虚拟装配技术论文范文

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第1篇

关键词：计算机应用;装配规划;综述;虚拟现实;软计算;协同装配

装配是产品生命周期的重要环节，是实现产品功能的主要过程。写作毕业论文装配成本占产品制造成本40%～50%，装配自动化一直是制造自动化中的瓶颈问题。装配规划是在给定产品与相关制造资源的完整描述前提下，得到产品详细的装配方案的过程，对指导产品可装配性设计、提高产品装配质量和降低装配成本具有重要意义。产品的装配规划通常需要得到零部件的装配序列、装配路径、使用的工装夹具和装配时间等内容[1]~[3]。

较早的传统装配规划采用人工方式，工艺人员根据设计图纸和技术文档，通过分析产品装配图中零件的几何形状和位置关系，必要时再和设计人员进行讨论，进一步明确设计者的真正意图，利用自己的经验和知识规划出产品的装配方案。这种方法工作量大、效率低，且难于保证装配方案的经济性。

随着计算机集成制造CIMS和并行工程CE技术的发展和应用，一方面对装配相关的设计技术提出了计算机化的要求，以提高和产品开发过程中其他环节的集成化程度。另一方面要求装配方案的优化以降低成本和缩短规划时间以加快产品开发进程。受“需求牵引”和“技术推动”两方面的影响，80年代初，出现了对计算机辅助装配规划(ComputerAidedAssemblyPlanning，CAAP)技术的研究。到目前为止，CAAP经历了几个不同的发展阶段，出现了4种代表性的方法，按照出现的时间顺序及方法的特点，笔者将其归结为经典装配规划方法、虚拟装配规划方法、装配规划软计算方法和协同装配规划方法。

1经典装配规划方法

早期CAAP的研究侧重于装配序列的规划，以产品CAD装配模型为基础，写作硕士论文一般采用几何推理的方法，通过产品装配建模、装配序列推理和表达以及装配序列评价和选择为产品面向装配的设计和装配工艺规划提供指导和支持，其过程通常如图1所示。

1.1产品装配建模

产品装配模型是装配规划的基础，为装配规划提供装配体和零部件的相关信息。常用的装配信息表达模型可分为图模型和矩阵模型。法国学者Bourjauct提出了联系图模型[4]，将零件之间的物理接触关系定义为联系即装配关系，图中的节点对应零件，边表示所连接的零件间至少有一种装配关系。关系模型[5]进一步区分了零件之间的接触关系和联接关系，图中包含3种实体类型：零件、接触和联接，边表达了实体间的关系。产品等级装配模型[6]将装配体看成具有层次结构性，即装配体可以分解为子装配体，子装配体又可分解为下级子装配体和零件的集合，以此表达产品的装配组成。

矩阵比图易于计算机表达和实现。Dini和Santochi[7]利用干涉矩阵、接触矩阵和连接矩阵表达产品，干涉矩阵描述了零部件间沿坐标轴方向装配时相互间的干涉情况，接触矩阵描述了零部件间的物理接触状态，连接矩阵描述了零部件间的连接类型。为减少矩阵的数量，Huang[8]等把6个干涉矩阵合并为一个拆卸矩阵，集成的表达零部件间沿坐标轴方向的干涉情况。

1.2装配序列推理和表达

基于联系图模型，Bourjauct采用人机交互“问答式”方法获取装配优先约束关系[4]，写作医学论文随后DeFazio和Whitney[9]，Baldwin[10]等人的工作进一步较少了需要由用户回答问题的数量，然后通过对装配优约束关系进行推理得到联络建立优先关系的层次模型表达产品的装配序列。

“割集”法是基于拆卸策略的装配规划中通常采用的图论算法。HomemdeMell和Sanderson[5]通过对产品联接图进行缩并，利用“割集”算法对联接图进行循环分解，生成所有可能的子装配体，直到不可再分。并提出了装配序列的AND/OR图表达方法，图中的节点对应装配过程中的子装配体或零件，超弧表达将子装配体或零件联接在一起形成更大子装配体的装配操作。因为“割集”算法的计算复杂性为O(3N)(N为零件个数)，因此，对于复杂产品的装配顺序规划存在指数爆炸问题，这是难以让人接受的。

1.3装配序列评价和选择

装配序列的选择对装配线设计、装配成本、装配设备选择有很大影响，写作职称论文而评价是选择的基础。装配序列的评价可分为定性和定量两方面因素[11]~[13]，定性因素主要考虑的有装配方向换向的频度、子装配体的稳定性和安全性、装配操作任务间的并行性、子装配体的结合性和模块性、紧固件的装配、零件的聚合等。定量因素主要考虑的有整个装配时间(包括子装配体的操作时间、运输时间等)、整个装配成本(包括劳动成本、夹紧和加工成本)、产品在装配中再定位的次数、夹具的数目、操作者的数目、机器人手爪的数目、工作台的数目等。

更多的经典装配规划方法研究文献可以参见TexasA&M大学Wolter教授的“AssemblyPlanningBibliography”[14]，其中收集了自1980年起近15年经典装配规划方法的相关研究。经典方法一般表达出全部的序列解空间，这使它可能从中找出最优的装配序列，但随着产品中零件数量的增加，解空间的组合爆炸给序列的存储、选优带来极大困难；且序列的几何推理方法不易融入人类的装配知识，难免产生众多几何可行但工艺不可行的序列结果。

2虚拟装配规划方法

虚拟现实技术为装配规划的“人－机”协同工作提供了契机。虚拟装配是指由操作者通过数据手套和三维立体显示设备直接三维操作虚拟零部件来模拟装配/拆卸过程，无需产品或支撑过程的物理实现，通过分析、先验模型、可视化和数据表达等手段，利用计算机工具来安排或辅助与装配有关的工程决策[15]。虚拟装配过程中，人机可以充分发挥各自的优势，即人通过直觉/装配经验和知识决定产品的装配过程，但不能精确地判断当前所有可能装配的零件，也不太可能准确判定装配某一零件后装配体的稳定性等因素，而通过一定算法和规则实现的机器智能刚好弥补人的不足。虚拟装配方法得到的不仅仅是零件的顺序，还可以包括零件路径、装配工具、夹具和工作台等信息。图2为虚拟装配规划的工作步骤。

国外虚拟装配规划的研究以沉浸式虚拟装配环境VADE[16],[17](VirtualAssemblyDesignEnvironment)为代表，写作英语论文通过建立一个装配规划和评价的虚拟环境来探索运用虚拟现实技术进行设计、制造的潜在技术可能性，为机械系统装配体的规划、评价和验证提供支持。在虚拟环境中，利用提取并导入的CAD系统产生的装配约束信息引导装配过程；通过引入了质量、惯性和加速度等物理属性，基于物理特性进行装配建模，逼真地模拟真实装配环境；支持双手的灵活装配和操作；记录虚拟装配过程中产生的扫体积和路径信息并可进行编辑；建立了工具/零件/人相互作用模型，支持装配工具在虚拟装配环境中的运用。

国内管强等[18]将虚拟现实技术与面向装配设计的理论相结合，建立了一个虚拟环境下的面

向装配设计系统（VirDFA）。万华根等[19]建立了一个具有多通道界面的虚拟设计与虚拟装配系统（VDVAS），通过直接三维操作和语音命令方便地对零件进行交互拆装以建立零件的装配顺序和装配路径等装配信息。在面向过程与历史的虚拟设计与装配环境（VIRDAS）中，张树有等[20]通过识别装配关系进行装配运动的导航，实现虚拟拆卸/装配顺序规划、虚拟装配分析。从集成的观点出发，姚珺等[21]提出面向产品设计全过程的虚拟装配体系结构，从方案设计、结构设计和装配工艺设计3个层次上分阶段地对产品可装配性进行分析与评价。田丰等[22]提出一个面向虚拟装配的三维交互平台（VAT），简化了虚拟装配应用系统的构造，便于应用的快速生成。

应用虚拟现实环境开展装配规划，提供了一种新的思路和工具。但是，虚拟环境的构建需要较大资金的软硬件投入，另外，虚拟现实技术本身（如图形的高速刷新）及其相关硬件技术（如力触觉设备）的不成熟使得虚拟装配的研究仍处于探索阶段。

3装配规划软计算方法

1994年，Zadeh教授将模糊逻辑与智能技术结合起来，提出了软计算方法（softcomputing）[23]。软计算以模糊逻辑、神经网络和概率推理为基础，不追求问题的精确解，以近似性和不确定性为主要特征，所得到的是精确或不精确问题的近似解。为避免组合爆炸同时又能得到较优的装配规划方案，近来，基于建模、表达和寻优一体化的装配规划软计算方法得到广泛关注。

3.1装配规划神经网络方法

神经网络是模拟人类形象思维的一种人工智能方法，它是由大量神经元广泛互连而成的复杂网络系统，写作留学生论文单一神经元可以有许多输入、输出，神经元之间的相互作用通过连接的权值体现，神经元的输出是其输入的函数。若将优化计算问题的目标函数与网络某种状态函数(通常称网络能量函数)对应起来，网络动态向能量函数极小值方向移动的过程就可视作优化问题的求解过程，稳态点则是优化问题的局部或全局最优解。

Hong和Cho[24]用于机器人装配顺序优化的Hopfiled神经网络中，考虑装配约束、子装配体稳定性和装配方向改变等因素建立网络的能量方程，基于优先约束推理和专家系统提供的装配成本驱动网络的进化方程得到优化的序列。但由于神经网络缺乏全局搜索能力，计算结果显示，该方法容易产生不优化的装配顺序，且常常只能得到一个局部最优的装配序列。另外，参数选择和初始条件对网络的灵敏度影响大；神经网络在应用前须进行训练，而训练时要由专家提供较多可行的顺序作为样本。而样本可能是针对某种类型的产品，对其它类型的产品则不一定适用，该方法的应用范围窄。

3.2装配规划模拟退火算法

模拟退火算法源于固体退火思想，将一个优化问题比拟成一个热力学系统，将目标函数比拟为系统的能量，将优化求解过程比拟成系统逐步降温以达到最低能量状态的退火过程，通过模拟固体的退火过程获得优化问题的全局最优解。

Saeid等[25]利用模拟退火算法进行装配序列规划时，根据产品装配模型获得装配优先关系，将装配过程总装配时间和重定向次数运用多属性应用理论组合成单一目标函数，作为装配序列优化的评价函数。Hong和Cho[26]将装配约束和装配过程的成本映射为装配序列能量函数，利用模拟退火算法使装配序列能量函数扰动地逐步减小，经过多次迭代，直到能量函数不再变化为止，最后得到具有最小装配成本的装配序列。作者将该方法应用到一个电子继电器装配体上，并将其性能与利用神经网络[24]的装配规划方法进行了比较，结果显示基于模拟退火的装配序列优化方法可以产生较好的装配序列并且在运算时间上优于人工神经网络方法。

模拟退火算法具有较强的局部搜索能力，并能使搜索过程避免陷入局部最优，但模拟退火算法对整个搜索空间的状况了解不多，不能使搜索过程进入最有希望的搜索区域，从而使得算法的运算效率不高。

3.3装配规划遗传算法

在众多软计算方法中，遗传算法得到了众多研究者的重视。写作工作总结遗传算法是模仿生物自然选择和遗传机制的随机搜索算法，它将问题的可能解组成种群，将每一个可能的解看作种群的个体，从一组随机给定的初始种群开始，持续在整个种群空间内随机搜索，按照一定的评估策略即适应度函数对每一个体进行评价，不断通过复制、交叉、变异等遗传算子的作用，使种群在适应度函数的约束下不断进化，算法终止时得到最优/次最优的问题解。图3为装配规划遗传算法的一般流程。

装配规划遗传算法的研究重点集中于设计装配序列的基因编码方式以包含更多的装配过程信息、设计基因操作的形式和改进遗传算法的局部搜索能力上。Lazzerini等[27]的分段编码遗传算法中，将染色体分为3段编码，第1段表示参与装配的零件编号，第2段表示零件的可行装配方向，第3段表示装配工具，从而使染色体包含了部分工艺信息。为了提高算法的性能，文中将装配体分解为子装配体进行装配，减少了参加装配序列规划的零件数目；Guan等[28]采用基因团编码方式，一个基因团表达一个零件的装配操作，由被装配零件号装配元、装配工具装配元、装配方向装配元和装配类型装配元组成。在扩大采样空间选择下一代种群的基础上，通过交叉和多层次变异实现装配序列并行优化。廖小云和陈湘凤[29]在装配序列规划遗传算法中设计了复制、交叉、变异、剪贴和断连5种遗传算子寻找装配序列优化解。在Smith等[30]的增强型遗传算法中，选择下一代个体并不完全依靠适应度，而是先把一定数量较优的个体复制到下一代，将适应度低但几何可行的序列用于继续产生序列，直到满足下一代种群中序列个数的需求，从而使算法能跳出局部最优点，在全局范围内搜索最优解。

理论上，找到全局最优装配序列要求参加演化计算的种群规模要足够大，迭代次数要无限

多，但在计算资源和时间限制下是达不到要求的。因此，遗传算法求解装配规划问题的效率和结果依赖于初始种群规模及其质量、遗传算子及其操作概率等因素。

4协同装配规划方法

装配体作为实现产品功能的载体，零部件可能由不同的企业设计，零部件和产品可能在不同的装配工厂完成装配过程，因此需要设计团队的协同工作和决策以保证装配质量和降低装配成本。计算机和网络技术的快速发展缩短了异地人员在时间和空间上的距离，为实时的“人－机－人”协同装配工作提供了可能。

Wisconsin-Madison大学[31]提出网络环境下的电子化装配（e-Assembly），探讨在Internet/Intranet上利用3D模型进行协同虚拟装配和拆卸的方法论和工具，拟实现的关键技术包括3D交互可视化、协同装配/拆卸/维护/回收等。目前已开发了Motive3D系统，利用Synthesizer模块可以交互/自动进行产品的装配建模和规划，Visualizer模块为用户在Web平台上提供装配序列规划结果的可视化仿真，但缺少交互修改、调整功能。在ATS项目[32]实施中，为了向异地的开发人员展示装配设计和装配规划结果，尝试利用VRML作为可视化工具，一方面供设计团队浏览零部件设计，另外将装配模型用文本编辑软件进行编辑，生成装配序列的VRML仿真文件，供异地的设计团队实时进行评价和提出修改意见。但手工编辑文件不但花费的时间长达一周，而且每次设计修改后都必须重新编辑；同时，仿真文件仅具有浏览功能，不能进行交互修改。

Web环境下的协同装配规划方法[33]采用协同工作环境下的装配建模、装配规划任务分配和装配序列合成等技术，通过对复杂产品装配规划问题的分解，即降低了单机规划工作模式的复杂度，又便于集中不同地域多专家的装配知识和经验进行装配规划方案的协同决策。面向协同广义装配[34]通过确定装配子任务编码方法、装配人员评价指数和制定协同装配协议，以VRML为产品模型载体实现协同装配系统。在装配知识和规则的支撑下，支持局域网内多用户实施产品预装配、验证零部件可装配性，相关的装配人员能够协同讨论装配方案。Web环境下3D交互装配可视化仿真结构是一个符合开放技术标准的可视化装配系统[35]，它基于VRML-Java实现装配场景的动态生成、装配控制、碰撞检测以及装配过程的动画回放等功能，目前完成了基于“堆叠”思路的装配验证方式。但该系统属于单用户系统，不能支持多用户的实时协同装配工作。

5结论与展望

CAAP的研究在理论上取得了一定的成果，在工业界也得到了一定的应用，但相对而言还很少，这说明该技术距离工业实用还存在较大差距。装配规划是一个经验和知识密集型的工作，同时又与具体行业和产品有紧密的关系。经典装配规划方法的精确推理在保证序列的几何可行性方面具有优势，而软计算技术能够将人的模糊知识融入规划过程中，使得结果具有更好的工艺可行性，两者的适当结合将有利于模仿人类装配专家的实际装配规划过程，从而得到合理的装配方案。

跨地域、跨国家的网络化、协同化产品设计和制造新模式的形成使产品装配成为一个需要协同工作和决策的问题。随着虚拟现实技术和网络技术的进一步发展，建立基于网络的协同装配决策平台和虚拟环境，支持异地多人员协同装配方案决策将是新形势下装配规划研究的新趋势。

参考文献

[1]苏强,林志航.计算机辅助装配顺序规划研究综述[J].机械科学与技术,1999,18(6):1006~1012.

[2]石淼,唐朔飞,李明树.装配序列规划研究综述[J].计算机研究与发展,1994,31(6):30~34.

[3]牛新文,丁汉,熊有伦.计算机辅助装配顺序规划研究综述[J].中国机械工程,2001,12(12):1440~1443.

第2篇

关键词：计算机应用; 装配规划; 综述; 虚拟现实; 软计算; 协同装配

装配是产品生命周期的重要环节，是实现产品功能的主要过程。毕业论文 装配成本占产品制造成本40%～50%，装配自动化一直是制造自动化中的瓶颈问题。装配规划是在给定产品与相关制造资源的完整描述前提下，得到产品详细的装配方案的过程，对指导产品可装配性设计、提高产品装配质量和降低装配成本具有重要意义。产品的装配规划通常需要得到零部件的装配序列、装配路径、使用的工装夹具和装配时间等内容[1]~[3]。

较早的传统装配规划采用人工方式，工艺人员根据设计图纸和技术文档，通过分析产品装配图中零件的几何形状和位置关系，必要时再和设计人员进行讨论，进一步明确设计者的真正意图，利用自己的经验和知识规划出产品的装配方案。这种方法工作量大、效率低，且难于保证装配方案的经济性。

随着计算机集成制造CIMS 和并行工程CE技术的发展和应用，一方面对装配相关的设计技术提出了计算机化的要求，以提高和产品开发过程中其他环节的集成化程度。另一方面要求装配方案的优化以降低成本和缩短规划时间以加快产品开发进程。受“需求牵引”和“技术推动”两方面的影响，80 年代初，出现了对计算机辅助装配规划(Computer Aided Assembly Planning，CAAP)技术的研究。到目前为止，CAAP 经历了几个不同的发展阶段，出现了4 种代表性的方法，按照出现的时间顺序及方法的特点，笔者将其归结为经典装配规划方法、虚拟装配规划方法、装配规划软计算方法和协同装配规划方法。

1 经典装配规划方法

早期CAAP 的研究侧重于装配序列的规划，以产品CAD 装配模型为基础，硕士论文 一般采用几何推理的方法，通过产品装配建模、装配序列推理和表达以及装配序列评价和选择为产品面向装配的设计和装配工艺规划提供指导和支持，其过程通常如图1 所示。

1.1产品装配建模

产品装配模型是装配规划的基础，为装配规划提供装配体和零部件的相关信息。常用的装配信息表达模型可分为图模型和矩阵模型。法国学者Bourjauct 提出了联系图模型[4]，将零件之间的物理接触关系定义为联系即装配关系，图中的节点对应零件，边表示所连接的零件间至少有一种装配关系。关系模型[5]进一步区分了零件之间的接触关系和联接关系，图中包含3 种实体类型：零件、接触和联接，边表达了实体间的关系。产品等级装配模型[6]将装配体看成具有层次结构性，即装配体可以分解为子装配体，子装配体又可分解为下级子装配体和零件的集合，以此表达产品的装配组成。

矩阵比图易于计算机表达和实现。Dini 和Santochi[7]利用干涉矩阵、接触矩阵和连接矩阵表达产品，干涉矩阵描述了零部件间沿坐标轴方向装配时相互间的干涉情况，接触矩阵描述了零部件间的物理接触状态，连接矩阵描述了零部件间的连接类型。为减少矩阵的数量，Huang[8]等把6个干涉矩阵合并为一个拆卸矩阵，集成的表达零部件间沿坐标轴方向的干涉情况。

1.2装配序列推理和表达

基于联系图模型，Bourjauct 采用人机交互“问答式”方法获取装配优先约束关系[4]，医学论文 随后De Fazio 和Whitney[9]，Baldwin[10]等人的工作进一步较少了需要由用户回答问题的数量，然后通过对装配优约束关系进行推理得到联络建立优先关系的层次模型表达产品的装配序列。

“割集”法是基于拆卸策略的装配规划中通常采用的图论算法。Homem de Mell 和Sanderson[5]通过对产品联接图进行缩并，利用“割集”算法对联接图进行循环分解，生成所有可能的子装配体，直到不可再分。并提出了装配序列的AND/OR 图表达方法，图中的节点对应装配过程中的子装配体或零件，超弧表达将子装配体或零件联接在一起形成更大子装配体的装配操作。因为“割集”算法的计算复杂性为O(3N) (N为零件个数)，因此，对于复杂产品的装配顺序规划存在指数爆炸问题，这是难以让人接受的。

1.3装配序列评价和选择

装配序列的选择对装配线设计、装配成本、装配设备选择有很大影响，职称论文 而评价是选择的基础。装配序列的评价可分为定性和定量两方面因素[11]~[13]，定性因素主要考虑的有装配方向换向的频度、子装配体的稳定性和安全性、装配操作任务间的并行性、子装配体的结合性和模块性、紧固件的装配、零件的聚合等。定量因素主要考虑的有整个装配时间 (包括子装配体的操作时间、运输时间等 )、整个装配成本 (包括劳动成本、夹紧和加工成本 )、产品在装配中再定位的次数、夹具的数目、操作者的数目、机器人手爪的数目、工作台的数目等。

更多的经典装配规划方法研究文献可以参见Texas A&M 大学Wolter 教授的“Assembly Planning Bibliography”[14]，其中收集了自1980年起近15 年经典装配规划方法的相关研究。经典方法一般表达出全部的序列解空间，这使它可能从中找出最优的装配序列，但随着产品中零件数量的增加，解空间的组合爆炸给序列的存储、选优带来极大困难；且序列的几何推理方法不易融入人类的装配知识，难免产生众多几何可行但工艺不可行的序列结果。

2虚拟装配规划方法

虚拟现实技术为装配规划的“人－机”协同工作提供了契机。虚拟装配是指由操作者通过数据手套和三维立体显示设备直接三维操作虚拟零部件来模拟装配/拆卸过程，无需产品或支撑过程的物理实现，通过分析、先验模型、可视化和数据表达等手段，利用计算机工具来安排或辅助与装配有关的工程决策[15]。虚拟装配过程中，人机可以充分发挥各自的优势，即人通过直觉/装配经验和知识决定产品的装配过程，但不能精确地判断当前所有可能装配的零件，也不太可能准确判定装配某一零件后装配体的稳定性等因素，而通过一定算法和规则实现的机器智能刚好弥补人的不足。虚拟装配方法得到的不仅仅是零件的顺序，还可以包括零件路径、装配工具、夹具和工作台等信息。图2 为虚拟装配规划的工作步骤。

国外虚拟装配规划的研究以沉浸式虚拟装配环境VADE[16]， [17](Virtual Assembly DesignEnvironment)为代表，英语论文 通过建立一个装配规划和评价的虚拟环境来探索运用虚拟现实技术进行设计、制造的潜在技术可能性，为机械系统装配体的规划、评价和验证提供支持。在虚拟环境中，利用提取并导入的CAD 系统产生的装配约束信息引导装配过程；通过引入了质量、惯性和加速度等物理属性，基于物理特性进行装配建模，逼真地模拟真实装配环境；支持双手的灵活装配和操作；记录虚拟装配过程中产生的扫体积和路径信息并可进行编辑；建立了工具/零件/人相互作用模型，支持装配工具在虚拟装配环境中的运用。

国内管强等[18]将虚拟现实技术与面向装配设计的理论相结合，建立了一个虚拟环境下的面

向装配设计系统（VirDFA）。万华根等[19]建立了一个具有多通道界面的虚拟设计与虚拟装配系统（VDVAS），通过直接三维操作和语音命令方便地对零件进行交互拆装以建立零件的装配顺序和装配路径等装配信息。在面向过程与历史的虚拟设计与装配环境（VIRDAS）中，张树有等[20]通过识别装配关系进行装配运动的导航，实现虚拟拆卸/装配顺序规划、虚拟装配分析。从集成的观点出发，姚珺等[21]提出面向产品设计全过程的虚拟装配体系结构，从方案设计、结构设计和装配工艺设计3 个层次上分阶段地对产品可装配性进行分析与评价。田丰等[22]提出一个面向虚拟装配的三维交互平台（VAT），简化了虚拟装配应用系统的构造，便于应用的快速生成。

应用虚拟现实环境开展装配规划，提供了一种新的思路和工具。但是，虚拟环境的构建需要较大资金的软硬件投入，另外，虚拟现实技术本身（如图形的高速刷新）及其相关硬件技术（如力触觉设备）的不成熟使得虚拟装配的研究仍处于探索阶段。

3 装配规划软计算方法

1994 年，Zadeh 教授将模糊逻辑与智能技术结合起来，提出了软计算方法（soft computing）[23]。软计算以模糊逻辑、神经网络和概率推理为基础，不追求问题的精确解，以近似性和不确定性为主要特征，所得到的是精确或不精确问题的近似解。为避免组合爆炸同时又能得到较优的装配规划方案，近来，基于建模、表达和寻优一体化的装配规划软计算方法得到广泛关注。

3.1 装配规划神经网络方法

神经网络是模拟人类形象思维的一种人工智能方法，它是由大量神经元广泛互连而成的复杂网络系统，留学生论文 单一神经元可以有许多输入、输出，神经元之间的相互作用通过连接的权值体现，神经元的输出是其输入的函数。若将优化计算问题的目标函数与网络某种状态函数(通常称网络能量函数)对应起来，网络动态向能量函数极小值方向移动的过程就可视作优化问题的求解过程，稳态点则是优化问题的局部或全局最优解。

转贴于 Hong 和Cho[24]用于机器人装配顺序优化的Hopfiled 神经网络中，考虑装配约束、子装配体稳定性和装配方向改变等因素建立网络的能量方程，基于优先约束推理和专家系统提供的装配成本驱动网络的进化方程得到优化的序列。但由于神经网络缺乏全局搜索能力，计算结果显示，该方法容易产生不优化的装配顺序，且常常只能得到一个局部最优的装配序列。另外，参数选择和初始条件对网络的灵敏度影响大；神经网络在应用前须进行训练，而训练时要由专家提供较多可行的顺序作为样本。而样本可能是针对某种类型的产品，对其它类型的产品则不一定适用，该方法的应用范围窄。

3.2 装配规划模拟退火算法

模拟退火算法源于固体退火思想，将一个优化问题比拟成一个热力学系统，将目标函数比拟为系统的能量，将优化求解过程比拟成系统逐步降温以达到最低能量状态的退火过程，通过模拟固体的退火过程获得优化问题的全局最优解。

Saeid 等[25]利用模拟退火算法进行装配序列规划时，根据产品装配模型获得装配优先关系，将装配过程总装配时间和重定向次数运用多属性应用理论组合成单一目标函数，作为装配序列优化的评价函数。Hong 和Cho[26]将装配约束和装配过程的成本映射为装配序列能量函数，利用模拟退火算法使装配序列能量函数扰动地逐步减小，经过多次迭代，直到能量函数不再变化为止，最后得到具有最小装配成本的装配序列。作者将该方法应用到一个电子继电器装配体上，并将其性能与利用神经网络[24]的装配规划方法进行了比较，结果显示基于模拟退火的装配序列优化方法可以产生较好的装配序列并且在运算时间上优于人工神经网络方法。

模拟退火算法具有较强的局部搜索能力，并能使搜索过程避免陷入局部最优，但模拟退火算法对整个搜索空间的状况了解不多，不能使搜索过程进入最有希望的搜索区域，从而使得算法的运算效率不高。

3.3 装配规划遗传算法

在众多软计算方法中，遗传算法得到了众多研究者的重视。工作总结 遗传算法是模仿生物自然选择和遗传机制的随机搜索算法，它将问题的可能解组成种群，将每一个可能的解看作种群的个体，从一组随机给定的初始种群开始，持续在整个种群空间内随机搜索，按照一定的评估策略即适应度函数对每一个体进行评价，不断通过复制、交叉、变异等遗传算子的作用，使种群在适应度函数的约束下不断进化，算法终止时得到最优/次最优的问题解。图3 为装配规划遗传算法的一般流程。

装配规划遗传算法的研究重点集中于设计装配序列的基因编码方式以包含更多的装配过程信息、设计基因操作的形式和改进遗传算法的局部搜索能力上。Lazzerini 等[27]的分段编码遗传算法中，将染色体分为3 段编码，第1 段表示参与装配的零件编号，第2 段表示零件的可行装配方向，第3 段表示装配工具，从而使染色体包含了部分工艺信息。为了提高算法的性能，文中将装配体分解为子装配体进行装配，减少了参加装配序列规划的零件数目；Guan 等[28]采用基因团编码方式，一个基因团表达一个零件的装配操作，由被装配零件号装配元、装配工具装配元、装配方向装配元和装配类型装配元组成。在扩大采样空间选择下一代种群的基础上，通过交叉和多层次变异实现装配序列并行优化。廖小云和陈湘凤[29]在装配序列规划遗传算法中设计了复制、交叉、变异、剪贴和断连5 种遗传算子寻找装配序列优化解。在Smith 等[30]的增强型遗传算法中，选择下一代个体并不完全依靠适应度，而是先把一定数量较优的个体复制到下一代，将适应度低但几何可行的序列用于继续产生序列，直到满足下一代种群中序列个数的需求，从而使算法能跳出局部最优点，在全局范围内搜索最优解。

理论上，找到全局最优装配序列要求参加演化计算的种群规模要足够大，迭代次数要无限

多，但在计算资源和时间限制下是达不到要求的。因此，遗传算法求解装配规划问题的效率和结果依赖于初始种群规模及其质量、遗传算子及其操作概率等因素。

4 协同装配规划方法

装配体作为实现产品功能的载体，零部件可能由不同的企业设计，零部件和产品可能在不同的装配工厂完成装配过程，因此需要设计团队的协同工作和决策以保证装配质量和降低装配成本。计算机和网络技术的快速发展缩短了异地人员在时间和空间上的距离，为实时的“人－机－人”协同装配工作提供了可能。

Wisconsin-Madison 大学[31]提出网络环境下的电子化装配（ e-Assembly ），探讨在Internet/Intranet 上利用3D 模型进行协同虚拟装配和拆卸的方法论和工具，拟实现的关键技术包括3D 交互可视化、协同装配/拆卸/维护/回收等。目前已开发了Motive3D 系统，利用Synthesizer模块可以交互/自动进行产品的装配建模和规划，Visualizer 模块为用户在Web 平台上提供装配序列规划结果的可视化仿真，但缺少交互修改、调整功能。在ATS 项目[32]实施中，为了向异地的开发人员展示装配设计和装配规划结果，尝试利用VRML 作为可视化工具，一方面供设计团队浏览零部件设计，另外将装配模型用文本编辑软件进行编辑，生成装配序列的VRML 仿真文件，供异地的设计团队实时进行评价和提出修改意见。但手工编辑文件不但花费的时间长达一周，而且每次设计修改后都必须重新编辑；同时，仿真文件仅具有浏览功能，不能进行交互修改。

Web 环境下的协同装配规划方法[33]采用协同工作环境下的装配建模、装配规划任务分配和装配序列合成等技术，通过对复杂产品装配规划问题的分解，即降低了单机规划工作模式的复杂度，又便于集中不同地域多专家的装配知识和经验进行装配规划方案的协同决策。面向协同广义装配[34]通过确定装配子任务编码方法、装配人员评价指数和制定协同装配协议，以VRML 为产品模型载体实现协同装配系统。在装配知识和规则的支撑下，支持局域网内多用户实施产品预装配、验证零部件可装配性，相关的装配人员能够协同讨论装配方案。Web 环境下3D 交互装配可视化仿真结构是一个符合开放技术标准的可视化装配系统[35]，它基于VRML-Java 实现装配场景的动态生成、装配控制、碰撞检测以及装配过程的动画回放等功能，目前完成了基于“堆叠”思路的装配验证方式。但该系统属于单用户系统，不能支持多用户的实时协同装配工作。

5 结论与展望

CAAP 的研究在理论上取得了一定的成果，在工业界也得到了一定的应用，但相对而言还很少，这说明该技术距离工业实用还存在较大差距。装配规划是一个经验和知识密集型的工作，同时又与具体行业和产品有紧密的关系。经典装配规划方法的精确推理在保证序列的几何可行性方面具有优势，而软计算技术能够将人的模糊知识融入规划过程中，使得结果具有更好的工艺可行性，两者的适当结合将有利于模仿人类装配专家的实际装配规划过程，从而得到合理的装配方案。

跨地域、跨国家的网络化、协同化产品设计和制造新模式的形成使产品装配成为一个需要协同工作和决策的问题。随着虚拟现实技术和网络技术的进一步发展，建立基于网络的协同装配决策平台和虚拟环境，支持异地多人员协同装配方案决策将是新形势下装配规划研究的新趋势。 参考文献

[1] 苏强， 林志航. 计算机辅助装配顺序规划研究综述[J]. 机械科学与技术， 1999， 18(6): 1006~1012.

[2] 石淼， 唐朔飞， 李明树. 装配序列规划研究综述[J]. 计算机研究与发展， 1994， 31(6): 30~34.

[3] 牛新文， 丁汉， 熊有伦. 计算机辅助装配顺序规划研究综述[J]. 中国机械工程， 2001， 12(12):1440~1443.

第3篇

【关键词】虚拟装配技术,汽车变速箱设计,应用技术

中图分类号： S611 文献标识码： A 文章编号：

一、前言

随着市场竞争的激化，产品开发已经成为了企业的竞争力和发展必要的手段。在产品开发时，我们要完善设计技术，降低产品的成本和生产周期。虚拟装配技术就很好的满足了这个要求。

二、虚拟装配技术研究现状

国外对虚拟装配技术的研究起步较早，在理论上的研究涉及面广，且已经有较为广泛的应用。美国华盛顿州立大学的Jyaaram等开发研制了一个称为“虚拟装配设计环境”(VADE)的虚拟装配设计系统。利用这个系统，设计人员可以在设计工作的初期便可考虑有关装配和拆卸的问题，从而避免了装配设计方面的缺陷。在这个系统中，设计人员首先将在CAD系统建立的零件模型导入虚拟装配系统，然后在虚拟装配系统中直接操作虚拟零件进行装配，有关产品的可装配性得到检验，同时也获得了许多有关产品的设计和制造工艺信息。Dewar等提出了虚拟环境中辅助进行手工装配的方法，该方法能够自动记录操作人员在虚拟环境中对虚拟部件的装配动作，还能辅助操作人员自动进行装配，并且询问操作人员装配时的装配方法，同时生成装配规划。

三、相关技术分析

虚拟装配系统的关键技术主要有：面向装配的产品建模，装配序列规划策略，虚拟装配仿真技术，可装配性评价技术。

1.面向装配的产品建模技术

产品装配建模是虚拟装配设计的重要环节，其实质在于如何在计算机内有效地表达装配体内在和外在的关系。模型的优劣直接影响到设计系统后续工作的效率，故而建立一个集成度高、信息完善的装配模型具有重要的意义。

2.装配序列规划策略

在机械产品装配中，一组零件或子装配体的装配顺序起着关键的作用。装配同一产品可以用不同的装配顺序，这些不同的装配顺序形成了不同的装配序列。按照某些装配序列，可以较顺利地组织装配，最终达到设计要求；而有些装配序列的采用，由于各种原因，却不能达到指定的装配目标。装配序列规划就是在给定产品设计的条件下，找出合理、可行的装配序列，按照这样的序列，可以达到指定的装配目标。

3.虚拟装配仿真技术

采用虚拟装配技术是为了在设计阶段就验证零件之间的配合性和基于二叉树结构的装配模型可装配性，保证设计的正确性。通过预览数字化产品，对规划的装配过程(装配顺序和装配路径)进行检验，对产品可装配性做出评测，从装配角度获得反馈信息，及时调整设计，进而达到提高设计质量的目的。因此，装配仿真可以视为面向装配设计的重要手段，以弥补传统装配设计分析方法的不足。

四、虚拟装配工作内容

1.虚拟装配前期准备

虚拟装配工作涉及内容较多, 范围较广, 因此前期准备工作十分重要。首先要制定虚拟装配的总体时间计划, 时间计划中要包含制造工程师对工序进行调整和的时间、虚拟装配工程师在数据管理系统中建立工序结构树的时间、工程支持部门数据健康性检查报告以及数据冻结及下载的时间、进行虚拟装配及生成报告的时间。

虚拟装配对数据具有较高的要求: 数据要在正确的结构树中; 要生成正确完整的轻量化文件; 数据版本要进行; 车辆要正确配置; 整车位置正确; 数据层次正确, 父级子级无重复零件, 左右件无重复特征。然后进行数据模型的准备工作, 对于新的项目要确定项目的车型组成, 按不同车型进行分类整理并保存数模, 而对于改型车型, 就要重点确定项目的更改内容, 然后保存更改之后的车型数模, 这样就为虚拟装配做好了数模的准备。还要确定项目的组织结构, 确认相关设计人员和专业虚拟装配人员所应承担的职责和权限, 为后续工作打下基础。最后, 在进行整车的虚拟装配工作之前要明确数据管理的重点, 要以检查前最新版本的零件清单为依据, 明确当前缺少数据模型的零件, 并保证所有零件都有相应的工位信息,然后明确记录数据版本, 利用实时数字样机仿真与分析系统Vismockup的快照功能对数模信息进行完整记录。

五、虚拟装配技术在汽车变速箱设计中的应用

1.研究目标

为了适应现代化制造及并行设计的思想，我们尝试把虚拟制造装配应用到汽车变速箱的设计中，通过研究，希望达到以下目标：

（一）汽车变速箱实现面向装配的设计，为下一步的开发研制提供实施方法及理论支持，实现缩短产品开发周期，降低产品成本，提高质量。

（二）变速箱零件全部实现三维实体模型。

（三）建立统一的数据管理，实现产品的设计数据共享。

（四）实现自上而下的设计。

2.虚拟装配技术在变速箱设计中的应用

汽车变速箱作为汽车的重要传动部件之一，其设计的优劣直接影响到整个汽车的性能。具体到变速箱的设计过程中，虚拟装配技术的应用思想、方法、具体的实现途径如下：

（一）在总体设计阶段，根据变速箱的设计要求以及总体设计参数建立变速箱的主模型空间。首先根据汽车整个设计的需要，确定变速箱箱体尺寸和大致外形；根据变速要求，我们的设计采用的是三轴式变速器，包括主轴、移动轴和中间轴；档位为六档，五个前进档，一个倒档。

（二）在装配设计阶段，完成变速箱结构、系统零件形状的基本设计，是变速箱设计的重要阶段。首先我们要完成的是如何实现变速器的功能要求，也就是如何实现其变速，接下来要进行的是确定装配基准、装配层次、装配约束。以变速器的后箱体的内表面为装配基准，分为以下几个装配区域：前盖子装配体，后盖子装配体，操纵盖子装配体。每一个子装配体又由下一级的子装配体和零件组成，主要是按照零部件间的设计逻辑依附关系来确定模型的父子关系，这样一步一步设计出变速器所有零部件模型的设计。

（三）详细设计阶段中，在保证所有零件的干涉自由和运动协调时，完善变速箱所有零件的设计工作。

六、虚拟装配技术存在的不足及发展趋势

1.拟实化程度将越来越高

从其自身来讲，虚拟装配有着不可逾越的优越性，然而，它在工业领域应用的成功程度却要取决于它对真实世界模拟的逼真程度。拟实化涉及虚拟装配最根本的两个方面，也就是虚拟产品模型和虚拟装配仿真过程。目前数字化模型的虚拟装配过程尚不能完全取代物理模型的装配过程，这就限制了其应用范围。随着工业界应用要求的提高以及基于物理属性建模技术、虚拟现实技术和多模式人机交互技术的发展，虚拟装配拟实化程度必将越来越高，在可预见的将来完全有可能取代物理实物的试装配过程，从而大大缩短产品开发周期并节约开发成本。

2.实现标准化

纵观工业领域各种技术的发展与应用，大都有一个从非标准化到标准化的发展过程，这一过程同样适用于虚拟装配技术。当前虚拟装配涉及的技术和表达方式都没有统一的标准，这是其发展状况所决定的一个必经阶段。随着在工业领域应用的逐步展开，如果没有统一的标准，必将影响虚拟装配技术的应用范围，从而阻碍其发展，因此，实现标准化是虚拟装配技术发展的必然趋势。

七、结语

面对激烈的市场竞争，虚拟装配在市场竞争中发挥了重要的作用。在虚拟装配的应用中，我们要改变传统的设计理念，进行合理的装配。只有这样，在以后的产品设计和开发中虚拟装配技术才会有更好的发展空间。

参考文献

[1]刘金玲 赵荣远 虚拟装配技术在整车研发中的应用[J]上海汽车 2011 (12)

[2]刘子强 虚拟装配的基础研究[D] 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2012

第4篇

关 键 词：榫卯结构 数字化仿真 有束腰凳

一、前言

传统榫卯工艺是传统文化中的瑰宝[1]，在现代家具设计中迫切需要对其进行深入学习与研究。但是由于榫卯工艺结构复杂，在教学中此类物理教具制作困难，不能进行批量的机械化生产。并且内部榫卯结构不能通过物理教具直接观察到，学习者不能直观的理解其结构，这造成学习榫卯结构的过程非常困难[2]。针对榫卯工艺在研究过程中存在的此类问题，本文提出引入数字化设计中的新方法、新技术，将数字化仿真设计与榫卯工艺相结合，以“有束腰方凳”为例，进行虚拟仿真设计。利用仿真技术对榫卯结构进行数字化模型的构建，并利用虚拟装配技术对其进行装配和构建。这样避免了物理教具的批量制造，降低教学成本，提升了教学效率，为榫卯结构的教学研究提供了一条新的思路，本文主要研究的是通过仿真模拟技术对传统榫卯工艺进行研究及其数据库的建立。

二、数字化仿真构建方法

1、数字化仿真技术含义

数字化仿真技术是以虚拟现实和仿真技术为基础，对产品的设计过程统一建模，在计算机上实现产品从设计、加工和装配、检验、整个生命周期的模拟和仿真。这样可以在产品的设计阶段就模拟出产品及其性能和制造过程，以此来优化产品的设计质量和制造过程。与传统的工业设计相比，数字化设计技术在设计方法、设计过程、设计质量和效率等各方面都发生了质的变化，数字化工业设计将主要包括数字化建模，数字化装配，数字化评价，数字化制造，以及数字化信息交换等几方面。

2、数字化仿真设计流程

在现实家具榫卯工艺研究的方法是：把已有的家具进行拆解，对拆解后的榫卯结构进行测量、记录与学习。而在Pro/E系统中，学习研究榫卯结构的方法是：首先通过对榫卯家具进行拆解，并对其结构进行精细测量；然后通过数字化设计技术，并采用数字化样机来代替原来的物理原型，在数字状态下进行仿真分析，对原设计进行装配重组。这样不需要实物原型，就可以让更多的设计人员在不同时间不同的地点在计算机上进行榫卯结构的学习和研究。

三、数字化仿真实例

首先是建模平台的选取，考虑到数据格式的通用性、三维模型建设的便捷性，以及数据管理方式的先进性，最终选用了软件Pro/E作为三维建模平台。对结构件和零件用软件Pro/E进行建模来更直观的展示传统结构，以此来系统阐述榫卯结构制图和模型制作的现代工艺流程。由于凳子是明清家具中最基本的单品，其结构也是桌、案、几等家具的本源。本文将具有榫卯结构的束腰凳进行拆解，并对拆解后的结构进行仿真模拟。

1、定义初步产品结构

在进行详细设计之前要对产品进行初步结构分析：首先采用自顶向下设计方法规划出束腰凳的整体造型结构关系，即产品结构包含了一系列的子装配件，以及它们所继承的设计意图。产品结构由各层次装配和元件清单组成，在定义设计意图时，有许多子装配是预先确定下来的：比如对本例束腰凳进行结构分析，可以看到本例凳子一共使用了攒边打槽装板、抱肩榫、格肩榫这三种榫卯装配结构。

2、数字化样机详细设计

在明确了设计意图并定义了“有束腰凳”产品基本结构和框架前提下，将围绕设计意图和基本框架展开零件和子装配的详细设计。首先是子装配件的确定，通过对基本框架的研究分析得出产品共分为三个子装配体：攒边打槽装板结构子装配体、抱肩榫结构子装配体、格肩榫子装配体。当子装配体确定下来，设计基准传递下去之后，可以进行单个的零件设计。

2.1凳面榫卯结构仿真

从拆解图二可以看出，凳面采用的是攒边打槽装板连接方式。我们将攒边打槽装板连接方式定义为子装配件，在子装配件下进行板心及边框的详细设计。趱边打槽装板的装配结构是首先将板心装纳在四根边框之中，然后将装板的边框装配起来[3]。这种装配结构的优点在于边框伸缩性不大，使得整个家具的结构不至由于面板的胀缩而受影响，起到了稳定坚实的作用。

趱边打槽装板装配结构定义完之后开始进行零部件的详细设计，由图四可以看出此装配零部件由凳面的带榫头的两根大边和两条带榫眼的抹头组成。这四根木框两根长而出榫的叫“大边”，两根短而凿眼的叫“抹头”。经过以上分析，在Pro/E环境中建立这四根带有榫卯结构的木框零部件。

2.2腿足的抱肩榫结构仿真

从图三可以看出，凳面与腿足及其束腰采用的是抱肩榫连接方式，将抱肩榫连接方式定义为子装配件，抱肩榫是束腰家具的腿足与束腰、牙条相结合时使用的榫卯结构。首先通过测绘获得各种数据为基础，在获得详细的数据基础上，通过三维仿真建模技术，对抱肩榫结构进行子装配件的建立。之后在子装配件下进行牙条与腿足的详细设计。通过对三维仿真模型的拆解可以看出来，抱肩榫子装配件的详细结构是在腿足上挖出肩，将牙条插挂在上面来固定四方的框架。同时挂销进一步定位横材和竖材，将面受到的压力均匀传递到四足上，腿足上端的长短榫通过抹头的插接固定了承重面。

2.3.脚档的格肩榫模型仿真

通过下图对束腰凳的拆解可以看出，数字化模型中脚档与腿足的连接方式为格肩榫，将格肩榫装配方式定义为子装配体，然后分析其详细零部件。本实例束腰凳的腿足是方形竖材，此家具用的是大格肩榫结构，肩部为尖角，格肩部分和长方形的阳榫贴实在一起的，为不带夹皮的格肩榫，又叫“实肩”。详细零部件构成为：格肩榫榫头在中间，两边为榫肩，格肩部分和长方形的阳榫贴实在一起的，为不带夹皮的格肩榫，又叫“实肩”。 齐头碰在形式上有透榫。

3、数字化样机虚拟装配

假如在榫卯结构的物理教具装配演示过程中，需要将装配的各个零部件拿到装配现场进行装配[4]。而在Pro/E虚拟系统中，只需要在计算机屏幕上装配零部件，查看和分析零件的配合情况，这样可减少对物理样机的依赖。

具体的虚拟装配的方法是：首先是装配建模体系结构的建立，根据有束腰凳装配给定的功能要求和设计约束，先确定产品的大致组成和形状，确定各组成零部件之间的装配关系和约束关系。然后再把束腰凳分解成若干个零部件，在总体装配关系的约束下，同步根据装配关系对这些零部件进行设计。

其次是装配体层次关系的定义，束腰凳的装配体分解成不同层次的子装配体，子装配体又可分解成若干子装配体和各个零件。通常将零件、子装配体、装配体之间的这种层次关系直观地表示成装配树，树的根节点是装配体，子节点是组成装配体的各个零件，中间节点则是子装配体。装配树的的关系体现了实际形成装配体的装配顺序，同时也表达了装配体、子装配体及零件之间的父、子从属关系。图6是有束腰凳的仿真装配结果。

四、 结语

传统榫卯结构是我国宝贵的传统工艺非物质文化遗产，同时明式家具榫卯结构工艺也是当今学习榫卯结构的难点，所以有必要对传统榫卯结构进行三维数字模型的仿真研究，使学习和掌握榫卯结构的过程更快捷。通过三维模型的仿真研究和实践，探索出一套学习榫卯工艺的学习方法，为当今家具设计提供有益的参考，同时也促进了明式家具的深入研究，有助于传统文化的广泛传播和发展。

本文为天津市高等学校人文社会科学研究一般项目资助 课题号：20112303

参考文献

[1] 胡中艳，曹阳.中国古代家具设计的继承与发展[J].包装工程，2009，30（1）158-160

[2] 杨静，余隋怀，杨刚俊.明式家具榫卯结构的参数化设计系统构建与应用[J].西北林业学院学报，2009，24（3）：163-166

第5篇

【关键词】软件 cad/cam/cae 特点 功能 适用

1 unigraphics(ug)

是美国unigraphics(ug) unigraphics solutions公司开发的三维参数化软件，主要通过其虚拟产品开发(vpd)的理念提供多级化的、集成的、企业级的包括软件产品与服务在内的完整的mcad解决方案。最早应用于美国麦道飞机公司，80年代后期引进我国以来，已广泛应用于航空航天、汽车、通用机械、模具等领域。

它不仅具有强大的实体造型（约束特征的3d模型）、曲面造型（参数化）、虚拟装配和工程图设计等功能，而且在设计过程中可进行有限元分析和机构运动分析，可用建立的三维模型直接生成数控代码。另外，还提供了ugopengrip和ugopenapi等开发模块，便于用户开发符合自己要求的专用系统。

目前我国对ug的应用与研究也比较广泛，据统计的1596篇期刊论文，ug研究论文分别发表在356种期刊上，平均每种期刊发表4.48篇。主要研究cad复合或逆向建模、cae仿真及cam车铣复合和五轴加工等方面。

该软件的主要缺点是不允许在零件之间定义约束，无反撤消、重复命令、不能固定跟随刀具、不能自动保存等使用起来比较复杂，软件相对较难掌握。该软件目前的最高版本为ugnx5.0。

因此，ug主要适合于大型的汽车、飞机厂建立复杂的数模，零件较大、较复杂的时候，加工一般用ug做数模。对于经验不多的设计者，使用ug混合建模，就比较适用。日产汽车以及其附属公司就把u品应用于新一代汽车的设计和生产中。在拥有超过1000套pdm产品的公司中，90%均在使用ug的解决方案。ug是全球产品生命周期管理(plm)领域软件与服务的市场领导者，拥有46000家客户，全球装机量超过400万台套。

2 pro/engineer

pro/engineer系统是美国参数技术公司(parametrictechnologycorporation，简称ptc)的产品。它的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念能将设计至生产全过程集成到一起，让用户能够同时进行同一产品的设计制造工作，即并行工程。因此该软件的应用领域主要是产品的三维实体模型、三维零件的加工、以及产品的有限元分析。

pro/e的软件已经被我国很多大型制造企业所使用，例如，唐山轨道客车公司部署ptc产品开发系统显著提高数据准确性及设计效率。威迩徕德电力设备上海公司全面采用ptc产品开发解决方案优化其产品研发过程。我国潍柴动力能够使用ptc windchill pdmlink解决方案优化其产品开发过程并提高效率。而且ptc收购synapsis技术公司以提升其绿色产品设计和环保法规解决方案，为ptc pds提供了全面补充。

但是在曲面造型方面，ug的曲面功能则非常强大，在pro/e中，当装配中的零件不在工作路径下就会出错，并且该软件不支持布尔运算以及其它局部造型操作，限制了它的使用。

3 autocad

autocad是autodesk公司的主导产品。是最早进入国内市场的cad软件之一，从2.0版到r13和如今的2009版在国内的市场近二十年。autocad有强大的二维如绘图、编辑、剖面线和图案绘制、尺寸标注以及二次开发等功能，同时autocad正在完善三维设计模块。autocad提供autolisp、vba等作为二次开发的工具，开发出许多符合实际应用的软件。

其中mdt是autodesk三维设计软件，是对autocad的扩展，但现在autodesk推出的autocad新版本软件中三维功能更强，操作简单。autocad使用dxf或国际化iges文件格式，可把图形数据传送至其他软件作分析计算或加工制造，还可实现autocad与其他cad系统之间的数据转换。autocad通过标准的图像格式如pcx、gif、jpg等实现光栅图像的输入和输出，更广泛地适用于印刷、图像处理和动画应用领域。autocad通过与数据库连接可存取和操作存储在外部数据库中的非图形数据如材料表、零件明细表等。

一汽集团是我国最大的汽车生产集团之一，最早开始应用autocad辅助制图，编写的专业设计辅助程序，对于提高设计质量、效率，起到了极为明显的作用。典型的设计实例有轿车发动机缸盖密封胶涂胶机控制凸轮曲线设计，轿车车身涂装线自动设计，散热器辅助设计，装配工具设计软件等，一汽集团成为autodesk公司在中国的最稳定也是最大的客户。

但是该软件存在一些的不足之处，该软件在二维设计中无法做到参数化的全相关的尺寸处理，三维设计中的-实体造型能力不足。但是由于该软件进入国内市场较早，价格便宜，使用比较简单，因此使用者比较多。

4 solidworks

solidworks是生信国际有限公司（solidworks）推出的基于windows的机械设计软件。三维造型是该软件的主要优势。

它完全采用windows的窗口全中文界面，菜单操作非常简单，支持各种运算功能，可以进行实时的全相关性的参数化尺寸驱动。配置管理是solidworks中非常独特的一部分使得你能够在一个cad文档中，通过对不同参数的变换和组合，派生出不同的零件或装配体。以及具有强大的零件建模、曲面建模、钣金设计、运动仿真和数据转换等功能。solidwoks又开发了cam模块能够将设计好的产品转换为进行数控加工的g代码、m指令。

以solidworks为核心的各种应用的集成，包括结构分析、运动分析、工程数据管理和数控加工等，因此该软件适用于机械结构设计，据相关调查，sw的文件格式已成为3d软件世界中流通率最高的格式，也是世界销售套数最多的3d软件（国内pro/e更占上风）。因为价格便宜，国内的相当多的中小型企业或单位及个人都在使用solidwoks软件。

5 catia

由法国dassaultsystems(达索)公司开发，后被美国ibm公司收购的catia是一个全面的cad/cam/cae/pdm应用系统。居世领导地位，广泛应用于航空航天、汽车、造船、机械制造、电子\\电器、消费品等行业，它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域，其特有的dmu电子样机模块功能及混合建模技术更是推动着企业竞争力和生产力的提高。catia对产品整个开发过程包括概念设计、详细设计、工程分析、成品定义和制造乃至成品在整个生命周期中的使用和维护。而且catia能够模拟观察者的视野进入到零件的内部去观察零件，使用者只要输入人的性别、身高等特征，就会出现一个虚拟装配的工人。

但是这套软件的价格不便宜，目前最高版本是catiav5。世界上有超过13，000的用户选择了catia，著名用户包括波音、克莱斯勒、宝马、奔驰等一大批知名企业。其中波音飞机使用catia完成了波音777的电子装配，从而确定了catia的领先地位。目前国内哈尔滨飞机制造公司的飞机、汽车等产品，郑州宇通客车，广东文冲船厂等大型制造企业就是应用catia软件开发设计的。

参考文献：

[1]陈国聪. cad/cam应用软件——pro/engineer训练教程.北京：高等教育出版社，2006.

[2]unigraphics solutions inc.ug cam实用教程.北京：清华大学出版社，2005.

第6篇

关键词：虚拟技术 虚拟装配 职业技能培训

一、引言

飞速发展的计算机技术使虚拟现实技术已经从前沿高科技敏感领域进入了教育领域，开始为教育的各个分支服务。计算机可以将现实的实验实习设备变成虚拟的，并利用网络生成虚拟的实验室现实，真实、直观地表现出众多领域的实际内容。它把创建一种全新的教学环境，大幅度改善教学设施和条件，提高学生学习效率变成可能。

二、虚拟现实技术

虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术是利用计算机三维软件设计制造技术、多媒体技术、仿真技术、网络技术等多种前沿技术，生成高级的人机虚拟界面。操作者利用计算机输入设备，或者设备，通过语言、手势进入虚拟环境，在虚拟环境中进行实时交互，并且能够感知和操作虚拟环境中的各种对象，进而获得身临其境的感受和体验。

虚拟现实技术具有沉浸感、交互性和想象力三个基本特征。在实际的教学实践中，学习的主角是学生，我们利用虚拟技术使学生脱离课本利用虚拟界面的信息图像进行操作，让学生从身临其境的学习中得到真实的知识反馈。而且，学生沉浸在虚拟空间中，感叹超越现实的虚拟技术的同时，他们会自觉地探索未知，积极主动地寻求问题的答案，从而达到学习的目的。虚拟现实技术广阔的应用前景和优越性使其在教育领域中发挥很重要的作用。

（一）虚拟实验的应用

虚拟实验是指充分利用先进的互联网或者局域网进行各种各样的教学实验。它可以充分调动学生的学习兴趣，不断提高实验效果，扩展实验方法，加大实验力度，可以有效地培养学生的创新能力。在虚拟实验中，学生通过光标的移动，把计算机上各种虚拟仪器按实验要求和过程组装成一个完整的实验系统，同时再利用系统来完成整个实验操作，包括实验原材料的添加、条件的改变、实验数据的收集，从而进一步进行实验结果的模拟、分析等。这样的教学模式不仅可以避免真实实验操作带来的潜在危险，减少实验成本，还可以有效提高学习效率。

（二）在专业技能培训中的应用

现代职业教育的教与学，是传授知识和学习知识。创造有利于技能训练的条件，发挥学生的潜能，提高学生实践动手能力，是当前职业培训面临的重要任务。计算机虚拟技术的运用对目前职业培训是一个很重要的手段。其优越性具体表现在以下几个方面：

1．合理配置资源

实习实践训练是技能培训过程中技能训练、提升最重要的一个环节。然而，目前职业学校的存在突出矛盾是仪器设备的更新率远远跟不上时展的需要。由于培训设施与企业的要求严重脱节，不能满足企业和学生的需要。职业教育手段的滞后性将严重阻碍学生能力的培养，没有物质基础谈何培养学生的动手能力、创新能力？而借助于先进的计算机技术――虚拟技术可以算是一个解决问题的重要且有效的手段。由于复杂零件或部件都是通过计算机图形软件设计制造的，由实践者参与设计其功用，采用系统集成式结构，将任务分解成多个模块，可根据技能培训需要改变设计参数“生成”新的零部件，可以扩展教学实践内容，不断更新虚拟设备，使实践操作训练能及时跟上企业的需求，跟上时代步伐而不至于淘汰。另外，虚拟软件制造的设备还具有良好的集成性、控制性和交互性，不断改进等优点。利用虚拟现实三维技术在实习实践训练中不需要任何实物，实践过程中使用的零件种类和数量由建好的或不断更新的模型库提供的优势，可为学生和教师提供很难接触到的最先进设备、仪器的训练机会，像利用实物一样能达到训练的目的。通过虚拟软件构建其三维模型比实物训练更直观、更实用，而且可以减少因在教学中经费有限，可能无法购买先进设备而造成的遗憾。

2．改善提高培训效果

在技能培训中，很多操作性要求很强的科目，像汽车故障诊断、电路维修、发动机组装等科目，教学中需要各种各样的汽车、发动机进行技能训练，学生通过不断拆装、结合汽车日常故障维修，不断强化提升学生的技能。在培训时由于受课时、实习训练设备，以及实习场地的制约，教师教的非常辛苦，学生学的累且常感觉学不到真正的技术，培训效果很不理想。而利用仿真技术在发动机的装配过程及运动仿真实训中的优势，教师传授知识方便、通俗易懂，学生可以轻松地进行多种发动机的拆装实习，既直观又形象并且可重复练习，直到真正掌握为止。这是现实实践技能训练中很难做到的。学生全面了解了发动机结构及装配关系，为进一步进行故障实战训练打下坚实基础，进而激发学生自学的积极性和成就感，提高培训效果。

3．培养学生创新能力

现代职业技能培训不仅传授学生基础知识和技能，更重要的是学生自学能力、创新能力、分析问题能力和解决问题的能力的培养。改变传统的培训模式，运用计算机虚拟技术，利用学生对计算机的兴趣，逐渐改变学习的被动局面，让学生积极参与教学、实践中，发挥年轻人善于接受新知识、学习新事物的主动性。像计算机虚拟技术用于虚拟教学中，系统集成化的实验内容和实验仪器，加上开放式的虚拟实验环境，既便于教师讲授，又能让学生自行实验和设计实验，充分调动学生的积极性，激发他们主动掌握和探索知识的兴趣。这样一个全新的仿真学习情境，学生可以修改设计，获得不同的产品，还可以设计小制作，这本身就是一种创新能力的提高。

随着科技的发展，未来将有更多的新技术、新手段用于教育教学中，使教与学变得更和谐、更高效。

参考文献：

[1] 谈虚拟现实技术在教学中的应用.信息技术教学.

第7篇

关键词：虚拟制造技术；现代机械工程设计；机械制造；机械产品；机械设计

文献标识码：A中图分类号：TH166文章编号：1009-2374（2016）05-0073-02

作者简介：伊纪斌（1994-），男，山东淄博人，山东理工大学国防教育学院学生，研究方向：机械设计

随着知识经济和工业制造的快速发展，现代化的市场要求产品生产厂商要以最快的速度、最优的品质、最短的研发时间、最低的成本消耗和最佳的服务来满足顾客的需求。传统设计一般是在图纸结合产品的特性和设计的具体要求进行的，在机械设计的过程中需要提前对设计中的设备装配的干扰因素的不确定进行考虑，但是产品在装配中的缺陷只有在产品开发的后期才能暴露出来或者在产品的试制阶段和装配中显现出来。如果设计的零件已经开始投入生产了，那么损失就更加严重了。产品的质量在传统的设计和制造方式上不能得到很好的保证，并且传统设计的工艺比较粗糙、开发的效率低、花费时间比较长、耗费的资金比较大。在变化速度快、持续性发展和不可预测性市场中难以适应。因此，企业的生产活动需要具备高度的柔性和快速的反应，与此同时信息技术的飞速发展保证了机械制造的先进性，信息化的使用对于现代机械工程设计十分重要。

1虚拟机械制造技术

以往传统的机械设计技术的设备条件比较差，设计技术性不强，传统的设计观念比较保守，设计的手段主要依靠的是粗略的计算和估算，主要是在较多的简化和静止化假设中完成机械工程的设计，传统设计具有较大的随意性，并且设计的关键过程还对设计者的经验和设计习惯具有很大的依赖性。设计的过程很难实现合理、高效和准确。但是在现代化虚拟设计的相关技术可以很好地实现设计经验依赖性强、设计过程静态性和设计理念随意性向现代化设计精确性、以数据知识工程和专家系统为保证的设计方式的发展，虚拟计算机技术需要对必要的信息进行检索、分析和收集。最终找出最优的设计方案和数值运算的方式，当然也会对CAD技术和人工智能技术、数据库技术等进行大量的应用。虚拟机械制造技术主要是在虚拟环境下对计算机的模型进行虚拟分析的一种计算机设计技术。该技术集成并综合应用了综合性的机械制造环境，主要包括了各种仿真、分析、应用等工具以及信息模型和控制工具等。虚拟制造需要经历的主要阶段有装配产品的概念设计、动态仿真、回收利用。依靠虚拟制造技术，机械设计人员不需要将所有的零件设备生产制造出来，可以通过对零件模型的建立，随后对零件进行虚拟装配，并对各零件部位之间的装配间隙进行干涉、对装配的状态实现检查，对零件设计中的错误及时发现，如果零件不符合设计要求，可以依靠计算机技术方便及时更改模型，最后形成新的零部件设计图和装配图，达到设计、装配和制造检验的协调。

2虚拟制造技术的关键

虚拟制造技术包含了许多方面，主要有设计技术的提出、产品制造过程的抽取、原模型的建立、集成基础结构、建模仿真等。下面就对虚拟制造技术中的关键技术进行详细的介绍：

2.1虚拟技术中的建模技术

虚拟指的是在系统中将现实制造系统映射到虚拟环境下，主要涉及了RMS的模型化、形式化、计算机化的抽象描述和表示。VMS建模的主要内容有生产模型建立、产品模型建立、工艺模型建立的信息化体系结构的建立。生产模型中有静态描述和动态描述两种。静态描述主要是关于对系统生产能力和生产特性。动态描述是在已经被得知的系统状态和需求的性质上对产品的整个过程进行全面的预测。在制造过程中我们将种种实体对象总的称之为产品模型。在产品的模型建立中需要对产品的明细、形状特征等方面进行描述。对于VMS而言，要实现产品实施过程的全部继承必须具备完整的产品模型。因此在虚拟制造中的产品模型不再是单一和静止的，它可以运用抽象的技术实现各种模型面貌的提取。工艺模型主要指的是在制造过程中对产品的工艺参数和关于产品功能的各种因素进行联系，最终实现对产品模型和生产模型之间相互作用的反映。

2.2虚拟制造技术中的仿真技术

仿真指的是通过计算机实现复杂现实系统的抽象化和简洁化最终形成的系统模型，并且在仿真的基础上对模型进行应用，最终得到相应的系统性性能分析。仿真主要以系统模型为主体的研究方法，它对实际的生产系统没有直接的干扰作用，并且仿真系统可以对计算机的计算能力进行应用，实现在短时间内完成在实际工作中需要很长时间的工作，有效缩短了生产决策的时间，最大化地避免了对人力、物力和资金的投入以及浪费。计算机技术还有很好的仿真修复功能，最大化地保证了方案的最优。仿真技术过程的主要步骤有系统研究、数据收集、系统模型建立、仿真算法的确定、仿真模型的计算、仿真模型的运行、结果的输出和分析。仿真在产品的制造过程主要被分为制造的仿真和加工的仿真。在系统产品的开发中主要涉及的是产品建模、设计交互行为仿真等。方便对设计结果的评价，及时进行反馈，降低产品设计中的错误。加工过程的仿真主要有切削、装配、检验及焊接、压力加工和铸造等。以上两种仿真过程是相对独立的，两者不能实现集成，而VM中应建立全面过程的统一仿真。

2.3虚拟制造中的虚拟现实技术

虚拟现实技术的目的是改善计算机的交互方式，提高计算机的可操作性，它是在对计算机图形系统和多种显示以及控制等接口设备的基础上，以交互的三维环境为人提供沉浸体验的技术。虚拟现实技术主要由图形系统和多种接口设备组成，使人在虚拟环境中感受到真实的沉浸感觉，交互性计算机系统是虚拟现实系统的基础。虚拟现实系统中有操作者、机器和人机接口。它帮助提升人和计算机间的和谐度，同时也是最有力的仿真工具。在VRS的作用下实现对真实世界的模拟。在用户交互输入以及输出修改虚拟环境的条件下，使人达到身临其境的沉浸感觉。VM的关键技术之一就是虚拟现实技术。

3机械虚拟样机技术介绍

虚拟样机技术在机械工程设计中被称作机械系统动态仿真技术，它是20世纪80年代在计算机技术的快速发展中发展起来的一种计算机辅助技术。在计算机建立样机模型后，对模型的多种动态性能进行具体的分析，最后对样机方案实现改进。用数字化模型代替物理性的样机。通过虚拟样机技术的作用，简化了机械产品的设计开发过程，有效缩短产品开发的时间，最大程度降低产品的开发成本和费用，实现产品质量和系统性能的提升，使设计产品实现最优化和最具创新性。综合以上优势，该技术一经出现就受到了众多工业发达和高等院校及设计和生产企业的重视，许多著名的产品开发设计者都对该技术进行了引入并运用在自身产品的开发中，并且取得了极好的经济和生产效益。在机械工程设计

中应用仿真技术对零件进行设计、生产工序等方面的选用以及工艺参数、加工工艺、装配工艺等构件的运动性等均可以实现建模仿真。

4虚拟制造技术在机械工程中发挥的优势

4.1强大的通用性和分析处理复杂问题的能力

虚拟样机技术建立和发展的基础是分析力学和多体运动力学，该技术的关键是对复杂机械系统进行自动建模。因此，大多数的虚拟样机技术软件主要运用的是带约束乘子的微分代数混合方程。令每个构件都有六个自由度是它的核心，还要要求其对多余的自由度进行限制，实现其具有良好的通用性，达到适用性强的目的。与此同时，虚拟样机技术还对机械系统的详细环节进行考虑，具体指弹性、接触和摩擦等因素。

4.2为机械系统建模带来便利

传统的机械系统建模中要先建立运动分析，随后在运动分析的基础上进行动力分析，这中间需要许多的图形分析和公式推导。但是图形的分析和公式的推导过程往往比较复杂，并且错误率高。同样的建模过程中设计人员只需要将机械的构成方式和连接方法以及相应的物理参数实施输入，其后的建模和求解只需要计算来完成就可以了，极大地帮助设计人员承担了许多的设计难度。

4.3强大的后期处理能力

在传统的分析方法上通常得出的是大量的数据，数据的理解还要依靠丰富的经验和理论。但是运用虚拟样机计算软件为复杂性的数据提供了可视化技术，使得设计人员直观地看到机械设计的性能和运动效果。

5结语

虚拟制造技术实现了现代工程机械工程设计领域中的设计、试制等一系列过程的直观性。实现了在产品真正制造出来前，可以在虚拟的制造环境中生成产品的原型，更好地替代现实中的硬件产品，更方便地对设计产品的性能和可生产性进行评估，极大地缩短了产品的设计和生产周期，最大化地节约了产品开发的成本，保证产品的开发和设计可以适应市场的灵活性的变化。虚拟制造技术是现实技术和计算机仿真技术在机械制造中的综合应用。在现代化计算机虚拟设计技术的帮助下实现对众多产品的开发和设计，不仅不会造成实际物质的浪费，并且还能更直观地了解产品生产的具体情况，打开了机械制造和设计的全新局面。

参考文献

[1]李锐．虚拟制造技术在现代机械工程设计领域中的应用[J]．河南科技，2013，（13）．

[2]刘玲娣．浅谈虚拟制造技术在农机设计制造中的应用[J]．河北农机，2013，（2）．

[3]孙福臻，阎勤劳，单忠德，等．机械虚拟现实技术的应用与发展[J]．机械设计与制造，2010，（5）．

[4]郝虎．虚拟样机技术在采煤机械设计中的应用[J]．城市建设理论研究（电子版），2011，（25）．

[5]陶表达，姚桂玲．虚拟技术在现代机械产品研发中的应用[J]．湖北第二师范学院学报，2010，（2）．

第8篇

虚拟维修中部件拆卸在一定程度上可看成是虚拟装配的逆过程。用户通过虚拟现实交互方法对产品装配模型进行拆卸，可以直观地检查拆卸过程中的干涉，确定产品的拆卸顺序与拆卸路径，基于“装拆可逆”的假定，确定产品的装配序列与装配路径。

目前，虚拟拆卸技术的研究主要围绕确定产品的拆卸顺序与拆卸路径问题展开，Srinivasan等［1］针对选择性拆卸问题（即仅对装配体中的部分零件进行拆卸），提出采用波传播方法自动确定零件拆卸的顺序，并开发了基于虚拟现实的拆卸分析原型系统A3D 。Siddique等［2］采用交互和自动相结合的方法进行虚拟环境中产品的可拆卸性分析，首先通过自动推理的方法确定产品的部分拆卸序列，然后在设计者的交互参与下生成产品的完全拆卸序列。

本文讨论将UG中的装配模型转入虚拟环境中进行拆卸过程仿真，得到拆卸顺序和拆卸路径，然后在用户的交互参与下生成产品的完全拆卸与装配序列[2]。

1 装拆模型的信息

1.1 零件信息

模型由各个零、部件构成，首先要确定零件信息。零件信息包括零件所具有特定形状并且对应特定功能意义的零件局部形状在整体上的布局，在工程设计及加工中使用的形位公差、尺寸公差、表面光洁度，材料类型、强度、延展性、热导性，有关的工程分析等。各方面的信息有机地结合在一起，构成了零件信息模型。

1.2 装配关系信息

装配体是一组相互关系的零件的集合，描述一个完整的装配体模型，除各个零件的信息外，还需要确定装配中零件的装配关系。零件的装配关系如表1所示。

装配关系又分连接关系、接触关系等。这些信息对产品的拆卸过程有很大的影响，根据不同的装配关系，可以用关联类型对零件间的相互关系进行定义，即直接关联关系、间接关联关系和自由关系。其中，直接关联关系指两零件间存在物理接触关系。间接关系指当其中某一零件沿某一方向移动时，两零件相互间有干涉。自由关系则指两零件实体间没有物理接触关系，且当其中的一个零件沿某一方向移动时，另一零件对其不产生干涉。

1.3 拆卸信息[3]

在零部件进行装配时，会有一个装配方向，从这个信息可以得到一个与装配方向相反的拆卸方向，再根据零部件之间的配合约束特征几何元素和拆卸方向矢量，通过平移或者平移再旋转绝对坐标系，从而可以构造出一个3维坐标系，再确定坐标系的正轴方向。

提取得到的零部件相关的配合类型，可推出零部件的拆卸方向集合。如果零部件有多个配合约束关系，则零部件的拆卸方向是这多个配合约束关系所确定的拆卸方向集合的交集。

拆卸某个零件时，该零件与其它零件之间的约束信息，主要包括空间几何约束信息、工具夹约束等。由于拆卸某个零件的过程中，在空间上可能受到6个方向上的阻碍，即3个移动方向和3个转动方向的阻碍。这些阻碍直接决定了该零件拆卸的几何可行性，可以采用制约矩阵来拆卸约束来进行描述。

拆卸信息的描述方法主要有以下几种方式：

1. 基于图形的表示方式

用节点表示零件(节点信息包含产品零部件属性)，联接弧表示零部件间的拓扑关系(如装配信息等)，常用的如有向图、无向图及网络图等。

2. 是基于与或图的表示方法，这种表示方法通常假定产品或部件的拆卸顺序已由产品的结构决定，比如说：低一级的结点不能被拆卸，除非它的上级结点己经被拆卸，这种方法简单、直观、易于理解。

3. 基于关系数据库的方法

即采用关系数据库存储实体及其关系，与图形表示方式结合起来构成的产品信息模型能够对产品进行完整的描述。这样模块化的设计不仅有利于后续的工作，也有利于系统的维护和改善。

4. 面向对象的方法

这样可使实体表达具有继承性和封装性，实体的层次分为若干类及相关属性，如物理属性、几何属性、特征属性等，拆卸方法由对象的类型确定。

2 装配序列规划

2.1 基于图形的拆卸信息表达[3,4]

装配体中的零件可同时与多个零件发生装配关系，而装配模型中只记录零件两两之间的装配关系。为了更完整地表达装配体中所有的零件的联接关系，一个装配体可以表示成一个图结构。

装配联接关系图可表示为G=(V,D),图由一个顶点集合和在这些节点之间建立联接的边集合组成。顶点为一些抽象的对象，而边则表示了这些对象之间的某种抽象联系。按照图的边是否有方向，图又以分为有向图(图中的边是有方向的)和无向图(图中的边是没有方向的)。在无向图中,如果两个项点之间有路径，则称两个顶点是连通的，如果图中每对顶点之间都有路径，则图被称为连通图。

一件产品以图的形式来表示，称为部件联接图,如图1所示，其边和结点的含义如下：

结点代表零件，是产品的一个组成部分；边代表零件间的一组装配关系。

在部件联接图中，，n为零件数目，，m为边的数目，如果两个零件之间存在联接，则。

部件联接图是装配序列规划的最基本的信息，它有如下重要特征：

1. 零部件联接图是无向联接图。

2. 如果装配体设计正确，则有且只有唯一的部件联接图能够表达装配体中零件之间的联接关系。

通常我们为了简化部件联接图，可以将一些零件组合成子部件，同时也可以省去产品的一些联接件如螺栓、铆钉、键等。显然，部件联接图是一个无向连通图。对于如图2(a)所示减速箱轴组件可以用部件联接图2(b)表示。

部件联接图是一种简单图，只能描述部件之间的联接关系。通常来说顶点的信息有：零件的名称、重量、材料类型、零件的结构深度等，边包括联接方式、紧固件数量、零部件之间的位置约束等，在拆卸分析时还包括拆卸的时间或者是拆卸费用等。这些数据一部分来自CAD设计的产品装配图，如节点和边的名称、材料类型、紧固件类型及数量、零件的重量尺寸等，另一部分来自所建立的计算函数如拆卸时间、拆卸费用等。

部件联接图的邻接矩阵是部件联接图很重要的一组信息，部件联接图的邻接矩阵被定义为：

1,如果零件与零件存在联接；

= 0,零件与零件没有联接；

0,当时。

由于部件联接图是一个无向图，所以其连接矩阵为对称矩阵，

即

由图2(b)，得到轴组件的邻接矩阵：

2.2 拆卸序列生成

产品的结构通常来说都是繁杂，为了减少其复杂程度，可以将产品拆分成几个子部件，拆卸过程中作为一个部件被整体拆卸，子部件还可以被进一步分解为更简单的子部件，直至零件。

1、根据机电产品的结构特征，可以把子部件分为三类：

Type 1——有一个核心零件，其余的零件或子部件直接的或者间接的与其装配在一起。上一节图中减速箱轴组件就属于这一类型，轴是一个核心零件，其余零件如轴承、齿轮和键都直接或间接地与轴相连。

Type 2——没有一个核心零件，所有零件都与其它零件相连。

Type 3——类型1与类型2的综合。

2、根据上述不同类型子部件的特征，可得出可拆卸判断规则如下：

Rule 1：如果存在类型1子部件，则该子部件可以被进一步拆卸成子部件或者零件。

Rule 2：如果存在类型2子部件，则该子部件只能被进一步拆卸成零件。

Rule 3：如果存在类型3子部件，则该子部件可以被进一步拆卸成零件。

为了简化拆卸就要寻找部件装配图中的割点。在真正的拆卸过程中，割点实际上代表一个与其它零件相连结的核心零件，因此通过搜索割点可以容易的、系统的对产品进行拆卸。当然如果部件联接图只有重连通图而没有割点，这种模块化分析也就没有了意义。而为了寻找割点，我们可以用深度优先搜索算法，得到部件联接图的一个生成树，通过图的生成树可以得到图中的割点，进而将产品结构拆分、简化，从而实现系统的拆卸。其中图的生成树被定义为从连通图的一个顶点出发，访问所有的顶点，所有的顶点加上所经过的边构成的子图。得出部件联接图的深度优先搜索生成树如图3所示，图中虚线表示搜索过程中没有经过的边。搜索顺序恰好与结点编号相同。

通过分析搜索图，可以得出结论：

顶点1为割点。我们可以把除去割点的图分为两个子部件，第一个子部件包括轴承2、定距环3、齿轮4和键5，记为Sub1；第二个子部件包括轴承6，记为Sub2。由于1与Sub1联接的边数为4，大于1与Sub2联接的边数1，有： 1Sub1。至此，我们将上述轴组件分为两个子部件，如图4所示。

这里可以根据产品的信息模型，对子部件Sub1和Sub2的可分离性进行判断，完成之后在对各个子部件重复上述过程，直至将所有的子部件都拆卸成零件，去掉其中不满足拆卸条件的割集，就可以得到产品的拆卸树。

对于整体边D（1，6）是割集，满足拆卸条件，可以拆卸轴承6；对于子部件Sub1可以先拆卸轴承2；对于余下的｛1，3，4，5｝可以依次类推拆卸定距环3、齿轮4和键5，从而得到轴组件的拆卸树如图5。

得到轴组件的拆卸树以后，我们得出减速箱轴组件的拆卸序列。产品往往具有多种拆卸序列，要从庞大的拆卸序列中选出拆卸时间最短，拆卸成本最低的拆卸序列。同时还有考虑操作的稳定性，操作中零部件的定位与定向次数，拆卸序列的并行度（与串行序列相比，并行序列给以多人同时操作缩短拆卸时间）。拆卸分析过程可以用流程图表示如图6。

3 结束语

虚拟维修技术可以在计算机上提供一个实时的、三维的虚拟环境，通过生动的视觉、听觉、触觉等效果随着参与者的动作而变化的场景使人获得身临其境的感觉。通过虚拟操作，确定零部件拆卸的顺序、维修作业所需的空间、预计维修作业的时间、维修费用。

参考文献

[1] Coves C, Crestani D, Prunet F. Design and analysis of work-flow processes with Petri nets. In: Proceedings of IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics, San Diego，1998：101～106

[2] 刘振宇等.虚拟环境中基于约束动态解除的产品拆卸技术研究[J].计算机辅助设计与图形学学报，2003，15(7)：812～835

[3] 褚彦军.面向折卸和回收设计的评价理论和方法研究[D]. 西北工业大学硕士学位论文，2001，：30～43

[4] 严蔚敏，吴伟民.数据结构(C语言版) [M].北京：清华大学出版社，1997

第9篇

关键词 描述逻辑 公差 自动生成

1国内外研究现状分析

要解决公差信息的自动生成问题，首先就要让计算机理解它所表示的公差信息。针对公差信息尤其是几何公差信息在计算机中的表示问题，许多国内外学者们都提出了各自的解决方案，在这些方案中构建了各自的公差信息表示模型。归结起来，可分为如下几大类：

（1）基于面图的模型。该类模型将零件的几何结构作为基本结构，几何要素、面、边、顶点等作为结点，公差和参考基准作为结点的属性。该类模型的典型实例公差图模型、面向虚拟装配的模型。该类模型仅仅提供了公差符号，没有解决公差语义和关系的表达问题。

（2）基于变动几何的模型。该类模型使用若干个参数来表示几何体的形状，用尺寸参数的微小变化来表示公差。如由小位移旋量、虚拟边界来表示，变动几何约束网络的方法，基于特征技术与拓扑相连表面。变动几何模型虽然表示了形体之间的关系，但没有表示可变几何。

（3）结构化模型。在GD&T（Geometrical Dimensionaland Tolerancing）中，应用得最为广泛的结构化模型为TTRS模型。TTRS模型的最大特色在于对CAD系统所提供的几何信息进行了重新组织，以便于在计算机上实现公差类型的自动生成。但它在实现时主要考虑了拓扑表面上的关联，未真正考虑技术表面上的关联。

（4）基于数学定义的模型。该类模型结合公差的工程语义给出各种公差的数学定义。基于数学定义的模型很好地解决了公差语义的表达和区分各种公差之间的关系问题，且便于实际应用。然而，采用该类模型开发的计算机辅助公差设计系统需要较多的人机交互，故在自动程度上低于TTRS模型。

（5）其它模型。当前，部分学者试图研究采用一些全新的技术来构建公差表示模型，这些技术包括XML、广义区间、模糊逻辑及描述逻辑等。国内桂林电子科技大学的学者钟艳如、覃裕初、王冰清等提出了基于描述逻辑（DescriptionLogic）的公差类型、公差规范、公差带的自动生成方法。这些公差表示模型将一些实用的技术引入了公差表示，在一定程度上解决了公差信息在异构系统之间的传递问题。但是，它们在应用时仍然需要大量的人工干预。

2描述逻辑简介

描述逻辑是知识表示的一种形式化语言，适合表示关于概念和概念层次结构的知识，因此叫做概念表示语言和术语逻辑。描述逻辑统一了大家所熟悉的基于框架、语义网络、面向对象的表示以及语义数据模型系统的逻辑基础，并给出一种形式化的、基于逻辑的语义。描述逻辑的基本构建是概念、关系和个体。概念描述了一个个体集合的共同属性，并且可将概念解释为对象集的一元谓词，将关系解释为对象之间的二元关系。

描述逻辑的特点在于，将大量的构造符作用到简单概念上，从而建立更多复杂的概念。另外，描述逻辑将推理作为中心服务，既从知识库显式包含的知识推导出隐含表示的知识。描述逻辑注重关键推理服务的可判定性，并且提供了可靠的、完备的推理算法。其主要的推理有分类、可满足性问题、包含关系以及实例检测。

3基于描述逻辑公差自动生成研究思路

基于描述逻辑公差自动生成研究思路是：根据几何产品的空间拓扑关系，构建出一种新的空间描述逻辑―公差描述逻辑TDL。开发公差描述逻辑TDL推理机，构建基于描述逻辑的公差信息生成知识库系统。

3.1公差描述逻辑TDL的构建

首先，分析公差信息表示的需求，并根据需求定义描述逻辑中空间关系的语法和语义。在定义空间关系时，应当注意增加扩充空间关系构造子，使之能够表示CAD系统的空间图元和拓扑关系。其次，设计TDL公式的可满足性判定算法。针对TDL的可判定性问题，直接设计TDL的可判定性算法，再证明算法的可终止性、可靠性和完备性。最后，分析判定算法的复杂度。若TDL公式的可满足性问题是可判定的，则直接分析判定算法的复杂度。否则，利用公差表示领域专家知识，引导推理过程，设计推理时的限定规则，以保证推理问题的可判定性。

3.2公差信息的描述逻辑表示

首先，根据自项向下逐层细化的研究思路，将装配体视为多个零件的集合，再将每个零件视为多个装配特征表面的集合，最后求出装配特征表面的几何要素之间的空间关系，并研究这些空间关系与公差类型及基准的内在关系。在此基础上，应用TDL表示这些内在关系，进而构建公差表示领域的术语表公理集TBox和公差信息的TDL表示模型。

3.3公差信息的自动生成算法

首先，基于公差信息的TDL表示模型，采用本体描述语言OWL构建公差领域本体。构建时可考虑将装配体、零件、装配特征表面、几何要素等定义为OWL类，将装配特征表面的几何要素之间的空间关系与各种类型的公差定义为OWL对象类型属性。同时还应注意比较装配特征表面的两种划分方法。其次，基于构建的本体，采用语义网规则语言SWRL定义公差类型及基准的生成则。从公差信息的TDL表示模型中可以得到空间关系与公差类型的内在关系，先将这些内在关系转化为因果关系，之后按照类Horn子句的形式写出这些因果关系，注意每一个类Horn子句只允许有一个后件，故若是因果关系中有多个后件，应分为多个类Horn子句给出。最后，根据构建的本体及定义的规则，设计公差类型及基准的自动生成算法。

4结语

本文根据国内外研究现状以及描述逻辑相关知识分析，最后提出基于描述逻辑公差自动生成研究思路。

参考文献

第10篇

关键词：玉米青贮机；三维模型；失效分析；改进设计

引言

随着现代畜牧业的发展，我国青贮饲收获机械的研发与设计不断涌现，而关键技术及零部件的研发起步较晚，国内的玉米收获机研发处于初级阶段，本文针对设计样机在试验过程中割台传动系统出现的花键轴扭曲故障而导致整机运行试验失败提出的问题。（如图1）

1.模型的构建

利用三维建模软件UG建立玉米青贮机割台转动系统简化模型（如图2、3）。

上图中的花键轴（如图4）的动力是由万向节传递的，正是此矩形花键轴发生过载扭曲现象，造成试验过程失败。

2.机构的数据模型建立

为了计算锯盘所受载荷的大小及分布的原理，试验过程中，测量出玉米种植的行距及株距。实测以种植的平均株距为160mm，行距为720mm计。根据玉米青贮机的基本参数可知，在运行过程中理想状态下可对5行植株进行收获（如图5、6）。

根据图6知，锯盘的受力为脉冲型的，假定玉米收获机的工作行走速度为V0，则植株1的沿着搅龙的速度可分解为竖直向下的速度VY，和水平向左的速度VX，则根据力的合成与分解原理即：

分析可得到，植株1、3、5同时到达直至秸秆被割断，植株2、4同时被切割，则锯盘的受到两个脉冲力的作用。假设玉米秸秆被锯盘截断需要随锯盘运动的位移为S，由余玄定理 ：

则

：为刀盘转过的角度

W：为刀盘的角速度

R：为刀盘的半径

查阅资料知玉米秸秆的茎叶连接力、叶鞘的抗拉特性和茎秆、叶鞘的抗冲击特性结果，得到了玉米秸秆的固有力学特性：茎叶连接力为0.7～16N，叶鞘抗拉力为3～21N，茎秆抗冲击能量为20.3～42.8J。根据实际工作情况，取转速n=2400rad/s，工作行走速度V=2m/s，相对截断位移S=100mm进行比对。

若取茎秆的平均抗冲击能量为30J，则单个植株脉冲力可得：

脉冲力 = （其中锯盘的半径R>>S，则此时运动弧长L≈S）

由于波轮工作的复杂性，如图7所示，当波轮过载荷时齿轮与上下摩擦片打滑时传动轴承受的是最大扭矩，且其是根据碟簧上螺母的拧紧程度所决定的，故设波轮所受的最大静载荷为 。

代入工作参数可得：

脉冲的周期

脉冲间隔

脉冲力持续时间

可知脉冲力时间间隔、脉冲力持续时间都较短，由刀盘及波轮转速之比为30，可得波轮旋转一圈需0.075s，且随着工作行走速度的增加，会发生脉冲力的叠加。UG加载的函数中能确切表达的公式为：

F（t）= +

其中V0是工作行走速度，F为单个植株脉冲力300N，F0为波轮打滑的最大载荷，（由螺母决定，假定F0=1000N）。可将脉冲分段函数近视看作正弦函数图（如图8、9）。

3.关键部件的力学分析及仿真结果

在UG系统中动力学仿真模块定义连杆机构，选择有相对运动的部件，运动的部件整体定义为一个连杆，定义杆件间的运动副，并为其赋齿轮副的参数（如图10）。

由上图可知，随着玉米青贮饲料收获机工作行走速度的增大，单位时间内的脉冲次数也随之增加，且脉冲力也随之增加。

当玉米青贮饲料收获机工作行走速度为8m/s时，利用Ansys对矩形花键轴加载荷，得到切应力的云图及花键轴的总变形云图（如图14、15）。

由上图可以看出，矩形花键轴的最大变形量为2.2024mm，花键轴的最大扭转切应力分布在齿根的附近，这是由于矩形花键的侧面的应力集中所致，与实际工作中的过载情况符合，得到割台部件载荷过大，矩形花键轴发生扭转变形。

4.改进后的力学分析

试验中增加调节安全离合器，设置调节安全离合器的最大扭矩防止传动轴过载荷，根据玉米青贮饲料收获机的工作最大行走速度V=8m/s，将花键轴所受的最大载荷力矩1425500N・mm为安全离合器的最大离合扭矩，利用Ansys给矩形花键轴加载荷，得到切应力的云图及花键轴的应变云图（如图16、17）。

由上图可见，花键轴承受的最大切应力为834.36MPa，最大扭转距离为0.079286mm。安全离合器动作足以保证传动轴过载荷。

5.结束语

本文利用UG软件的model模块获得三维模型数据；并通过基于VR技术的虚拟装配平台对其模型的可装配性加以验证，得到精确合理的零部件三维模型。

进而简化割台部件传动系统的模型，应用理论力学、物理知识计算分析了刀盘所受的力可近视看作为正弦脉冲力并得出随时间变化的等效载荷公式；得出花键轴所需承受的最大载荷与玉米青贮收获机工作行走速度间的关系，分别得出不同速度花键轴所需承受的最大载荷图。

根据材料力学及花键轴的尺寸参数计算出花键轴的屈服强度，进行结果比较。最后，得出花键轴较容易过载的结论，并提出了加装超越离合器的方案，加以分析得到花键轴接近最大载荷时超越离合器的扭矩值。

加以验证，符合实际工作情况，解决了传动系统中的薄弱环节。

参考文献：

[1]Qing-Hui Wang， Jing-Rong Li Interactive visualization of complex dynamic virtual environments for industrial assemblies Computers in Industry， Volume 57， Issue 4，May 2006，Pages 366-377

[2]肖燕子.天然牧草青贮品质调控研究.《内蒙古农业大学硕士论文》，2012.05.01

[3]S系列多用途青（黄）贮饲草料收获设备.《农机具之友》，2004.12.28

[4]耿瑞韩，盘根.加大科技研发力度促进农作物秸秆综合利用―河南省驻马店市农作物秸秆综合利用调研报告.《中国农村科技》，2012.03.05第4卷第4期

第11篇

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模具毕业论文

引言

在目前激烈的市场竞争中，产品投入市场的迟早往往是成败的关键。模具是高质量、高效率的产品生产工具，模具开发周期占整个产品开发周期的主要部分。因此客户对模具开发周期要求越来越短，不少客户把模具的交货期放在第一位置，然后才是质量和价格。因此，如何在保证质量、控制成本的前提下缩短模具开发周期是值得认真考虑的问题。

模具开发周期包括模具设计、制造、装配与试模等阶段。所阶段出现的问题都会对整个开发周期都有直接的影响，但有些因素的作用是根本的、全局性的。笔者认为，人的因素及设计质量就是这样的因素。因此科龙模具厂采取了项目管理、并行工程及模块化设计等管理上及技术上的措施，以提高员工积极性并改善设计质量，最终目的是在保证质量、成本目标的前提下缩短模具开发周期。

1模具开发的项目管理实施方法

项目管理是一种为了在确定的时间范围内，完成一个既定的项目，通过一定的方式合理地组织有关人员，并有效地管理项目中的所有资源（人员、设备等）与数据，控制项目进度的系统管理方法。

模具之间存在着复杂的约束关系，并且每套模具的开发涉及到较多种岗位、多种设备。因此需要有负责人保证所需生产资源在模具开发过程中能及时到位，因此需要实施项目负责制。另外，项目负责制的实施还便于个人工作考核，有利于调动员工积极性。

模具厂有冲模工程部与塑模工程部。冲模工程部管辖四个项目组，塑模工程部为三个。模具任务分配方式以竞标为主，必要时协商分配。每个项目组设有一个项目经理、约两个设计员、四个工艺师和四个左右的钳工，工艺师包括模具制造工艺与数据编程人员。而其它的各种生产设备及操作员的调度由生产部的调度员统筹安排。如果项目组之间有资源需求的冲突而调度员不能解决时由厂领导仲裁。

厂内员工可通过竞职方式担任项目经理，选拔项目经理有三项标准：（1）了解模具开发的所有工序内容；（2）熟悉模具开发过程中的常见问题及解决方法；（3）有较强的判断和决策能力，善于管理和用人。

项目管理的内容之一就是要确定项目经理应担负的职责。本厂项目经理的职责有：（1）负责组织项目组在厂内竞标、承接新项目；（2）负责与客户交涉，包括确定产品细节、接受客户修改产品设计的要求、反映需要与客户协商才能解决的问题；（3）检查产品的工艺性，如果产品工艺性存在问题，则向客户反馈；（4）制定具体的项目进度计划；（5）负责对承接项目的全过程、全方位的质量控制、进度跟踪及内外协调工作；（6）负责完成组内评审及对重大方案、特殊结构、特殊用途的模具的会审；（7）负责组内成员的工作分配、培训及考核；（8）对组内成员的过失行为负责；（9）负责在组内开展“四新”技术的应用与技术攻关项目的立项、组织、实施等各项工作；（10）及时解决新模具在维修期内的各项整改及维修。

厂领导根据项目完成的时间、质量与成本考核项目经理。然后由项目经理考核项目组内员工，使责、权、利落实到每一位员工，有效调动了员工积极性并显著减少以前反复出现的问题。

2模具开发的并行工程实施方案

并行工程是缩短产品开发周期、提高质量与降低成本的有效方法。实施并行工程有助于提高产品设计、制造、装配等多个环节的质量。并行工程的核心是面向制造与装配的设计（DFMA）[1]。在模具开发中实施并行工程就是要进行产品及模具的可制造性与可装配性检查。

笔者为模具厂提出并实施了如图1所示并行工程实施方案。IMAN是基于统一数据库的PDM系统，基于IMAN集成各种CAX及DFX工具，并利用IMAN

的工作流模型实现了设计过程的集成。基于统一的产品三维特征模型，设计员利用CAD工具进行模具设计；工艺师利用CAM功能进行数控编程及CAPP进行工艺设计；审核者利用CAE功能进行冲压或注射成型过程模拟，利用DFX工具进行可制造性与可装配性分析。以上工作可以几乎同时进行，而且保证了产品及模具的相关尺寸的统一与安全。这就使审查时重点检查模具的方案和结构。基于统一数据库，各种职能的人可以看到感兴趣的某侧面的信息。

DFMA工具的开发是并行工程的工作重点之一。在以往的DFMA方法研究与系统实现中[2]，DFMA工具被动地对CAD输出的产品特征进行评价，而不能在CAD系统产生具体产品特征前即在概念设计阶段加以指导，使CAD系统要经过多次设计―检查―再设计循环才能求得满意解。为此科龙模具厂开发了集成CAD系统的DFMA工具。DFMA的工作过程可分两个阶段。第一阶段是，DFMA输出概念设计方案到CAD，这个方案具有最少的零件数量；第二阶段是，而CAD系统输出设计特征模型，经过特征映射后将制造特征模型输入到DFMA工具进行可制造性与可装配性分析。通过这种途径使DFMA知识库得到尽早利用，为缺乏知识的CAD系统把握方向。

通过对产品与模具的可制造性与可装配性的检查，就从源头消除了后续工序可能遇到的困难，大大减少出现缺陷和返工的可能性。

3模具的模块化设计方法与系统研究

缩短设计周期并提高设计质量是缩短整个模具开发周期的关键之一。模块化设计就是利用产品零部件在结构及功能上的相似性，而实现产品的标准化与组合化。大量实践表明，模块化设计能有效减少产品设计时间并提高设计质量。因此本文探索在模具设计中运用模块化设计方法。

3.1模具模块化设计的特点

模具的零部件在结构或功能上具有一定的相似性，因而有采用模块化设计方法的条件，但目前模具设计中应用模块化设计方法的研究报道还很少见。与其它种类的机械产品相比，模具的模块化有几项明显特点。

3.1.1模具零件的空间交错问题

模具零件在三维空间上相互交错，因此难于保证模块组合后没有发生空间干涉；难于清晰地进行模块划分。

笔者采取以下办法来克服这个问题：（1）利用Pro/E（或UGII等三维软件）的虚拟装配功能检测干涉；（2）按结构与功能划分相结合。模块划分就是部件划分并抽取共性过程。结构相对独立的部件按结构进行划分，设计出所谓的结构模块；而在空间上离散或结构变化大的部件则按功能划分，设计出所谓的功能模块。这样划分并进行相应的程序开发后，结构模块的结构可由结构参数为主，功能参数为辅简单求得；而对于功能模块，可由功能参数为主，结构参数为辅出发进行推理，在多种多样的结构形式中做出抉择。

3.1.2凸凹模及某些零部件外形无法预见

某些模具零件（如凸凹模）的形状和尺寸由产品决定因而无法在模块设计时预见到，所以只能按常见形状设计模块（如圆形或矩形的冲头）,适用面窄；某些模具零件（如冲压模的工件定位零件）虽然互相配合执行某一功能，但它们的空间布置难寻规律与共性，因此即使按功能划分也不能产生模块。

笔者认为，模块化是部件级的标准化，而零件标准化可视为零件级的模块化。两个级别上的标准化是互相配合的。因此，要开发零件库并纳入模块库，以弥补模块覆盖不全的缺憾。当零件必须逐个构造时，一个齐全的便于使用的零件库对提高效率很有帮助。

3.1.3模具类型与结构变化多

模具可有不同的工序性质，如落料、冲孔等；有不同的组合方式，如简单模、连续模等；还有不同的结构形式，种类极其繁多。因此，必须找到适当途径，使较少的模块能组合出多种多样模具。

为此，笔者提出了以下方法：（1）在Pro/E（或UGII等三维软件）的参数化设计功能及用户自定义特征功能的基础上进行二次开发，使模块具有较大“可塑性”，能根据不同的输入参数可产生较大的结构变化；（2）分层次设计模块。用户可调用任一层次上的模块，达到了灵活与效率两个目标。使用小模块有灵活多变的优点，但效率低，使用大模块则相反。

3.2模具模块化设计的实施

为了实施模块化设计，并证明以上方法的可行性，笔者基于Pro/E二次开发，开发出一套模具模块化CAD系统。系统分两大部分：模块库与模块库管理系统。

3.2.1模块库的建立

模块库的建立有三个步骤：模块划分、构造特征模型和用户自定义特征的生成。标准零件是模块的特例，存在于模块库中。标准零件的定义只需进行后两步骤。

模块划分是模块化设计的第一步。模块划分是否合理，直接影响模块化系统的功能、性能和成本[3]。每一类产品的模块划分都必须经过技术调研并反复论证才能得出划分结果。

对于模具而言，功能模块与结构模块是互相包容的。结构模块的在局部范围内可有较大的结构变化，因而它可以包含功能模块；而功能模块的局部结构可能较固定，因而它可以包含结构模块。

模块设计完成后，在Pro/E的零件/装配（Part/Assembly）空间中手工建构所需模块的特征模型，运用Pro/E的用户自定义特征功能，定义模块的两项可变参数：可变尺寸与装配关系，形成用户自定义特征(User-DefinedFeatures，UDFs)。生成用户自定义特征文件（以gph为后缀的文件）后按分组技术取名存储，即完成模块库的建立。

3.2.2模块库管理系统开发

系统通过两次推理，结构选择推理与模块的自动建模，实现模块的确定。第一次推理得到模块的大致结构，第二次推理最终确定模块的所有参数。通过这种途径实现模块“可塑性”目标。

在结构选择推理中，系统接受用户输入的模块名称、模块的功能参数和结构参数，进行推理，在模块库中求得适用模块的名称。如果不满意该结果，用户可指定模块名称。在这一步所得到的模块仍是不确定的，它缺少尺寸参数、精度、材料特征及装配关系的定义。

在自动建模推理中，系统利用输入的尺寸参数、精度特征、材料特征与装配关系定义，驱动用户自定义特征模型，动态地、自动地将模块特征模型构造出来并自动装配。自动建模函数运用C语言与Pro/E的二次开发工具Pro/TOOLKIT开发而成。UDFs的生成方法及参数驱动实现自动建模的程序见参考文献[4]。

通过模块的调用可迅速完成模具设计。这个系统在本厂应用后了模具设计周期明显缩短。由于在模块设计时认真考虑了模块的质量，因而对模具的质量起基础保证作用。模块库中存放的是相互独立的UDFs文件，因此本系统具有可扩充性。

4总结

由于采取了上述措施，科龙集团某一新品种空调的模具从设计到验收只需三个月就完成了，按可比工作量

计算，开发周期比以前缩短了约1/4，而且模具质量和成本都有所改善，明显增强企业竞争力。

参考文献

1王知衍译，面向制造与装配的产品设计，北京：机械工业出版社，1999

2张林宣，童秉枢，王春河等，一种实用的综合集成DFA系统的研究，清华大学学报（自然科学版），1998，38（11）：69-72

第12篇

论文摘要：本文以培养具有较强工程实际应用能力的人才为目标，构建了画法几何、工程制图、计算机绘图三部分内容融会贯通，徒手绘图、仪器绘图、计算机绘图三种绘图能力全面培养，机电产品、工程项目、软件系统三种对象协调应用的工程图学课程教学内容体系。

工程图学是工科学生最早接触的技术基础课程，它是一门将知识、实践、素质和能力融为一体的综合型课程，在培养学生的空间思维能力、提高学生的综合素质和创新能力方面具有重要作用。教学要服务于人才培养目标的实现，地方本科院校主要为地方经济建设和社会发展服务为前提，培养具有创新精神和实践能力的高素质应用型人才。因此，构建工程图学课程教学内容和体系，以适应较强工程实际应用能力的人才培养目标已是当务之急。

一、 基于应用型人才培养的工程图学教学目标

为达到“厚基础、宽口径、重能力、高素质、强能力、具有创新精神”的应用型人才模式培养目标，使学校所培养的学生适应地方经济发展和社会需要，不妨借鉴英国的机械类教育模式，即在教学中强调一个“用”字，一切以将来的实际应用为目标，对任何一门课程，都要求教师努力做到让学生在学习了这门课程之后即可运用所学的知识解决生产中的某些实际问题，这就要求每门课程设定的目标较清晰，让学生了解这门课程所学习的知识和培养的技能将来在社会工作中有何用途。为此，我们设定了如下明确的课程教学目标：一是熟练运用投影理论并遵照国家标准规定绘制和阅读工程图样；二是具有工程图学思维能力和工程图学素质，包括形象思维能力、图形表达能力、空间想象能力和严谨细致的工程素质；三是熟练运用某种CAD软件进行二维绘图和三维构型设计。

二、 构建符合人才培养目标的理论教学体系

教学体系直接反映了教学目的和培养目标，是培养学生综合素质和创新能力的核心环节。在教学过程中，我们把基本理论、创新能力、综合素质的协调发展作为教学目标，在学时少的情况下，不过于强调知识的完整与系统，对教学体系进行了重新优化和整合。

（一） 画法几何部分强调基础理论作用，淡化其难度

画法几何是满足工程设计的需要诞生的，它为工程和科学技术各个领域解决机械结构、空间几何及工程设计等问题提供了可靠的理论依据及解决问题的有效手段，可提高学生的空间想象能力和逻辑思维能力。但是，长期以来画法几何占用了大量的教学时间，因此，在教学中，我们重点讲清点、线、面和立体投影的基本理论，为学生学习工程制图打下基础，不强调画法几何的深度和广度，对于图解法、在三维建模时自动生成的截交线和相贯等比较抽象、难度较大的部分适当删减，剩余内容留作自学，学生可以根据自己的掌握情况选择取舍，教师可以给予相应的指导，做到因材施教。

（二） 工程制图部分重在工程实践和实际应用

工程制图的基本目的是培养学生利用二维图形表达三维形体的能力、阅读和绘制工程图样的能力。这是一个从“画法几何”理论到“工程图样”应用实践的跨越过程，而工程制图的实质内容就是零件图、装配图两大部分，教材中各章节都应该围绕这两个部分展开。授课时，首先采用现场教学的方式，在实验室和实训中心，甚至带学生到校外实习基地，让学生直接感受、观察、装拆、测绘或模拟工程安装，使学生对零件图、装配图的实用性这一特点有一个清楚的认识。

关于零件图部分，主要通过多个实例的讲解，把重点放在机件的表达方法、表面粗糙度、公差与配合等主要内容的实际应用上，对于尺寸标注和和专业课程密切相关，在此只是复习组合体尺寸标注部分，适当介绍一些常见工艺结构如铸造圆角、退刀槽等的标注方法。技术要求部分则重点介绍书写格式及其在图样上的标注方法，对有关符号的含意和选用只作简介，由学生自学。

关于装配图，在图形表达部分，重点介绍装配图表达方法的特点，即规定画法和特殊表达方法。尺寸标注重点讲解装配图中必要尺寸与零件图中完整尺寸标注的不同，通过举例说明性能尺寸、安装尺寸及装配尺寸等，使学生了解其标注的重要性，在后续课程学习和应用中引起重视。技术要求中配合符号在装配图中的标注及其与零件图的关系要向学生讲清楚，其余留待学生自学和后续课程讲解。让学生明确标题栏中的名称对看装配图的重要性以及明细表中零件的名称及材料对看图和拆图的重要性。

（三） 加强利用CAD软件进行三维构型的教学

在制造业中，设计人员在设计过程中实际是先在大脑中形成空间形体模型，然后运用投影法进行表达，画出平面图样，而生产技术人员首先阅读工程图样，然后通过空间想象，把图样中的内容转化到空间去，构建出三维形体后再按尺寸和技术要求进行加工生产，因此，在设计制造过程中，三维构形贯穿始终。但根据我国目前机械装备现状，采用三维实体建模设计的企业绝大部分还只在产品的设计、研发、分析等环节采用三维技术，而最终的生产制造环节还要将其转换为二维图样进行生产，从我国制造业发展纵向分析，工程形体的三维造型表达完全取代二维图样还需要一个过程，因此，在教学中要做到制图基础与实体构形相结合，零件图绘制与零件实体造型相结合，装配图绘制与虚拟装配相结合，常用零件的画法与相应零件的实体模型相结合，三维造型设计与制造、分析相结合。

三、 构建符合人才培养目标的实践教学体系

工程图学是一门实践性很强的技术基础课，只有通过实践，让学生尽快将图学知识转化为图学能力，学生的创新素质和应用能力才能得到提升，因此，我们构筑的实践教学体系主要有以下几方面：

（一） 徒手绘图、仪器绘图、计算机绘图基本技能训练

在仪器测绘、讨论设计方案、技术交流、现场参观时，受现场条件或时间的限制，经常绘制草图，草图对于捕捉设计灵感，现场记录，加速新产品的设计、开发，帮助技术人员组织、形成和拓展思路非常有用。仪器绘图既是工程技术人员的必备基本技能，又是学习和巩固图学理论知识不可缺少的方法，在计算机绘图技术广泛应用的今天，仍然必不可少。因此，在教学中，徒手绘图、仪器绘图和计算机绘图一样作为基础平台，贯穿在教学的全过程。

（二） 部件测绘动手环节

在部件测绘动手环节中，学生通过测绘方法的确定、尺寸数据的获取及处理、公差与配合、工量具的正确使用、装配图的表达方案的最优选择等内容，增强工程意识，理论与实践相结合，为提高学生的图学能力和工程应用能力打下了基础。

（三） 三维构形设计

三维构形设计就是在给出一定约束条件的前提下，让学生通过自己的想象、分析，构思三维形体，自主进行组合体、零件和装配体的设计以及计算机辅助造型等一系列设计，采取自由创作和发现、收集、分析、比较案例的实践方式，培养创新设计能力，从而促进学生图学素质和创新素质的提升。

综上所述，培养工程应用型人才应强调学用结合，在工程图学教学中应重点突出“学以致用”，而不是主要强调知识的完整性和系统性。笔者面向企业应用与技术创新，推动工程图学教育改革，使画法几何、工程制图、计算机绘图三部分内容融会贯通，徒手绘图、仪器绘图、计算机绘图三种绘图能力全面培养，机电产品、工程项目、软件系统三种形态对象协调应用，加强测绘和设计环节教学，并且在教学中注重充分发挥教师的主导作用和学生的主体作用，采用启发式、讨论式、案例式等教学方法，为学生图学能力的提高和胜任相关工作奠定了良好的基础。

参考文献：

［1］王兰美.机械制图［M］.北京：高等教育出版社，2003

第13篇

随着电子、机械等工业技术的飞速发展和生产商对加工精度要求的不断提高，产品的固有可靠性逐步提高。然而，无论产品的固有可靠性提高到哪种程度，都不可能达到百分之百，随着贮存、运输和使用等时间上的积累，产品总会有发生故障的时候。一旦产品发生故障，必须有方便快捷、经济实惠的维修手段以恢复产品的性能。因此，维修是否快速有效将直接关系到使用者的经济利益。产品的维修可达性将直接影响维修活动工作量的大小，改善产品的维修可达性将极大的提高产品的系统效能，同时节省产品的寿命周期费用。由于产品的维修可达性是产品本身固有的质量特性，因此解决维修可达性问题必须从设计人手。

随着计算机信息科学的飞速发展，尤其是本世纪在计算机图形学技术、高性能图形系统和虚拟现实方面的诞生了不少的研究成果，维修过程在获得实物样机或原型机之前就可以开始进行。产品设计和开发的模式也随之发生了变化。DELMIA、Jack等计算机辅助设计软件和技术的广泛应用，可以辅助设计人员完成包含数字样机、虚拟维修人员和虚拟维修工具的虚拟维修操作流程仿真。在设计阶段即开展对设计方案和设计布局的数字仿真，可以避免实物原型的制作，节约了从设计到定型的时间，提高了设计效率，从而降低了开发成本；前期开展的虚拟维修工程评价工作，在一定程度上优化了设计方案和设计布局，因此可以避免不合理的设计，减少给后续维修工作造成的不便。

维修操作空间定量评价方法

维修是一种需要人参与的活动，适当的维修空间将提高维修效率和维修人员的舒适程度。这一节的主要内容是确定适当的维修操作空间的大小。

在设计产品时，适当的操作空间的具体尺寸需要依据维修人员的身体尺寸和操作姿态来确定。因此维修操作空间应考虑维修人员的影响因素，如实体可达性。人的上肢可以接触到的空间范围分为最佳范围、正常范围和最大范围。人体上肢的作业范围是一个三维空间，维修人员的最大操作空间和舒适度随着操作高度、手臂延伸线与人体中线的夹角角度的改变而发生变化。为了便于分析人体上肢的操作范围，建立数学模型描述人体各部分的尺寸和相对位置。

软件工具设计和案例探究

CATIA是法达索公司（Dassault Systemes）与IBM公司（International Business Machines Corporation国际商业机器公司）联合开发的一款CAD/CAE/CAM软件，主要为客户提品外形设计、机械零件设计、配合结构设计、组装、数控加工等功能，并提供大量的标准尺寸零件模型，使得企业可以缩短开发周期，快速迭代设计方案，对市场需求做出敏捷的反应。CATIA是目前应用最广泛数字样机设计开发软件之一，应用范围涵盖等航空航天、建筑、船舶、汽车、铁路等多个领域。DELMIA（Digital Enterprise Lean Manufacturing Interaction Application）是法国达索（Dassault Systemes）公司生产的一款数字化企业的互动制造应用软件，是PLM（Product Life Management）系列产品之一。该软件与CATIA互为补充，呈现上下游关系，共同贯穿产品的设计周期。利用CATIA制作数字样机后，可在DELMIA中进行物流过程分析、维修、装配、工艺规划、与机器人配合等多种功能的虚拟演示和模拟，是一个面向设计、制造、维护、人机过程的“数字化工厂”仿真平台。便于用户检查设计方案的缺陷和漏洞，及时更改设计方案，降低研发成本，缩短研发时间，实现快速上市的目的。DELMIA中含有一个Human Task Simulation模块，包含虚拟人模型、人体动作模型、维修工具等内容，用于模拟人机交互过程，实现虚拟维修、虚拟拆卸、虚拟装配等功能，也是本研究中重点使用的模块，包含本研究中所需要的大部分数据。本研究基于CATIA与DELMIA现有的软件功能和数据库进行二次开发，研究目标是在客户已经完成产品设计和数字样机的制作的情况下，根据已制作好的虚拟维修仿真动画，针对产品的维修操作空间的完成定量评估。

软件的二次开发是在现有软件产品的基础上，对软件功能进行延伸和扩展，或实现和其他软件的对接并实现数据的交换和传输。二次开发一般针对某一类特定的用户，通过添加更个性化、专业化的功能和模块，使得软件功能更具有针对性，用户的需求得以实现，工作效率得以提高。DELMIA为不开源的软件，为实现二次开发必须利用软件开发商为用户专门准备的二次开发接口。为灵活地满足不同客户的需要，DELMIA提供了多种二次开发的接口：一是CAD格式接口，方便客户加载在CAD环境下设计的数字样机，实现模型结构、尺寸、颜色渲染等数据的导入导出；二是知识工程，这是DELMIA的一个专门模块，知识工程利用参数化定义的方法对人体模型和基础动作单元进行了建模，建立一个标准模型库，用户可以通过关键参数调用标准模型库中的模块，从而实现快速建模，完成设计任务；三是采用自动化对象编程的接口Automation API（Application Programming Interface），能够实现宏指令的编写，或利用宏与VB开发语言（Visual Basic）相结合编写简易程序；四是开放的基于构件的应用编程接口CAA（Component Application Architecture，应用组件架构），这是DELMIA的一套C++函数库，这一接口主要用于与C++开发语言链接，方便客户使用C++编写所需程序，用户可通过快速应用研发环境RADE（Rapid Application Development Environment）和不同的API（Application Programming Interface）接口完成从DELMIA数据库中调取数据到C++程序中的过程。

该案例为针对拆卸某型号大型客机APU上六角螺母的维修空间定量评估。目的是利用所提出的方法和开发的软件工具，对维修操作空间进行定量评价，以展示方法的灵活性和有效性以及软件的可用性和可靠性。该大型客机APU的虚拟维修操作动画截图如图1所示。该大型客机APU上有12颗六角螺母，选取123号螺母作为典型案例，三颗螺母的位置如图2所示。

这三颗螺母中，显然3号周围的障碍物少，对扳手的使用影响较少，同时位置较低，距离肩膀较近，手臂只需微微向上伸出即可接触到，因而上肢舒适度较高。该螺母周围的空间无需定量评估，定性评估即可确定等级为优秀。1号螺母虽然位置很高，但是周围的障碍物少，手部可达到1200旋转。2号螺母位置较高且周围障碍物较多，维修人员手部只能达到600旋转。本案例中选取2号螺母进行分析。

第一步打开程序，连接虚拟环境，选定虚拟人并连接。第二步选定关键帧，抓取扳手之后，选取手部携工具接近、旋转卸下六角螺母、手部携工具离开这三帧内容。第三步系统提示选取第一帧的维修活动单元类型，为平移，此时软件自动计算第一帧的扫掠舒适度PV、上肢舒适度r和该帧总舒适度s，x=0，y=0，z=1，但不在界面中显示。第四步系统提示选取第二帧的维修活动单元类型，为旋转，如图3所示，此后软件自动计算第一帧的扫掠舒适度Pv、上肢舒适度r和该帧总舒适度s，x=0，y=1，z=1，但不在界面中显示。第五步系统提示选取第三帧的维修活动单元类型，为平移，此时软件自动计算第三帧的扫掠舒适度Pv、上肢舒适度r和该帧总舒适度s，x=0，y=1，z=2，但不在界面中显示。第六步系统自动根据已有的x、y、z，计算s的评价标准，（0.8x+0.75y+0.9z）为优秀阈值，（0 5x+0.25y+0.7z）为差阈值，该部分不在界面中显示。第七步系统输出三帧中每一帧的s值，并与s的优秀阈值和差阈值比较，给出空间评价结论。该案例中具体数据截图如图4所示。得出结论该部分操作空间维修性差，必须加以改进。

本文以维修操作空间为研究对象，在前人基于扫掠体积的维修操作空间的定量评价方法的理论基础上，对与维修操作空间相近的概念进行学习和研究，参考作业空间的评价方法，在维修操作空间的定量评估中加入针对上肢舒适度的评判标准。在熟练掌握DELMIA使用方法的基础上，对其进行二次开发，基于前述原理完成软件工具设计，并取得了现。利用某型号大型客机APU对该原理及软件工具进行了实例验证，证实了该方法的可行性和该软件的实用性。

第14篇

大工程观的本质就是将科学、技术、非技术、工程实践融为一体的，具有实践性、整合性、创新性的工程模式教育理念体系。大工程观作为一种新型工程教育理念体系，1993年由美国麻省理工学院（MIT）院长乔尔•莫西斯提出。大工程观教育理念更加重视工程实际以及工程教育本身的系统性和完整性，得到了国内外教育界的认可。在我国，2010年教育部启动卓越工程师教育培养计划，专家们指出，未来的优秀工程师应该具备大工程观，这既是科技发展的趋势、学科交融的必然，又是社会的需求；2014年国务院召开常务会议部署加快发展现代职业教育，进一步强调了以实践为基础的工程教育目标。由此可见，培养大工程观的工程教育理念已经成为高等工程教育改革的方向。大工程观要求工程教育提供综合的知识背景，强调工程的实践性，培养学生的创造性。大工程观特别强调培养一名优秀的现代化工程师应该主要具备以下3个方面的能力：

（1）工程实践能力。

既强调单元工程的设计能力，更关注单元工程与系统、与环境的关联，强调用联系的观点分析和解决工程实践中出现的问题。

（2）多学科的背景以及多方面的能力。

既强调专业知识领域内的知识要点，更强调各个知识领域之间的关联性和整体性，关注多学科的交叉与融合。强调所具备能力的多样性，包括学习能力与自学能力、工程思维能力和创新能力、协调能力与组织能力等。

（3）职业道德以及社会责任感。

不仅要有高超的科学技术水平，还要有良好的人文素质，即宏思维能力，强调能把科技创新活动同人类社会的重大问题紧密结合。基于大工程观的高等工程教育理念，课程改革是核心，大工程观要在教学中通过各门课程加以落实。课程教学改革重点要处理好较宽的知识应用能力与较系统的专业知识体系的关系。

2机械制图课程教学特点

机械制图课程是理工科大学机械类专业必修的一门重要的技术基础课，主要目的是培养学生识图和绘制机械图样的能力，具有很强的工程实践性。在大工程观背景下，机械制图课程的教学存在着与高素质应用型人才的高等工程教育培养目标不适应的地方，主要体现在：

（1）过于重视学科的发展以及学生科学知识的获得，而忽视学生工程素质的培养；过于重视学生专业技术知识的学习，而忽视学生工程实践能力的培养，以致在专业学习与实践工程中，学生实际应用能力较差，能够用到实践中的产品设计能力弱，准确、标准、快速的完成视图表达能力凸显不足。

（2）传统的教学采用以二维为主线的教学方式，整体、直观表达不够，使得学生对该课程难入门，且三维建模与形体表达能力不够。

（3）教学手段贫乏，仍以课堂讲授为主，课程缺少综合性、与实际应用紧密联系的实践性教学环节，更缺少客观考核学习效果的评价方式。教学空间封闭，尤其缺少引导学生深入学习较复杂机构图样的项目，不利于工程思维能力和创新能力的培养。

3课程改革的思路与内容

机械制图课程改革，即应适应大工程观理念的高等工程教育培养目标，强调工程意识、工程素质、工程实践能力的培养。近年来，课程组在机械制图课程教学活动中，坚持以大工程观教育理念为导向，突出工程应用这一主题，在教学理念、教学内容、教学手段、教学方法等方面进行了一系列改革与实践，取得了初步成效，对其他课程起到了示范作用。

（1）以制图大赛为风向标，引入工程教学理念。

一方面，将国家制图标准训练作为常规化教学，通过常规化的国家制图标准训练，使学生制图时做到结构设计合理、图纸表达标准、尺寸及技术要求标注可测可加工，避免设计出来的图纸不能应用到生产实践中的尴尬。另一方面，以大赛要求深化教学理念，强化设计、制图、表达三者间的关系，切实提高学生的综合运用能力和现代设计能力。以制图大赛作为课程教学的风向标，可以帮助学生明确学习目标，以大赛标准作为常规化教学，对学生工程实践能力的获得具有重要意义。

（2）引入三维—二维—三维的教学方法，突出直观教学。

传统的制图教学以二维设计为主线，这种方式增加了抽象思维的难度，影响教学效果。三维—二维—三维的双向教学方法，则突破传统教学方法，以三维作为教学的切入点，采用直观教学，更好的帮助学生掌握教学难点。由于三维实体模型具有形象、直观的特点，使学生对制图方法的掌握更为容易。等学生具备基本的二维图制图能力后，再由二维回到三维建模。使学生既能掌握由零部件到工程图的转换，完成设计的过程，又能实现由工程图到具体的零部件的转换，从而能够校验设计过程的合理性，理解设计的过程是一个不断反复、不断优化的过程，以符合现代工程设计的需要。三维—二维—三维的双向教学方法，可以让学生通过虚拟样机的虚拟装配、干涉检查、机构运动分析等操作避免产品试制过程中可能遇到的问题，从而提高工程实践应用能力。

（3）融入项目法教学，教学辅导因材施教。

教学过程中，融入项目法教学，提高学生的学习主动性。用符合专业实际需要的案例给学生布置学习任务，以此引出教学内容。以学生为主体，分组合作，在此过程中以建议的形式给学生提供必要的知识信息，以提问的形式引导学生拿出解决方案。然后对不同的方案进行讨论、分析、选出最佳方案。教学过程中，加强对学生的个体辅导，并针对不同层次学生的学习方法指导因材施教。融入项目驱动教学法，将变学生被动学习为主动学习，培养学生的发散思维与求异思维，对培养学生的工程综合素质与创新能力有极大的促进作用。

（4）创办第二课堂，提高创新能力。

创办第二课堂，加强课外辅导，采用项目驱动经行教学，满足不同层次学生的需要，培养学生的创新设计能力。项目内容来源于两方面：一是大赛项目；二是学生自主构思产品，如科技论文报告会参赛作品。教学过程中将制图与表达方法相结合。老师给出项目任务后，由学生利用三维软件完成构思设计或建立实物模型（如用橡皮泥制作），结合模型的特点，选择不同的表达方法（包括不同的剖切面和剖切种类），加以分析比较，选择合适的方法完成二维平面图，绘制零件图和装配图。最后建立三维动画，验证设计标准。通过第二课堂，学生根据自己的认知水平、知识结构层次自由选择学习内容，自行规划、安排学习进程，达到学习个性化的目的。

（5）考核方式。

考核，有利于强化学生的技能训练。科学、合理的考核方式应该注重对学生素质和能力的考查。《机械制图》是一门工程性、实践性都非常强的专业基础课，其有效的考核方式尤其应突出学生的实践应用能力，强调绘图的工程可用性。《机械制图》的考核可分为三个部分：徒手绘图、课程结束性考试和项目设计考查。徒手绘图能力考核，占课程总成绩的20％。这部分考核，应突出考核徒手绘图及机件表达能力，从视图表达和尺寸标注，到最终形成图纸，要求图线清晰、投影正确、尺寸标注正确合理、字体工整。课程结束性考试，占课程总成绩的50％。考核内容包括：绘图基础知识的掌握和工程图的阅读、分析与绘制。绘图基础知识含：机械制图的国家标准、几何作图；常用的基本投影方法；平面体、曲面体的三视图及体表面取点；常用的平面与回转体相交的截交线；平面体与回转体的表面交线和圆柱正交的相贯线等等。工程图的阅读、分析与绘制含：组合体、轴测图、典型机件、标准件与常用件的读图绘图方法、符合国家标准的常规画法及尺寸标注方法；装配图、零件图的工艺结构、尺寸标注、表面粗糙度及技术要求的标注方法；公差与配合、形位公差的标注方法；从装配图拆画零件图，并合理的标注零件的尺寸等。项目设计考核，占课程总成绩的30％。项目设计内容，需结合工程实例，指定几个机械产品，让学生分组选做。让学生利用第二课堂，通过讨论、作业、测绘和计算机绘图等环节完成一个复杂机构的产品设计与建模。该项目考核中强调结合现代设计理念，提高三维设计能力，因此对该部分30％的考核比重分配建议：对二维设计的能力考核占课程总成绩的10％，要求能够选择合适的方法完成二维平面图，绘制零件图和装配图；对三维设计的能力考核占课程总成绩的20％，要求能建立三维动画，验证设计标准。

4结语

第15篇

引言

在目前激烈的市场竞争中，产品投入市场的迟早往往是成败的关键。模具是高质量、高效率的产品生产工具，模具开发周期占整个产品开发周期的主要部分。因此客户对模具开发周期要求越来越短，不少客户把模具的交货期放在第一位置，然后才是质量和价格。因此，如何在保证质量、控制成本的前提下缩短模具开发周期是值得认真考虑的问题。

模具开发周期包括模具设计、制造、装配与试模等阶段。所阶段出现的问题都会对整个开发周期都有直接的影响，但有些因素的作用是根本的、全局性的。笔者认为，人的因素及设计质量就是这样的因素。因此科龙模具厂采取了项目管理、并行工程及模块化设计等管理上及技术上的措施，以提高员工积极性并改善设计质量，最终目的是在保证质量、成本目标的前提下缩短模具开发周期。

1模具开发的项目管理实施方法

项目管理是一种为了在确定的时间范围内，完成一个既定的项目，通过一定的方式合理地组织有关人员，并有效地管理项目中的所有资源（人员、设备等）与数据，控制项目进度的系统管理方法。

模具之间存在着复杂的约束关系，并且每套模具的开发涉及到较多种岗位、多种设备。因此需要有负责人保证所需生产资源在模具开发过程中能及时到位，因此需要实施项目负责制。另外，项目负责制的实施还便于个人工作考核，有利于调动员工积极性。

模具厂有冲模工程部与塑模工程部。冲模工程部管辖四个项目组，塑模工程部为三个。模具任务分配方式以竞标为主，必要时协商分配。每个项目组设有一个项目经理、约两个设计员、四个工艺师和四个左右的钳工，工艺师包括模具制造工艺与数据编程人员。而其它的各种生产设备及操作员的调度由生产部的调度员统筹安排。如果项目组之间有资源需求的冲突而调度员不能解决时由厂领导仲裁。

厂内员工可通过竞职方式担任项目经理，选拔项目经理有三项标准：（1）了解模具开发的所有工序内容；（2）熟悉模具开发过程中的常见问题及解决方法；（3）有较强的判断和决策能力，善于管理和用人。

项目管理的内容之一就是要确定项目经理应担负的职责。本厂项目经理的职责有：（1）负责组织项目组在厂内竞标、承接新项目；（2）负责与客户交涉，包括确定产品细节、接受客户修改产品设计的要求、反映需要与客户协商才能解决的问题；（3）检查产品的工艺性，如果产品工艺性存在问题，则向客户反馈；（4）制定具体的项目进度计划；（5）负责对承接项目的全过程、全方位的质量控制、进度跟踪及内外协调工作；（6）负责完成组内评审及对重大方案、特殊结构、特殊用途的模具的会审；（7）负责组内成员的工作分配、培训及考核；（8）对组内成员的过失行为负责；（9）负责在组内开展“四新”技术的应用与技术攻关项目的立项、组织、实施等各项工作；（10）及时解决新模具在维修期内的各项整改及维修。

厂领导根据项目完成的时间、质量与成本考核项目经理。然后由项目经理考核项目组内员工，使责、权、利落实到每一位员工，有效调动了员工积极性并显著减少以前反复出现的问题。

2模具开发的并行工程实施方案

并行工程是缩短产品开发周期、提高质量与降低成本的有效方法。实施并行工程有助于提高产品设计、制造、装配等多个环节的质量。并行工程的核心是面向制造与装配的设计（DFMA）[1]。在模具开发中实施并行工程就是要进行产品及模具的可制造性与可装配性检查。

笔者为模具厂提出并实施了如图1所示并行工程实施方案。IMAN是基于统一数据库的PDM系统，基于IMAN集成各种CAX及DFX工具，并利用IMAN

的工作流模型实现了设计过程的集成。基于统一的产品三维特征模型，设计员利用CAD工具进行模具设计；工艺师利用CAM功能进行数控编程及CAPP进行工艺设计；审核者利用CAE功能进行冲压或注射成型过程模拟，利用DFX工具进行可制造性与可装配性分析。以上工作可以几乎同时进行，而且保证了产品及模具的相关尺寸的统一与安全。这就使审查时重点检查模具的方案和结构。基于统一数据库，各种职能的人可以看到感兴趣的某侧面的信息。

DFMA工具的开发是并行工程的工作重点之一。在以往的DFMA方法研究与系统实现中[2]，DFMA工具被动地对CAD输出的产品特征进行评价，而不能在CAD系统产生具体产品特征前即在概念设计阶段加以指导，使CAD系统要经过多次设计―检查―再设计循环才能求得满意解。为此科龙模具厂开发了集成CAD系统的DFMA工具。DFMA的工作过程可分两个阶段。第一阶段是，DFMA输出概念设计方案到CAD，这个方案具有最少的零件数量；第二阶段是，而CAD系统输出设计特征模型，经过特征映射后将制造特征模型输入到DFMA工具进行可制造性与可装配性分析。通过这种途径使DFMA知识库得到尽早利用，为缺乏知识的CAD系统把握方向。

通过对产品与模具的可制造性与可装配性的检查，就从源头消除了后续工序可能遇到的困难，大大减少出现缺陷和返工的可能性。

3模具的模块化设计方法与系统研究

缩短设计周期并提高设计质量是缩短整个模具开发周期的关键之一。模块化设计就是利用产品零部件在结构及功能上的相似性，而实现产品的标准化与组合化。大量实践表明，模块化设计能有效减少产品设计时间并提高设计质量。因此本文探索在模具设计中运用模块化设计方法。

3.1模具模块化设计的特点

模具的零部件在结构或功能上具有一定的相似性，因而有采用模块化设计方法的条件，但目前模具设计中应用模块化设计方法的研究报道还很少见。与其它种类的机械产品相比，模具的模块化有几项明显特点。

3.1.1模具零件的空间交错问题

模具零件在三维空间上相互交错，因此难于保证模块组合后没有发生空间干涉；难于清晰地进行模块划分。

笔者采取以下办法来克服这个问题：（1）利用Pro/E（或UGII等三维软件）的虚拟装配功能检测干涉；（2）按结构与功能划分相结合。模块划分就是部件划分并抽取共性过程。结构相对独立的部件按结构进行划分，设计出所谓的结构模块；而在空间上离散或结构变化大的部件则按功能划分，设计出所谓的功能模块。这样划分并进行相应的程序开发后，结构模块的结构可由结构参数为主，功能参数为辅简单求得；而对于功能模块，可由功能参数为主，结构参数为辅出发进行推理，在多种多样的结构形式中做出抉择。

3.1.2凸凹模及某些零部件外形无法预见

某些模具零件（如凸凹模）的形状和尺寸由产品决定因而无法在模块设计时预见到，所以只能按常见形状设计模块（如圆形或矩形的冲头）,适用面窄；某些模具零件（如冲压模的工件定位零件）虽然互相配合执行某一功能，但它们的空间布置难寻规律与共性，因此即使按功能划分也不能产生模块。

笔者认为，模块化是部件级的标准化，而零件标准化可视为零件级的模块化。两个级别上的标准化是互相配合的。因此，要开发零件库并纳入模块库，以弥补模块覆盖不全的缺憾。当零件必须逐个构造时，一个齐全的便于使用的零件库对提高效率很有帮助。

3.1.3模具类型与结构变化多

模具可有不同的工序性质，如落料、冲孔等；有不同的组合方式，如简单模、连续模等；还有不同的结构形式，种类极其繁多。因此，必须找到适当途径，使较少的模块能组合出多种多样模具。

为此，笔者提出了以下方法：（1）在Pro/E（或UGII等三维软件）的参数化设计功能及用户自定义特征功能的基础上进行二次开发，使模块具有较大“可塑性”，能根据不同的输入参数可产生较大的结构变化；（2）分层次设计模块。用户可调用任一层次上的模块，达到了灵活与效率两个目标。使用小模块有灵活多变的优点，但效率低，使用大模块则相反。

3.2模具模块化设计的实施

为了实施模块化设计，并证明以上方法的可行性，笔者基于Pro/E二次开发，开发出一套模具模块化CAD系统。系统分两大部分：模块库与模块库管理系统。

3.2.1模块库的建立

模块库的建立有三个步骤：模块划分、构造特征模型和用户自定义特征的生成。标准零件是模块的特例，存在于模块库中。标准零件的定义只需进行后两步骤。

模块划分是模块化设计的第一步。模块划分是否合理，直接影响模块化系统的功能、性能和成本[3]。每一类产品的模块划分都必须经过技术调研并反复论证才能得出划分结果。

对于模具而言，功能模块与结构模块是互相包容的。结构模块的在局部范围内可有较大的结构变化，因而它可以包含功能模块；而功能模块的局部结构可能较固定，因而它可以包含结构模块。

模块设计完成后，在Pro/E的零件/装配（Part/Assembly）空间中手工建构所需模块的特征模型，运用Pro/E的用户自定义特征功能，定义模块的两项可变参数：可变尺寸与装配关系，形成用户自定义特征(User-DefinedFeatures，UDFs)。生成用户自定义特征文件（以gph为后缀的文件）后按分组技术取名存储，即完成模块库的建立。

3.2.2模块库管理系统开发

系统通过两次推理，结构选择推理与模块的自动建模，实现模块的确定。第一次推理得到模块的大致结构，第二次推理最终确定模块的所有参数。通过这种途径实现模块“可塑性”目标。

在结构选择推理中，系统接受用户输入的模块名称、模块的功能参数和结构参数，进行推理，在模块库中求得适用模块的名称。如果不满意该结果，用户可指定模块名称。在这一步所得到的模块仍是不确定的，它缺少尺寸参数、精度、材料特征及装配关系的定义。

在自动建模推理中，系统利用输入的尺寸参数、精度特征、材料特征与装配关系定义，驱动用户自定义特征模型，动态地、自动地将模块特征模型构造出来并自动装配。自动建模函数运用C语言与Pro/E的二次开发工具Pro/TOOLKIT开发而成。UDFs的生成方法及参数驱动实现自动建模的程序见参考文献[4]。

通过模块的调用可迅速完成模具设计。这个系统在本厂应用后了模具设计周期明显缩短。由于在模块设计时认真考虑了模块的质量，因而对模具的质量起基础保证作用。模块库中存放的是相互独立的UDFs文件，因此本系统具有可扩充性。

4总结

由于采取了上述措施，科龙集团某一新品种空调的模具从设计到验收只需三个月就完成了，按可比工作量

计算，开发周期比以前缩短了约1/4，而且模具质量和成本都有所改善，明显增强企业竞争力。

参考文献

1王知衍译，面向制造与装配的产品设计，北京：机械工业出版社，1999

2张林宣，童秉枢，王春河等，一种实用的综合集成DFA系统的研究，清华大学学报（自然科学版），1998，38（11）：69-72