、注釋等等，最終完成課程設(shè)計(jì)所要求的圖紙，從而提高學(xué)生的專業(yè)制圖識(shí)圖能力，加深學(xué)生對(duì)三維設(shè)計(jì)與二維工程圖之間關(guān)系的理解。

實(shí)踐表明，用UG軟件講授減速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以激發(fā)學(xué)生的觀察力、想象力及邏輯聯(lián)想能力，能夠達(dá)到“教人以漁，則終身受用無(wú)窮”的效果。不過(guò)，雖然現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)開(kāi)闊了學(xué)生的視野，提高了學(xué)習(xí)的趣味性與教學(xué)效率，然而教學(xué)卻具有生成性，對(duì)課堂上出現(xiàn)的新問(wèn)題，教師的板書(shū)和分析必不可少。因此，在教學(xué)實(shí)踐中應(yīng)當(dāng)將傳統(tǒng)教學(xué)和現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，不斷地研究新的教學(xué)方法，與時(shí)俱進(jìn)，注意使各種教學(xué)手段相互穿插、補(bǔ)充，這樣才能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)他們學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)教學(xué)效果的最優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：