導(dǎo)語：如何才能寫好一篇虛擬裝配技術(shù)論文，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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

裝配是產(chǎn)品生命周期的重要環(huán)節(jié)，是實現(xiàn)產(chǎn)品功能的主要過程。寫作畢業(yè)論文裝配成本占產(chǎn)品制造成本40%～50%，裝配自動化一直是制造自動化中的瓶頸問題。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)的裝配方案的過程，對指導(dǎo)產(chǎn)品可裝配性設(shè)計、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)計圖紙和技術(shù)文檔，通過分析產(chǎn)品裝配圖中零件的幾何形狀和位置關(guān)系，必要時再和設(shè)計人員進(jìn)行討論，進(jìn)一步明確設(shè)計者的真正意圖，利用自己的經(jīng)驗和知識規(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，一方面對裝配相關(guān)的設(shè)計技術(shù)提出了計算機(jī)化的要求，以提高和產(chǎn)品開發(fā)過程中其他環(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)劃時間以加快產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)程。受“需求牽引”和“技術(shù)推動”兩方面的影響，80年代初，出現(xiàn)了對計算機(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)的時間順序及方法的特點，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)，寫作碩士論文一般采用幾何推理的方法，通過產(chǎn)品裝配建模、裝配序列推理和表達(dá)以及裝配序列評價和選擇為產(chǎn)品面向裝配的設(shè)計和裝配工藝規(guī)劃提供指導(dǎo)和支持，其過程通常如圖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)點對應(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種實體類型：零件、接觸和聯(lián)接，邊表達(dá)了實體間的關(guān)系。產(chǎn)品等級裝配模型[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。

矩陣比圖易于計算機(jī)表達(dá)和實現(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個干涉矩陣合并為一個拆卸矩陣，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“問答式”方法獲取裝配優(yōu)先約束關(guān)系[4]，寫作醫(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題的數(shù)量，然后通過對裝配優(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]通過對產(chǎn)品聯(lián)接圖進(jìn)行縮并，利用“割集”算法對聯(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)點對應(yīng)裝配過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。因為“割集”算法的計算復(fù)雜性為O(3N)(N為零件個數(shù))，因此，對于復(fù)雜產(chǎn)品的裝配順序規(guī)劃存在指數(shù)爆炸問題，這是難以讓人接受的。

1.3裝配序列評價和選擇

裝配序列的選擇對裝配線設(shè)計、裝配成本、裝配設(shè)備選擇有很大影響，寫作職稱論文而評價是選擇的基礎(chǔ)。裝配序列的評價可分為定性和定量兩方面因素[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裝配時間(包括子裝配體的操作時間、運(yùn)輸時間等)、整個裝配成本(包括勞動成本、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、選優(yōu)帶來極大困難；且序列的幾何推理方法不易融入人類的裝配知識，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模擬裝配/拆卸過程，無需產(chǎn)品或支撐過程的物理實現(xiàn)，通過分析、先驗?zāi)Ｐ汀⒖梢暬蛿?shù)據(jù)表達(dá)等手段，利用計算機(jī)工具來安排或輔助與裝配有關(guān)的工程決策[15]。虛擬裝配過程中，人機(jī)可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，即人通過直覺/裝配經(jīng)驗和知識決定產(chǎn)品的裝配過程，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，而通過一定算法和規(guī)則實現(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、夾具和工作臺等信息。圖2為虛擬裝配規(guī)劃的工作步驟。

國外虛擬裝配規(guī)劃的研究以沉浸式虛擬裝配環(huán)境VADE[16],[17](VirtualAssemblyDesignEnvironment)為代表，寫作英語論文通過建立一個裝配規(guī)劃和評價的虛擬環(huán)境來探索運(yùn)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行設(shè)計、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、評價和驗證提供支持。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)裝配過程；通過引入了質(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，逼真地模擬真實裝配環(huán)境；支持雙手的靈活裝配和操作；記錄虛擬裝配過程中產(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。

國內(nèi)管強(qiáng)等[18]將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與面向裝配設(shè)計的理論相結(jié)合，建立了一個虛擬環(huán)境下的面

向裝配設(shè)計系統(tǒng)（VirDFA）。萬華根等[19]建立了一個具有多通道界面的虛擬設(shè)計與虛擬裝配系統(tǒng)（VDVAS），通過直接三維操作和語音命令方便地對零件進(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。在面向過程與歷史的虛擬設(shè)計與裝配環(huán)境（VIRDAS）中，張樹有等[20]通過識別裝配關(guān)系進(jìn)行裝配運(yùn)動的導(dǎo)航，實現(xiàn)虛擬拆卸/裝配順序規(guī)劃、虛擬裝配分析。從集成的觀點出發(fā)，姚珺等[21]提出面向產(chǎn)品設(shè)計全過程的虛擬裝配體系結(jié)構(gòu)，從方案設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和裝配工藝設(shè)計3個層次上分階段地對產(chǎn)品可裝配性進(jìn)行分析與評價。田豐等[22]提出一個面向虛擬裝配的三維交互平臺（VAT），簡化了虛擬裝配應(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)實環(huán)境開展裝配規(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)劃軟計算方法

1994年，Zadeh教授將模糊邏輯與智能技術(shù)結(jié)合起來，提出了軟計算方法（softcomputing）[23]。軟計算以模糊邏輯、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題的近似解。為避免組合爆炸同時又能得到較優(yōu)的裝配規(guī)劃方案，近來，基于建模、表達(dá)和尋優(yōu)一體化的裝配規(guī)劃軟計算方法得到廣泛關(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)化計算問題的目標(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))對應(yīng)起來，網(wǎng)絡(luò)動態(tài)向能量函數(shù)極小值方向移動的過程就可視作優(yōu)化問題的求解過程，穩(wěn)態(tài)點則是優(yōu)化問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局部最優(yōu)的裝配序列。另外，參數(shù)選擇和初始條件對網(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。而樣本可能是針對某種類型的產(chǎn)品，對其它類型的產(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，將一個優(yōu)化問題比擬成一個熱力學(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)的退火過程，通過模擬固體的退火過程獲得優(yōu)化問題的全局最優(yōu)解。

Saeid等[25]利用模擬退火算法進(jìn)行裝配序列規(guī)劃時，根據(jù)產(chǎn)品裝配模型獲得裝配優(yōu)先關(guān)系，將裝配過程總裝配時間和重定向次數(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)化的評價函數(shù)。Hong和Cho[26]將裝配約束和裝配過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)擾動地逐步減小，經(jīng)過多次迭代，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，并能使搜索過程避免陷入局部最優(yōu)，但模擬退火算法對整個搜索空間的狀況了解不多，不能使搜索過程進(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

在眾多軟計算方法中，遺傳算法得到了眾多研究者的重視。寫作工作總結(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，它將問題的可能解組成種群，將每一個可能的解看作種群的個體，從一組隨機(jī)給定的初始種群開始，持續(xù)在整個種群空間內(nèi)隨機(jī)搜索，按照一定的評估策略即適應(yīng)度函數(shù)對每一個體進(jìn)行評價，不斷通過復(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，算法終止時得到最優(yōu)/次最優(yōu)的問題解。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集中于設(shè)計裝配序列的基因編碼方式以包含更多的裝配過程信息、設(shè)計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，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，一個基因團(tuán)表達(dá)一個零件的裝配操作，由被裝配零件號裝配元、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，通過交叉和多層次變異實現(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數(shù)的需求，從而使算法能跳出局部最優(yōu)點，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算的種群規(guī)模要足夠大，迭代次數(shù)要無限

多，但在計算資源和時間限制下是達(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，零部件和產(chǎn)品可能在不同的裝配工廠完成裝配過程，因此需要設(shè)計團(tuán)隊的協(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間和空間上的距離，為實時的“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。目前已開發(fā)了Motive3D系統(tǒng)，利用Synthesizer模塊可以交互/自動進(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項目[32]實施中，為了向異地的開發(fā)人員展示裝配設(shè)計和裝配規(guī)劃結(jié)果，嘗試?yán)肰RML作為可視化工具，一方面供設(shè)計團(tuán)隊瀏覽零部件設(shè)計，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)計團(tuán)隊實時進(jìn)行評價和提出修改意見。但手工編輯文件不但花費的時間長達(dá)一周，而且每次設(shè)計修改后都必須重新編輯；同時，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)，通過對復(fù)雜產(chǎn)品裝配規(guī)劃問題的分解，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和經(jīng)驗進(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]通過確定裝配子任務(wù)編碼方法、裝配人員評價指數(shù)和制定協(xié)同裝配協(xié)議，以VRML為產(chǎn)品模型載體實現(xiàn)協(xié)同裝配系統(tǒng)。在裝配知識和規(guī)則的支撐下，支持局域網(wǎng)內(nèi)多用戶實施產(chǎn)品預(yù)裝配、驗證零部件可裝配性，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)是一個符合開放技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的可視化裝配系統(tǒng)[35]，它基于VRML-Java實現(xiàn)裝配場景的動態(tài)生成、裝配控制、碰撞檢測以及裝配過程的動畫回放等功能，目前完成了基于“堆疊”思路的裝配驗證方式。但該系統(tǒng)屬于單用戶系統(tǒng)，不能支持多用戶的實時協(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，但相對而言還很少，這說明該技術(shù)距離工業(yè)實用還存在較大差距。裝配規(guī)劃是一個經(jīng)驗和知識密集型的工作，同時又與具體行業(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，而軟計算技術(shù)能夠?qū)⑷说哪：R融入規(guī)劃過程中，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際裝配規(guī)劃過程，從而得到合理的裝配方案。

跨地域、跨國家的網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)同化產(chǎn)品設(shè)計和制造新模式的形成使產(chǎn)品裝配成為一個需要協(xié)同工作和決策的問題。隨著虛擬現(xiàn)實技術(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下裝配規(guī)劃研究的新趨勢。

參考文獻(xiàn)

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篇2

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)計中迫切需要對其進(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)的過程非常困難[2]。針對榫卯工藝在研究過程中存在的此類問題，本文提出引入數(shù)字化設(shè)計中的新方法、新技術(shù)，將數(shù)字化仿真設(shè)計與榫卯工藝相結(jié)合，以“有束腰方凳”為例，進(jìn)行虛擬仿真設(shè)計。利用仿真技術(shù)對榫卯結(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仿真模擬技術(shù)對傳統(tǒng)榫卯工藝進(jìn)行研究及其數(shù)據(jù)庫的建立。

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)實和仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，對產(chǎn)品的設(shè)計過程統(tǒng)一建模，在計算機(jī)上實現(xiàn)產(chǎn)品從設(shè)計、加工和裝配、檢驗、整個生命周期的模擬和仿真。這樣可以在產(chǎn)品的設(shè)計階段就模擬出產(chǎn)品及其性能和制造過程，以此來優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量和制造過程。與傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計相比，數(shù)字化設(shè)計技術(shù)在設(shè)計方法、設(shè)計過程、設(shè)計質(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)計將主要包括數(shù)字化建模，數(shù)字化裝配，數(shù)字化評價，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)計流程

在現(xiàn)實家具榫卯工藝研究的方法是：把已有的家具進(jìn)行拆解，對拆解后的榫卯結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量、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：首先通過對榫卯家具進(jìn)行拆解，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)測量；然后通過數(shù)字化設(shè)計技術(shù)，并采用數(shù)字化樣機(jī)來代替原來的物理原型，在數(shù)字狀態(tài)下進(jìn)行仿真分析，對原設(shè)計進(jìn)行裝配重組。這樣不需要實物原型，就可以讓更多的設(shè)計人員在不同時間不同的地點在計算機(jī)上進(jìn)行榫卯結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)和研究。

三、數(shù)字化仿真實例

首先是建模平臺的選取，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。對結(jié)構(gòu)件和零件用軟件Pro/E進(jìn)行建模來更直觀的展示傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以此來系統(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)計之前要對產(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)計意圖時，有許多子裝配是預(yù)先確定下來的：比如對本例束腰凳進(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

在明確了設(shè)計意圖并定義了“有束腰凳”產(chǎn)品基本結(jié)構(gòu)和框架前提下，將圍繞設(shè)計意圖和基本框架展開零件和子裝配的詳細(xì)設(shè)計。首先是子裝配件的確定，通過對基本框架的研究分析得出產(chǎn)品共分為三個子裝配體：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，設(shè)計基準(zhǔn)傳遞下去之后，可以進(jìn)行單個的零件設(shè)計。

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。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[3]。這種裝配結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于邊框伸縮性不大，使得整個家具的結(jié)構(gòu)不至由于面板的脹縮而受影響，起到了穩(wěn)定堅實的作用。

趲邊打槽裝板裝配結(jié)構(gòu)定義完之后開始進(jìn)行零部件的詳細(xì)設(shè)計，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。這四根木框兩根長而出榫的叫“大邊”，兩根短而鑿眼的叫“抹頭”。經(jīng)過以上分析，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)合時使用的榫卯結(jié)構(gòu)。首先通過測繪獲得各種數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在獲得詳細(xì)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過三維仿真建模技術(shù)，對抱肩榫結(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。通過對三維仿真模型的拆解可以看出來，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固定四方的框架。同時掛銷進(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，腿足上端的長短榫通過抹頭的插接固定了承重面。

2.3.腳檔的格肩榫模型仿真

通過下圖對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，格肩部分和長方形的陽榫貼實在一起的，為不帶夾皮的格肩榫，又叫“實肩”。詳細(xì)零部件構(gòu)成為：格肩榫榫頭在中間，兩邊為榫肩，格肩部分和長方形的陽榫貼實在一起的，為不帶夾皮的格肩榫，又叫“實肩”。 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程中，需要將裝配的各個零部件拿到裝配現(xiàn)場進(jìn)行裝配[4]。而在Pro/E虛擬系統(tǒng)中，只需要在計算機(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)系對這些零部件進(jìn)行設(shè)計。

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，樹的根節(jié)點是裝配體，子節(jié)點是組成裝配體的各個零件，中間節(jié)點則是子裝配體。裝配樹的的關(guān)系體現(xiàn)了實際形成裝配體的裝配順序，同時也表達(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

傳統(tǒng)榫卯結(jié)構(gòu)是我國寶貴的傳統(tǒng)工藝非物質(zhì)文化遺產(chǎn)，同時明式家具榫卯結(jié)構(gòu)工藝也是當(dāng)今學(xué)習(xí)榫卯結(jié)構(gòu)的難點，所以有必要對傳統(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)的過程更快捷。通過三維模型的仿真研究和實踐，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)計提供有益的參考，同時也促進(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)校人文社會科學(xué)研究一般項目資助 課題號：20112303

參考文獻(xiàn)

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[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)計系統(tǒng)構(gòu)建與應(yīng)用[J].西北林業(yè)學(xué)院學(xué)報，2009，24（3）：163-166

篇3

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

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

作者簡介：伊紀(jì)斌（1994-），男，山東淄博人，山東理工大學(xué)國防教育學(xué)院學(xué)生，研究方向：機(jī)械設(shè)計

隨著知識經(jīng)濟(jì)和工業(yè)制造的快速發(fā)展，現(xiàn)代化的市場要求產(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)時間、最低的成本消耗和最佳的服務(wù)來滿足顧客的需求。傳統(tǒng)設(shè)計一般是在圖紙結(jié)合產(chǎn)品的特性和設(shè)計的具體要求進(jìn)行的，在機(jī)械設(shè)計的過程中需要提前對設(shè)計中的設(shè)備裝配的干擾因素的不確定進(jìn)行考慮，但是產(chǎn)品在裝配中的缺陷只有在產(chǎn)品開發(fā)的后期才能暴露出來或者在產(chǎn)品的試制階段和裝配中顯現(xiàn)出來。如果設(shè)計的零件已經(jīng)開始投入生產(chǎn)了，那么損失就更加嚴(yán)重了。產(chǎn)品的質(zhì)量在傳統(tǒng)的設(shè)計和制造方式上不能得到很好的保證，并且傳統(tǒng)設(shè)計的工藝比較粗糙、開發(fā)的效率低、花費時間比較長、耗費的資金比較大。在變化速度快、持續(xù)性發(fā)展和不可預(yù)測性市場中難以適應(yīng)。因此，企業(yè)的生產(chǎn)活動需要具備高度的柔性和快速的反應(yīng)，與此同時信息技術(shù)的飛速發(fā)展保證了機(jī)械制造的先進(jìn)性，信息化的使用對于現(xiàn)代機(jī)械工程設(shè)計十分重要。

1虛擬機(jī)械制造技術(shù)

以往傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計技術(shù)的設(shè)備條件比較差，設(shè)計技術(shù)性不強(qiáng)，傳統(tǒng)的設(shè)計觀念比較保守，設(shè)計的手段主要依靠的是粗略的計算和估算，主要是在較多的簡化和靜止化假設(shè)中完成機(jī)械工程的設(shè)計，傳統(tǒng)設(shè)計具有較大的隨意性，并且設(shè)計的關(guān)鍵過程還對設(shè)計者的經(jīng)驗和設(shè)計習(xí)慣具有很大的依賴性。設(shè)計的過程很難實現(xiàn)合理、高效和準(zhǔn)確。但是在現(xiàn)代化虛擬設(shè)計的相關(guān)技術(shù)可以很好地實現(xiàn)設(shè)計經(jīng)驗依賴性強(qiáng)、設(shè)計過程靜態(tài)性和設(shè)計理念隨意性向現(xiàn)代化設(shè)計精確性、以數(shù)據(jù)知識工程和專家系統(tǒng)為保證的設(shè)計方式的發(fā)展，虛擬計算機(jī)技術(shù)需要對必要的信息進(jìn)行檢索、分析和收集。最終找出最優(yōu)的設(shè)計方案和數(shù)值運(yùn)算的方式，當(dāng)然也會對CAD技術(shù)和人工智能技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等進(jìn)行大量的應(yīng)用。虛擬機(jī)械制造技術(shù)主要是在虛擬環(huán)境下對計算機(jī)的模型進(jìn)行虛擬分析的一種計算機(jī)設(shè)計技術(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、動態(tài)仿真、回收利用。依靠虛擬制造技術(shù)，機(jī)械設(shè)計人員不需要將所有的零件設(shè)備生產(chǎn)制造出來，可以通過對零件模型的建立，隨后對零件進(jìn)行虛擬裝配，并對各零件部位之間的裝配間隙進(jìn)行干涉、對裝配的狀態(tài)實現(xiàn)檢查，對零件設(shè)計中的錯誤及時發(fā)現(xiàn)，如果零件不符合設(shè)計要求，可以依靠計算機(jī)技術(shù)方便及時更改模型，最后形成新的零部件設(shè)計圖和裝配圖，達(dá)到設(shè)計、裝配和制造檢驗的協(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)計技術(shù)的提出、產(chǎn)品制造過程的抽取、原模型的建立、集成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、建模仿真等。下面就對虛擬制造技術(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)描述和動態(tài)描述兩種。靜態(tài)描述主要是關(guān)于對系統(tǒng)生產(chǎn)能力和生產(chǎn)特性。動態(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)上對產(chǎn)品的整個過程進(jìn)行全面的預(yù)測。在制造過程中我們將種種實體對象總的稱之為產(chǎn)品模型。在產(chǎn)品的模型建立中需要對產(chǎn)品的明細(xì)、形狀特征等方面進(jìn)行描述。對于VMS而言，要實現(xiàn)產(chǎn)品實施過程的全部繼承必須具備完整的產(chǎn)品模型。因此在虛擬制造中的產(chǎn)品模型不再是單一和靜止的，它可以運(yùn)用抽象的技術(shù)實現(xiàn)各種模型面貌的提取。工藝模型主要指的是在制造過程中對產(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，最終實現(xiàn)對產(chǎn)品模型和生產(chǎn)模型之間相互作用的反映。

2.2虛擬制造技術(shù)中的仿真技術(shù)

仿真指的是通過計算機(jī)實現(xiàn)復(fù)雜現(xiàn)實系統(tǒng)的抽象化和簡潔化最終形成的系統(tǒng)模型，并且在仿真的基礎(chǔ)上對模型進(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，它對實際的生產(chǎn)系統(tǒng)沒有直接的干擾作用，并且仿真系統(tǒng)可以對計算機(jī)的計算能力進(jìn)行應(yīng)用，實現(xiàn)在短時間內(nèi)完成在實際工作中需要很長時間的工作，有效縮短了生產(chǎn)決策的時間，最大化地避免了對人力、物力和資金的投入以及浪費。計算機(jī)技術(shù)還有很好的仿真修復(fù)功能，最大化地保證了方案的最優(yōu)。仿真技術(shù)過程的主要步驟有系統(tǒng)研究、數(shù)據(jù)收集、系統(tǒng)模型建立、仿真算法的確定、仿真模型的計算、仿真模型的運(yùn)行、結(jié)果的輸出和分析。仿真在產(chǎn)品的制造過程主要被分為制造的仿真和加工的仿真。在系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)中主要涉及的是產(chǎn)品建模、設(shè)計交互行為仿真等。方便對設(shè)計結(jié)果的評價，及時進(jìn)行反饋，降低產(chǎn)品設(shè)計中的錯誤。加工過程的仿真主要有切削、裝配、檢驗及焊接、壓力加工和鑄造等。以上兩種仿真過程是相對獨立的，兩者不能實現(xiàn)集成，而VM中應(yīng)建立全面過程的統(tǒng)一仿真。

2.3虛擬制造中的虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的目的是改善計算機(jī)的交互方式，提高計算機(jī)的可操作性，它是在對計算機(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的技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(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)境中感受到真實的沉浸感覺，交互性計算機(jī)系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基礎(chǔ)。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中有操作者、機(jī)器和人機(jī)接口。它幫助提升人和計算機(jī)間的和諧度，同時也是最有力的仿真工具。在VRS的作用下實現(xiàn)對真實世界的模擬。在用戶交互輸入以及輸出修改虛擬環(huán)境的條件下，使人達(dá)到身臨其境的沉浸感覺。VM的關(guān)鍵技術(shù)之一就是虛擬現(xiàn)實技術(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)計中被稱作機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術(shù)，它是20世紀(jì)80年代在計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展中發(fā)展起來的一種計算機(jī)輔助技術(shù)。在計算機(jī)建立樣機(jī)模型后，對模型的多種動態(tài)性能進(jìn)行具體的分析，最后對樣機(jī)方案實現(xiàn)改進(jìn)。用數(shù)字化模型代替物理性的樣機(jī)。通過虛擬樣機(jī)技術(shù)的作用，簡化了機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)過程，有效縮短產(chǎn)品開發(fā)的時間，最大程度降低產(chǎn)品的開發(fā)成本和費用，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量和系統(tǒng)性能的提升，使設(shè)計產(chǎn)品實現(xiàn)最優(yōu)化和最具創(chuàng)新性。綜合以上優(yōu)勢，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)計和生產(chǎn)企業(yè)的重視，許多著名的產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計者都對該技術(shù)進(jìn)行了引入并運(yùn)用在自身產(chǎn)品的開發(fā)中，并且取得了極好的經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)效益。在機(jī)械工程設(shè)計

中應(yīng)用仿真技術(shù)對零件進(jìn)行設(shè)計、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)動性等均可以實現(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

4.1強(qiáng)大的通用性和分析處理復(fù)雜問題的能力

虛擬樣機(jī)技術(shù)建立和發(fā)展的基礎(chǔ)是分析力學(xué)和多體運(yùn)動力學(xué)，該技術(shù)的關(guān)鍵是對復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行自動建模。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。令每個構(gòu)件都有六個自由度是它的核心，還要要求其對多余的自由度進(jìn)行限制，實現(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，虛擬樣機(jī)技術(shù)還對機(jī)械系統(tǒng)的詳細(xì)環(huán)節(jié)進(jìn)行考慮，具體指彈性、接觸和摩擦等因素。

4.2為機(jī)械系統(tǒng)建模帶來便利

傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)建模中要先建立運(yùn)動分析，隨后在運(yùn)動分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行動力分析，這中間需要許多的圖形分析和公式推導(dǎo)。但是圖形的分析和公式的推導(dǎo)過程往往比較復(fù)雜，并且錯誤率高。同樣的建模過程中設(shè)計人員只需要將機(jī)械的構(gòu)成方式和連接方法以及相應(yīng)的物理參數(shù)實施輸入，其后的建模和求解只需要計算來完成就可以了，極大地幫助設(shè)計人員承擔(dān)了許多的設(shè)計難度。

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)驗和理論。但是運(yùn)用虛擬樣機(jī)計算軟件為復(fù)雜性的數(shù)據(jù)提供了可視化技術(shù)，使得設(shè)計人員直觀地看到機(jī)械設(shè)計的性能和運(yùn)動效果。

5結(jié)語

虛擬制造技術(shù)實現(xiàn)了現(xiàn)代工程機(jī)械工程設(shè)計領(lǐng)域中的設(shè)計、試制等一系列過程的直觀性。實現(xiàn)了在產(chǎn)品真正制造出來前，可以在虛擬的制造環(huán)境中生成產(chǎn)品的原型，更好地替代現(xiàn)實中的硬件產(chǎn)品，更方便地對設(shè)計產(chǎn)品的性能和可生產(chǎn)性進(jìn)行評估，極大地縮短了產(chǎn)品的設(shè)計和生產(chǎn)周期，最大化地節(jié)約了產(chǎn)品開發(fā)的成本，保證產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計可以適應(yīng)市場的靈活性的變化。虛擬制造技術(shù)是現(xiàn)實技術(shù)和計算機(jī)仿真技術(shù)在機(jī)械制造中的綜合應(yīng)用。在現(xiàn)代化計算機(jī)虛擬設(shè)計技術(shù)的幫助下實現(xiàn)對眾多產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計，不僅不會造成實際物質(zhì)的浪費，并且還能更直觀地了解產(chǎn)品生產(chǎn)的具體情況，打開了機(jī)械制造和設(shè)計的全新局面。

參考文獻(xiàn)

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篇4

關(guān)鍵詞：玉米青貯機(jī)；三維模型；失效分析；改進(jìn)設(shè)計

引言

隨著現(xiàn)代畜牧業(yè)的發(fā)展，我國青貯飼收獲機(jī)械的研發(fā)與設(shè)計不斷涌現(xiàn)，而關(guān)鍵技術(shù)及零部件的研發(fā)起步較晚，國內(nèi)的玉米收獲機(jī)研發(fā)處于初級階段，本文針對設(shè)計樣機(jī)在試驗過程中割臺傳動系統(tǒng)出現(xiàn)的花鍵軸扭曲故障而導(dǎo)致整機(jī)運(yùn)行試驗失敗提出的問題。（如圖1）

1.模型的構(gòu)建

利用三維建模軟件UG建立玉米青貯機(jī)割臺轉(zhuǎn)動系統(tǒng)簡化模型（如圖2、3）。

上圖中的花鍵軸（如圖4）的動力是由萬向節(jié)傳遞的，正是此矩形花鍵軸發(fā)生過載扭曲現(xiàn)象，造成試驗過程失敗。

2.機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型建立

為了計算鋸盤所受載荷的大小及分布的原理，試驗過程中，測量出玉米種植的行距及株距。實測以種植的平均株距為160mm，行距為720mm計。根據(jù)玉米青貯機(jī)的基本參數(shù)可知，在運(yùn)行過程中理想狀態(tài)下可對5行植株進(jìn)行收獲（如圖5、6）。

根據(jù)圖6知，鋸盤的受力為脈沖型的，假定玉米收獲機(jī)的工作行走速度為V0，則植株1的沿著攪龍的速度可分解為豎直向下的速度VY，和水平向左的速度VX，則根據(jù)力的合成與分解原理即：

分析可得到，植株1、3、5同時到達(dá)直至秸稈被割斷，植株2、4同時被切割，則鋸盤的受到兩個脈沖力的作用。假設(shè)玉米秸稈被鋸盤截斷需要隨鋸盤運(yùn)動的位移為S，由余玄定理 ：

則

：為刀盤轉(zhuǎn)過的角度

W：為刀盤的角速度

R：為刀盤的半徑

查閱資料知玉米秸稈的莖葉連接力、葉鞘的抗拉特性和莖稈、葉鞘的抗沖擊特性結(jié)果，得到了玉米秸稈的固有力學(xué)特性：莖葉連接力為0.7～16N，葉鞘抗拉力為3～21N，莖稈抗沖擊能量為20.3～42.8J。根據(jù)實際工作情況，取轉(zhuǎn)速n=2400rad/s，工作行走速度V=2m/s，相對截斷位移S=100mm進(jìn)行比對。

若取莖稈的平均抗沖擊能量為30J，則單個植株脈沖力可得：

脈沖力 = （其中鋸盤的半徑R>>S，則此時運(yùn)動弧長L≈S）

由于波輪工作的復(fù)雜性，如圖7所示，當(dāng)波輪過載荷時齒輪與上下摩擦片打滑時傳動軸承受的是最大扭矩，且其是根據(jù)碟簧上螺母的擰緊程度所決定的，故設(shè)波輪所受的最大靜載荷為 。

代入工作參數(shù)可得：

脈沖的周期

脈沖間隔

脈沖力持續(xù)時間

可知脈沖力時間間隔、脈沖力持續(xù)時間都較短，由刀盤及波輪轉(zhuǎn)速之比為30，可得波輪旋轉(zhuǎn)一圈需0.075s，且隨著工作行走速度的增加，會發(fā)生脈沖力的疊加。UG加載的函數(shù)中能確切表達(dá)的公式為：

F（t）= +

其中V0是工作行走速度，F(xiàn)為單個植株脈沖力300N，F(xiàn)0為波輪打滑的最大載荷，（由螺母決定，假定F0=1000N）?？蓪⒚}沖分段函數(shù)近視看作正弦函數(shù)圖（如圖8、9）。

3.關(guān)鍵部件的力學(xué)分析及仿真結(jié)果

在UG系統(tǒng)中動力學(xué)仿真模塊定義連桿機(jī)構(gòu)，選擇有相對運(yùn)動的部件，運(yùn)動的部件整體定義為一個連桿，定義桿件間的運(yùn)動副，并為其賦齒輪副的參數(shù)（如圖10）。

由上圖可知，隨著玉米青貯飼料收獲機(jī)工作行走速度的增大，單位時間內(nèi)的脈沖次數(shù)也隨之增加，且脈沖力也隨之增加。

當(dāng)玉米青貯飼料收獲機(jī)工作行走速度為8m/s時，利用Ansys對矩形花鍵軸加載荷，得到切應(yīng)力的云圖及花鍵軸的總變形云圖（如圖14、15）。

由上圖可以看出，矩形花鍵軸的最大變形量為2.2024mm，花鍵軸的最大扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力分布在齒根的附近，這是由于矩形花鍵的側(cè)面的應(yīng)力集中所致，與實際工作中的過載情況符合，得到割臺部件載荷過大，矩形花鍵軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。

4.改進(jìn)后的力學(xué)分析

試驗中增加調(diào)節(jié)安全離合器，設(shè)置調(diào)節(jié)安全離合器的最大扭矩防止傳動軸過載荷，根據(jù)玉米青貯飼料收獲機(jī)的工作最大行走速度V=8m/s，將花鍵軸所受的最大載荷力矩1425500N?mm為安全離合器的最大離合扭矩，利用Ansys給矩形花鍵軸加載荷，得到切應(yīng)力的云圖及花鍵軸的應(yīng)變云圖（如圖16、17）。

由上圖可見，花鍵軸承受的最大切應(yīng)力為834.36MPa，最大扭轉(zhuǎn)距離為0.079286mm。安全離合器動作足以保證傳動軸過載荷。

5.結(jié)束語

本文利用UG軟件的model模塊獲得三維模型數(shù)據(jù)；并通過基于VR技術(shù)的虛擬裝配平臺對其模型的可裝配性加以驗證，得到精確合理的零部件三維模型。

進(jìn)而簡化割臺部件傳動系統(tǒng)的模型，應(yīng)用理論力學(xué)、物理知識計算分析了刀盤所受的力可近視看作為正弦脈沖力并得出隨時間變化的等效載荷公式；得出花鍵軸所需承受的最大載荷與玉米青貯收獲機(jī)工作行走速度間的關(guān)系，分別得出不同速度花鍵軸所需承受的最大載荷圖。

根據(jù)材料力學(xué)及花鍵軸的尺寸參數(shù)計算出花鍵軸的屈服強(qiáng)度，進(jìn)行結(jié)果比較。最后，得出花鍵軸較容易過載的結(jié)論，并提出了加裝超越離合器的方案，加以分析得到花鍵軸接近最大載荷時超越離合器的扭矩值。

加以驗證，符合實際工作情況，解決了傳動系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。

參考文獻(xiàn)：

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篇5

隨著電子、機(jī)械等工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展和生產(chǎn)商對加工精度要求的不斷提高，產(chǎn)品的固有可靠性逐步提高。然而，無論產(chǎn)品的固有可靠性提高到哪種程度，都不可能達(dá)到百分之百，隨著貯存、運(yùn)輸和使用等時間上的積累，產(chǎn)品總會有發(fā)生故障的時候。一旦產(chǎn)品發(fā)生故障，必須有方便快捷、經(jīng)濟(jì)實惠的維修手段以恢復(fù)產(chǎn)品的性能。因此，維修是否快速有效將直接關(guān)系到使用者的經(jīng)濟(jì)利益。產(chǎn)品的維修可達(dá)性將直接影響維修活動工作量的大小，改善產(chǎn)品的維修可達(dá)性將極大的提高產(chǎn)品的系統(tǒng)效能，同時節(jié)省產(chǎn)品的壽命周期費用。由于產(chǎn)品的維修可達(dá)性是產(chǎn)品本身固有的質(zhì)量特性，因此解決維修可達(dá)性問題必須從設(shè)計人手。

隨著計算機(jī)信息科學(xué)的飛速發(fā)展，尤其是本世紀(jì)在計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)、高性能圖形系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實方面的誕生了不少的研究成果，維修過程在獲得實物樣機(jī)或原型機(jī)之前就可以開始進(jìn)行。產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)的模式也隨之發(fā)生了變化。DELMIA、Jack等計算機(jī)輔助設(shè)計軟件和技術(shù)的廣泛應(yīng)用，可以輔助設(shè)計人員完成包含數(shù)字樣機(jī)、虛擬維修人員和虛擬維修工具的虛擬維修操作流程仿真。在設(shè)計階段即開展對設(shè)計方案和設(shè)計布局的數(shù)字仿真，可以避免實物原型的制作，節(jié)約了從設(shè)計到定型的時間，提高了設(shè)計效率，從而降低了開發(fā)成本；前期開展的虛擬維修工程評價工作，在一定程度上優(yōu)化了設(shè)計方案和設(shè)計布局，因此可以避免不合理的設(shè)計，減少給后續(xù)維修工作造成的不便。

維修操作空間定量評價方法

維修是一種需要人參與的活動，適當(dāng)?shù)木S修空間將提高維修效率和維修人員的舒適程度。這一節(jié)的主要內(nèi)容是確定適當(dāng)?shù)木S修操作空間的大小。

在設(shè)計產(chǎn)品時，適當(dāng)?shù)牟僮骺臻g的具體尺寸需要依據(jù)維修人員的身體尺寸和操作姿態(tài)來確定。因此維修操作空間應(yīng)考慮維修人員的影響因素，如實體可達(dá)性。人的上肢可以接觸到的空間范圍分為最佳范圍、正常范圍和最大范圍。人體上肢的作業(yè)范圍是一個三維空間，維修人員的最大操作空間和舒適度隨著操作高度、手臂延伸線與人體中線的夾角角度的改變而發(fā)生變化。為了便于分析人體上肢的操作范圍，建立數(shù)學(xué)模型描述人體各部分的尺寸和相對位置。

軟件工具設(shè)計和案例探究

CATIA是法達(dá)索公司（Dassault Systemes）與IBM公司（International Business Machines Corporation國際商業(yè)機(jī)器公司）聯(lián)合開發(fā)的一款CAD/CAE/CAM軟件，主要為客戶提品外形設(shè)計、機(jī)械零件設(shè)計、配合結(jié)構(gòu)設(shè)計、組裝、數(shù)控加工等功能，并提供大量的標(biāo)準(zhǔn)尺寸零件模型，使得企業(yè)可以縮短開發(fā)周期，快速迭代設(shè)計方案，對市場需求做出敏捷的反應(yīng)。CATIA是目前應(yīng)用最廣泛數(shù)字樣機(jī)設(shè)計開發(fā)軟件之一，應(yīng)用范圍涵蓋等航空航天、建筑、船舶、汽車、鐵路等多個領(lǐng)域。DELMIA（Digital Enterprise Lean Manufacturing Interaction Application）是法國達(dá)索（Dassault Systemes）公司生產(chǎn)的一款數(shù)字化企業(yè)的互動制造應(yīng)用軟件，是PLM（Product Life Management）系列產(chǎn)品之一。該軟件與CATIA互為補(bǔ)充，呈現(xiàn)上下游關(guān)系，共同貫穿產(chǎn)品的設(shè)計周期。利用CATIA制作數(shù)字樣機(jī)后，可在DELMIA中進(jìn)行物流過程分析、維修、裝配、工藝規(guī)劃、與機(jī)器人配合等多種功能的虛擬演示和模擬，是一個面向設(shè)計、制造、維護(hù)、人機(jī)過程的“數(shù)字化工廠”仿真平臺。便于用戶檢查設(shè)計方案的缺陷和漏洞，及時更改設(shè)計方案，降低研發(fā)成本，縮短研發(fā)時間，實現(xiàn)快速上市的目的。DELMIA中含有一個Human Task Simulation模塊，包含虛擬人模型、人體動作模型、維修工具等內(nèi)容，用于模擬人機(jī)交互過程，實現(xiàn)虛擬維修、虛擬拆卸、虛擬裝配等功能，也是本研究中重點使用的模塊，包含本研究中所需要的大部分?jǐn)?shù)據(jù)。本研究基于CATIA與DELMIA現(xiàn)有的軟件功能和數(shù)據(jù)庫進(jìn)行二次開發(fā)，研究目標(biāo)是在客戶已經(jīng)完成產(chǎn)品設(shè)計和數(shù)字樣機(jī)的制作的情況下，根據(jù)已制作好的虛擬維修仿真動畫，針對產(chǎn)品的維修操作空間的完成定量評估。

軟件的二次開發(fā)是在現(xiàn)有軟件產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，對軟件功能進(jìn)行延伸和擴(kuò)展，或?qū)崿F(xiàn)和其他軟件的對接并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換和傳輸。二次開發(fā)一般針對某一類特定的用戶，通過添加更個性化、專業(yè)化的功能和模塊，使得軟件功能更具有針對性，用戶的需求得以實現(xiàn)，工作效率得以提高。DELMIA為不開源的軟件，為實現(xiàn)二次開發(fā)必須利用軟件開發(fā)商為用戶專門準(zhǔn)備的二次開發(fā)接口。為靈活地滿足不同客戶的需要，DELMIA提供了多種二次開發(fā)的接口：一是CAD格式接口，方便客戶加載在CAD環(huán)境下設(shè)計的數(shù)字樣機(jī)，實現(xiàn)模型結(jié)構(gòu)、尺寸、顏色渲染等數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出；二是知識工程，這是DELMIA的一個專門模塊，知識工程利用參數(shù)化定義的方法對人體模型和基礎(chǔ)動作單元進(jìn)行了建模，建立一個標(biāo)準(zhǔn)模型庫，用戶可以通過關(guān)鍵參數(shù)調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)模型庫中的模塊，從而實現(xiàn)快速建模，完成設(shè)計任務(wù)；三是采用自動化對象編程的接口Automation API（Application Programming Interface），能夠?qū)崿F(xiàn)宏指令的編寫，或利用宏與VB開發(fā)語言（Visual Basic）相結(jié)合編寫簡易程序；四是開放的基于構(gòu)件的應(yīng)用編程接口CAA（Component Application Architecture，應(yīng)用組件架構(gòu)），這是DELMIA的一套C++函數(shù)庫，這一接口主要用于與C++開發(fā)語言鏈接，方便客戶使用C++編寫所需程序，用戶可通過快速應(yīng)用研發(fā)環(huán)境RADE（Rapid Application Development Environment）和不同的API（Application Programming Interface）接口完成從DELMIA數(shù)據(jù)庫中調(diào)取數(shù)據(jù)到C++程序中的過程。

該案例為針對拆卸某型號大型客機(jī)APU上六角螺母的維修空間定量評估。目的是利用所提出的方法和開發(fā)的軟件工具，對維修操作空間進(jìn)行定量評價，以展示方法的靈活性和有效性以及軟件的可用性和可靠性。該大型客機(jī)APU的虛擬維修操作動畫截圖如圖1所示。該大型客機(jī)APU上有12顆六角螺母，選取123號螺母作為典型案例，三顆螺母的位置如圖2所示。

這三顆螺母中，顯然3號周圍的障礙物少，對扳手的使用影響較少，同時位置較低，距離肩膀較近，手臂只需微微向上伸出即可接觸到，因而上肢舒適度較高。該螺母周圍的空間無需定量評估，定性評估即可確定等級為優(yōu)秀。1號螺母雖然位置很高，但是周圍的障礙物少，手部可達(dá)到1200旋轉(zhuǎn)。2號螺母位置較高且周圍障礙物較多，維修人員手部只能達(dá)到600旋轉(zhuǎn)。本案例中選取2號螺母進(jìn)行分析。

第一步打開程序，連接虛擬環(huán)境，選定虛擬人并連接。第二步選定關(guān)鍵幀，抓取扳手之后，選取手部攜工具接近、旋轉(zhuǎn)卸下六角螺母、手部攜工具離開這三幀內(nèi)容。第三步系統(tǒng)提示選取第一幀的維修活動單元類型，為平移，此時軟件自動計算第一幀的掃掠舒適度PV、上肢舒適度r和該幀總舒適度s，x=0，y=0，z=1，但不在界面中顯示。第四步系統(tǒng)提示選取第二幀的維修活動單元類型，為旋轉(zhuǎn)，如圖3所示，此后軟件自動計算第一幀的掃掠舒適度Pv、上肢舒適度r和該幀總舒適度s，x=0，y=1，z=1，但不在界面中顯示。第五步系統(tǒng)提示選取第三幀的維修活動單元類型，為平移，此時軟件自動計算第三幀的掃掠舒適度Pv、上肢舒適度r和該幀總舒適度s，x=0，y=1，z=2，但不在界面中顯示。第六步系統(tǒng)自動根據(jù)已有的x、y、z，計算s的評價標(biāo)準(zhǔn)，（0.8x+0.75y+0.9z）為優(yōu)秀閾值，（0 5x+0.25y+0.7z）為差閾值，該部分不在界面中顯示。第七步系統(tǒng)輸出三幀中每一幀的s值，并與s的優(yōu)秀閾值和差閾值比較，給出空間評價結(jié)論。該案例中具體數(shù)據(jù)截圖如圖4所示。得出結(jié)論該部分操作空間維修性差，必須加以改進(jìn)。

本文以維修操作空間為研究對象，在前人基于掃掠體積的維修操作空間的定量評價方法的理論基礎(chǔ)上，對與維修操作空間相近的概念進(jìn)行學(xué)習(xí)和研究，參考作業(yè)空間的評價方法，在維修操作空間的定量評估中加入針對上肢舒適度的評判標(biāo)準(zhǔn)。在熟練掌握DELMIA使用方法的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行二次開發(fā)，基于前述原理完成軟件工具設(shè)計，并取得了現(xiàn)。利用某型號大型客機(jī)APU對該原理及軟件工具進(jìn)行了實例驗證，證實了該方法的可行性和該軟件的實用性。