云平台app手机版下载虚拟装配技术论文范文

　　云平台app手机版下载虚拟装配技术论文范文Unity3D不只是单纯的游戏引擎，而是已经涉及到多种不同领域的一个跨平台的三维游戏与虚拟现实开发工具，该工具支持多脚本语言以及强大的物理引擎等特点。论文通过研究Unity3D与HTML交互机制，实现场景中对象的动态交互行为，也就是控制各装配体的装配顺序并实现碰撞检测、零件实时编辑等功能，从而使得整个装配过程具有逻辑合理性和可控制性。

　　交互式虚拟装配的重点不仅在于产品虚拟装配的过程，还在于它可以与用户进行实时交互。系统界面分为两部分：网页中为利用HTML提供的控件加入按钮、列表框、滚动条、文本区、标签等；Unity3D浏览器中为利用Unity提供的GUI接口加入按钮、窗口、标签等控件分别实现了减速器装配体的自动装配、手动装配、原理演示、零件查看、零部件实时编辑等功能，充分实现用户参与下的人机实时交互。

　　虚拟装配是一个实时交互系统，如用户可以在虚拟场景中用鼠标选取装配体的零件进行拆装。Unity3D引擎本身提供了基本形体的碰撞器，通过PhysX物理引擎自动检测碰撞。根据Unity3D碰撞器提供的OnCollisionEnter方法，获得相关碰撞信息，然后由它继续调用其他处理过程（相对位置检测、碰撞检测等），实现手动装配过程。

　　虚拟装配过程中零件拆装顺序的检测也是一个关键问题，用户选择零件正确与否直接决定该零件是否进行拆装。系统为每一个零件定义一个唯一识别拆装顺序的顺序号，当用户选择某一零件后，调用相应的拆装顺序检测模块进行比较当前选择零件的顺序号与系统预定的顺序号是否一致决定拆装是否进行或者根据零件间的位置约束关系判断某零件当前是否可以移动来决定拆装是否进行。

　　在虚拟装配中，用户对场景中零件的选取及操作（位移、颜色等的实时修改）是交互性最充分的体现。当用户在虚拟场景中用鼠标点击或指向某一零件时，系统应该做出响应，如被指向或点击的零件应实时改变颜色或弹出对话框提示用户等。Unity3D的GUI接口提供了各种控件可以非常方便的编辑一些按钮、窗口等用户界面，通过重写鼠标事件可以检测用户的各中输入信息并作出正确的响应。通过变换组件可以完成产品的平移和任意角度旋转操作以及装配体零件某一方向比例变换。

　　本文对基于Unity3D的虚拟装配相关技术进行了研究，并实现了在用户参与的人机界面下的虚拟装配实例。对在虚拟装配过程中零件的碰撞检测、装配顺序规划、零件选取及实时编辑等功能的实现提出了有效的方法，具有一定的参考价值。

　　[2]池建斌，郭海新，王晨，等.基于VRML-JAVA的减速器虚拟拆装系统的实现[J].工程图学学报，2008，29（2）.

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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，对类型的产品则不一定适用，该方法的应用范围窄。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　虚拟装配是近些年来被广泛研究的新兴技术，是虚拟现实技术在制造业的典型应用，也是虚拟制造技术研究的重要方向之一。它从产品设计装配的角度出发，综合利用虚拟现实技术、计算机建模与仿真技术、计算机辅助设计技术等，建立一个具有听觉、视觉、触觉的多模式虚拟环境，设计者可在虚拟环境中交互式地进行产品设计、装配操作和规划、检验和评价产品的装配性能，并制定合理的装配方案。

　　虚拟装配技术可以降低复杂产品的开发难度，缩短开发周期，降低成本，对实现产品的并行开发，提高装配质量和效率具有重要的意义。虚拟装配可以应用于航空航天、汽车、船舶、工程机械、教育等领域。

　　1995年，美国华盛顿州立大学和美国国家标准与技术研究院联合，最早开始了对虚拟装配技术的研究，并开发了虚拟装配设计环境VADE（Virtual Assembly Design Environment）。VADE在装配领域的成功应用，引发了各个国家的高校和研究机构对虚拟装配的研究。20世纪90年代末，国内也开始对虚拟装配技术进行研究，已经取得许多研究成果。虚拟装配技术的研究大致可分为三个阶段：虚拟装配理论的提出和完善阶段，虚拟装配原型系统的研发阶段，虚拟装配技术在工业上的应用研究阶段。目前，国外已经开始了第三阶段的研究应用，国内也开始由第二阶段向第三阶段过渡。

　　虚拟装配的研究内容主要有：虚拟环境的研究、虚拟装配关键技术研究和虚拟装配应用系统的研究[2]。

　　虚拟环境是虚拟装配的前提，良好的虚拟环境能使虚拟装配与实际装配过程更接近，为生产实践提供更可靠的指导。传统的虚拟环境可分为四种。

　　桌面式系统使用普通计算机产生三维虚拟场景，用户通过显示器观看虚拟场景，需要佩戴立体眼镜才可以看到三维立体图像。这种场景系统造价低、简单方便，不足之处是沉浸感差。

　　头盔式系统利用头盔显示器和数据手套等交互设备把用户与外界环境分隔开来，从而使用户真正成为系统的一个参与者，沉浸感比较强。但头盔式显示器存在约束感较强，分辨率偏低等问题，长时间易引起疲劳。

　　CAVE系统的主体是一个房间，房间的周围均由大屏幕组成，高分辨率的投影仪将图像投影到这些屏幕上，用户通过立体眼镜便能看到立体图像。CAVE系统实现了大视角、全景、立体且支持多人共享的一个虚拟环境，但其造价太高，参与者被限制在一个有限的小空间内，不能大距离行走。

　　将多台投影仪拼接起来形成一个逻辑上统一的大屏幕，实现大面积、高分辨率的显示，优点是可以产生大视角、高亮度和高分辨率的立体图像，可使多人沉浸场景之中，具有很强的沉浸感。缺点是成本高，技术难度大，许多关键问题需要解决。

　　以上各种虚拟环境都存在一个共同的问题是，操作者被限制在一个有限的空间内，行动上受到很大的限制，而现实中，尤其是大型产品的装配中，操作产品并不能移动，往往要求操作人员要有足够的活动空间。为了解决这个问题，很多研究机构提出一些新型的虚拟装配环境，如英国Warwick大学研制的Cybersphere系统[3]。Cybersphere系统采用半透明的球体作为显示装置，放置在可以自由旋转的支架上，操作者处于球体内部，可以自由行走。计算机根据操作者的肢体动作产生不断变化的图像，并通过投影系统显示在球体表面，操作者通过立体眼镜看到立体图像。这种方式实现了操作者在虚拟环境中的自由行走。

　　哈尔滨工业大学也设计了一种可实现操作者自由行走的新型虚拟装配环境系统[3]，如图1所示，该系统也采用球形幕作为显示装置，操作者在一个专门设计的全方位反行走机构上做直线行走或者转向。操作者头部、手部与双脚分别装有3-D位置跟踪器，计算机系统根据接收到的3-D位置跟踪器信号，控制全方位反行走机构的运动，并生成不断变化的三维图像，通过投影系统显示到球形幕上。操作者通过佩戴立体眼镜、数据手套与虚拟环境交互从而生成沉浸感较强的虚拟环境，为大型复杂产品的装配设计、规划和训练提供高逼线 虚拟装配关键技术的研究

　　虚拟装配涉及到的关键技术很多，各种技术的研究情况及应用情况如表1所示。本文只对其中几个重要的关键技术进行论述。

　　目前，虚拟装配中零部件模型的建立和虚拟装配应用系统的开发主要还是基于CAD系统实现。这种虚拟装配系统易于实现，零件和装配体的建模、装配仿真可在一个系统下进行，操作简单，但真实感和可靠性受到限制，主要用于产品的设计阶段。

　　基于虚拟现实软件开发的虚拟装配系统，需要将CAD零部件模型及其相关信息转换后导入到虚拟环境，实现交互操作。目前已经取得一定的研究成果，美国的VADE从Pro/Engineer系统中提取产品结构树信息、装配约束信息以及零部件几何信息，实现CAD系统和虚拟装配系统的自动转换；新加坡南洋理工大学开发了基于CAD紧密连接的虚拟装配环境；哈尔滨工业大学通过模型转换实现了从SolidWorks、Pro/Engineer系统到虚拟装配系统的输入。

　　由于虚拟环境缺乏现实环境中存在的各种物理约束和感知能力，虚拟装配过程中零件之间主要依靠几何约束进行精确定位。华盛顿州立大学的S.Jayaram等[4]首先提出约束定位的思想，通过零部件受约束运动以及约束求解，来实现虚拟装配过程中待装配零件的精确定位。英国Heriot-Watt大学Richard等[5]提出近似捕捉(proximity snapping)和碰撞捕捉(collision snapping)的方法来解决虚拟环境中零部件的精确定位。英国Salford大学虚拟环境中心的Fernando等[6]研究了基于几何约束的零件精确定位和三维操作，开发了几何约束管理器，用来支持虚拟环境下装配和维修任务。浙江大学刘振宇、谭建荣等[7]在语义识别的基础上，提出了基于语义引导的几何约束识别方法，通过语义和约束识别来捕捉虚拟装配过程中用户的操作意图，从而提高了约束识别速度和准确性。

　　设计人员根据经验知识在虚拟环境中人机交互式对产品的三维模型进行试装，规划零部件装配顺序，记录并分析装配路径，选择工装夹具并确定装配操作方法，最终得到经济、合理、实用的装配方案。加拿大Yuan等[8]提出了虚拟环境中交互式装配序列规划的方法。浙江大学的万华根等人[9]在基于虚拟现实的CAD系统中提出用户引导的拆卸方法，基于“可拆即可装”的原理，将拆卸顺序和拆卸路径进行反演，即可得到产品的装配顺序和装配路径。

　　从1995年美国州立大学研制出第一个虚拟装配系统VADE起，世界各国陆续研制出了多种典型的虚拟装配应用系统，分别应用于不同的工业领域。本文只对几个典型的系统进行介绍。

　　CHDP系统是英国Heriot-Watt大学在2002年开发出来的。它是在早期开发的虚拟装配规划系统UVAVU[10] (Unbelievable Vehicle for Assembly Virtual Units)的基础上提出的，主要针对现代产品设计过程中存在的管路和线缆装配的难题。该系统充分利用了虚拟现实人机交互的特点，设计者在虚拟环境中可以充分发挥已有的装配经验和知识，根据周围环境进行快速、直观地布线）V-REALISM系统

　　V-REALISM[11]系统是新加坡南洋理工大学2003年开发的基于CAD的桌面式虚拟环境系统，可用于虚拟装配、拆卸与维修。该系统充分体现了可视化、交互性和自由导航三个特点；系统包括三个基本功能：提供优化的装配/拆卸序列；提供三维虚拟环境进行操作和导航；将智能装配/拆卸序列规划算法和虚拟现实技术集成到一起。

　　2003年，美国纽约州立大学开发了基于虚拟原型的装配验证环境VPAVE[12] (Virtual Prototype Assembly Validation Environment)。实际生产过程中，零部件在加工过程会引起变形或受机床刀具与夹具的磨损，引起零件最后的尺寸和形状误差。而在传统的面向装配设计系统中，很少考虑到零件的尺寸误差，导致最后加工出来的零件装配不上或装配性能不能满足要求。VPAVE系统就是基于上述不足而提出的。VPAVE系统中采用虚拟原型，通过提取实际加工过程影响参数，建立对装配零件形状精度和尺寸精度的影响模型，利用有限元软件分析零件的受力、变形及残余应力情况，在虚拟环境下进行可装配性分析和评价。

　　2005年，意大利Bologna大学利用增强现实技术开发了基于CAD的装配规划与验证系统PAA(Personal Active Assistant)[13]。PAA实现了CAD装配系统和增强现实系统之间集成，从而提高工程设计模型和真实物理模型之间的集成。PAA系统利用CAD工具来有效提高对象识别能力，生成优化装配序列和产生装配操作指令；另一方面，基于增强现实的装配评价工具允许装配设计人员和装配操作人员之间的直接交互，指导操作人员的装配。

　　虚拟装配在设计与制造领域的应用，具有重要的理论意义和实用价值。国内外研究也取得了很大的进展。但总体上看，虚拟装配技术目前仍存在许多欠缺，一些关键技术还需要亟待解决。

　　1）缺乏规范化的共享开发平台和统一的标准和规范。虚拟装配系统还不能接受CAD系统的模型信息，实现与主流CAD系统的无缝集成。目前各的虚拟装配系统，都是根据本单位的情况来定制CAD接口，实现信息转换，在数据的提取和表达、信息的存储和管理等方面没有统一的标准和规范。

　　2）建模能力弱。目前的虚拟装配系统都以理想的零件模型为基础，没有考虑具体的加工和装配环境对零件形状精度和尺寸误差的影响，导致实际生产出来的零件装配不上或装配性能不满足要求。

　　3）交互操作可靠性和灵活性差。由于基于碰撞检测的交互操作是一个多输入、大计算量的过程，输入系统的灵敏性、碰撞检测的计算效率等因素都影响交互操作的可靠性。

　　4）功能过于单一。虚拟装配系统除了工艺规划和装配过程仿真外，许多辅助功能还没能实现，如装配力变形分析、工装夹具的设计、装配质量预测、装配人员工效分析等功能云平台app手机版下载。

　　5）开放性和集成能力弱。由于虚拟装配系统开发的方法、环境差别较大，与其他系统集成和数据交换的能力弱，制约了虚拟装配系统的开发及与现有其他系统的集成。

　　[1] 李建广,夏平均.虚拟装配技术研究现状及其发展[J].航空制造技术,2010(3):35-36.

　　[7] 刘振宇,谭建荣,等.基于语义识别的虚拟装配运动引导技术研究[J].软件学报,2000(5):84-88.

　　论文摘要：讨论了对零部件繁多、大型或精密产品进行原型展示、功能分析和虚拟装配时的功能需求；针对这些功能需求设计了一种虚拟现实系统结构．基于模块化的思想提出一种既可以分布处理又可以集成整合的系统框架．对其中主要功能模块——控制核心模块、装配控制模块、图形引擎模块、文件服务模块、数据服务模块和应用服务模块的功能进行了详细的讨论．详细研究了本系统关键技术中的三项：主动立体显示技术、可装配性评价和实时碰撞检测方法．

　　虚拟装配系统可使用户在产品生产以前在虚拟环境中模拟实际的装配过程，评价零部件 的可装配性 ；预先检验装配结果，展示产品原型结构和功能 ；分析产品原型性能，并最终利用这些结果指导实际设计开发过程，从而大大节约开发成本，缩短开发周期．

　　本文讨论了对复杂零部件、大型或精密产品进行原型展示、功能分析和虚拟装配时的功能需求，设计了原型展示分析与虚拟装配系统(pavas)的体系结构，基于模块化的思想提出一种既可以分布处理又可以集成整合的系统框架，并研究了组成系统框架的一些关键技术．

　　本系统是面向大型复杂产品虚拟装配和结构功能展示及性能分析而设计的，所以它主要包括产品虚拟装配功能、产品功能虚拟展示和强沉浸感显示三大功能．与一般性的虚拟装配系统不同，本系统更加偏重于后两点功能的表现．为实现功能需求，系统采用了如图 1所示的硬件结构 ．各部分功能如图2所示．其中onyx4系统通过 5bnc接口与 crt和投影仪连接；pc机通过 rs232接 口对 onyx4系统的控制台进行操作，还通过以太网接口向onyx4系统传输数据文件；数据服务器和应用服务器通过以太网与onyx4系统连接 ，以实现数据的互相传输．其中数据服务器和应用服务器可根据实际需求进行特定的功能配置或者省略．

　　本系统的模块如图3所示．整个系统在 irix6．5上基于 performer 3．2．2构建．主要分为控制核心、装配控制、图形引擎、文件服务、数据服务和应用服务 6个大模块[ 1 j．其中前 3个模块作为系统功能核心，安装于同一硬件系统中，通过 计算 机内部总线和相应的数据协议进行连接；后 3个模块可根据系统应用的实际情况，分别安装于独立的服务器通过快速以太网进行连接或者与核心功能模块安装在一起．pavas系统模块功能分述如下 ．

　　1)控制核心．控制核心用于协调和管理pavas的其他各个模块，进行消息管理并提供控制台连接，同时支持基本 i／o设备．

　　2)装配控制模块．它需要完成 4点主要功能：装配关系模型的创建和管理、约束管理、装配路径管理、可装配性评价．

　　3)图形引擎．生成虚拟环境，创建装配和展示场景；处理用户与系统的交互；在操作时进行实时碰撞检测；立体显示输出；提供物理系统．

　　4)文件服务模块．实现产品原始数字模型与系统文件格式之间的双向转换；与数据服务模块进行双向通信，将模型信息传递其中以供其他模块利用，或者将修改后的模型数据导出．

　　5)数据服务模块．存储产品模型和虚拟场景数据信息；综合文件服务模块提供的模型信息和应用服务模块提供的交互信息供高层模块使用；将高层模块运行生成的新模型信息和交互反馈信息传递给文件服务模块和应用服务模块．

　　6)应用服务器．提供 i／0接口；处理人机交互信息；与数据服务模块双向通信实现交互信息的写人及输出．

　　pavas的关键技术主要有：主动立体显示技术、实时的快速碰撞检测技术、虚拟环境中物理系统的模型建立与实现技术、人机交互模型的建立与交互设备之间的联系方法、装配模型的创建和表达技术、约束的识别和捕捉技术以及数据服务模块中数据库结构与文件结构之间的转换等．本文主要分析主动立体显示技术、产品可装配性评价和实时快速碰撞检测技术．

　　由于人的两眼之间存在瞳距，所以每只眼睛感受的图像之 间也存在一个水平方向的差距，如图 4所示．大脑利用这个差距来处理图像从而产生立体感 ．

　　主动立体显示就是通过使左右眼图像分时交替在显示屏上刷新显示实现的．立体图像的计算方法主要有旋转法和双中心法，如图5所示．

　　旋转法采用一个投影中心，通过使被观察对象分别向两个方向旋转相同角度投影来计算左右眼图像，如图 5a所示．使用这种方法得到：

　　其中，xo，y0，zo是 p0的坐标；是两次旋转后位置的夹角．这种方法需要作除法运算，因此速度稍慢，且会在实际使用中造成原理屏幕中心的地方垂直视差增大的情况．双中心法因采用两个 投影 中心，如 图 5b所示 ，因此得到：

　　这种方法可以避免产生垂直误差，效果较好．在这一系列的 计算 过程中，诸如用户瞳距、用户与被观察对象的距离等数据可以通过交互设备进行实时跟踪或者针对应用使用平均数据．

　　对于零件的可装配性评价 ：首先选择 种因素对产品零件的可装配性进行评价，定义 f= 表示影响因素集合；u(z)表示装配难度的隶属度函数，z代表影响因素的特征值， 乱 ，见表 为影响因素集对应的影响因素重要程度向量，其中a 表示因素 对零件可装配性影响程度的大小，且满足：

　　定义零件的可装配性指数 根据．厂的取值来评价零件的可装配性．对于产品的可装配性评价：在零件可装配性评价的基础上定义 产品的可装配性指数向量，a 为零件p 可装配性指数．另定义 0为n*m阶模糊关系矩阵，元素 o 代表零件 只中因素 对装配难度的隶属度函数值．

　　则有 而产品的可装配性指数 产品的平均可装配性指数 a ，则为a 与零件总数 的商．a 作为最 终的产品可装配性评价指标．

　　在实时碰撞检测中，主要解决时间步长问题、多物体对测试问题和两两物体对测试问题．pavas系统的实时碰撞检测按照以下规则进行．

　　规则1 在碰撞频率较高的时候采用小时间步长检测 ，在碰撞频率较低的时候采用大步长检测．时间步长同时与被检测对象的相对运动速度相关．

　　规则2 免除静止模型之间的碰撞检测；免除距运动模型较远物体与运动模型之间的碰撞检测；对于距运动模型较近物体首先采用 k—dop包围盒算法进行粗略检测，若发生碰撞则改用精密的检测算法 ．

　　按照本 文思路，基于 sgi onyx4可视化系统 、科视立体投影系统和 dell pe46大型服务器等硬件设备构建了虚拟现实系统；利用 ug，opengl perforltler和 c语言等软件、库和开发语言构建用于数控机床运动分析和虚拟装配的原型系统．图 6是某数控机床模型在系统屏幕上的投影；图 7是该机床主轴有限元分析结果在屏幕上的投影 ．

　　1)本文提出的pavas软硬件结构可根据实际应用对系统的功能需求进行不同的配置，可以构建成基于 pc或者基于工作站甚至小型机的系统．

　　2)系统采用双中心投影法来实现主动立体显示，消除了垂直误差，提高了运行速度，在给人沉浸感的同时增加舒适性．

　　3)系统综合目前采用的一些碰撞检测方法结合 k—dop和距离跟踪法来进行碰撞检测，在不失精度的前提下可进一步加快计算速度．

　　航空发动机是当代工业技术发展的结晶，是工业技术“皇冠上的明珠”，对国民经济、国防建设起着战略性的作用。随着军事需求、民用航空的发展，航空发动机技术日新月异，新的设计构造不断涌现。但是长期以来，由于人才短缺、基础薄弱等原因，我国航空发动机技术始终与国外先进国家存在着较大的差距。因此，培养高素质、创新型的航空发动机人才对促进我国航空发动机技术发展至关重要。

　　实践教学是航空发动机教学工作中的重要一环，对促进学生了解发动机内部复杂结构、理解相关理论知识起着重要作用。传统的实践教学内容主要包括参观发动机样机、进行发动机试车实验等。但是，由于航空发动机内部结构非常复杂，难以观测到内部细致结构；进行一次航空发动机试车实验不仅花费高昂，而且对操作者要求极高，只能由专业技术人员操作，学生的参与度很低；另外，航空发动机技术日新月异，教学实验设备难以及时更新，使学生所学知识与实际应用严重脱节。

　　为了提高学生教学质量，解决航空发动机教学设备陈旧、实验费用高昂等问题，本文将虚拟现实技术与发动机专业教学相结合，建设了了航空发动机虚拟教学实验系统。

　　实验系统旨在建立数字化的三维虚拟航空发动机实验室，可以实现发动机结构的虚拟装配，发动机试车台实验仿真，发动机内部工作原理及内部流场展示等多个教学实验内容。学生能够通过这个虚拟空间观看发动机教学实验，并通过视、听、触等感知行为去体验，学生能够主动操作实验，实验系统具有很强的交互性与沉浸感。

　　如图1所示，为航空发动机虚拟教学实验系统的软硬件组成。硬件包括人机交互所用的传感设备（如数据手套、六自由度鼠标、触觉与力度反馈器等）、显示设备（如头盔、投影屏）、虚拟环境产生器（包括高性能图形工作站、立体声音响）；支撑软件包括对象模型生成软件、虚拟视景软件以及程序编辑平台等。

　　通过软硬件结合，航空发动机虚拟教学实验系统能实现由发动机虚拟装配、模化实验、流场显示等三个模块的多种功能。

　　1.1 发动机虚拟装配模块。学生能够在全场景、沉浸式的虚拟环境下任意角度观测到航空发动机各大部件及其内部结构，通过配戴数据手套实时交互地对发动机三维模型进行虚拟装配，加强学生对发动机总体结构和部件间的连接关系的认识；

　　1.2 航空发动机模化教学视景仿真模块。此平台可模拟发动机在工作过程中内部的运行情况，利用视景仿真技术模拟涡轮转子转动，气流在发动机内外函道的流动以及燃烧室和尾喷管的火焰现象，并能通过对油门杆的交互操作实现对这些动态现象的控制，可以使学生从视觉上对航空发动机内部工作状态有形象直观的认识；

　　1.3 发动机试车实验仿真模块。能够模拟能使发动机试车的操作过程，可以使学生了解发动机试车的具体步骤，培养学生对试车实验的实际操作能力；通过曲线历程图和实时数据反映发动机特性参数的变化，加深对发动机工作原理和气动特性的理解；提供发动机试车的立体音效和控制台视景仿真，加强了系统的沉浸感；

　　1.4 流场显示仿真模块。能够模拟发动机内流场质点的流动轨迹，可以使观测者直观了解如叶栅绕流等实验现象及其机理，加深对相关专业课的认识和理解，达到较好的教学效果。

　　为了应用相应的软硬件设备，完成航空发动机虚拟教学实验系统应满足的需求与功能，采取了以下设计流程来完成系统的搭建，如图2所示。

　　2.1 第一层为硬件层，主要由虚拟现实人机交互系统、大屏幕立体显示系统和小型桌面虚拟现实系统组成。其中小型桌面虚拟现实系统包括高端PC工作站、VR专业三维立体图形发生器、红外立体眼镜及播放器组成和CRT彩色显示器组成。而人机交互系统包括由六自由度三维空间立体鼠标、数据手套等组成。其中六自由度立体鼠标可实现x、Y、z三个方向上的移动和旋转功能；而数据手套可以真实地模拟人手的装配动作和触觉感应。大屏幕立体显示系统由投影仪、立体转换器、硬幕、偏振片和偏振立体眼镜组成。

　　2.2 第二层为硬件接口层，主要用于获取六自由度三维空间鼠标、数据手套等的虚拟装配环境结构数据，设定立体眼睛双目视觉间隔参数等。

　　2.3 第三层为3D模型层，首先可利用Creator、CAD等建模工具，采用体素法、轮廓扫描法和实体扫描等方法建立几何模型，对物体的形状、位置、大小等几何信息，以及发动机各部件间连接关系等拓扑信息进行描述，获得物体重心、表面积、体积、密度、质量、转动惯量等几何、物理参数。

　　2.4 第四层为支持工具层，在本例中为VEGA虚拟环境开发系统，运行于vC++6.O工作平台，它提供了大量的处理窗口、环境以及实现虚拟动作的函数。

　　2.5 第五层为驱动层，包括数据手套、六自由度三维空间鼠标、位置跟踪器、立体显示设备等的驱动程序。

　　2.6 第六层为应用层，可采用vc++6.O开发出面向用户的友好的虚拟装配环境。最终用户并不需要了解繁琐的函数调用和硬件接口，只需通过空间立体鼠标、力反馈数据手套等输入装配控制指令，并通过立体眼镜、头盔显示器等设备观看到实时的装配效果。

　　航空发动机虚拟教学实验系统将虚拟现实技术与航空发动机专业教学与实验相结合，克服了传统教学方法设备更新困难、试验费用高昂等问题，突破了传统教学方式的局限性，有效地推动了教学方式的改革与创新。通过航空发动机虚拟教学实验系统在教学实践中的应用，系统有效提高了专业学生的培养质量，节约了实验教学成本，将我国航空动力专业的教学工作推上了一个新的台阶。同时，虚拟教学实验系统的思想在土木建筑、军事教育、医学教学等领域具有广泛的应用前景云平台app手机版下载。随着计算机与多媒体技术、仿真技术、虚拟现实技术的迅速发展，虚拟实验教学必将突破传统教学方式得到广泛应用。

　　[2]周前详，姜世忠，姜国华.虚拟现实技术的研究现状与展望.计算机仿线]赵士滨，吴秋峰.虚拟现实技术进入高校实验教学的研究.教育发展研究，2000，（8）：77-80.

　　[10]翟丽平.基于Multigen的虚拟现实三维建模技术研究与实现.重庆大学硕士学位论文，2005.

　　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。

　　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。

　　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。

　　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：

　　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。

　　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。

　　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。

　　[2] 李会文.Lexus 400型汽车发动机虚拟装配与运动模拟的研究. 湖南师范大学硕士论文，2008-11-01.

　　车载液压破碎锤可以高效地完成碎石、拆除、公路修补、冻土挖掘、二次破碎等艰苦工作，欧洲和美国的各种车载破碎锤纷纷面世，如Atlas Copco、Rammer、Montabert、Indeco等。.80年代，韩国的破碎锤也继日本之后有了长足的进步，1986年韩国水山重工推出了液压破碎锤，韩国相继出现了很多品牌。

　　破碎锤的冲击能量的来源还是由以下3种方式提供：第一种由液压油提供，例如Rammer和Montabert；第二种由气压提供，例如日本的破碎锤；第三种也是效果最好的，由液压、气压混合提供，一般液压占25％、气压占75％，如Atlas Copco公司设计、生产的破碎锤。但所有的破碎锤活塞回到原位的力完全是由液压提供。目前液压破碎锤已经被广泛应用于公路再建、市政拆除、矿山、采石、隧道、水下作业等工程建设领域。

　　..本文所研究的液压破碎锤是在单斗反铲型液压挖掘机上改装的，将液压挖掘机上的铲斗改装成液压锤。因此总体结构包括动力装置、工作装置、回转机构、操纵机构、传动系统、行走机构和辅助设备等。常用的全回转式液压挖掘机的动力装置、传动系统的主要部分、回转机构、辅助设备和驾驶室等都安装在可回转的平台上，通常称为上部转台。因此又可将液压破碎锤概括成工作装置、上部转台和行走机构等三部分。.

　　我国工程机械发展与国外相比相对较晚、较慢，技术水平整体较低。工作装置的传统设计方法在设计历史中起到了主要作用。对于工作装置的设计方面国内外研究的情况大致是：

　　(1) 图解设计法；(2) 基于平移性的作图法；(3)解析法；(4) 综合图解设计法；(5) 优化设计方法，以上设计方法基本上遵循一般连杆机构的位置综合原则，侧重考虑工作装置的平移性。对它的工作装置伸缩性与平移性，平移性与自动放平性，动力性与自动放平性之间的矛盾关系未能综合分析，只是满足单个性能的要求，无法达到全局最优。总之，这些方法都是基于二维平面上进行的。对于工作装置干涉问题、运动学、动力学等问题不可能很好的解决，也不可能直观的表现出来。

　　近年来随着计算机技术的发展，在工作装置设计上出现了基于虚拟样机技术的工作装置设计。例如吉林工业大学、大连理工大学和洛阳拖拉机厂等利用虚拟样机技术不但研究了工作装置的运动学、动力学特性，而且对其进行了优化设计，但是它们不是对模型进行了大量的简化，就是只局限于对刚体情况下工作装置虚拟样机的研究。

　　本论文是在全面分析液压破碎锤工作装置的基础上，建立工作装置的虚拟样机模型，在虚拟环境下模拟物理样机的运动状况，快速分析各种设计方案，进行辅助设计、参数化设计和优化设计，帮助设计人员完成以前需经数次物理样机才能完成的实验研究。

　　由文献可知，CAX技术是虚拟样机技术的基础技术平台。一般意义的CAX技术主要指CAD、CAPP、CAM、CAE、CAQ等，限于篇幅，本文主要阐述CAD/CAE技术及其软件。

　　本文将采用Pro/ENGINEER wildfire软件完成液压破碎锤工作装置的建模与装配，建立工作装置的虚拟样机并进行不同作业工况下的动态模拟。

　　所谓CAE即Computer Aided Engineering（计算机辅助工程）是指工程设计中的分析计算与分析仿真，具体包括工程数值分析、结构与过程优化设计、强度与寿命评估、运动及动力学仿真。工程数值分析用来分析确定产品的性能；结构与过程优化设计用来保证产品功能、工艺过程的基础上，使产品、工艺过程的性能最优；结构强度与寿命评估用来评估产品的精度设计是否可行，可靠性如何以及使用寿命为多少；运动及动力学仿真用来对CAD建模完成的虚拟样机进行运动学仿真和动力学仿真。从过程化、实用化技术发展的角度看，CAE的核心技术为有限元技术与虚拟样机的运动及动力学仿真技术。

　　多体系统动力学包括多刚体动力学和多柔体系统动力学，是研究多体系统（一般由若干柔性和刚性物体相互连接所组成）运动规律的科学[17]。

　　多体系统动力学的核心问题是建模和求解问题，其系统研究开始于20世纪60年代。从60年代到80年代，侧重于多刚体系统的研究，主要是研究多刚体系统的自动建模和数值求解；到了80年代中期，多刚体系统动力学的研究已经取得一系列成果，尤其是建模理论趋于成熟，但更稳定、更有效的数值求解方法仍然是研究的热点；80年代之后，多体系统动力学的研究更偏重于多柔体系统动力学，这个领域也正式被称为计算多体系统动力学，它至今仍然是力学研究中最有活力的分支之一，但已经远远地超过一般力学的涵义。多体系统动力学的根本目的是应用计算机技术进行复杂机械系统的动力学分析与仿真。

　　本文液压破碎锤工作装置虚拟样机的建立主导思想是：根据液压破碎锤工作装置的试制图纸，在Pro/ENGINEER中进行三维实体建模，通过虚拟装配，建立工作装置的三维模型，然后添加适当的约束以及驱动，使之成为一个虚拟机构。其构建流程如图2-1所示。

　　通过查阅相关文献，基于以设计为中心的先进制造技术理论，可以得到，液压破碎锤工作装置的虚拟样机研究是一个庞大的系统工程。本文的研究内容―液压破碎锤工作装置的虚拟样机研究只是其中的一部分，只涉及到了工作装置的运动学分析、动力学分析、结构分析的前处理以及工作装置虚拟装配的部分内容。

　　在目前阶段，国内生产企业一般都建立了自己的研发网络，并相应的采用了CAD、CAPP技术，可以说已经初步具备了虚拟样机的基本条件。因此，在现有的条件下，应该首先倡导采用虚拟样机技术，建立工作装置的虚拟机构，并根据国内液压破碎锤的使用工况和操作者技术状态，通过虚拟样机分析，对整机性能和可靠性作研究，以弥补因缺少设计手段而忽略的整机分析。

　　[作者简介]孙芹（1979- ），女，山东威海人，山东英才学院机械学院，讲师，硕士，研究方向为机械制造、数控加工。（山东 济南 250104）

　　当今社会机械制造业的发展壮大，得益于日趋激烈的市场竞争。面对机遇与挑战，制造业只有不断吸收机械、电子、信息及现代企业管理等多方面的成果，并应用于产品生命周期的全过程，才能不断推出新品，富有竞争力。集成化、网络化、数字化、虚拟化以及智能化是使传统制造系统成为信息时代、知识经济时代的先进制造系统的最主要内容。目前，在众多企业中广泛应用的CAD/CAM技术是现代先进的计算机技术成功渗入传统制造业的结果。

　　为使学生进入企业后，能够熟练掌握一门CAD/CAM软件，尽快适应自己的工作岗位，山东英才学院结合机制专业的自身特点，选择NX（UG）作为CAD/CAM教学软件。通过到兄弟院校走访调研发现，在教学过程中，CAD/CAM单独作为一门课程一般开设在第六学期或第七学期，虽然该课程设置的目的是为了起到连接作用，为后续的毕业设计和学生就业提供好的绘图工具。但作为一门课程，学生学完后，很难做到融会贯通，没有达到预期的教学效果。为了提高学生学习的主动性，让枯燥的机械课程变得简单易懂，提高学生学习的兴趣，增强各门课程之间的联系。在机制本科的教学过程中，尝试运用NX的CAD/CAM一体化功能来辅助教学，实践表明，这对学生理解和掌握专业课程有很大的帮助。

　　“机械制图”是工科重要的主干专业技术基础课程，在机械工程科学人才培养体系中占有重要地位。该课程以形体构造和图形表达为核心，以形象思维为主线，培养学生空间想象能力、形象思维能力、图形表达能力和创新构形能力等工程科学的基本素质，并为进一步学习机械设计类、机械制造类和工程实践类后续课程提供必备的制图基础知识与基本技能。

　　在制图的教学过程中，仍以讲授为主，部分教学环节借助模型和挂图等辅助工具，学生往往是被动学习，建立空间思维相对困难，学生普遍反映课程太难学，从而对课程产生了厌倦，降低了学习积极性。到了高年级，进入专业课程学习、课程设计和毕业设计阶段，学生反而不会画图了。毕业后，进入社会，就业将更加困难。因此，尝试将NX软件引入“机械制图”课程教学环节。建立机械制图虚拟模型库，让学生有整体的概念，通过旋转、剖切三维图形，可以对三维模型进行动态仿真，让学生理解模型各个方向的形状，增加图形的直观性，搭建投影和三维实体之间的桥梁，这样再来学习制图的投影原理及其他表达方式，将变得非常轻松。同时，NX为参数化建模，方便对模型进行修改，可以根据教学大纲的变化，及时修改模型。可将模型库上传到网络课程中，学生自主学习，大大提高了学生学习兴趣，为后续课程的学习奠定了坚实的基础。

　　“数控机床编程”课程是机械制造本科专业重要的专业课程。大部分院校数控机床编程主要以手工编程为主，讲授数控车床编程和数控铣床（加工中心）编程。为了提高学生的学习兴趣，手工编程的内容也会借助NX软件，讲授自动编程应如何实现。如在车削的教学过程中，相应会讲解轴类零件、螺纹类零件、综合实例等自动编程过程，通过手工程序和自动生成程序的对比，学生对编程有更深刻的理解，更喜欢数控编程课程，为机床实训打下基础。

　　手工编程虽然有不少优点，如方便快捷，可以省略很多走空刀的地方，能最大地优化加工路径等。但手工编程无法编制复杂工件，如非常规曲面的程序编制，同时手工编程对编程人员有较高的要求，一个点计算错误，将会造成严重的后果。当手工编程无法完成或是编程比较困难的零件，可以通过自动编程完成，NX软件有强大的数控加工CAM模块，包括平面铣削、型腔铣削和深度铣削、固定轴曲面轮廓铣削、多轴铣削和孔加工等，基本可以加工任意复杂的曲面。NX数控加工的一般流程为零件3D建模—指定工艺方案—进入CAM环境—创建程序节点、创建刀具节点、创建几何节点、创建加工方法节点—设定参数—生成刀轨并验证—机床后置处理—数控程序（NC代码）。

　　“机械设计基础”课程主要包括机械原理和机械零件设计两部分，以机械原理部分学习过程中的四连杆机构为例，在学习四连杆机构时，如果仅仅通过理论讲解，学生对四连杆的运动特性理解的不够充分，可以利用NX运动仿真模块，首先通过三维建模，虚拟装配，设定连杆，设定驱动，完成平面四连杆机构的三维动画运动仿模拟。

　　机械设计基础课程学完后，要进行课程设计。以减速器课程设计为例，学生要完成减速器装配图及零件图的绘制。给定参数后，如果学生凭空想象，采用二维软件即使完成了减速器的装配图，并拆画零件图，也不知道所绘制的减速器各零件间是否会产生干涉，能否保证加工后的零件能够安装。因此，可以利用NX的装配模块，将所设计的减速器零部件进行装配，通过仿真建模，查看各个零部件之间是否存在干涉，为后续加工的零件的顺利装配打下基础。并且，NX软件可以将三维模型转换为二维工程图形。如果零部件模型尺寸进行了修改，装配图形也会自动做相应的修改。

　　毕业（论文）设计是每个本科生毕业前要完成的最重要的一项任务。机械设计制造及其自动化专业的本科毕业生主要从事的工作岗位为：数控机床操作岗位（数控车床、数控铣床、数控线切割机床的机床操作工），数控工艺技术岗位（数控加工工艺设计师、数控工艺文件管理员、数控程序编写技术员、电脑绘图员等），普通机电设备设计师助理等技术工作岗位，这些岗位的共同特点是动起手来能干活，拿起电脑可设计。因此，毕业设计对他们来说尤其重要，毕业论好了，进入企业后，就能更快适应工作岗位。

　　在教学过程中，为实现应用型本科的人才培养目标，减少理论型、研究型论文，要求毕业论文题目需“来自企业”，即学生的毕业论文内容既要包含设计又要包含制造，而且学生必须在数控机床上至少加工出毕业论文中的一个中等复杂的零件，若能借助NX软件，自动生成数控加工程序，并对刀路和程序进行优化，会起到事半功倍的效果。通过毕业设计，让学生掌握机械零件从设计到制造的全过程，为工作后以最短的时间适应企业要求奠定基础。

　　虽然将NX软件融入多门专业课程的教学过程，使学生学习积极性大大提高了，教学效果明显，但由于课时的限制， NX软件强大的功能模块，教学过程不可能面面俱到云平台app手机版下载，很多模块不能深入讲解，一般是按照一定的讲课模式完成教学任务。

　　教学过程中理论讲解的思路和方法肯定与实际工作有一定的差距。针对学生的不同要求，鼓励学生参加竞赛来提高自己的能力。主要组织学生参加山东省数控大赛、山东省机电产品设计大赛和全国3D大赛等。在每项技能竞赛中，都要求学生完成真实的产品，大赛的环境更接近于真实的工作环境，通过参加不同类型的大赛，学生会对NX软件更加的熟悉，对自己感兴趣的模块有更深刻的了解。同时，大赛能拓宽学生的视野，提高团队合作精神，提升自身的设计、制造和创新能力，拓宽将来的就业范围，提高了就业机会。教师通过指导大赛，与学生进行沟通，更了解学生的想法。通过参加大赛，与其他院校进行交流，相互借鉴，获得更多的信息，把握更新的教学理念，并不断渗透到自己的教学过程中，使教学更贴近实际，使本来枯燥的课堂变得更加生动。技能大赛可以让学生认识到学习中的不足，明确自己的学习方向。

　　把NX（UG）软件应用于机制本科“机械制图”“数控机床编程”“机械设计基础”等课程中，使学生感觉枯燥、难懂专业课程变得生动、易懂、易学，学生自主学习能力得到了提升，学习积极性得到了提高，同时，在本科毕业（论文）设计和各种大赛中，充分合理地选用NX软件的相应模块，满足了不同层次、不同要求的学习需求，教师更容易了解学生，可使教学更能满足学生的需求，更能贴近社会实践的要求。学生上学期间打下的坚实基础，也为今后的就业奠定了坚实的基础。

　　[1]程德蓉，何玉林，李彩霞.基于CBR的“CAD/CAM技术-UG”课程的教学改革[J].教育与职业，2011（6）.

　　[3]严潮红，夏建生，王旭华，等.基于UG NX的工程本科应用型人才培养[J].盐城工学院学报：社会科学版，2010（3）.

　　[4]畅为航，段江军，张洪峰.基于UG软件的《机械制图》课程改革探索[J].装备制造技术，2009（12）.

　　[5]陈凌云，闵惠芬.以赛促教，以实促改——浅谈 CAD/CAM 教学改革探索[J].课程教育研究，2012（20）.

　　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。

　　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。

　　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：

　　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。

　　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线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。

　　虚拟样机技术在机械工程设计中被称作机械系统动态仿线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线虚拟制造技术在机械工程中发挥的优势

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　[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）．

　　[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）．

　　[6]谢翔，张明丽，张丽丽．基于机构创新设计的虚拟实验关键技术研究[A]．第九届河南省汽车工程技术研讨会论文集[C]．2012．

　　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）。