導(dǎo)語：三維動(dòng)態(tài)仿真在工業(yè)設(shè)計(jì)的應(yīng)用一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

一、前言

本次研究的主要意義在于：基于Pro/ENGINEER軟件的參數(shù)化設(shè)計(jì)、基于特征建模以及單一數(shù)據(jù)庫（全相關(guān)性）的特性，將Pro/ENGINEER軟件中的三維動(dòng)態(tài)仿真應(yīng)用到工業(yè)設(shè)計(jì)過程中，以最全面的狀態(tài)展示產(chǎn)品，并檢測(cè)出所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是否存在干涉現(xiàn)象，以便設(shè)計(jì)師在工業(yè)設(shè)計(jì)過程中就能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行修改，提高設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)效率，降低設(shè)計(jì)成本。且該軟件參數(shù)化設(shè)計(jì)的特征，使工業(yè)設(shè)計(jì)師與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師、模具設(shè)計(jì)師交接工作更為便利，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的周期、減少開發(fā)費(fèi)用和成本，提高產(chǎn)品性能，從而獲得最優(yōu)化和創(chuàng)新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

二、研究現(xiàn)狀及意義

與發(fā)達(dá)國家相比，我國的工業(yè)設(shè)計(jì)仍然處于初級(jí)階段。目前我國還是世界上的制造業(yè)大國。將工業(yè)設(shè)計(jì)看成是外觀造型設(shè)計(jì)，這是以前我國很多企業(yè)的誤區(qū)，因此他們還是使用模仿的手段，沒有創(chuàng)新能力。中國制造到中國創(chuàng)造的進(jìn)程中，工業(yè)設(shè)計(jì)是一個(gè)非常好的方法，它能讓產(chǎn)品具有較強(qiáng)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。在“中國創(chuàng)造”這個(gè)概念中關(guān)鍵在于創(chuàng)新，這就要求企業(yè)自主研發(fā)新產(chǎn)品，要求企業(yè)自主設(shè)計(jì)新產(chǎn)品，而不是以往的照搬照抄、按圖紙加工產(chǎn)品。企業(yè)生存發(fā)展的關(guān)鍵在于在進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新的進(jìn)程中怎樣去提高企業(yè)的設(shè)計(jì)效率和產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。在工業(yè)設(shè)計(jì)過程中，傳統(tǒng)的三維動(dòng)態(tài)仿真都建立在3dsMax或者FLASH等圖形設(shè)計(jì)軟件或造型軟件基礎(chǔ)之上。3dsMax是一種三維動(dòng)畫渲染和制作的軟件，在影視、室內(nèi)設(shè)計(jì)、建筑、游戲領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。它的主要優(yōu)點(diǎn)就是其可視性，表現(xiàn)起來非常直觀和真實(shí)。FLASH是一種矢量類的動(dòng)畫制作軟件，該軟件中可以插入很豐富的圖形、動(dòng)畫、聲音、視頻等。這種軟件在網(wǎng)頁上的動(dòng)畫中使用很廣泛。以上軟件都有一個(gè)不可避免的問題就是：使用這些軟件建模仿真設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品數(shù)據(jù)無法導(dǎo)出或方便修改，同時(shí)也無法查看產(chǎn)品各部件之間是否存在干涉或者運(yùn)動(dòng)軌跡是否合理。一些相關(guān)數(shù)據(jù)也無法直接用于機(jī)器生產(chǎn)，必須經(jīng)過其他軟件的轉(zhuǎn)化。在轉(zhuǎn)化過程中容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失或者產(chǎn)品破面等情況，這時(shí)設(shè)計(jì)人員必須花時(shí)間進(jìn)行修補(bǔ)等。圖形設(shè)計(jì)軟件與工程設(shè)計(jì)軟件之間的轉(zhuǎn)換也增加了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的誤差也無法縮小，無法滿足市場(chǎng)日益提高的要求。三維動(dòng)態(tài)仿真作為設(shè)計(jì)過程中的重要手段之一，不應(yīng)僅僅重視其可視性，而更應(yīng)重視其轉(zhuǎn)化為實(shí)際生產(chǎn)時(shí)的一系列相關(guān)問題，否則設(shè)計(jì)只能停留在外觀裝飾的初級(jí)階段。仿真的最終目的就是盡可能地反映現(xiàn)實(shí)的環(huán)境和狀況，其中就包括了產(chǎn)品在實(shí)際情況下會(huì)遇到的一系列問題，例如干涉和運(yùn)動(dòng)軌跡等等。為了適應(yīng)市場(chǎng)和行業(yè)的發(fā)展。三維動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)將朝著集成化、智能化、可視化和并行化的方向發(fā)展。（1）集成化。集成化可以從多個(gè)方面進(jìn)行考慮，它也可以指產(chǎn)品設(shè)計(jì)的整個(gè)生命周期，如從產(chǎn)品前期的計(jì)劃、構(gòu)思，再到設(shè)計(jì)、組裝、仿真，最后到測(cè)試和文檔的生成等。而Pro/E的這種采用特征建模的技術(shù)便于產(chǎn)品數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的傳遞和表達(dá)，使得集成化成為可能。（2）智能化。智能化其實(shí)就是專家系統(tǒng)，它結(jié)合人工智能，讓仿真軟件成為具有專家系統(tǒng)的軟件。它能進(jìn)行推理、優(yōu)化、選擇，從而做出最終決策。（3）可視化。由于仿真技術(shù)最重要的目的之一就是盡可能地反映現(xiàn)實(shí)環(huán)境和狀況，因此圖形界面越直觀，用戶越易于接受。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在仿真分析功能上的加強(qiáng)，可視化技術(shù)也將越來越受到重視。（4）并行化。并行化要求在設(shè)計(jì)產(chǎn)品開始的時(shí)候就把產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)品的生產(chǎn)成本、制作周期等所有后期需要考慮的因素都考慮進(jìn)去。這樣可以提高產(chǎn)品的研發(fā)效率。并行化的趨勢(shì)要求建立跨學(xué)科的、以人際關(guān)系合作為基礎(chǔ)的合作開發(fā)新產(chǎn)品的模式。Pro/E在解決特征相關(guān)性的問題時(shí)是采用單一數(shù)據(jù)庫的手段，而且它也是第一個(gè)使用參數(shù)化設(shè)計(jì)的工程方面的軟件。Pro/E的這種基于特征的方式，能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)至生產(chǎn)的全過程形成一體化的數(shù)據(jù)而進(jìn)行流程管理，還可以保持?jǐn)?shù)據(jù)的安全性及可追溯性。這就是三維仿真技術(shù)發(fā)展中的集成化的體現(xiàn)，也就是本文的研究重點(diǎn)。例如在各大游樂園中的仿真飛行器，我們就可以利用Pro/E進(jìn)行建模、裝配進(jìn)而仿真，從而解決其他動(dòng)態(tài)仿真軟件如3dsMax等難以精確計(jì)算平面位置變化的缺陷，諸如這類仿真飛行器都是史都華平臺(tái)。1965年，Stewart先生提出一種平行式六軸機(jī)構(gòu)，其中平臺(tái)被建議用來作為飛行仿真器，因此又常被稱為“史都華平臺(tái)”。如圖1是史都華平臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)，圖2是Pro/E裝配好的模型，將該模型進(jìn)行機(jī)構(gòu)仿真后就可以精確計(jì)算平面位置的變化。

三、基于Pro/E實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)計(jì)中三維動(dòng)態(tài)仿真的過程

（一）實(shí)體建模。進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)仿真的第一步就是對(duì)產(chǎn)品各個(gè)模塊進(jìn)行實(shí)體建模，確定每個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)體的形狀特征以及它們之間的相對(duì)位置和表面連接方式，再根據(jù)每個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)體特征的主次關(guān)系按照先主后次的順序進(jìn)行建模。每個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)體特征建模的順序和它的表面造型都直接影響到整個(gè)產(chǎn)品模型的可修改性、穩(wěn)定性、可理解性等。因此在建模的時(shí)候應(yīng)該用最少最簡(jiǎn)單的特征去表現(xiàn)每個(gè)部分。由于Pro/E中的參數(shù)化設(shè)計(jì)能夠較好地保持工作的一致性，同時(shí)能增加工作中的靈活度，避免人為修改數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生的疏漏，因此在Pro/E中的實(shí)體建模階段我們可以采用參數(shù)化設(shè)計(jì)。參數(shù)化設(shè)計(jì)（也叫尺寸驅(qū)動(dòng)，Dimension-Driven）是采用預(yù)定義的辦法建立圖形的集合約束集，指定一組尺寸作為參數(shù)與集合約束集相聯(lián)系，因此改變尺寸值就能改變圖形。Pro/E系統(tǒng)最典型的特點(diǎn)是參數(shù)化，體現(xiàn)參數(shù)化除使用尺寸參數(shù)控制模型外，還在于根據(jù)尺寸建立數(shù)學(xué)關(guān)系式，使其保持始終相對(duì)的大小、位置或約束條件。（二）零件裝配。要想成功制作出三維動(dòng)態(tài)仿真，在進(jìn)行實(shí)體建模后就需要進(jìn)行零件的裝配過程。零件的裝配需要在產(chǎn)品的零件之間建立一定的約束，這樣每個(gè)零件在產(chǎn)品中的相對(duì)位置就確定了。在進(jìn)行零件裝配時(shí)，需要選取一組或者一組以上的約束來限制零件，確定其相對(duì)位置。裝配零部件的過程中，第一個(gè)零部件的選擇非常重要，它應(yīng)該是整個(gè)模型中最關(guān)鍵的基礎(chǔ)零件，后裝配的零件都要直接或者間接地參照該零件；同時(shí)在以后的工作中不會(huì)刪除該零件。因?yàn)榱慵难b配也存在父子關(guān)系，先導(dǎo)入的零件叫做父零件，后裝配的零件稱為子零件。子零件可以單獨(dú)刪除，但是父零件一旦刪除與之相關(guān)聯(lián)的子零件也會(huì)被一并刪除。因此第一個(gè)零件在以后的工作中不能被刪除。（三）Pro/E機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真。在進(jìn)行實(shí)體建模，并選擇合適的裝配方法進(jìn)行組裝之后就可以將零件進(jìn)行機(jī)械仿真，以便設(shè)計(jì)者能夠了解零件在真實(shí)狀況下的運(yùn)動(dòng)情況，并進(jìn)行驗(yàn)證分析，免去機(jī)械設(shè)計(jì)中模型制作的費(fèi)用，縮短了產(chǎn)品開發(fā)的時(shí)間。在進(jìn)行機(jī)構(gòu)仿真之前，我們需要找出將來固定不動(dòng)的零件，并用約束條件將其裝配起來；再使用合適的接頭連接的方式將其余的零件裝配進(jìn)來；接著進(jìn)入“應(yīng)用程序—機(jī)構(gòu)”模塊；接下來是手動(dòng)測(cè)試元件是否能按預(yù)定的方式運(yùn)動(dòng)，以測(cè)試元件裝配是否正確，如果元件不能按預(yù)定方式運(yùn)動(dòng)則回到組裝環(huán)境下重新組裝，如果測(cè)試無誤則開始進(jìn)行下一步；接著如果機(jī)構(gòu)中含有齒輪副或者凸輪從動(dòng)機(jī)構(gòu)則開始設(shè)置齒輪副、凸輪從動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而建立各零件間的關(guān)系，便于驅(qū)動(dòng)；接著開始添加伺服電動(dòng)機(jī)作為機(jī)構(gòu)動(dòng)力的源泉；再繼續(xù)可以添加其他一些設(shè)置，例如彈簧、力等；最后進(jìn)行分析與仿真，例如位置、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)態(tài)等分析，并根據(jù)分析得到結(jié)果報(bào)告。簡(jiǎn)單來說，機(jī)構(gòu)仿真設(shè)計(jì)的大致流程如圖3所示。

四、總結(jié)

工業(yè)設(shè)計(jì)過程中不僅僅要考慮產(chǎn)品造型的美觀性，更要考慮產(chǎn)品在批量生產(chǎn)及實(shí)際使用過程中可能會(huì)出現(xiàn)的一系列問題，如產(chǎn)品各模塊之間的干涉情況、運(yùn)動(dòng)軌跡檢測(cè)等。因此本文探索以Pro/E這種工程類建模軟件為工具，將機(jī)構(gòu)仿真設(shè)計(jì)引入工業(yè)設(shè)計(jì)過程，改變傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)仿真僅僅用于結(jié)構(gòu)、模具設(shè)計(jì)過程，以便提高工業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量與設(shè)計(jì)師的工作效率，加強(qiáng)工業(yè)設(shè)計(jì)師與結(jié)構(gòu)、模具設(shè)計(jì)師之間的溝通與交流。

參考文獻(xiàn)：

[1]何風(fēng)梅，易熙瓊.計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)課程的項(xiàng)目化教學(xué)實(shí)踐[J].設(shè)計(jì)，2018（12）：110-111.

[2]羅海玉.計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)綜述[J].甘肅科技，2003（07）：41-42.

[3]王洪珍，候友夫，靳敏，張陽.基于Pro/E三維模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法研究與實(shí)現(xiàn)[J].煤礦機(jī)械，2007（02）：83-85.

[4]趙加鵬，李建平，李素斌.基于Pro/E實(shí)現(xiàn)史都華平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)仿真[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2008（04）：25-27.

[5]賈海利，史明華，肖放，郝霄鵬，劉建東.基于Pro/E齒輪參數(shù)化造型技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].機(jī)械傳動(dòng)，2004（03）：32-35.

作者:張高美 單位:廣東理工學(xué)院