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中圖分類號： S611 文獻標識碼： A 文章編號：

一、前言

隨著市場競爭的激化，產(chǎn)品開發(fā)已經(jīng)成為了企業(yè)的競爭力和發(fā)展必要的手段。在產(chǎn)品開發(fā)時，我們要完善設計技術，降低產(chǎn)品的成本和生產(chǎn)周期。虛擬裝配技術就很好的滿足了這個要求。

二、虛擬裝配技術研究現(xiàn)狀

國外對虛擬裝配技術的研究起步較早，在理論上的研究涉及面廣，且已經(jīng)有較為廣泛的應用。美國華盛頓州立大學的Jyaaram等開發(fā)研制了一個稱為“虛擬裝配設計環(huán)境”(VADE)的虛擬裝配設計系統(tǒng)。利用這個系統(tǒng)，設計人員可以在設計工作的初期便可考慮有關裝配和拆卸的問題，從而避免了裝配設計方面的缺陷。在這個系統(tǒng)中，設計人員首先將在CAD系統(tǒng)建立的零件模型導入虛擬裝配系統(tǒng)，然后在虛擬裝配系統(tǒng)中直接操作虛擬零件進行裝配，有關產(chǎn)品的可裝配性得到檢驗，同時也獲得了許多有關產(chǎn)品的設計和制造工藝信息。Dewar等提出了虛擬環(huán)境中輔助進行手工裝配的方法，該方法能夠自動記錄操作人員在虛擬環(huán)境中對虛擬部件的裝配動作，還能輔助操作人員自動進行裝配，并且詢問操作人員裝配時的裝配方法，同時生成裝配規(guī)劃。

三、相關技術分析

虛擬裝配系統(tǒng)的關鍵技術主要有：面向裝配的產(chǎn)品建模，裝配序列規(guī)劃策略，虛擬裝配仿真技術，可裝配性評價技術。

1.面向裝配的產(chǎn)品建模技術

產(chǎn)品裝配建模是虛擬裝配設計的重要環(huán)節(jié)，其實質(zhì)在于如何在計算機內(nèi)有效地表達裝配體內(nèi)在和外在的關系。模型的優(yōu)劣直接影響到設計系統(tǒng)后續(xù)工作的效率，故而建立一個集成度高、信息完善的裝配模型具有重要的意義。

2.裝配序列規(guī)劃策略

在機械產(chǎn)品裝配中，一組零件或子裝配體的裝配順序起著關鍵的作用。裝配同一產(chǎn)品可以用不同的裝配順序，這些不同的裝配順序形成了不同的裝配序列。按照某些裝配序列，可以較順利地組織裝配，最終達到設計要求；而有些裝配序列的采用，由于各種原因，卻不能達到指定的裝配目標。裝配序列規(guī)劃就是在給定產(chǎn)品設計的條件下，找出合理、可行的裝配序列，按照這樣的序列，可以達到指定的裝配目標。

3.虛擬裝配仿真技術

采用虛擬裝配技術是為了在設計階段就驗證零件之間的配合性和基于二叉樹結構的裝配模型可裝配性，保證設計的正確性。通過預覽數(shù)字化產(chǎn)品，對規(guī)劃的裝配過程(裝配順序和裝配路徑)進行檢驗，對產(chǎn)品可裝配性做出評測，從裝配角度獲得反饋信息，及時調(diào)整設計，進而達到提高設計質(zhì)量的目的。因此，裝配仿真可以視為面向裝配設計的重要手段，以彌補傳統(tǒng)裝配設計分析方法的不足。

四、虛擬裝配工作內(nèi)容

1.虛擬裝配前期準備

虛擬裝配工作涉及內(nèi)容較多, 范圍較廣, 因此前期準備工作十分重要。首先要制定虛擬裝配的總體時間計劃, 時間計劃中要包含制造工程師對工序進行調(diào)整和的時間、虛擬裝配工程師在數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中建立工序結構樹的時間、工程支持部門數(shù)據(jù)健康性檢查報告以及數(shù)據(jù)凍結及下載的時間、進行虛擬裝配及生成報告的時間。

虛擬裝配對數(shù)據(jù)具有較高的要求: 數(shù)據(jù)要在正確的結構樹中; 要生成正確完整的輕量化文件; 數(shù)據(jù)版本要進行; 車輛要正確配置; 整車位置正確; 數(shù)據(jù)層次正確, 父級子級無重復零件, 左右件無重復特征。然后進行數(shù)據(jù)模型的準備工作, 對于新的項目要確定項目的車型組成, 按不同車型進行分類整理并保存數(shù)模, 而對于改型車型, 就要重點確定項目的更改內(nèi)容, 然后保存更改之后的車型數(shù)模, 這樣就為虛擬裝配做好了數(shù)模的準備。還要確定項目的組織結構, 確認相關設計人員和專業(yè)虛擬裝配人員所應承擔的職責和權限, 為后續(xù)工作打下基礎。最后, 在進行整車的虛擬裝配工作之前要明確數(shù)據(jù)管理的重點, 要以檢查前最新版本的零件清單為依據(jù), 明確當前缺少數(shù)據(jù)模型的零件, 并保證所有零件都有相應的工位信息,然后明確記錄數(shù)據(jù)版本, 利用實時數(shù)字樣機仿真與分析系統(tǒng)Vismockup的快照功能對數(shù)模信息進行完整記錄。

五、虛擬裝配技術在汽車變速箱設計中的應用

1.研究目標

為了適應現(xiàn)代化制造及并行設計的思想，我們嘗試把虛擬制造裝配應用到汽車變速箱的設計中，通過研究，希望達到以下目標：

（一）汽車變速箱實現(xiàn)面向裝配的設計，為下一步的開發(fā)研制提供實施方法及理論支持，實現(xiàn)縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低產(chǎn)品成本，提高質(zhì)量。

（二）變速箱零件全部實現(xiàn)三維實體模型。

（三）建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理，實現(xiàn)產(chǎn)品的設計數(shù)據(jù)共享。

（四）實現(xiàn)自上而下的設計。

2.虛擬裝配技術在變速箱設計中的應用

汽車變速箱作為汽車的重要傳動部件之一，其設計的優(yōu)劣直接影響到整個汽車的性能。具體到變速箱的設計過程中，虛擬裝配技術的應用思想、方法、具體的實現(xiàn)途徑如下：

（一）在總體設計階段，根據(jù)變速箱的設計要求以及總體設計參數(shù)建立變速箱的主模型空間。首先根據(jù)汽車整個設計的需要，確定變速箱箱體尺寸和大致外形；根據(jù)變速要求，我們的設計采用的是三軸式變速器，包括主軸、移動軸和中間軸；檔位為六檔，五個前進檔，一個倒檔。

（二）在裝配設計階段，完成變速箱結構、系統(tǒng)零件形狀的基本設計，是變速箱設計的重要階段。首先我們要完成的是如何實現(xiàn)變速器的功能要求，也就是如何實現(xiàn)其變速，接下來要進行的是確定裝配基準、裝配層次、裝配約束。以變速器的后箱體的內(nèi)表面為裝配基準，分為以下幾個裝配區(qū)域：前蓋子裝配體，后蓋子裝配體，操縱蓋子裝配體。每一個子裝配體又由下一級的子裝配體和零件組成，主要是按照零部件間的設計邏輯依附關系來確定模型的父子關系，這樣一步一步設計出變速器所有零部件模型的設計。

（三）詳細設計階段中，在保證所有零件的干涉自由和運動協(xié)調(diào)時，完善變速箱所有零件的設計工作。

六、虛擬裝配技術存在的不足及發(fā)展趨勢

1.擬實化程度將越來越高

從其自身來講，虛擬裝配有著不可逾越的優(yōu)越性，然而，它在工業(yè)領域應用的成功程度卻要取決于它對真實世界模擬的逼真程度。擬實化涉及虛擬裝配最根本的兩個方面，也就是虛擬產(chǎn)品模型和虛擬裝配仿真過程。目前數(shù)字化模型的虛擬裝配過程尚不能完全取代物理模型的裝配過程，這就限制了其應用范圍。隨著工業(yè)界應用要求的提高以及基于物理屬性建模技術、虛擬現(xiàn)實技術和多模式人機交互技術的發(fā)展，虛擬裝配擬實化程度必將越來越高，在可預見的將來完全有可能取代物理實物的試裝配過程，從而大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期并節(jié)約開發(fā)成本。

2.實現(xiàn)標準化

縱觀工業(yè)領域各種技術的發(fā)展與應用，大都有一個從非標準化到標準化的發(fā)展過程，這一過程同樣適用于虛擬裝配技術。當前虛擬裝配涉及的技術和表達方式都沒有統(tǒng)一的標準，這是其發(fā)展狀況所決定的一個必經(jīng)階段。隨著在工業(yè)領域應用的逐步展開，如果沒有統(tǒng)一的標準，必將影響虛擬裝配技術的應用范圍，從而阻礙其發(fā)展，因此，實現(xiàn)標準化是虛擬裝配技術發(fā)展的必然趨勢。

七、結語

面對激烈的市場競爭，虛擬裝配在市場競爭中發(fā)揮了重要的作用。在虛擬裝配的應用中，我們要改變傳統(tǒng)的設計理念，進行合理的裝配。只有這樣，在以后的產(chǎn)品設計和開發(fā)中虛擬裝配技術才會有更好的發(fā)展空間。

參考文獻

[1]劉金玲 趙榮遠 虛擬裝配技術在整車研發(fā)中的應用[J]上海汽車 2011 (12)

篇（2）

論文摘要：討論了對零部件繁多、大型或精密產(chǎn)品進行原型展示、功能分析和虛擬裝配時的功能需求；針對這些功能需求設計了一種虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)結構．基于模塊化的思想提出一種既可以分布處理又可以集成整合的系統(tǒng)框架．對其中主要功能模塊——控制核心模塊、裝配控制模塊、圖形引擎模塊、文件服務模塊、數(shù)據(jù)服務模塊和應用服務模塊的功能進行了詳細的討論．詳細研究了本系統(tǒng)關鍵技術中的三項：主動立體顯示技術、可裝配性評價和實時碰撞檢測方法．

裝配過程直接影響產(chǎn)品的性能、成本和質(zhì)量，還影響產(chǎn)品生命周期各個環(huán)節(jié)：資源和原材料的利用、生產(chǎn)過程的管理、工裝的制備、調(diào)試維護的便捷和回收性能．

虛擬裝配系統(tǒng)可使用戶在產(chǎn)品生產(chǎn)以前在虛擬環(huán)境中模擬實際的裝配過程，評價零部件 的可裝配性 ；預先檢驗裝配結果，展示產(chǎn)品原型結構和功能 ；分析產(chǎn)品原型性能，并最終利用這些結果指導實際設計開發(fā)過程，從而大大節(jié)約開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期．

本文討論了對復雜零部件、大型或精密產(chǎn)品進行原型展示、功能分析和虛擬裝配時的功能需求，設計了原型展示分析與虛擬裝配系統(tǒng)(PAVAS)的體系結構，基于模塊化的思想提出一種既可以分布處理又可以集成整合的系統(tǒng)框架，并研究了組成系統(tǒng)框架的一些關鍵技術．

1 系統(tǒng)體系結構

本系統(tǒng)是面向大型復雜產(chǎn)品虛擬裝配和結構功能展示及性能分析而設計的，所以它主要包括產(chǎn)品虛擬裝配功能、產(chǎn)品功能虛擬展示和強沉浸感顯示三大功能．與一般性的虛擬裝配系統(tǒng)不同，本系統(tǒng)更加偏重于后兩點功能的表現(xiàn)．為實現(xiàn)功能需求，系統(tǒng)采用了如圖 1所示的硬件結構 ．各部分功能如圖2所示．其中Onyx4系統(tǒng)通過 5BNC接口與 CRT和投影儀連接；PC機通過 RS232接 口對 Onyx4系統(tǒng)的控制臺進行操作，還通過以太網(wǎng)接口向Onyx4系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)文件；數(shù)據(jù)服務器和應用服務器通過以太網(wǎng)與Onyx4系統(tǒng)連接 ，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互相傳輸．其中數(shù)據(jù)服務器和應用服務器可根據(jù)實際需求進行特定的功能配置或者省略．

2 系統(tǒng)模塊及功能

本系統(tǒng)的模塊如圖3所示．整個系統(tǒng)在 IRIX6．5上基于 Performer 3．2．2構建．主要分為控制核心、裝配控制、圖形引擎、文件服務、數(shù)據(jù)服務和應用服務 6個大模塊[ 1 J．其中前 3個模塊作為系統(tǒng)功能核心，安裝于同一硬件系統(tǒng)中，通過計算機內(nèi)部總線和相應的數(shù)據(jù)協(xié)議進行連接；后 3個模塊可根據(jù)系統(tǒng)應用的實際情況，分別安裝于獨立的服務器通過快速以太網(wǎng)進行連接或者與核心功能模塊安裝在一起．PAVAS系統(tǒng)模塊功能分述如下 ．

1)控制核心．控制核心用于協(xié)調(diào)和管理PAVAS的其他各個模塊，進行消息管理并提供控制臺連接，同時支持基本 I／O設備．

2)裝配控制模塊．它需要完成 4點主要功能：裝配關系模型的創(chuàng)建和管理、約束管理、裝配路徑管理、可裝配性評價．

3)圖形引擎．生成虛擬環(huán)境，創(chuàng)建裝配和展示場景；處理用戶與系統(tǒng)的交互；在操作時進行實時碰撞檢測；立體顯示輸出；提供物理系統(tǒng)．

4)文件服務模塊．實現(xiàn)產(chǎn)品原始數(shù)字模型與系統(tǒng)文件格式之間的雙向轉(zhuǎn)換；與數(shù)據(jù)服務模塊進行雙向通信，將模型信息傳遞其中以供其他模塊利用，或者將修改后的模型數(shù)據(jù)導出．

5)數(shù)據(jù)服務模塊．存儲產(chǎn)品模型和虛擬場景數(shù)據(jù)信息；綜合文件服務模塊提供的模型信息和應用服務模塊提供的交互信息供高層模塊使用；將高層模塊運行生成的新模型信息和交互反饋信息傳遞給文件服務模塊和應用服務模塊．

6)應用服務器．提供 I／0接口；處理人機交互信息；與數(shù)據(jù)服務模塊雙向通信實現(xiàn)交互信息的寫人及輸出．

3 系統(tǒng)關鍵技術分析

PAVAS的關鍵技術主要有：主動立體顯示技術、實時的快速碰撞檢測技術、虛擬環(huán)境中物理系統(tǒng)的模型建立與實現(xiàn)技術、人機交互模型的建立與交互設備之間的聯(lián)系方法、裝配模型的創(chuàng)建和表達技術、約束的識別和捕捉技術以及數(shù)據(jù)服務模塊中數(shù)據(jù)庫結構與文件結構之間的轉(zhuǎn)換等．本文主要分析主動立體顯示技術、產(chǎn)品可裝配性評價和實時快速碰撞檢測技術．

3．1 主動立體顯示中的圖像視差計算

由于人的兩眼之間存在瞳距，所以每只眼睛感受的圖像之 間也存在一個水平方向的差距，如圖 4所示．大腦利用這個差距來處理圖像從而產(chǎn)生立體感 ．

主動立體顯示就是通過使左右眼圖像分時交替在顯示屏上刷新顯示實現(xiàn)的．立體圖像的計算方法主要有旋轉(zhuǎn)法和雙中心法，如圖5所示．

旋轉(zhuǎn)法采用一個投影中心，通過使被觀察對象分別向兩個方向旋轉(zhuǎn)相同角度投影來計算左右眼圖像，如圖 5a所示．使用這種方法得到：

其中，Xo，y0，Zo是 P0的坐標；是兩次旋轉(zhuǎn)后位置的夾角．這種方法需要作除法運算，因此速度稍慢，且會在實際使用中造成原理屏幕中心的地方垂直視差增大的情況．雙中心法因采用兩個 投影 中心，如 圖 5b所示 ，因此得到：

這種方法可以避免產(chǎn)生垂直誤差，效果較好．在這一系列的計算過程中，諸如用戶瞳距、用戶與被觀察對象的距離等數(shù)據(jù)可以通過交互設備進行實時跟蹤或者針對應用使用平均數(shù)據(jù)．

3．2 零件和產(chǎn)品的可裝配性評價

對于零件的可裝配性評價 ：首先選擇 種因素對產(chǎn)品零件的可裝配性進行評價，定義 F= 表示影響因素集合；U(z)表示裝配難度的隸屬度函數(shù)，z代表影響因素的特征值， 亂，見表為影響因素集對應的影響因素重要程度向量，其中a 表示因素 對零件可裝配性影響程度的大小，且滿足：

定義零件的可裝配性指數(shù)根據(jù)．廠的取值來評價零件的可裝配性．對于產(chǎn)品的可裝配性評價：在零件可裝配性評價的基礎上定義產(chǎn)品的可裝配性指數(shù)向量，A 為零件P 可裝配性指數(shù)．另定義 0為n*m階模糊關系矩陣，元素 O 代表零件 只中因素 對裝配難度的隸屬度函數(shù)值．

則有而產(chǎn)品的可裝配性指數(shù)產(chǎn)品的平均可裝配性指數(shù) A ，則為A 與零件總數(shù) 的商．A 作為最 終的產(chǎn)品可裝配性評價指標．

3．3 實時的快速碰撞檢測方法

在實時碰撞檢測中，主要解決時間步長問題、多物體對測試問題和兩兩物體對測試問題．PAVAS系統(tǒng)的實時碰撞檢測按照以下規(guī)則進行．

規(guī)則1 在碰撞頻率較高的時候采用小時間步長檢測 ，在碰撞頻率較低的時候采用大步長檢測．時間步長同時與被檢測對象的相對運動速度相關．

規(guī)則2 免除靜止模型之間的碰撞檢測；免除距運動模型較遠物體與運動模型之間的碰撞檢測；對于距運動模型較近物體首先采用 K—dop包圍盒算法進行粗略檢測，若發(fā)生碰撞則改用精密的檢測算法 ．

規(guī)則 3 在精密的檢測和針對具有內(nèi)部空間的多面體零件的裝配檢測過程中使用距離跟蹤算法 ．

4 應用實例

按照本 文思路，基于 SGI Onyx4可視化系統(tǒng) 、科視立體投影系統(tǒng)和 Dell PE46大型服務器等硬件設備構建了虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)；利用 uG，OpenGL PerforlTler和 C語言等軟件、庫和開發(fā)語言構建用于數(shù)控機床運動分析和虛擬裝配的原型系統(tǒng)．圖 6是某數(shù)控機床模型在系統(tǒng)屏幕上的投影；圖 7是該機床主軸有限元分析結果在屏幕上的投影 ．

5 結 語

1)本文提出的PAVAS軟硬件結構可根據(jù)實際應用對系統(tǒng)的功能需求進行不同的配置，可以構建成基于 PC或者基于工作站甚至小型機的系統(tǒng)．

2)系統(tǒng)采用雙中心投影法來實現(xiàn)主動立體顯示，消除了垂直誤差，提高了運行速度，在給人沉浸感的同時增加舒適性．

3)系統(tǒng)綜合目前采用的一些碰撞檢測方法結合 K—dop和距離跟蹤法來進行碰撞檢測，在不失精度的前提下可進一步加快計算速度．

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1 機床專用夾具設計內(nèi)容

機床專用夾具一般是由夾緊裝置、對刀裝置、定位裝置和夾具體等基本裝置組成，其內(nèi)容主要包括：⑴設計夾具的定位機構。此過程主要包括了對夾具定位元件與機構的選擇、方案的確定和對定位誤差的計算等。定位元件的選擇則是包括定位元件的結構、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、以外圓柱表面進行定位，之后在根據(jù)不同的定位方式來進行定位誤差的計算。⑵設計夾具的夾緊裝置。這部分主要是由力源裝置、夾緊元件與夾緊機構、中間的傳力機構組成，包括夾具夾緊元件與機構的選擇、夾緊方案的確定以及計算夾緊力和切削力等。斜楔夾緊機構、螺旋夾緊機構、聯(lián)動夾緊機構等則是屬于對夾緊機構的選擇，根據(jù)切削力計算夾緊力的大小并且確定合理的夾緊方案。⑶設計夾具的對定機構。夾具對定機構的設計包括對刀裝置與元件、引導裝置與元件、分度裝置以及其相關的計算，如定向鍵、對刀塊、計算刀塊到定位元件位置的尺寸、分度裝置、計算分度誤差等。

⑷夾具總體裝配布置和其工藝的設計。

2 機床專用夾具設計時的常用步驟

（1）明確設計的要求和生產(chǎn)所需條件、認真調(diào)查并收集設計資料；（2）確定夾具所用的結構方案、并且繪制夾具所需要的總圖；（3）對夾具精度的校核和繪制夾具零件的工作圖；（4）夾具設計時其質(zhì)量的評估。

3 機床專用夾具的對象裝配

機床專用夾具裝配時的的對象模型是由機床專用夾具的裝配對象和另一個對象之間的組合，因為根據(jù)大量的實例研究來看，無論是機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的。機床專用夾具的對象裝配之間的原則是指裝配對象之間互相存在的約束關系。這種關系都是由裝配對象以及幾何特征和裝配幾何特征之間的裝配來進行約束的。根據(jù)人們研究的模型來看，組成裝配幾何特征的裝配元素根據(jù)幾何特點可以分為平面、曲面、直線、曲線、點等；通過對它的特點分析，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，對裝配幾何特征來說，它的排列方式不是沒有規(guī)則可言的，它的排列還存在著尺寸的約束。

4 機床專用夾具的裝配過程

自上而下的裝配過程是非常符合復雜裝配的一種方法，它的設計步驟為：⑴確定設計目標。⑵提供設計時所需要的模型。⑶開始對部件進行設計。從設計好的實體模型中可以看出，這種自上而下的設計方法就是在建立各個零件間的關系，并且在每個零件設計好之后自動的進行裝配。這種自上而下的設計技術是在參數(shù)化特征造型后，CAD技術再次重要突破。

5 機床專用夾具設計實例

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8H7的孔和兩個奎8mm TL都已加工好。而本工序加工時所需的要求有：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階梯孔的距離是254-O.1mm。后兩項要注公差，加工的要求較低，試設計車床專用夾具。

首先要確定定位方案和設計定位裝置。工階梯孔的加工工序的基準和限位基準為都分度滑盤的上表面。根據(jù)基準垂合的原理，分度滑盤的上表面應該為定位基準。分度滑盤的上表面用來限制XY方向轉(zhuǎn)動和Z方向移動這三個自由度的。第二確定夾緊的方案和設計其夾緊裝置。車床夾具的夾緊裝置必須安全又可靠。夾緊時力作用點和方向應按|以下要求進行選擇：主要的夾緊力的方向應朝向主要定位基準，作用點靠近支承面的幾何中心；夾緊力方向應利于減少夾緊力，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應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床的連接方式。對于徑向尺寸大的夾具，一般是通過車床主軸軸頸和過渡盤進行連接的。之后裝配在過渡盤的凸緣上，然后再用螺釘進行緊固。最后進行分度裝置設計。

6 結語

機床夾具在機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。這對一個企業(yè)來說也是一種影響。企業(yè)在長期機床夾具的生產(chǎn)中會積累一定的生產(chǎn)經(jīng)驗領用這些來提高家具生產(chǎn)的效率。本文就簡單的對機床專用夾具參數(shù)化虛擬裝配進行了討論，討論了零件與部件之間的連接關系、零件的設計信息和在Pro/E系統(tǒng)中機床專用夾具怎樣進行虛擬裝配等。

通過對機床夾具的了解，我們知道了利用CAD平臺上機床虛擬裝配技術可以快捷的實現(xiàn)夾具的裝配過程，這樣的方法不僅節(jié)省了很多時間和裝配人員的體力，還不易出錯，這樣大大的提高了機床專用家具的生產(chǎn)效率。這對一個企業(yè)來說是不僅提高了生產(chǎn)能力、降低了成本，還提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。機床夾具參數(shù)化虛擬裝配的研究對我國也起著很大的作用。

[參考文獻]

[1]吳祿慎，蔡厚道.基于UG平臺的專用機床夾具設計[J].南昌大學學報（工科版），2010，32（1）.

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一、引言

飛速發(fā)展的計算機技術使虛擬現(xiàn)實技術已經(jīng)從前沿高科技敏感領域進入了教育領域，開始為教育的各個分支服務。計算機可以將現(xiàn)實的實驗實習設備變成虛擬的，并利用網(wǎng)絡生成虛擬的實驗室現(xiàn)實，真實、直觀地表現(xiàn)出眾多領域的實際內(nèi)容。它把創(chuàng)建一種全新的教學環(huán)境，大幅度改善教學設施和條件，提高學生學習效率變成可能。

二、虛擬現(xiàn)實技術

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術是利用計算機三維軟件設計制造技術、多媒體技術、仿真技術、網(wǎng)絡技術等多種前沿技術，生成高級的人機虛擬界面。操作者利用計算機輸入設備，或者設備，通過語言、手勢進入虛擬環(huán)境，在虛擬環(huán)境中進行實時交互，并且能夠感知和操作虛擬環(huán)境中的各種對象，進而獲得身臨其境的感受和體驗。

虛擬現(xiàn)實技術具有沉浸感、交互性和想象力三個基本特征。在實際的教學實踐中，學習的主角是學生，我們利用虛擬技術使學生脫離課本利用虛擬界面的信息圖像進行操作，讓學生從身臨其境的學習中得到真實的知識反饋。而且，學生沉浸在虛擬空間中，感嘆超越現(xiàn)實的虛擬技術的同時，他們會自覺地探索未知，積極主動地尋求問題的答案，從而達到學習的目的。虛擬現(xiàn)實技術廣闊的應用前景和優(yōu)越性使其在教育領域中發(fā)揮很重要的作用。

（一）虛擬實驗的應用

虛擬實驗是指充分利用先進的互聯(lián)網(wǎng)或者局域網(wǎng)進行各種各樣的教學實驗。它可以充分調(diào)動學生的學習興趣，不斷提高實驗效果，擴展實驗方法，加大實驗力度，可以有效地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。在虛擬實驗中，學生通過光標的移動，把計算機上各種虛擬儀器按實驗要求和過程組裝成一個完整的實驗系統(tǒng)，同時再利用系統(tǒng)來完成整個實驗操作，包括實驗原材料的添加、條件的改變、實驗數(shù)據(jù)的收集，從而進一步進行實驗結果的模擬、分析等。這樣的教學模式不僅可以避免真實實驗操作帶來的潛在危險，減少實驗成本，還可以有效提高學習效率。

（二）在專業(yè)技能培訓中的應用

現(xiàn)代職業(yè)教育的教與學，是傳授知識和學習知識。創(chuàng)造有利于技能訓練的條件，發(fā)揮學生的潛能，提高學生實踐動手能力，是當前職業(yè)培訓面臨的重要任務。計算機虛擬技術的運用對目前職業(yè)培訓是一個很重要的手段。其優(yōu)越性具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

1．合理配置資源

實習實踐訓練是技能培訓過程中技能訓練、提升最重要的一個環(huán)節(jié)。然而，目前職業(yè)學校的存在突出矛盾是儀器設備的更新率遠遠跟不上時展的需要。由于培訓設施與企業(yè)的要求嚴重脫節(jié)，不能滿足企業(yè)和學生的需要。職業(yè)教育手段的滯后性將嚴重阻礙學生能力的培養(yǎng)，沒有物質(zhì)基礎談何培養(yǎng)學生的動手能力、創(chuàng)新能力？而借助于先進的計算機技術――虛擬技術可以算是一個解決問題的重要且有效的手段。由于復雜零件或部件都是通過計算機圖形軟件設計制造的，由實踐者參與設計其功用，采用系統(tǒng)集成式結構，將任務分解成多個模塊，可根據(jù)技能培訓需要改變設計參數(shù)“生成”新的零部件，可以擴展教學實踐內(nèi)容，不斷更新虛擬設備，使實踐操作訓練能及時跟上企業(yè)的需求，跟上時代步伐而不至于淘汰。另外，虛擬軟件制造的設備還具有良好的集成性、控制性和交互性，不斷改進等優(yōu)點。利用虛擬現(xiàn)實三維技術在實習實踐訓練中不需要任何實物，實踐過程中使用的零件種類和數(shù)量由建好的或不斷更新的模型庫提供的優(yōu)勢，可為學生和教師提供很難接觸到的最先進設備、儀器的訓練機會，像利用實物一樣能達到訓練的目的。通過虛擬軟件構建其三維模型比實物訓練更直觀、更實用，而且可以減少因在教學中經(jīng)費有限，可能無法購買先進設備而造成的遺憾。

2．改善提高培訓效果

在技能培訓中，很多操作性要求很強的科目，像汽車故障診斷、電路維修、發(fā)動機組裝等科目，教學中需要各種各樣的汽車、發(fā)動機進行技能訓練，學生通過不斷拆裝、結合汽車日常故障維修，不斷強化提升學生的技能。在培訓時由于受課時、實習訓練設備，以及實習場地的制約，教師教的非常辛苦，學生學的累且常感覺學不到真正的技術，培訓效果很不理想。而利用仿真技術在發(fā)動機的裝配過程及運動仿真實訓中的優(yōu)勢，教師傳授知識方便、通俗易懂，學生可以輕松地進行多種發(fā)動機的拆裝實習，既直觀又形象并且可重復練習，直到真正掌握為止。這是現(xiàn)實實踐技能訓練中很難做到的。學生全面了解了發(fā)動機結構及裝配關系，為進一步進行故障實戰(zhàn)訓練打下堅實基礎，進而激發(fā)學生自學的積極性和成就感，提高培訓效果。

3．培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力

現(xiàn)代職業(yè)技能培訓不僅傳授學生基礎知識和技能，更重要的是學生自學能力、創(chuàng)新能力、分析問題能力和解決問題的能力的培養(yǎng)。改變傳統(tǒng)的培訓模式，運用計算機虛擬技術，利用學生對計算機的興趣，逐漸改變學習的被動局面，讓學生積極參與教學、實踐中，發(fā)揮年輕人善于接受新知識、學習新事物的主動性。像計算機虛擬技術用于虛擬教學中，系統(tǒng)集成化的實驗內(nèi)容和實驗儀器，加上開放式的虛擬實驗環(huán)境，既便于教師講授，又能讓學生自行實驗和設計實驗，充分調(diào)動學生的積極性，激發(fā)他們主動掌握和探索知識的興趣。這樣一個全新的仿真學習情境，學生可以修改設計，獲得不同的產(chǎn)品，還可以設計小制作，這本身就是一種創(chuàng)新能力的提高。

隨著科技的發(fā)展，未來將有更多的新技術、新手段用于教育教學中，使教與學變得更和諧、更高效。

參考文獻：

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1．引言

FA702并紗機用于將棉、毛、絹、化纖等寶塔筒子單紗及細紗管紗并成股紗供捻線用，外形最長尺寸達13.670米，排布的零部件很多，如需更改總體的尺寸，如按照常規(guī)的設計方法，需更改細節(jié)的零件參數(shù)，再重新調(diào)整裝配約束，這樣耗時且很容易出錯。

UGNX／WAVE技術使設計者將驅(qū)動設計結構中最重要的總體設計參數(shù)建立在具有相關性的控制結構中，僅用幾個設計變量表達式就可以控制設計的總體結構、尺寸，修改關鍵設計參數(shù)及表達式，可使整個零部件自動更新。因此，在這一設計過程中，設計員只需對關鍵部件的關鍵參數(shù)進行修改就可以得到正確的設計結構和數(shù)據(jù)。

2．FA702并紗機的結構和特點

(1)結構特點：

設計新穎，結構合理，車速高，噪音低，操作方便。整機為兩面車，分離傳動，易于調(diào)整。筒錠為雙支撐形式，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，適應高速生產(chǎn)。

(2)結構簡介

本機由以下部分組成：車頭傳動，機架，卷繞，斷頭自停，托盤，車尾傳動，供紗架與張力裝置等部分組成。

(3)主要機構

1)卷繞機構2)防疊裝置3)斷頭自停機構

(4)總體布置

圖1FA702并紗機的總體布置圖

3.UGNX／WAVE技術

(1)UGNX/WAVE基礎知識

WAVE是一種實現(xiàn)產(chǎn)品裝配的各組件間關聯(lián)建模的技術，采用關聯(lián)性復制幾何體方法來控制總體裝配結構，從而保證整個裝配和零部件的參數(shù)關聯(lián)性，最適合于復雜產(chǎn)品的幾何界面相關性、產(chǎn)品系列化和變型產(chǎn)品的快速設計。

總體設計可以嚴格控制子系統(tǒng)和零部件的關鍵尺寸與形狀，而無需考慮細節(jié)設計；而子系統(tǒng)和零部件的細節(jié)設計對總體設計沒有影響，并無權改變總體設計的關鍵尺寸。因此，當總體設計的關鍵尺寸修改后，子系統(tǒng)和零部件的設計自動更新，從而避免了零部件的重復設計的浪費，使得后續(xù)零部件的細節(jié)設計得到到有效的管理和再利用，大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期。

(2)基本概念

1)控制結構:傳遞產(chǎn)品全局性的參數(shù)、外形、基準位置等約束條件至零件進行詳細設計的樹狀結構。

2)起始部件:包含零件詳細設計所必需的各種約束條件的Ugpart文件。對于不同零件所需的不同約束條件，通過CopyGeometrytoPart來包含不同的約束條件，可以通過引用集的區(qū)分不同的幾何體。

3)連接零件:產(chǎn)品結構樹和控制結構樹發(fā)生關聯(lián)的UGPart文件，在其中進行詳細設計，使其成為產(chǎn)品結構樹中的零件或部件。

4.WAVE應用在FA702并紗機設計的實例

(1)確定FA702并紗機設計的總體控制參數(shù)及子系統(tǒng)的設計控制參數(shù)

總體控制參數(shù)：并紗機的總長、總寬及總高，各子系統(tǒng)的位置及總體形狀，子系統(tǒng)的總體布置、形狀參數(shù)，建立用于控制系統(tǒng)的主參數(shù)。

(2)建立并紗機的控制結構

確定完控制參數(shù)之后，應先建立總體裝配結構的樹形結構，協(xié)調(diào)所有子系統(tǒng)之間的幾何關系和位置關系。樹形結構以每個功能部件族作為子節(jié)點，父節(jié)點與子節(jié)點之間的幾何關系及各節(jié)點之間的位置關系則由相關幾何參數(shù)和位置參數(shù)來確定。

圖2FA702并紗機的總體控制結構

圖3FA702并紗機的總體控制結構裝配樹

(3)建立并紗機子系統(tǒng)的控制結構

同上，建立子系統(tǒng)的控制結構，如車尾傳動的控制結構

圖4FA702并紗機的車尾傳動部分控制結構

(4)零件細節(jié)設計

根據(jù)建立的子系統(tǒng)控制結構，再分解到進一步的子零件控制組件，建立起始部件，進而建立連接部件，在連接部件中進行零部件的細節(jié)設計。

(5)產(chǎn)品裝配

完成整個零部件模型詳細設計后，使用UGNX的裝配功能將零部件進行裝配，生成產(chǎn)品裝配?？梢酝ㄟ^調(diào)整主參數(shù)來驅(qū)動整個模型，在控制結構的管理和控制下，設計整個產(chǎn)品開發(fā)形成一個有機整體。圖5為完成的FA702裝配圖。

圖5FA702并紗機的裝配模型

5結束語

WAVE技術為我們提供了一個很好的工作平臺，總體參數(shù)的定義與應用完全可以用控制結構來實現(xiàn)，當上一級參數(shù)發(fā)生改變時，下一級參數(shù)也會發(fā)生改變更新，一旦總體參數(shù)發(fā)生改變，零部件的控制幾何體自動更新，這樣既保證了整體裝配結構的一致性，又使得設計效率大大提高。

參考文獻

1 美]Unigraphics Solution Inc.UG WAVE產(chǎn)品設計技術培訓教程[M].北京:清華大學出版杜,2002·

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中圖分類號：TP391.9

1 虛擬校園總體設計

虛擬校園系統(tǒng)包括三維虛擬校園場景建模、虛擬漫游、虛擬教室和虛擬教學、虛擬數(shù)字圖書館、虛擬實驗室、行政管理系統(tǒng)等功能模塊。三維虛擬場景建模主要是利用三維建模軟件3DS Max對學校主要建筑、地形、景觀等進行建模，包括教學樓、實驗樓、圖書館、體育場館、行政樓、宿舍樓等主要標志建筑；虛擬漫游是利用三維游戲引擎Unity3D提供的角色控制組件、相機控制組件等結合C#代碼控制虛擬角色在虛擬校園場景模型里的行動來實現(xiàn)虛擬場景漫游。虛擬數(shù)字圖書館提供三維圖書館的虛擬現(xiàn)實環(huán)境，并實現(xiàn)了漫游圖書館的虛擬角色預定圖書館自習室座位的特色功能。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，并對校園遠景規(guī)劃提供決策支持。本文的研究內(nèi)容的特點主要有如下幾個方面：首先是在虛擬教學方面，詳細闡述如何利用強大的三維游戲引擎Unity，結合socket網(wǎng)絡通信，建立實時多人在線虛擬教室，使得用戶能遠程接受如同身臨其境般的虛擬教學，相比于傳統(tǒng)的遠程教育模式，本文設計的虛擬教學系統(tǒng)具有虛擬角色對應、多人實時在線音視頻交流互動、遠程提交批閱作業(yè)等沉浸式虛擬環(huán)境；其次，在虛擬實驗室設計上，特別是在基礎物理、化學、生物實驗方面，提供完全仿真過程的實驗系統(tǒng)，避免真實實驗過程中可能發(fā)生的有毒性、爆炸性等潛在安全風險，同時能省去實驗器材、實驗藥品等的花費；在機械的虛擬裝配方面，參照裝配流程，通過三維模型在虛擬空間的三維坐標的控制實現(xiàn)裝配過程，節(jié)約了機械零部件成本，同時能給予用戶裝配流程指導；再次，在虛擬校園系統(tǒng)的實現(xiàn)上，充分考慮到現(xiàn)在校園用戶對移動終端的使用頻繁度，利用Unity引擎強大的跨平臺特性，多平臺的虛擬校園系統(tǒng)，特別是支持移動終端的虛擬校園系統(tǒng)，使得用戶能通過訪問移動互聯(lián)網(wǎng)方便的使用本系統(tǒng)提供的豐富的功能，既方便用戶隨時學習和使用，也增強了學習和使用的趣味性和吸引力，對提高學生用戶的學習興趣有促進作用。本系統(tǒng)設計思路框圖如圖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，由于學校是小區(qū)域，而且實地地勢比較平坦，因而，本論文的地表模型建立為一個平面。在模型的構建中需要注意的是多邊形模型的優(yōu)化，一個虛擬的校園系統(tǒng)還是比較大的，對模型充分的優(yōu)化可以最大化減小最后網(wǎng)絡文件的大小，利于用戶瀏覽。空間背景和空間本身都是無限大的，但是空間背景可以理解為包圍在空間周圍的一個球狀殼體，稱為空間背景球體。整個空間背景可以分為兩個部分：天空和地面，兩者之間以地平線分隔。設置背景是通過設定Background節(jié)點的各域的參數(shù)來實現(xiàn)的，可分為兩種設定方式，一種是通過顏色插值模擬大地和天空；一種是構造背景的全景圖。在虛擬校園系統(tǒng)中采用了設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。虛擬教學是利用虛擬現(xiàn)實技術來模擬教學過程，將教學過程真實的展現(xiàn)出來，它不僅能夠彌補院校硬件設施的不足，打破傳統(tǒng)的說教的教學模式，而且虛擬現(xiàn)實的強大的畫面感會很大程度的提高學生上課的積極性，尤其是在一些實際操作性非常強的專業(yè)上，如導游、旅游、自動化、機械、動漫等專業(yè)，可以通過動畫模擬的形式將理論知識呈現(xiàn)出來。不僅如此，本系統(tǒng)同時還可以對學校的宣傳起到積極的推動作用，方便想了解學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”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)的關鍵，人機交互部分的主要是利用鼠標或者鍵盤等計算機輸入、輸出設備控制有關設備的運行和理解，并執(zhí)行通過人機交互設備傳來的有關的各種命令和要求。虛擬校園的最終用戶主要是學生、老師或者家長，所以其人機交互界面，必須以一般大眾（而非專家）為其用戶對象，以簡單直觀、方便快捷為目的。在本系統(tǒng)中主要的人機交互包括GUI界面設計和漫游設計。用戶通過瀏覽器可以直接打開軟件，進入使用界面，界面中可以呈現(xiàn)多種的漫游界面以供選擇，例如自動導航、手動導航燈。

基于虛擬校園的人機交互，它能使得用戶就像親身行走在校園之中。隨著天氣和時間的不同，校園中的光線等也隨之發(fā)生變化，對校園景貌進行環(huán)視、俯視、仰視，使人感覺更真實。同時，用戶能夠由遠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行游覽，下一階段的目標就是能夠讓用戶進入教室里體驗。在人機交互時，視點會隨著輸入設備的運動而發(fā)生變化，這個過程會導致視點進入地面下、飛出天空外和穿過建筑物或樹木、路燈等特征物，這樣就不夠完美，因此必須進行實時漫游的碰撞測試。通過Vega中的相交矢量控制視點與碰撞檢測目標的距離，減少了不必要的碰撞，提高系統(tǒng)性能和真實程度。

3 結束語

隨著計算機水平技術的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術已經(jīng)被廣泛的應用到了各個領域中，與人們的生活、工作密不可分，其中虛擬校園是一個很重要的應用。它采用虛擬物體和實景拍攝影音結合的手法，借助一種新的三維引擎Unity3D生成三維虛擬校園漫游系統(tǒng)，使用用戶能遠程的通過單機或者網(wǎng)絡訪問該系統(tǒng)，以虛擬漫游的形式感受正好校園風貌。雖然現(xiàn)在虛擬校園技術在國內(nèi)的應用還處于起步階段，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，并且它對硬件設備的要求不高而且設備價格不斷降低，使得它逐漸受到越來越多教育工作者的重視和青睞，因此它會在教育培訓領域廣泛應用并發(fā)揮其重要作用。

參考文獻：

[1]沈國鈞.三維虛擬校園交互系統(tǒng)的設計[J].計算機光盤軟件與應用，2012（03）：200+196.

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1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

要解決公差信息的自動生成問題，首先就要讓計算機理解它所表示的公差信息。針對公差信息尤其是幾何公差信息在計算機中的表示問題，許多國內(nèi)外學者們都提出了各自的解決方案，在這些方案中構建了各自的公差信息表示模型。歸結起來，可分為如下幾大類：

（1）基于面圖的模型。該類模型將零件的幾何結構作為基本結構，幾何要素、面、邊、頂點等作為結點，公差和參考基準作為結點的屬性。該類模型的典型實例公差圖模型、面向虛擬裝配的模型。該類模型僅僅提供了公差符號，沒有解決公差語義和關系的表達問題。

（2）基于變動幾何的模型。該類模型使用若干個參數(shù)來表示幾何體的形狀，用尺寸參數(shù)的微小變化來表示公差。如由小位移旋量、虛擬邊界來表示，變動幾何約束網(wǎng)絡的方法，基于特征技術與拓撲相連表面。變動幾何模型雖然表示了形體之間的關系，但沒有表示可變幾何。

（3）結構化模型。在GD&T（Geometrical Dimensionaland Tolerancing）中，應用得最為廣泛的結構化模型為TTRS模型。TTRS模型的最大特色在于對CAD系統(tǒng)所提供的幾何信息進行了重新組織，以便于在計算機上實現(xiàn)公差類型的自動生成。但它在實現(xiàn)時主要考慮了拓撲表面上的關聯(lián)，未真正考慮技術表面上的關聯(lián)。

（4）基于數(shù)學定義的模型。該類模型結合公差的工程語義給出各種公差的數(shù)學定義?；跀?shù)學定義的模型很好地解決了公差語義的表達和區(qū)分各種公差之間的關系問題，且便于實際應用。然而，采用該類模型開發(fā)的計算機輔助公差設計系統(tǒng)需要較多的人機交互，故在自動程度上低于TTRS模型。

（5）其它模型。當前，部分學者試圖研究采用一些全新的技術來構建公差表示模型，這些技術包括XML、廣義區(qū)間、模糊邏輯及描述邏輯等。國內(nèi)桂林電子科技大學的學者鐘艷如、覃裕初、王冰清等提出了基于描述邏輯（DescriptionLogic）的公差類型、公差規(guī)范、公差帶的自動生成方法。這些公差表示模型將一些實用的技術引入了公差表示，在一定程度上解決了公差信息在異構系統(tǒng)之間的傳遞問題。但是，它們在應用時仍然需要大量的人工干預。

2描述邏輯簡介

描述邏輯是知識表示的一種形式化語言，適合表示關于概念和概念層次結構的知識，因此叫做概念表示語言和術語邏輯。描述邏輯統(tǒng)一了大家所熟悉的基于框架、語義網(wǎng)絡、面向?qū)ο蟮谋硎疽约罢Z義數(shù)據(jù)模型系統(tǒng)的邏輯基礎，并給出一種形式化的、基于邏輯的語義。描述邏輯的基本構建是概念、關系和個體。概念描述了一個個體集合的共同屬性，并且可將概念解釋為對象集的一元謂詞，將關系解釋為對象之間的二元關系。

描述邏輯的特點在于，將大量的構造符作用到簡單概念上，從而建立更多復雜的概念。另外，描述邏輯將推理作為中心服務，既從知識庫顯式包含的知識推導出隱含表示的知識。描述邏輯注重關鍵推理服務的可判定性，并且提供了可靠的、完備的推理算法。其主要的推理有分類、可滿足性問題、包含關系以及實例檢測。

3基于描述邏輯公差自動生成研究思路

基于描述邏輯公差自動生成研究思路是：根據(jù)幾何產(chǎn)品的空間拓撲關系，構建出一種新的空間描述邏輯―公差描述邏輯TDL。開發(fā)公差描述邏輯TDL推理機，構建基于描述邏輯的公差信息生成知識庫系統(tǒng)。

3.1公差描述邏輯TDL的構建

首先，分析公差信息表示的需求，并根據(jù)需求定義描述邏輯中空間關系的語法和語義。在定義空間關系時，應當注意增加擴充空間關系構造子，使之能夠表示CAD系統(tǒng)的空間圖元和拓撲關系。其次，設計TDL公式的可滿足性判定算法。針對TDL的可判定性問題，直接設計TDL的可判定性算法，再證明算法的可終止性、可靠性和完備性。最后，分析判定算法的復雜度。若TDL公式的可滿足性問題是可判定的，則直接分析判定算法的復雜度。否則，利用公差表示領域?qū)＜抑R，引導推理過程，設計推理時的限定規(guī)則，以保證推理問題的可判定性。

3.2公差信息的描述邏輯表示

首先，根據(jù)自項向下逐層細化的研究思路，將裝配體視為多個零件的集合，再將每個零件視為多個裝配特征表面的集合，最后求出裝配特征表面的幾何要素之間的空間關系，并研究這些空間關系與公差類型及基準的內(nèi)在關系。在此基礎上，應用TDL表示這些內(nèi)在關系，進而構建公差表示領域的術語表公理集TBox和公差信息的TDL表示模型。

3.3公差信息的自動生成算法

首先，基于公差信息的TDL表示模型，采用本體描述語言OWL構建公差領域本體。構建時可考慮將裝配體、零件、裝配特征表面、幾何要素等定義為OWL類，將裝配特征表面的幾何要素之間的空間關系與各種類型的公差定義為OWL對象類型屬性。同時還應注意比較裝配特征表面的兩種劃分方法。其次，基于構建的本體，采用語義網(wǎng)規(guī)則語言SWRL定義公差類型及基準的生成則。從公差信息的TDL表示模型中可以得到空間關系與公差類型的內(nèi)在關系，先將這些內(nèi)在關系轉(zhuǎn)化為因果關系，之后按照類Horn子句的形式寫出這些因果關系，注意每一個類Horn子句只允許有一個后件，故若是因果關系中有多個后件，應分為多個類Horn子句給出。最后，根據(jù)構建的本體及定義的規(guī)則，設計公差類型及基準的自動生成算法。

4結語

本文根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及描述邏輯相關知識分析，最后提出基于描述邏輯公差自動生成研究思路。

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一、引言

 

實驗教學不僅能幫助學生形成正確的概念，加深對規(guī)律的理解，而且與課堂理論教學相比，實驗課程為培養(yǎng)和提高學生的動手能力、研究能力、創(chuàng)新意識提供了較好的途徑。因此，實驗課程在學科教學中具有不可替代的作用。隨著高等教育的普及，對實驗資源的需求與目前存在的實驗條件不足之間的矛盾日益突出。虛擬實驗系統(tǒng)的出現(xiàn)，很好地解決了這一問題。但是，目前現(xiàn)有的虛擬實驗系統(tǒng)主要存在以下問題：

 

(1)呈現(xiàn)方式上以提供實驗的文字和圖片資料為主。這些文字和圖片資料涉及實驗原理、實驗方法、實驗儀器的介紹，學生更多的只是停留在“看”的層次上，這在一定程度上不能激發(fā)學生學習的興趣，不利于實驗動手能力的培養(yǎng)。

 

(2)用戶與虛擬實驗的交互性不強。虛擬實驗系統(tǒng)多以提供實驗操作過程的視頻和動畫為主，主要呈現(xiàn)演示型實驗，學生參與實驗操作較少。

 

(3)實驗結果多以靜態(tài)圖像形式呈現(xiàn)，這在一定程度上影響了實驗者的沉浸感。

 

虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality)技術的發(fā)展，為利用虛擬實驗系統(tǒng)開展教學注入了新的活力。虛擬現(xiàn)實技術能為學生提供生動、逼真的三維學習環(huán)境, 學生作為一名參與者操縱該環(huán)境中的實驗對象。該虛擬環(huán)境具有豐富的媒體表現(xiàn)形式、增強的現(xiàn)實感，這對調(diào)動學生的學習積極性, 突破教學的重點、難點，培養(yǎng)學生的技能將起到積極的作用。虛擬現(xiàn)實建模語言VRML(Virtual Reality Modeling Language)是一種用于描述三維物體及其行為的建模語言，它可以構建虛擬世界，并集成文本、圖像、音響、MPEG 影像等多種媒體類型。在VRML中雖然可以嵌入Vrmlscript、Javascript 等語言編寫的程序代碼，但它本身并沒有直接和用戶進行交互的能力，需要與其他語言結合才能實現(xiàn)三維場景和用戶交互的要求。因此，為了構建功能強大的三維虛擬實驗系統(tǒng)，有必要對現(xiàn)階段VRML語言與其他軟件的交互方式進行探討。

 

二、虛擬現(xiàn)實建模語言及其特點

 

VRML是一種三維場景的描述性語言，使用它能在Web上創(chuàng)建可導航的、超鏈接的三維虛擬現(xiàn)實空間。虛擬現(xiàn)實建模語言的出現(xiàn)，改變了Web頁面限于二維空間的表達方式，創(chuàng)造了交互式瀏覽的三維空間。VRML并不是用三維坐標點的數(shù)據(jù)來描述三維物體的，而是用類似HTML標記文本語言來描述三維場景。它以靈活多樣的方式將二維、三維圖形和動畫、影片、聲響、音樂等多種效果調(diào)和在一起，具有對內(nèi)的樹型場景結構和對外的分布式場景結構，提供了可重用的節(jié)點和原型，便于建模。用戶在場景中可以根據(jù)不同的視點巡視，有很大的自由度。[1]VRML文件包括兩大部分，場景描述部分和動態(tài)交互處理部分。場景描述部分主要通過造型(shape)結點定義了對象的幾何尺寸、材質(zhì)紋理，通過組(Group)結點將各個對象按一定的結構組織為場景，通過光照及聲音結點在場景中模仿對象的自然特性。動態(tài)交互處理部分主要通過傳感器(Sensor)結點感知用戶與對象的交互，插值器(Interpolator)結點實現(xiàn)類似關鍵幀技術的插值動畫，Script結點是VRML與Java、JavaScript等語言的接口，通過Script結點與其他語言的結合，能擴展VRML的功能。[2]VRML有以下特點：

 

1.C/S的工作模式和平臺無關性。VRML的訪問方式是基于C/S模式的，其中服務器提供VRML文件及圖像、視頻、聲音等支持資源，客戶通過網(wǎng)絡下載希望訪問的文件，并通過本地平臺上的VRML瀏覽器交互式地訪問該文件描述的虛擬世界。由于瀏覽器是本地平臺提供的，從而實現(xiàn)了平臺無關性。

 

2.實時3D圖形渲染。實時3D著色引擎在VRML中得到了更好的體現(xiàn)。

 

3.網(wǎng)絡傳輸容易。VRML適合于計算機網(wǎng)絡的傳輸，并不要求很高的網(wǎng)絡傳輸帶寬，而且圖形生成的工作可以放在性能要求不高的客戶機上。

 

4.VRML具有可伸縮性。首先對于 VRML 瀏覽器來說，從理論上講，應能處理由數(shù)億個對象組成的分布在 Internet 上的場景。其次，VRML在高、低檔的機器上都應該工作得很好，它允許瀏覽器為了提高性能而降低圖像或仿真質(zhì)量，而在硬件性能增強時質(zhì)量可以變得更好。第三，VRML場景可以相對于網(wǎng)絡性能而伸縮。

 

三、三維虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā)軟件的三種交互

 

雖然VRML語言具有以上優(yōu)點，但由于他本身缺乏直接和用戶進行交互的能力, 所以在開發(fā)三維虛擬實驗系統(tǒng)時，常常需要將他與其他語言相結合。針對目前常用的三維虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā)技術，筆者對三種交互方式進行了分析。

 

1.VRML與Java交互

 

VRML作為面向?qū)ο蟮慕ＵZ言，長于表達三維物體的靜態(tài)特征，但其VRML本身不具有與外部交互的能力，它必須和其他語言相結合才能構造出具備交互能力的三維場景。為了實現(xiàn)與外界更復雜的交互，VRML2.0標準提供了兩種擴展VRML并和外部程序?qū)崿F(xiàn)連接的機制，一種是通過Script節(jié)點完成復雜的交互過程，另一種是通過外部編程接口EAI實現(xiàn)。

 

(1)通過Script節(jié)點與外部交互

 

Script節(jié)點本身沒有任何動作，其動作是由程序腳本來實現(xiàn)的，它是VRML與其他編程語言的接口。內(nèi)嵌在Script節(jié)點中的程序腳本可用JavaScript 和Java 編寫，其交互過程是，Script節(jié)點通過eventIn接口將事件傳至Script節(jié)點中的程序腳本;瀏覽器就立即調(diào)用內(nèi)嵌程序腳本將事件進行處理;被加工的信息由Script節(jié)點的eventOut字段將結果送出。

 

VRML瀏覽器捆綁了用于VRML編程的Java類包，該VRML類包主要包括vrml，vrml.node，vrml.field，還有一個可以操縱瀏覽器狀態(tài)的Browser類。通過調(diào)用這些類包，Java程序可以實現(xiàn)與VRML場景的交互。雖然利用Script節(jié)點可以實現(xiàn)瀏覽者與VRML場景的動態(tài)交互，但這種交互只能按預先設定的狀態(tài)進行，如果要在外界與VRML場景之間進行信息交流，Script 節(jié)點就顯得力不能及了。

 

(2)通過EAI與外部交互

 

EAI(External Authoring Interface)是VRML2.0提供的介于VRML世界與外部環(huán)境的編程接口，通過此接口VRML場景可以和與其嵌在同一網(wǎng)頁上的Java Applet程序進行交互。Java Applet可以監(jiān)視VRML場景事件，并能夠在節(jié)點間傳遞事件，實現(xiàn)VRML節(jié)點的動態(tài)增加和刪除，同時可以在瀏覽者與VRML場景間傳遞信息，從而大大提高了外界與VRML場景的交互能力。VRML的EAI接口定義了一套針對VRML瀏覽器的Java類包，它由三部分組成：vrml.external，vrml.external.field，vrml.external.exception。

 

EAI在Java Applet與VRML場景進行通訊時，首先需要獲取Browser類的實例, 通過調(diào)用封裝在vrml.external包中的Browser類的靜態(tài)方法getBrowser( )來實現(xiàn)，在Java Applet中建立Browser對象后即標識了一個VRML場景。Browser類包含獲取當前瀏覽器環(huán)境信息的各種方法，其中通過調(diào)用getNode( )方法直接獲得VRML場景中使用DEF關鍵字定義的節(jié)點對象，調(diào)用getEvent In( )、getEvent Out( )方法獲得訪問節(jié)點的入事件、出事件。 眾多學者對利用VRML與Java技術混合開發(fā)的三維虛擬實驗系統(tǒng)進行了研究。如金俠杰等人基于VRML技術與Java技術開發(fā)了網(wǎng)絡交互式虛擬裝配環(huán)境;池建斌等人通過VRML外部編程接口EAI及內(nèi)嵌腳本節(jié)點編程，實現(xiàn)了二級圓柱齒輪減速器虛擬拆裝系統(tǒng);吳波等人基于VRML與Java技術在工程設計領域的應用進行了研究，提出一種新型的Web環(huán)境下3D交互仿真結構，復雜的運算和仿真在服務器上進行，從而實現(xiàn)服務器端裝配模型和客戶端顯示模型的分離，并在此基礎之上提出協(xié)同環(huán)境開發(fā)的系統(tǒng)結構。[3][4][5] 此外，楊雨標等運用VRML與Java技術在微機上進行機器人運動仿真。 [6] 分析以上系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，VRML技術與Java技術相結合實現(xiàn)三維虛擬實驗系統(tǒng)具有較強的三維立體感和交互性，常用于虛擬裝配及其他工程設計領域。

 

2.VRML與Matlab/Simulink交互

 

利用Matlab提供的虛擬現(xiàn)實工具箱，可以實現(xiàn)和VRML程序的直接交互。虛擬現(xiàn)實工具箱是Matlab 6.X版新增加的工具箱，能在一個三維虛擬現(xiàn)實環(huán)境中進行可視化操作和與動態(tài)系統(tǒng)進行交互提供一種有效的解決方案，這些動態(tài)系統(tǒng)用Matlab和Simulink來描述。[7] 虛擬現(xiàn)實工具箱拓展了Matlab和Simulink處理虛擬現(xiàn)實圖像的能力。使用標準的VRML技術，可以通過Matlab和Simulink環(huán)境生成三維場景。

 

虛擬現(xiàn)實工具箱可以在Matlab接口和Simulink接口兩種環(huán)境中運行，而Simulink接口更直接、更容易使用，很容易通過圖形用戶界面進行交互，因而可能是更適合的工作方式。通過Simulink這一接口，可以在一個虛擬的三維模型中觀察動態(tài)系統(tǒng)的模擬。一旦在Simulink對話框中包含了虛擬現(xiàn)實模塊，就可以選擇與Simulink信號連接的虛擬世界。所有VRML節(jié)點的屬性分別列在等級樹樣式的觀察窗口中，可以選擇控制的自由度。當關閉接口對話框后，虛擬現(xiàn)實工具箱模塊自動更新在虛擬世界中與選擇節(jié)點有關的輸入和輸出。當連接這些輸入到一定的Simulink信號上時，就可以在一個支持VRML的瀏覽器中觀察可視化的模擬。

 

使用Matlab的虛擬現(xiàn)實工具箱開發(fā)三維虛擬實驗系統(tǒng)具有以下特點：(1)利用Matlab虛擬現(xiàn)實工具箱，能夠?qū)⒖菰锏腣RML編程變?yōu)榭梢暬幊?，簡化了虛擬場景的設計。(2)Matlab /Simulink是專用的計算軟件，在實驗數(shù)據(jù)計算方面表現(xiàn)出極強的優(yōu)勢。(3)通過Simulink接口，很容易實現(xiàn)與三維圖形用戶界面的交互。但是如果在本地機上使用實驗系統(tǒng)，需要在本地機上安裝Matlab/Simulink、虛擬現(xiàn)實工具箱以及VRML編輯器、Web瀏覽器和VRML插件。如果本地機上不能安裝Matlab/Simulink，用戶也可以通過遠程機來觀察和控制三維虛擬世界。當然，要求遠程機上所有的組成部分都需要支持標準的VRML97軟件。通過Matlab Web Server功能也可以實現(xiàn)三維虛擬實驗環(huán)境的遠程訪問。用戶可以通過客戶端瀏覽器瀏覽包含有虛擬場景和相應表單的頁面，瀏覽虛擬實驗場景的同時可以在表單中修改實驗參數(shù)，點擊發(fā)送后，客戶端的參數(shù)通過HTTP協(xié)議傳送給Web服務器, 由matweb.exe將參數(shù)提取出來，再傳送給指定的M文件。該M文件對matweb傳送來的數(shù)據(jù)進行運算后傳送到Simulink仿真模型中去，以改變虛擬場景的運行。

 

3.VRML、Java以及Matlab三者交互

 

使用VRML、Java以及Matlab軟件混合開發(fā)的三維虛擬實驗系統(tǒng)主要有兩種，一是針對Matlab虛擬現(xiàn)實工具箱與VRML程序交互的局限性，采用Java編程擴展Matlab虛擬現(xiàn)實可視化交互功能。這種方案結合了前兩種交互方式的優(yōu)點，有效地運用Matlab虛擬現(xiàn)實工具箱實用的建模環(huán)境和Java 擴展的人機交互性，在三維虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā)中具有廣闊的應用前景。二是直接采用VRML、Java以及Matlab/Simulink三種軟件之間的接口編程。采用Java Applet程序和VRML構建的3D場景實現(xiàn)用戶界面，利用Java套接字，通過部署在客戶端的Java Applet和服務器端Java應用程序?qū)崿F(xiàn)客戶端與服務器端的傳輸。運用Matlab/Simulink進行實驗建模和運算，并利用Matlab的COM接口實現(xiàn)與服務器端的Java連接，將客戶端實驗參數(shù)傳送到Matlab/Simulink中進行仿真運算，運算結束后再將實驗結果傳送回客戶端。該方案采用B/S結構，滿足了網(wǎng)絡實驗教學的需要。客戶端只需一個集成Java虛擬機的瀏覽器即可運行實驗，同時由于網(wǎng)絡虛擬實驗內(nèi)容存放在服務器端，易于實驗功能擴展和管理。此外，該方案特別適用于復雜實驗模型的仿真。

 

使用VRML、Java以及Matlab軟件開發(fā)的三維虛擬實驗系統(tǒng)具有以下優(yōu)點，在呈現(xiàn)方式上采用3D技術，豐富了媒體的表現(xiàn)形式，增強了學生實驗的臨境感;由于實驗模型的計算采用的是專用的計算軟件，在實驗數(shù)據(jù)計算方面也表現(xiàn)出極強的優(yōu)勢;系統(tǒng)能根據(jù)實驗數(shù)據(jù)動態(tài)地顯示三維實驗模型的運動，并以相圖等形式呈現(xiàn)實驗結果。實驗過程和實驗結果的直觀化、形象化，能夠促進學生對實驗的深入探究，提高其問題解決能力。

 

四、結束語

 

三維虛擬實驗系統(tǒng)拓展了實驗教學的時間和空間，提高了教學效率，不僅可以作為課堂實驗教學的補充，而且為遠程教育中實驗教學的開展注入了新的活力，因而具有良好的應用前景。本文介紹了三維虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā)過程中常用軟件的三種交互方式，對各種交互方式進行了分析，希望對廣大開發(fā)者有所啟發(fā)。

 

篇（9）

《機械設計基礎》課程是機械類專業(yè)一門重要的技術基礎課程。課程設計是培養(yǎng)學生機械綜合設計能力、創(chuàng)新能力和工程意識的重要環(huán)節(jié)，是啟迪學生的創(chuàng)新思維、開拓學生創(chuàng)新潛能的重要手段，將為以后的專業(yè)課程設計和畢業(yè)設計奠定基礎，在教學計劃中具有承上啟下的重要作用。我院《機械設計基礎》課程設計選用的題目是傳動裝置中的減速器設計，在以前的課程設計中發(fā)現(xiàn)，由于學生空間想象能力不足，往往照葫蘆畫瓢，導致學生對自己設計的減速器結構似懂非懂，影響了設計質(zhì)量。筆者結合自己對UG（Unigraphics）軟件技術的掌握，對教學中如何提高學生空間思維能力的問題進行了探索。

人們的認識過程建立在實踐活動中，從具體到抽象，從感性認識上升到理性認識，在此過程中，如果缺乏與之有關的感性認識作為基礎，理解起來很難。《機械設計基礎》課程是理論性和實踐性都很強的課程，內(nèi)容比較抽象，減速器結構設計離不開空間想象，離不開對空間形體的分析和表達。根據(jù)心理學的觀點，空間想象能力是形象思維與抽象思維兩種思維活動的分析、綜合、加工處理，從而產(chǎn)生新形象的一種綜合性能力，主要來源于對空間形體的感性認識。課程設計能培養(yǎng)學生對空間形體的想象能力、分析能力和表達能力。這三種能力彼此關聯(lián)，相互促進。在教學中從學生的身心發(fā)展規(guī)律和學生實際出發(fā)培養(yǎng)學生空間想象能力的途徑有很多，利用UG軟件進行多媒體教學是非常有效的方法之一。

UG系統(tǒng)起源于美國麥道飛機公司。多年來，UG系統(tǒng)匯集了美國航空航天與汽車工業(yè)的專業(yè)經(jīng)驗，發(fā)展成為世界一流的綜合性的設計、分析和制造一體化的集成系統(tǒng)?？梢詫崿F(xiàn)從產(chǎn)品的概念設計、結構設計、虛擬現(xiàn)實到靜力學及動力學強度分析，最后由CAM模塊實現(xiàn)計算機輔助加工制造，貫穿了產(chǎn)品的開發(fā)和制造全過程。UG技術提供的草圖功能、曲線曲面建模、基于特征的實體建模、虛擬裝配建模、機構運動仿真、分析等技術手段，給機構設計提供了極大的方便。相關技術手段的結合應用不僅能快速構建出相關的機構的抽象模型，也能把這種模型快速地映射于機構的裝配模型，還能對機構進行快速的運動分析仿真、運動干涉檢查及動力學分析等。

在課程設計之前，為了增強學生的感性認識，最好進行軸系結構測繪和減速器結構裝拆實驗，因為這兩個實驗有利于學生進一步掌握機械結構設計知識、了解結構設計的原則，建立軸系組成的基本概念。在課程設計開始時，學生往往不知從何下手，教師首先應該介紹一下設計總體過程。采用課件比較方便，然而也有很大的局限性，因為制作好的軟件不宜改動，教學內(nèi)容的個性與教學過程的適宜性受到了限制，在課堂上不利于發(fā)揮教師的主觀能動性，不利于最大限度地融入和體現(xiàn)教師的設計思想、教學特色和個人風格。筆者采用UG軟件對零件直接進行三維建模和用UG建造好的虛擬模型進行教學，在課堂的動態(tài)教學中能夠隨機應變、按需造型以及修改模型，提高課堂教學質(zhì)量。采用UG軟件建造的虛擬模型比以前采用實物模型來增強學生感性認識要好，因為實物模型由于體積和重量原因會造成攜帶、拆卸和解剖不便，且操作較為費時。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雜形體的外形與內(nèi)腔、相貫體中相貫線的變化等各個側(cè)面和局部細節(jié)特征；可以直觀地顯現(xiàn)整個零件的結構，裝配體中零件之間的連接關系，使教學中的知識難點更加清晰、生動、形象；也可以根據(jù)不斷變化的教學內(nèi)容和不同的教學對象的需求，利用UG軟件方便地進行教學模型的修改與新建，滿足教學中對模型種類及數(shù)量的需要，并能顯著降低教學成本。

在介紹設計過程時，如果采用機械制圖方法將零件的三維實體利用投影法原理將其轉(zhuǎn)化到二維平面圖上，再通過二維視圖想象出三維形狀講解減速器結構設計，則學生理解這些傳統(tǒng)的二維平面圖知識需要有豐富的空間想象力。即使用一些軸測圖，也只能看到實體的部分表面，不能解決教學中向?qū)W生講解清楚空間幾何體的形體問題。

并且學生的認識始終停留在二維圖紙上，不能很好地了解結構設計對整機性能的影響以及單個零件與整機之間的關聯(lián)關系，不清楚自己設計的結構是否合理。筆者在教學中采用UG軟件教學，使學生看到零件的設計過程，讓學生看到教師在繪圖過程中的細節(jié)，并且使用UG對減速器各個零件進行裝配，使學生比較容易理解。如圖（軸上零件周向、徑向定位）所示，在講解對減速器軸上各個零件進行裝配時，介紹裝配基準，演示如何進行傳動件的周向和軸向固定；軸的支承、固定；軸承類型如何選擇，應考慮哪些因素，軸承如何裝配，間隙如何調(diào)整等問題；各零件之間的相互位置關系、零件的布置方案、裝拆順序；圖樣上的尺寸和公差標注及零件的結構工藝性應注意的問題等等。這樣，不僅能在較短時間內(nèi)給學生提供正確的示范，培養(yǎng)學生的幾何構思能力，同時介紹了有關結構工藝知識，培養(yǎng)學生合理的設計思維，有利于學生理解減速器的工作原理、裝配關系、各零件的相對位置關系以及各零件的結構特點。這種視覺效果的刺激能增強學生的分析、認識和記憶能力，開拓學生的知識面，活躍課堂氣氛，提高學生的學習興趣，也能充分發(fā)揮計算機與教師的雙重作用。

軸上零件周向、徑向定位圖

三維設計是工業(yè)發(fā)展的趨勢，我院機械類專業(yè)學生獲得UG或PRO/E三維設計技能證書是學生的畢業(yè)條件之一，這樣的要求有利于提高學生實際工程設計能力，創(chuàng)新意識和就業(yè)的競爭能力。因為在課程設計之前，一些學生已經(jīng)學習了UG或PRO/E軟件，在課程設計中應鼓勵學生采用三維設計。將三維設計融入課程設計，學生可以利用UG強大的參數(shù)化功能和裝配功能，完成各零件的設計和裝配。由于學生缺乏實際經(jīng)驗，往往要對某些結構不夠合理的地方進行多次修改，采用UG軟件只需修改零件的某個參數(shù)的數(shù)值即可完成整體修改。而采用二維設計，結構變動較大時則不得不重新設計并花費很多時間進行繪圖。而采用三維設計，整個設計過程符合學生的認知規(guī)律，能使學生更加深入地理解設計的內(nèi)涵，增強學生的設計想象力，啟迪學生的思維，引導學生實現(xiàn)探究性學習。三維設計能夠使學生直觀地看到自己的設計成果，增強學生的成就感。而且學生在完成三維設計后，利用UG的制圖轉(zhuǎn)換功能，可將使用實體建模功能創(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，再進行尺寸標注、注釋等等，最終完成課程設計所要求的圖紙，從而提高學生的專業(yè)制圖識圖能力，加深學生對三維設計與二維工程圖之間關系的理解。

實踐表明，用UG軟件講授減速器的結構設計，可以激發(fā)學生的觀察力、想象力及邏輯聯(lián)想能力，能夠達到“教人以漁，則終身受用無窮”的效果。不過，雖然現(xiàn)代教學技術開闊了學生的視野，提高了學習的趣味性與教學效率，然而教學卻具有生成性，對課堂上出現(xiàn)的新問題，教師的板書和分析必不可少。因此，在教學實踐中應當將傳統(tǒng)教學和現(xiàn)代教學技術有機結合，不斷地研究新的教學方法，與時俱進，注意使各種教學手段相互穿插、補充，這樣才能提高學生的學習興趣，增強他們學習的主動性，實現(xiàn)教學效果的最優(yōu)化。

篇（10）

工程圖學是工科學生最早接觸的技術基礎課程，它是一門將知識、實踐、素質(zhì)和能力融為一體的綜合型課程，在培養(yǎng)學生的空間思維能力、提高學生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力方面具有重要作用。教學要服務于人才培養(yǎng)目標的實現(xiàn)，地方本科院校主要為地方經(jīng)濟建設和社會發(fā)展服務為前提，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高素質(zhì)應用型人才。因此，構建工程圖學課程教學內(nèi)容和體系，以適應較強工程實際應用能力的人才培養(yǎng)目標已是當務之急。

一、 基于應用型人才培養(yǎng)的工程圖學教學目標

為達到“厚基礎、寬口徑、重能力、高素質(zhì)、強能力、具有創(chuàng)新精神”的應用型人才模式培養(yǎng)目標，使學校所培養(yǎng)的學生適應地方經(jīng)濟發(fā)展和社會需要，不妨借鑒英國的機械類教育模式，即在教學中強調(diào)一個“用”字，一切以將來的實際應用為目標，對任何一門課程，都要求教師努力做到讓學生在學習了這門課程之后即可運用所學的知識解決生產(chǎn)中的某些實際問題，這就要求每門課程設定的目標較清晰，讓學生了解這門課程所學習的知識和培養(yǎng)的技能將來在社會工作中有何用途。為此，我們設定了如下明確的課程教學目標：一是熟練運用投影理論并遵照國家標準規(guī)定繪制和閱讀工程圖樣；二是具有工程圖學思維能力和工程圖學素質(zhì)，包括形象思維能力、圖形表達能力、空間想象能力和嚴謹細致的工程素質(zhì)；三是熟練運用某種CAD軟件進行二維繪圖和三維構型設計。

二、 構建符合人才培養(yǎng)目標的理論教學體系

教學體系直接反映了教學目的和培養(yǎng)目標，是培養(yǎng)學生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的核心環(huán)節(jié)。在教學過程中，我們把基本理論、創(chuàng)新能力、綜合素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展作為教學目標，在學時少的情況下，不過于強調(diào)知識的完整與系統(tǒng)，對教學體系進行了重新優(yōu)化和整合。

（一） 畫法幾何部分強調(diào)基礎理論作用，淡化其難度

畫法幾何是滿足工程設計的需要誕生的，它為工程和科學技術各個領域解決機械結構、空間幾何及工程設計等問題提供了可靠的理論依據(jù)及解決問題的有效手段，可提高學生的空間想象能力和邏輯思維能力。但是，長期以來畫法幾何占用了大量的教學時間，因此，在教學中，我們重點講清點、線、面和立體投影的基本理論，為學生學習工程制圖打下基礎，不強調(diào)畫法幾何的深度和廣度，對于圖解法、在三維建模時自動生成的截交線和相貫等比較抽象、難度較大的部分適當刪減，剩余內(nèi)容留作自學，學生可以根據(jù)自己的掌握情況選擇取舍，教師可以給予相應的指導，做到因材施教。

（二） 工程制圖部分重在工程實踐和實際應用

工程制圖的基本目的是培養(yǎng)學生利用二維圖形表達三維形體的能力、閱讀和繪制工程圖樣的能力。這是一個從“畫法幾何”理論到“工程圖樣”應用實踐的跨越過程，而工程制圖的實質(zhì)內(nèi)容就是零件圖、裝配圖兩大部分，教材中各章節(jié)都應該圍繞這兩個部分展開。授課時，首先采用現(xiàn)場教學的方式，在實驗室和實訓中心，甚至帶學生到校外實習基地，讓學生直接感受、觀察、裝拆、測繪或模擬工程安裝，使學生對零件圖、裝配圖的實用性這一特點有一個清楚的認識。

關于零件圖部分，主要通過多個實例的講解，把重點放在機件的表達方法、表面粗糙度、公差與配合等主要內(nèi)容的實際應用上，對于尺寸標注和和專業(yè)課程密切相關，在此只是復習組合體尺寸標注部分，適當介紹一些常見工藝結構如鑄造圓角、退刀槽等的標注方法。技術要求部分則重點介紹書寫格式及其在圖樣上的標注方法，對有關符號的含意和選用只作簡介，由學生自學。

關于裝配圖，在圖形表達部分，重點介紹裝配圖表達方法的特點，即規(guī)定畫法和特殊表達方法。尺寸標注重點講解裝配圖中必要尺寸與零件圖中完整尺寸標注的不同，通過舉例說明性能尺寸、安裝尺寸及裝配尺寸等，使學生了解其標注的重要性，在后續(xù)課程學習和應用中引起重視。技術要求中配合符號在裝配圖中的標注及其與零件圖的關系要向?qū)W生講清楚，其余留待學生自學和后續(xù)課程講解。讓學生明確標題欄中的名稱對看裝配圖的重要性以及明細表中零件的名稱及材料對看圖和拆圖的重要性。

（三） 加強利用CAD軟件進行三維構型的教學

在制造業(yè)中，設計人員在設計過程中實際是先在大腦中形成空間形體模型，然后運用投影法進行表達，畫出平面圖樣，而生產(chǎn)技術人員首先閱讀工程圖樣，然后通過空間想象，把圖樣中的內(nèi)容轉(zhuǎn)化到空間去，構建出三維形體后再按尺寸和技術要求進行加工生產(chǎn)，因此，在設計制造過程中，三維構形貫穿始終。但根據(jù)我國目前機械裝備現(xiàn)狀，采用三維實體建模設計的企業(yè)絕大部分還只在產(chǎn)品的設計、研發(fā)、分析等環(huán)節(jié)采用三維技術，而最終的生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)還要將其轉(zhuǎn)換為二維圖樣進行生產(chǎn)，從我國制造業(yè)發(fā)展縱向分析，工程形體的三維造型表達完全取代二維圖樣還需要一個過程，因此，在教學中要做到制圖基礎與實體構形相結合，零件圖繪制與零件實體造型相結合，裝配圖繪制與虛擬裝配相結合，常用零件的畫法與相應零件的實體模型相結合，三維造型設計與制造、分析相結合。

三、 構建符合人才培養(yǎng)目標的實踐教學體系

工程圖學是一門實踐性很強的技術基礎課，只有通過實踐，讓學生盡快將圖學知識轉(zhuǎn)化為圖學能力，學生的創(chuàng)新素質(zhì)和應用能力才能得到提升，因此，我們構筑的實踐教學體系主要有以下幾方面：

（一） 徒手繪圖、儀器繪圖、計算機繪圖基本技能訓練

在儀器測繪、討論設計方案、技術交流、現(xiàn)場參觀時，受現(xiàn)場條件或時間的限制，經(jīng)常繪制草圖，草圖對于捕捉設計靈感，現(xiàn)場記錄，加速新產(chǎn)品的設計、開發(fā)，幫助技術人員組織、形成和拓展思路非常有用。儀器繪圖既是工程技術人員的必備基本技能，又是學習和鞏固圖學理論知識不可缺少的方法，在計算機繪圖技術廣泛應用的今天，仍然必不可少。因此，在教學中，徒手繪圖、儀器繪圖和計算機繪圖一樣作為基礎平臺，貫穿在教學的全過程。

（二） 部件測繪動手環(huán)節(jié)

在部件測繪動手環(huán)節(jié)中，學生通過測繪方法的確定、尺寸數(shù)據(jù)的獲取及處理、公差與配合、工量具的正確使用、裝配圖的表達方案的最優(yōu)選擇等內(nèi)容，增強工程意識，理論與實踐相結合，為提高學生的圖學能力和工程應用能力打下了基礎。

（三） 三維構形設計

三維構形設計就是在給出一定約束條件的前提下，讓學生通過自己的想象、分析，構思三維形體，自主進行組合體、零件和裝配體的設計以及計算機輔助造型等一系列設計，采取自由創(chuàng)作和發(fā)現(xiàn)、收集、分析、比較案例的實踐方式，培養(yǎng)創(chuàng)新設計能力，從而促進學生圖學素質(zhì)和創(chuàng)新素質(zhì)的提升。

綜上所述，培養(yǎng)工程應用型人才應強調(diào)學用結合，在工程圖學教學中應重點突出“學以致用”，而不是主要強調(diào)知識的完整性和系統(tǒng)性。筆者面向企業(yè)應用與技術創(chuàng)新，推動工程圖學教育改革，使畫法幾何、工程制圖、計算機繪圖三部分內(nèi)容融會貫通，徒手繪圖、儀器繪圖、計算機繪圖三種繪圖能力全面培養(yǎng)，機電產(chǎn)品、工程項目、軟件系統(tǒng)三種形態(tài)對象協(xié)調(diào)應用，加強測繪和設計環(huán)節(jié)教學，并且在教學中注重充分發(fā)揮教師的主導作用和學生的主體作用，采用啟發(fā)式、討論式、案例式等教學方法，為學生圖學能力的提高和勝任相關工作奠定了良好的基礎。

參考文獻：

篇（11）

【論文摘要】針對目前航空發(fā)動機典型零件一葉片類零件工裝設計現(xiàn)狀，創(chuàng)建了三維工序數(shù)模驅(qū)動的葉片類零件工裝設計系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)的優(yōu)點、結構、功能、工作流程，并以ug二次開發(fā)實現(xiàn)了原型系統(tǒng)。通過在國內(nèi)某大型航空發(fā)動機公司進行應用，大大提高了葉片類零件工裝設計的效率，縮短了設計時間。

航空發(fā)動機是飛機的關鍵部件，而葉片類零件則是航空發(fā)動機的核心零件之一，也是發(fā)動機研制和批產(chǎn)的“瓶頸”環(huán)節(jié)。其特點是結構復雜、品種、數(shù)量繁多，對發(fā)動機的性能影響大、設計和制造周期長、工作量大。由于葉片類零件種類多，葉型、榫頭的形狀復雜，其工裝設計也相對復雜。有效的工裝設計可以提高工裝設計效率、提高工裝(包括零部件)重用度、縮短工裝制造周期、降低工裝制造成本。

目前工裝設計選擇的cad平臺主要以電子圖板方式在企業(yè)工裝設計領域使用，即人工進行工裝結構設計、參數(shù)計算，然后利用cad軟件平臺進行繪圖、出圖。其中大部分企業(yè)采用二維cad基本上只解決工裝繪圖問題，起到了電子圖板的作用，但是參數(shù)化功能不足，設計效率低。而極少數(shù)采用三維cad軟件的企業(yè)由于三維實體造型速度慢，三維實體模型虛擬裝配繁瑣，輸出符合國標的二維工程圖速度更慢等因素并沒有在工裝設計中切實的發(fā)揮出三維cad軟件強大的實體造型和參數(shù)化驅(qū)動等功能。

基于上述的工裝設計的實際情況，提出以壓氣機葉片為對象，開發(fā)工序數(shù)模驅(qū)動的葉片類零件的工裝設計系統(tǒng)。本系統(tǒng)的設計思想是基于航空發(fā)動機中不同級的葉片，很大一部分在拓撲結構上一樣，裝夾方式也相同，只在尺寸上有差異，如圖1所示。因此設計這些葉片的工裝時，采用基于實例的三維工序驅(qū)動的設計方法，即實現(xiàn)工序數(shù)模驅(qū)動下的工裝數(shù)模自動進行尺寸調(diào)整，形成新的工裝數(shù)模，并通過設計者局部小的修改后，形成最終的滿足要求的新工裝。

1系統(tǒng)特點

本系統(tǒng)與翼寵cad彰工裝設計相比，具有以下的特點。

1．1實現(xiàn)工藝工裝并行設計

傳統(tǒng)的工藝過程設計和夾具設計過程是相分離的，通常由工藝設計部門進行零件的工藝設計，生成詳細的加工工序后，將有關信息傳遞給工裝設計部門，由它完成工裝設計。然而，建立基于面向工裝設計的工藝成熟度模型，在pdm產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理平臺上，直接使用同一數(shù)據(jù)源三維模型，定制工藝、工裝并行設計業(yè)務流程，從而實現(xiàn)工裝工藝的并行設計。

1．2三維工序數(shù)模驅(qū)動工裝設計

其核心思想是通過工序數(shù)模中包含的工藝特征信息(如基準特征信息、定位及夾緊基準信息、精度特征信息、材料特征信息和管理特征信息等)來驅(qū)動工裝中的相關組件，使這些組件在空間位置和尺寸上做相應的調(diào)整，從而達到自動生成新工裝的目的。

1．3基于pdm的集成化工裝數(shù)據(jù)管理

基于pdm平臺，建立單一數(shù)據(jù)源的工裝數(shù)據(jù)庫，保證工裝數(shù)據(jù)的唯一性、實時性、有效性和安全性。工裝基礎數(shù)據(jù)和信息包括：產(chǎn)品信息、工藝信息、已有工裝信息、工裝標準件庫、典型構架．結構庫、加工設備接口信息，工裝設計經(jīng)驗知識等。通過對工裝基礎數(shù)據(jù)和信息的有效組織和利用，創(chuàng)造能讓工裝設計人員迅速、有效地掌握和借鑒已有工裝設計經(jīng)驗的環(huán)境，從而提高工裝設計速度。

2系統(tǒng)體系結構

基于上述特點，本系統(tǒng)以oracle為底層數(shù)據(jù)庫，以tcenterprise(pdm)為數(shù)據(jù)管理平臺，以ugnx3．0為cad支撐系統(tǒng)，采用ug／openapi對ug進行二次開發(fā)，運用參數(shù)化建模方法和專家系統(tǒng)等技術，實現(xiàn)工裝的快速設計；所有工裝數(shù)據(jù)全部基于pdm系統(tǒng)實現(xiàn)統(tǒng)一管理，保證工裝數(shù)據(jù)的唯一性、實時l生、有效性和安全性。

基于以上思路，本系統(tǒng)由工序模型設計子系統(tǒng)、工裝設計子系統(tǒng)、工裝實例添加子系統(tǒng)三部分組成，具體系統(tǒng)體系結構，如圖2所示。

3系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)采用工序數(shù)模驅(qū)動的工裝設計方法，其工作流程，如圖3所示。

3．1建立新的工序數(shù)模

這是新工裝設計的驅(qū)動力，是工裝模型進行自適應變化的信息來源。

3．2建立典型工裝裝配體模型

這是新工裝設計的基礎，即典型實例模型將根據(jù)新工裝數(shù)模中的信息做相應的變化，形成新的工裝模型。

3．3新工裝的形成過程

新工裝的形成過程主要是在新工序數(shù)模驅(qū)動下的自動化過程。首先，需要找到合適的典型工裝；然后，將這個工裝裝配體模型另存為新名字，同時修改各組件的名字；再次，將新工序數(shù)模裝配進去，執(zhí)行相關程序，使裝配體各個組件及相互配合關系發(fā)生改變；最后，手動進行某些細節(jié)的修改，從而形成最終的新工裝。

4系統(tǒng)功能

系統(tǒng)的功能主要分為三部分：工序數(shù)模設計功能、基于實例的工裝設計功能、實例添加向?qū)Чδ堋?/p>

4．1工序數(shù)模設計模塊

主要提供計算機輔助造型、數(shù)模屬性添加兩類功能。具體功能：(1)葉片零件模型葉身截型線造型功能；(2)葉身數(shù)據(jù)處理完成葉身的造型功能；(3)葉身的葉根葉尖的延伸功he；(4)凸臺的造型功能；(5)榫頭的造型功能；(6)對工序模型各部分進行布爾并運算生成工序模型；(7)向工序模型添加相關屬性等功能。

4．2工裝設計模塊

三維工序驅(qū)動的工裝設計系統(tǒng)的功能主要為：工裝設塊提供基于工序數(shù)模的工裝設。工序數(shù)模驅(qū)動的工裝設計，其核心思想是通過工序數(shù)模中包含的信息來驅(qū)動工裝中的相關組件，使這些組件在空間位置和尺寸上做相應的調(diào)整，從而達到自動生成新工裝的目的。改設計思想中包含有三個關鍵的技術：工序數(shù)模包含的信息、工裝組件數(shù)模包含的信息、工裝裝配體的相關約束。

要達到上述目的，需要提取一些信息：

(1)工裝與工序數(shù)模之間的裝配信息，包括裝配元素和裝配關系。其中裝配元素是指裝配關系中直接裝配的那些組件的幾何元素，如工序數(shù)模的葉盆表面，工裝中定位銷球形表面等。裝配關系是指裝配元素之間以什么關系裝配在一起，如對齊、面貼合等。

(2)工裝裝配體組件之間的尺寸關聯(lián)信息。由于采用數(shù)模驅(qū)動的設計方法，所以當用一個新的工序數(shù)模驅(qū)動工裝裝配體實例時，與工序數(shù)模直接接觸的那些組件會根據(jù)工序數(shù)模包含的信息進行自動的適應性調(diào)整，包括空間位置和尺寸。這就要求其它組件也必須在空間位置和尺寸上做相應的變化。為此，工裝裝配體各個組件之間需要建立尺寸關聯(lián)關系。建立關聯(lián)關系的原則是：當一個組件的尺寸變化后，會影響到哪些組件的尺寸，如何影響。建立的尺寸關系用ug中的表達式進行記錄，包括兩種：裝配關系中的距離表達式和組件所對應的part文件中的特征表達式。

4．3工裝實例添加功能

這是一個向?qū)Чぞ?，引導操作人員定義新典型工裝裝配體，并對添加相應的屬性。

工裝實例庫中的實例是相對典型的和穩(wěn)定的工裝裝配體。實例庫的建立需要在pdm平臺下完成，要考慮實例庫和pdm之間的管理關系，以及實例庫中的實例與pdm中產(chǎn)品bom之間的關系。實例庫中工裝實例的添加、刪除、修改和查詢功能均需在pdm環(huán)境中完成。

工裝實例庫的建立需要兩方面的工作：

(1)以葉片類零件為應用對象，對典型工裝設計知識進行總結歸納，包括：典型且可以重用的零組件、零組件的尺寸參數(shù)、技術規(guī)格、圖形、設計流程，形成相應的夾具零組件庫和工裝實例庫。

(2)工裝實例庫的構造使用相關參數(shù)化造型等技術，在典型工裝或?qū)Ｓ霉ぱb設計完成之后，任何新的工裝設計如果滿足一定的相似條件，就可以快速的從庫中實例派生出新的工裝設計，從而解決快速設計的需求。

5系統(tǒng)實現(xiàn)

本系統(tǒng)是以ug／nx3．0為開發(fā)平臺，下面具體介紹系統(tǒng)功能的實現(xiàn)過程。

從工藝部門接到工裝設計任務后，進入ug軟件進行工裝設計。典型工裝在pdm下進行管理，根據(jù)制造bom的結構，這些工裝的part文件與使用它們的那些物料關聯(lián)在一起，并建立屬性信息，表明該工裝是哪道工序使用的。生成的工序模型，如圖4所示。

下面以壓氣機葉片毛坯鍛件的第一道工序—銑進排氣邊的工裝夾具設計為例，進行描述。首先，根據(jù)工藝規(guī)程和葉片毛坯鍛件圖，利用ug二次開發(fā)的參數(shù)化工序建模菜單，輸人參數(shù)和屬性添加進行工序建模，生成的工序模型和各部分名稱信息，如圖4所示。根據(jù)建好的三維工序模型，在pdm下的工裝實例庫選擇工裝類型；緊接著，在ug中打開選好工裝類型模型，然后在裝配環(huán)境下調(diào)入三維工序模型，進入ug二次開發(fā)的工裝設計菜單，根據(jù)對話框提示指出葉盆或葉背(定位點在葉盆就指定葉盆，在葉背就指定葉背)，接著通過遍歷工序模型得到工序數(shù)模驅(qū)動的新工裝模型，最后通過適應性裝配和局部小的修改得到完全滿足需求的新工裝模型。系統(tǒng)各菜單和葉片工序數(shù)模驅(qū)動的新工裝，如圖5所示。