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一、 液压破碎锤概述
. 液压破碎锤及其组成
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。.
二、工作装置设计方法
1． 工作装置传统设计方法
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。
2． CAX技术及其软件
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。
目前，工程设计中常用的CAD软件有二维和三维软件之分。其中三维造型软件比较知名的有Pro/ENGINEER，UG，Solid works，I-DEAS，CATIA，CIMATRON等。各个三维CAD软件当前的最新版本是Pro/ENGINEER wildfire2.0，UG NX4.0，Solid works 2006，I-DEAS NX V11，CATIA V5，CIMATRON E6.0等等。
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。
目前工程实际中应用较多的CAE软件有ANSYS、MATLAB、ADAMS、ALGOR等。各个软件的最新版本是ANSYS 8.0、MATLAB 8.5、ADAMS 2005、ALGOR V17等。
本文采用MSC.ADAMS软件进行液压破碎锤工作装置虚拟样机的仿真研究。
3． 多体动力学理论
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。
三、 液压破碎锤工作装置的研究体系
1． 液压破碎锤工作装置虚拟样机的构建流程
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。
图2-1虚拟样机的构建流程
2． 液压破碎锤工作装置的研究体系
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）14-0065-01
为了使自身在市场上立于不败之地，很多企业都对产品的模式进行了更新，其目的是提高产品的效率及收益。随着社会的发展和经济水平的提高，竞争也愈发激烈，除了要减少成本以外，还要提高产品的质量和使用价值。
1 什么是虚拟样机
所谓的虚拟样机，指的是产品的多领域数字化模型的集合体，它包含了真实产品的所有特点。运用这种技术，可以对机器的零件进行模拟制造，从而在设计阶段提高产品的使用性能和质量。
用这种技术来对机械产品进行设计，对零件、结构、装配等部分进行分析，使机械产品的设计更加具有直观性和可视性。
2 基于虚拟样机技术的机械产品设计与建模方法
2.1 利用CAD软件建模仿真
在对机械产品进行设计的时候，必须要运用一系列的软件来对机械零件的设计尺寸进行分析，并且对机械零件开始进行一个一个的建模。这样就可以得到一个三维的图片，然后再对零件模型的表面、材质、质量、性能等进行虚拟的设计，从而进行仿真分析。
建模完成以后，再利用三维软件，将需要调入的零件模型进行装配，装配的时候要充分的利用平衡、垂直、重合等。装配还必须按照顺序来进行，比如先装配部件，然后再将部件模拟装配成样机。此外，可以通过运动集成模块来进行优化设计，这些模块有很多的优点，比如能够矫正机械的运行，能够注意到机械的位置、运行速度、性能是否正常。另外，这些模块还能够通过对尺寸的计算，优化整个机械的性能。
2.2 对产品结构件进行分析和仿真
在对机械产品进行设计的过程当中，除了必须要考虑设计中的运动以外，还要考虑所设计的零件是否有一定的承载能力，或者强度和性能是否符合要求。进行了建模以后，因为软件有一个比较好的接口，因此可以采用这种软件对机械的各个部分进行强度分析，分析的时候还要计算有限元，这样才能够使设计更加的合理。另外还要分析设计要求是否符合机械的使用要求，如果得出的数据证明虚拟样机的一部分不符合机械使用要求，那么，就只能重新进行修改。同时，这也是一个系统而繁杂的过程。
2.3 对行星架进行分析
行星架是机械的承载构建，如果机械的行星架设计不合理，就会影响到整个机械的使用。同时，行星架也是非常复杂的一部分，很容易出现轴的强度过低，而计算应力又会显得比较复杂。首先要在软件中创建几何模型，其次要导入其中，导入之后可以添加材料信息了，然后要根据装配体的情况，来设置接触选项，最后再根据参数来设计网格，施加载荷，并且求出结果。
3 虚拟样机技术在机械产品设计中的应用
我国对机械产品的设计经历了很多个历程，最先开始是二维技术，利用计算机来生成零件，或者是整机的二维图形，然后是三维技术，最后才是现在的虚拟样机技术。笔者总结了虚拟样机技术在机械产品设计中的应用，具体为以下几点。
3.1 采用ADAMS软件对运动仿真进行分析
这种方法比较准确可靠，而且还可以使数据无缝连接，但是建模功能却不好。我国很早就采用ADAMS软件应用到农业机械当中，最普遍的是用收割机、深耕机。同时，在不同机械系统工作的参数下，油菜物料在清选袋置中的运动规律也不同。
3.2 ADAMS软件和造型软件的联合仿真
这种方法是首先在软件中建模，然后再把建的模导入ADAMS中，这种方法的建模功能非常的好，而且仿真功能也很强大，但是在导入模型的过程当中，很容易丢失一些信息。20世纪90年代末，运用这种技术设计了播种机，实现了自动化和科学化的播种。此外，这种技术还被运用在马铃薯收获机当中。
3.3 ADAMS和控制系统分析软件的联合仿真
机械系统和控制系统是现代机械的主要发展方向，两者结合可以降低机械设计的复杂性，还能提高机械运动的效率。几年前，我国通过将ADAMS与控制系统的联合，研制出了弹性轴轴承系统在径向正弦载荷作用下的动力学特征。在农业机械方面，还研制出了马铃薯联合收获机输送臂，对输送臂的整个运行进行了分析和研究，提高了其使用性能。
4 虚拟样机技术的优点
4.1 缩短了产品的设计周期
虚拟样机技术在传统机械设计的基础上进行了改善，从不同角度、不同使用需求出发，缩短了产品的设计周期。此外，还提高了机械运行的性能。
4.2 降低了产品的开发成本
因为机械设计是一项复杂而系统的工作，需要耗费大量的人力、物力、财力，而虚拟样机技术虽然对计算机软件、硬件的要求很高，却降低了机械设计的总体成本。
4.3 提高了零件的设计效率
与传统的机械设计相比，虚拟样机技术只需要输入一个基本模型，便可以导出精确的几何，对于形状大致相似的一系列零件，只需要稍微修改一下，就能够生成新的零件，这样就提高了零件的设计效率。
5 总结与体会
现在，虚拟样机在机械设计中的运用越来越广泛，从过去的二维、三维发展到CAD建模，再到如今的虚拟样机技术。不但提高了设计效率，还降低了设计成本，整个设计过程也大大的被简化，使得机械产品本身的操作也变得简单易懂。
参考文献
[1]徐海枝.我国虚拟样机技术应用研究论文计量分析[J].价值工程，2013，32（9）：312-313.
随着科学技术的迅猛发展以及计算机技术的广泛应用，设计领域正在进行一场深刻的变革，各种现代设计理论与方法不断涌现，设计方法更为科学、系统、完善和先进。传统设计方法已发展成为一门新兴的综合性、交叉性学科——现代设计理论与方法。现代设计理论与方法的广泛应用，必将为我国的工业生产带来巨大的经济效益，对提高我国工业产品的设计质量，缩短设计周期，推动设计工作的现代化、科学化方面将发挥巨大作用。
《现代设计理论与方法》涉及到的内容较多，设计方法种类繁多，而且课时有限，传统的讲解授课模式，教学效果必然是课堂气氛沉闷，学生感觉枯燥、单调，为此应根据《现代设计理论与方法》课程的特点，积极探讨教学方法，分析学生的知识结构，以应用为主导，适可兼并理论，综合应用多种教学手段，多侧面、多角度的向学生展示知识信息。
1.教学模式的探讨
1.1传统设计与现代设计的比较
传统设计常用的设计方法有理论设计、经验设计和模型试验设计，设计过程是利用经验公式通过大量的手工或计算机计算，对所设计的产品的尺寸参数、性能等计算求解，制作模型样机，对实物样机进行试验分析、研究，有些试验是破坏性的，当通过试验发现缺陷时，又要回头修改设计制作样机，并再用样机试验，只有通过周而复始的设计——试验——设计过程，产品才能达到设计要求。
现代设计设计方法很多：优化设计、虚拟设计、有限元分析，并行设计，设计过程是利用现代设计手段，辅助计算机应用技术，在各种虚拟环境中真实地模拟产品的各种特性、工作环境，快速分析各种设计方案，进行对实物样机而言难以进行或根本无法进行的试验，直到获得最优的设计。
通过现代设计与传统设计的比较教学，使学生认识到现代设计的优点和传统设计的弊端，充分认识现代设计的设计过程、特点，以便更好的理解现代设计，利用现代设计方法进行产品设计开发，增加学习的积极性。
1.2理论教学与应用教学的统一
现代设计理论与方法设计理论复杂，牵扯的内容深，范围广，本科生很难理解和接受，所以教学中多利用现有的、成熟的设计实例，介绍其在产品设计中的使用过程、分析方法，同时兼顾设计理论的要点，使学生即会利用设计方法的设计过程、特点，同时明白设计方法的理论及应用，这样对于设计比较复杂的产品、较深的设计理论，枯燥的设计方法学习使学生能够用得得心应手，游刃自由。
1.3多媒体观摩教学
要提高教学质量，还必须进行教学手段的革新。多媒体技术是利用多媒体计算机综合处理和控制文字、图形、声音、图形、图像、动画和活动视频多种形式的媒体信息，是计算机辅助教学的最佳手段，可以按照教学需要、在诸多媒体元素之间建立起一定的逻辑关系，从而把它们有机的结合并呈现出来，同时完成一系列的人机交互式操作，并在这种交互过程中完成教学目标。
1.4网络教学
建立网上教学平台，以浏览器为用户界面，将课程教学文件、教学研究、学术动态及相关信息上网，用于指导学生学习，建立教学论坛，充分利用网络功能，调动学生的学习积极性，主动性，使师生共同学习，共同进步。
2.实践教学模式的探讨
2.1开设现代设计理论与方法设计综合设计实验周
由于学生课堂学习有限，很难做到现代设计理论与应用的综合试验训练，通过开设综合实验周，使学生集中一定时间，利用产品现代设计与开发过程，综合练习、理解掌握现代设计理论与方法的理念、应用和技巧，达到理论与实践的学习，充分掌握现代设计方法。
2.2现代设计方法与理论课外大赛
采用命题与自主命题的方式，在规定的时间内，要求学生利用现代设计方法完成某个小产品的设计开发、并进行有关的性能分析。通过举办现代设计课外作品大赛，一是可以普及推广现代设计的应用，还可以增加学生利用现代设计理论与方法能力的锻炼、增强学生的学习积极性，更好地融汇理解学习自己的专业知识。
3.考试模式的探讨
现代设计理论与方法的特点，是培养学生利用现代设计的能力，所以考试命题应注重应用能力的培养，考试可采用多种形式，如笔试测验与产品设计应用大作业综合训练的方式进行。
3.1教师命题上机操作
上课教师根据教学的重点，选择适合的命题，要求学生利用一种现代设计方法，在规定时间内，在计算机上完成产品的现代设计与分析试验研究；同时为了兼顾更好地、更多地掌握现代设计理论与方法，可以笔试测验一部分现代设计方法，以更广泛的掌握理解现代设计理论与方法，即采用实际操作与笔试联合考核的方式进行。
3.2设计论文
这种测试方法是把设计的内容、要求发给学生，要求学生在一段时间内完成设计，并提交设计分析论文，这种测试方法灵活性强，题目可大可小，也可以因人的能力不同，适合布置设计题目，同时设计题目可以是实际工程上的真题真做，也可以真题假做，学生可以充分发挥能动性，知识性、实用性和趣味性、创造性，在虚拟环境下设计出符合要求的产品，并议论文的形式写下来，这样既可以考核学生掌握现代设计理论与方法的掌握，又能锻炼学生的创新能力。
4.结论
1、引言
机械产品全寿命设计是衡量产品设计水平先进与否的重要指标，现代设计过程迫切需要通过工程分析手段预测产品的结构可靠性。近年来研究人员试图将虚拟设计思想更多地融人到复杂机械产品的结构可靠性设计中，借助工程分析软件对计算机中虚拟的产品样机进行应力分布、疲劳寿命和可靠性设计等，大大提高了可靠性设计水平。
利用国外先进有限元软件丰富的试验数据，应用项目组成员进行的42crmo硬齿面齿轮的弯曲疲劳可靠性试验及资料，提出该硬齿面齿轮的结构可靠性虚拟疲劳设计方法，由虚拟零部件疲劳工作的情况快捷地得到应力一寿命(s一n)曲线，推知其疲劳寿命大样本，以供可靠性分析设计使用。
2、结构可靠性虚拟疲劳设计方法
2.1结构可靠性虚拟疲劳设计软件
进行产品零部件结构可靠性虚拟疲劳设计首先需要构造产品虚拟样机，目前国内外比较成熟实用的样机几何造型cad软件有autocad, pro/e等，同时还有可以进行各种系统仿真分析的多体运动学、动力学软件adams, simpack等。
目前国际知名的通用有限元工程分析软件大多可完成对产品结构进行应力分析、疲劳寿命测试及寿命概率分析的功能，目前见长的软件有ansys,msc/fatigue, msc/nastran，考虑虚拟环境的cfx及fluent。近年来，样机的运动、动力学及疲劳分析技术正处于逐渐深人和系统化阶段，但有许多重要内容要填补，如虚拟环境的融入、几何造型、动力学、疲劳分析技术的集成及开放式。
2.2疲劳寿命预测方法
多年来人们发展了各种疲劳寿命预测方法，其中名义应力寿命法(s-n法)、局部应变法(e-n法)与基于断裂力学理论的疲劳裂纹扩展寿命方法，已成为三种经典的疲劳寿命预测方法。
(1)名义应力寿命法(s-n法)
名义应力寿命法通常称为总寿命法。该方法用于构件总寿命的预测，是以材料或零部件的疲劳寿命曲线为基础的。该方法可以考虑构件表面加工和表面处理对其疲劳寿命的影响，也可以考虑构件焊缝的疲劳寿命，适用于低应力高周疲劳问题。
(2)局部应变法(e-n法)
局部应变寿命法通常称为裂纹萌生法。该方法用于预测构件的裂纹萌生寿命。它应用了材料的“记忆特性”，计人了名义应力无法计及的载荷循环顺序的影响，使寿命估算结果更接近实际情况，适用于高应变低周疲劳问题。
(3)疲劳裂纹扩展寿命方法
基于断裂力学理论的疲劳裂纹扩展寿命方法主要用于预测构件从裂纹产生到发生破坏的疲劳寿命。该方法结合模拟材料微观结构变形的数值方法，是数值模拟断裂的主要发展方向之一。
3、在硬齿面齿轮弯曲疲劳试验中的应用
根据项目要求对42crmo材质的硬齿面齿轮进行了弯曲疲劳可靠性全寿命试验，试验在机械部机械科学研究院英国产instron1603型电磁谐振疲劳试验机上进行。采用4级应力水平，即作4组不同应力的轮齿全寿命大样本试验，得到了硬齿面齿轮定寿命下的r-s-n曲线(见图4中实线部分)。本文以此试验为研究基础，进行42crmo硬齿面齿轮的结构可靠性虚拟疲劳设计和试验，得到了虚拟试验的各应力水平下疲劳寿命数据，即s-n曲线。
3.1三维几何造型设计
三维cad软件为构造精准的零部件虚拟几何造型设计打下软件基础。42crmo硬齿面齿轮是斜齿圆柱齿轮按渐开线形成的，为从齿轮的造型机理开始就严格遵循渐开线齿面生成和加工机理，应用三维虚拟造型软件mdi公司的adams能在几何形体上展成曲面和使曲面扭曲变形的功能，开发出以法平面标准渐开线齿形为基准的斜齿模拟加工过程。
3.2疲劳载荷谱分析
载荷谱是有限寿命设计的依据之一。因此，掌握载荷谱的变化规律是进行寿命设计的先决条件。通常，载荷谱是由现场数据采集并经数据处理与统计分析获得。现场采集的载荷时间历程具有很大的随机性，并且因现场各种因素如开关信号、电磁干扰等影响，会造成原始信号记录失真，出现伪信号。齿轮结构所承受的疲劳载荷，实际上是一连续的随机过程，借助动力学分析软件adams平台，可直接给出机械构件在整个装置工作过程中的疲劳载荷谱f-t曲线(见图2)，以此作为理论分析和结构可靠性虚拟疲劳设计的基础。
3.3有限元分析软件中的应力分析
建立一对轮齿的有限元模型并进行网格划分，模型主要为六节点五面体单元，单元总数为63359个，节点总数为15213个。这样有利于单元自动生成，有利于提高计算精度。有限元计算中，齿轮材料的弹性模量为4. 6 x 107mpa，波松比为0.3。
由有限元法(fem)分析计算出随机动载荷谱下轮齿在啮合过程中最大动应力齿轮的位置、数值及周期。
3.4基于断裂力学的疲劳裂纹寿命预测
断裂力学是在承认裂纹存在的前提下进行疲劳强度计算(即微裂纹形成忽略)，失效判据是裂纹扩展到临界尺寸时发生疲劳断裂，应力强度因子幅度可用以下关系表示
对裂纹半长a的积分求出裂纹扩展的应力循环次数，即疲劳寿命。计算n时，应力强度因子幅}k、裂纹初始半长a1、裂纹半长极限值a2由式(1)计出。其中:c为与材料有关的系数，a为几何效应因子，山为复应力变化范围。
3.5虚拟试验结果分析
以实作齿轮试验的4级应力水平作虚拟疲劳试验，求得各应力水平下的疲劳寿命数据，这样可用最小二乘法得出待试验材料齿轮的s一n曲线。
图4虚线部分为42crmo材料齿轮采用上述虚拟技术所作的s一n曲线，试验中取5个寿命水平n= 0.5 x 1护，1.0 x 1护，1.5 x 1护，2.0 x 1护，2.5 x 1护的应力分布。与图4中实线部分的实作齿轮试验s一n曲线对比可知，虚拟试验得到的s一n曲线与实际齿轮高可靠度下的s一n曲线比较接近，有一定的参考价值。
4、结语
您的研究方向：管理
是否有数据处理要求：否
您的国家：北京
您的学校背景：北京理工大学
要求字数：6000 (开题报告)
论文用途：硕士毕业论文
是否需要盲审(博士或硕士生有这个需要)：否
补充要求和说明：先要一个开题报告! 正式毕业论文的要求 学校还没通知 开题报告要求 见 附件 题目方向是 三维制造工艺 对机加企业(车间) 的影响 或 数字化制造 对机加企业(车间)的影响 (最好是针对航天制造企业)
北京理工大学研究生院工程硕士学位论文开题报告：基于三维模型的工艺对技术对航天制造企业生产效率的影响
一、学位论文选题的目的和意义
1.1 选题背景
进入21世纪,数字化设计制造技术在国际航空制造业新产品研制中发展迅猛,传统的以模拟量传递为基础的设计制造手段，已经逐渐被以数字量传递为基础的数字化手段所代替,通过全面采用数字化产品定义、数字化预装配、产品数据管理、并行工程和虚拟制造技术,极大缩短了机型研制周期、提高了产品质量。
二、本选题研究领域历史、现状、发展趋势分析
三、研究方案
四、研究计划进度表
五、经费预算
六、参考文献
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1.引言
光伏水泵亦称太阳能水泵，主要由水泵和光伏扬水逆变器组成。具体应用时，再根据日用水量和不同扬程量的需求配以相应功率的光伏阵列，统称为光伏扬水系统。光伏水泵利用清洁无污染、取之不尽用之不竭的太阳能资源，日出而作，日落而歇，无需电网、无需柴油、无需人员看管，可与渗灌、喷灌、滴灌等灌溉设施配套应用。节水节能，可大幅降低使用化石能源电力的投入成本。是全球“能源问题”、“粮食问题”综合系统解决方案的新能源、新技术应用产品。
本文设计了一种自动的新型的光伏扬水系统，该系统的驱动电机是采用直流无刷电机，系统选用MicroChip公司所生产的PIC16F877作为光伏水泵系统的主控芯片，对系统硬件和控制软件进行设计，实现直流无刷电机的反电势过零检测，同时实现光伏阵列点的TMPPT跟踪、系统无人监控和故障检测等功能。
2.系统硬件设计
2.1 系统构成
光伏水泵系统的结构如图1所示，系统主要包括四个部分：太阳电池阵列、控制器、电机和水泵。 系统利用光伏阵列将太阳能直接转变成电能。经过DC/DC升压后然后经过具有TMPPT功能的变频器输出三相交流电压，从而驱动电机和水泵负载，完成向水塔储水功能。
图1 系统结构图
2.2 系统总体结构及硬件构成
本文所设计的系统总体结构如图2所示，光伏电池阵列的输出端与Boost相接，单片机集光伏阵列母线的电压值和电流值从而做出是否欠压过流的判断，采集到的数据如果符合条件，微控制器将根据MPPT算法改变电压的增量移动方向从而调整PWM信号的占空比。通过调整占空比来驱动DC-DC电路的功率管导通，这一部分完成了最大功率点跟踪控制。
三相逆变桥电路与最大功率点跟踪控制的输出端相连，IR2130组成功率驱动电路，单片机的PWM控制信号通过此驱动电路来控制六个开关管的导通与关断，使UVW三相交替导通使电机运转。电机运转期间不断地通过三相反电势过零检测电路检测转子位置，获得准确的换相信息。所设计的系统保护功能包括打干保护、低日照保护和过流保护。我们知道，根据直流无刷电机的运行原理通过由6只功率管组成的三相六状态电路的断开与导通可以控制电机的运转。而对光伏阵列最大功率点跟踪而言，则是通过改变DC-DC的占空比D来实现的。
图2 系统硬件结构框图
图3 系统主程序流程图
3.软件设计
在本光伏水泵系统中，选用单片机PIC16F877作为系统的主控芯片。系统的软件部分包括主程序和中断服务程序，主程序的任务主要是完成系统的初始化、A/D采样、读入用户设置、电机转速识别及转速异常保护、PI调节、MPPT或CVT功能等功能。主程序流程图如图3所示。
4.总结
论文经过理论设计及硬件制作完成了样机试制，该样机的设计采用单片机PIC16F877作为系统的主控芯片。系统采用“虚拟中性点法”，从而解决了无位置传感器的直流无刷电动机控制的关键问题即转子位置检测问题。本样机利用单片机所拥有的丰富的I/O口和A/D采样功能，采用调节PWM占空比调节电机的转速以实现最大功率跟踪功能。样机还完善了对系统的各种保护功能，提供各种监控功能，这提高了光伏扬水系统的可靠性和灵活性。在实验中，选用24V，30W的无位置传感器直流无刷电机，通过实验证明，直流无刷电机能够自动切换到自同步运行状态并实现了实现平稳的步进起动。通过实验，测量了电子换向逆变器的各种电压，电机运行性能良好。实验结果表明，该试制样机基本上达到设计目标，具有一定的应用价值。
参考文献
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关键词：机械设计；CAD技术
1CAD技术的发展
CAD(ComputerAidedDesign)是计算机辅助设计的英文缩写，是利用计算机强大的图形处理能力和数值计算能力，辅助工程技术人员进行工程或产品的设计与分析，达到理想的目的，并取得创新成果的一种技术。自1950年计算机辅助设计（CAD）技术诞生以来，已广泛地应用于机械、电子、建筑、化工、航空航天以及能源交通等领域，产品的设计效率飞速地提高。现已将计算机辅助制造技术（Com-puterAidedManufacturing，CAM）和产品数据管理技术（ProductDataManagement，PDM）及计算机集成制造系统（ComputerItegratedmanufacturingsystem，CIMS）集于一体。
产品设计是决定产品命运的研究，也是最重要的环节，产品的设计工作决定着产品75%的成本。目前，CAD系统已由最初的仅具数值计算和图形处理功能的CAD系统发展成为结合人工智能技术的智能CAD系统（ICAD）(IntelligentCAD)。21世纪，ICAD技术将具备新的特征和发展方向，以提高新时代制造业对市场变化和小批量、多品种要求的迅速响应能力。
以智能CAD（ICAD）为代表的现代设计技术、智能活动是由设计专家系统完成。这种系统能够模拟某一领域内专家设计的过程，采用单一知识领域的符号推理技术，解决单一领域内的特定问题。该系统把人工智能技术和优化、有限元、计算机绘图等技术结合起来，尽可能多地使计算机参与方案决策、性能分析等常规设计过程，借助计算机的支持，设计效率有了大大地提高。
2三维CAD技术在机械设计中的优点
通过实际应用三维CAD系统软件,笔者体会到三维CAD系统软件比二维CAD在机械设计过程中具有更大的优势,具体表现在以下几点:
2.1零件设计更加方便
使用三维CAD系统,可以装配环境中设计新零件,也可以利用相邻零件的位置及形状来设计新零件,既方便又快捷,避免了单独设计零件导致装配的失败。资源查找器中的零件回放还可以把零件造型的过程通过动画演示出来,使人一目了然。
2.2装配零件更加直观
在装配过程中,资源查找器中的装配路径查找器记录了零件之间的装配关系,若装配不正确即予以显示,另外,零件还可以隐藏,在隐藏了外部零件的时候,可清楚地看到内部的装配结构。整个机器装配模型完成后还能进行运动演示,对于有一定运动行程要求的,可检验行程是否达到要求,及时对设计进行更改,避免了产品生产后才发现需要修改甚至报废。
2.3缩短了机械设计周期
采用三维CAD技术,机械设计时间缩短了近1/3,大幅度地提高了设计和生产效率。在用三维CAD系统进行新机械的开发设计时,只需对其中部分零部件进行重新设计和制造,而大部分零部件的设计都将继承以往的信息,使机械设计的效率提高了3~5倍。同时,三维CAD系统具有高度变型设计能力,能够通过快速重构,得到一种全新的机械产品。
2.4提高机械产品的技术含量和质量
由于机械产品与信息技术相融合,同时采用CADCIMS组织生产,机械产品设计有了新发展。三维CAD技术采用先进的设计方法,如优化、有限元受力分析、产品的虚拟设计、运动方针和优化设计等,保证了产品的设计质量。同时,大型企业数控加工手段完善,再采用CAD/CAPP/CAM进行机械零件加工,一致性很好,保证了产品的质量。
3CAD技术在机械设计中的应用
3.1零件与装配图的实体生成
3.1.1零件的实体建模。CAD的三维建模方法有三种,即线框模型、表面模型和实体模型。在许多具有实体建模功能的CAD软件中,都有一些基本体系。如在AutoCAD的三维实体造型模块中,系统提供了六种基本体系,即立方体、球体、圆柱体、圆锥体、环状体和楔形体。对简单的零件,可通过对其进行结构分析,将其分解成若干基本体,对基本体进行三维实体造型,之后再对其进行交、并、差等布尔运算,便可得出零件的三维实体模型。
对于有些复杂的零件,往往难以分解成若干个基本体,使组合或分解后产生的基本体过多,导致成型困难。所以,仅有基本体系还不能完全满足机器零件三维实体造型的要求。为此,可在二维几何元素构造中先定义零件的截面轮廓,然后在三维实体造型中通过拉伸或旋转得到新的“基本体”,进而通过交、并、差等得到所需要零件的三维实体造型。
3.1.2实体装配图的生成。在零件实体构造完成后,利用机器运动分析过程中的资料,在运动的某一位置,按各零件所在的坐标进行“装配”,这一过程可用CAD软件的三维编辑功能实现。
3.2模具CAD/CAM的集成制造
随着科学技术的不断发展,制造行业的生产技术不断提高,从普通机床到数控机床和加工中心,从人工设计和制图到CAD/CAM/CAE,制造业正向数字化和计算机化方向发展。同时,模具CAD/CAM技术、模具激光快速成型技术(RPM)等,几乎覆盖了整个现代制造技术。
一个完整的CAD/CAM软件系统是由多个功能模块组成的。如三维绘图、图形编辑、曲面造型、仿真模拟、数控加工、有限元分析、动态显示等。这些模块应以工程数据库为基础,进行统一管理,而实体造型是工程数据的主要来源之一。
3.3机械CAE软件的应用
机械CAE系统的主要功能是:工程数值分析、结构优化设计、强度设计评价与寿命预估、动力学/运动学仿真等。CAD技术在解决造型问题后,才能由CAE解决设计的合理性、强度、刚度、寿命、材料、结构合理性、运动特性、干涉、碰撞问题和动态特性等。
4CAD前沿技术与发展趋势
4.1图形交互技术
CAD软件是产品创新的工具,务求易学好用,得心应手。一个友好的、智能化的工作环境可以开拓设计师的思路，解放大脑，让他把精力集中到创造性的工作中。因此,智能化图标菜单、“拖放式”造型、动态导航器等一系列人性化的功能，为设计师提供了方便。此外，笔输入法草图识别、语言识别和特征手势建模等新技术也正在研究之中。
4.2智能CAD技术
CAD/CAM系统应用逐步深入,逐渐提出智能化需求.设计是一个含有高度智能的人类创造性活动。智能CAD/CAM是发展的必然方向。智能设计在运用知识化、信息化的基础上，建立基于知识的设计仓库,及时准确地向设计师提品开发所需的知识和帮助,智能地支持设计人员，同时捕获和理解设计人员意图、自动检测失误，回答问题、提出建议方案等。并具有推理功能,使设计新手也能做出好的设计来,现代设计的核心是创新设计,人们正试图把创新技法和人工智能技术相结合应用到CAD技术中,用智能设计、智能制造系统去创造性指导解决新产品、新工程和新系统的设计制造,这样才能使我们的产品、工程和系统有创造性。
4.3虚拟现实技术
虚拟现实技术在CAD中已开始应用,设计人员在虚拟世界中创造新产品,可以从人机工程学角度检查设计效果,可直接操作模拟对象,检验操作是否舒适、方便,及早发现产品结构空间布局中的干涉和运动机构的碰撞等问题,及早看到新产品的外形,从多方面评价所设计的产品.虚拟产品建模就是指建立产品虚拟原理或虚拟样机的过程.虚拟制造用虚拟原型取代物理原型进行加工、测试、仿真和分析,以评价其性能,可制造性、可装配性、可维护性和成本、外观等,基于虚拟样机的试验仿真分析,可以在真实产品制造之前发现并解决问题,从而降低产品成本.虚拟制造、虚拟工厂、动态企业联盟将成为CAD技术在电子商务时代继续发展的一个重要方向.另外,随着协同技术、网络技术、概念设计面向产品的整个生命周期设计理论和技术的成熟和发展,利用基于网络的CAD/CAPP/CAM/PDM/ERP集成技术,实现真正的全数字化设计和制造,已成为机械设计制造业的发展趋势。
参考文献
[1]黄森彬主编.机械设计基础.高等教育出版社.
[2]荣涵锐.新编机械设计CAD技术基础〔M〕.北京:机械工业出版社,2002.
中图分类号：TH132.41 文献标识码：A DOI：10.16400/ki.kjdkx.2015.04.027
Design of Virtual Prototype of Multi-purpose Mechanical Transmission
Experiment Platform System Based on Pro/E Platform
GUI Wei， YAO Cenglin， LI Chenglong， SHEN Caixia， ZHENG Mengwei， HAN Qiang
（Wuhan Business University， Wuhan， Hubei 430056）
Abstract In this paper， based on the Pro/E software， with the multipurpose Laboratory of mechanical transmission station as a typical example， the application of virtual design technology， virtual assembly of 3D design， completed the experiment table of all parts of the student movement of mechanical transmission mechanism， teacher movement of mechanical transmission mechanism， clock movement of mechanical transmission mechanism， the classroom door moving mechanical transmission mechanism and the projection screen motion of mechanical transmission mechanism five parts and virtual assembly of the whole experiment platform.
Key words Pro/E; mechanical system; experiment platform; virtual design
0 引言
目前，机械领域的虚拟设计技术是利用三维设计软件如Pro/E、UG、Solidworks、CATIA等对机械装置的零部件进行结构设计、虚拟装配、运动仿真分析。它是基于计算机辅助设计技术，在虚拟环境中对机械产品进行设计，达到缩短研发周期、减少研发成本的目的。
多用途机械系统传动实验台融链传动、直齿圆柱齿轮传动、直齿圆锥齿轮传动、平面连杆传动，蜗轮蜗杆传动、丝杆螺母传动以及齿轮齿条传动等传动机构于一体。该实验台以学生最为熟悉的课堂作为展示机械系统运动的场景，可以起到趣味性教学的目的，增加学生学习机械专业课程的兴趣。敞开式的场景，在不用拆开演示台的前提下就可以让学生清楚地观察到内部传动机构的运动全过程，操作简单、比较实用。多个传动机构集中在一个场景展示，可以使学生系统性地认识不同机构的运动传递过程，有助于学生对不同的机构进行区别。
本文基于Pro/E平台的虚拟设计技术，完成多用途机械系统传动实验台各零件的三维建模设计，虚拟样机装配干涉检查、机构运动仿真分析，在仿真中对结构设计进行优化设计，尽可能降低设计风险，避免实际制造中出现问题，从而使实验台一次性制造成功。
1 实验台典型零件齿轮的三维建模
通常，在Pro/E中每个零件的三维结构设计过程步骤基本相同，如下：（1）依据各个零件的三视图，想象零件的形状，为选择合适的建模方法做好铺垫。（2）根据零件的结构，选择建模的方法。（3）根据零件的结构，进行草绘，然后利用拉伸、旋转等特征操作，以完成零件的三维设计。（4）在已建零件模型上进行辅助特征设计，完成零件三维设计，然后保存。
多用途机械系统传动实验台有多个不同类型的零件，三维设计的过程步骤基本相同，本论文只简单阐述典型零件齿轮的三维设计过程步骤。
直齿圆柱齿轮由轮齿、键槽、轴孔等基本结构特征组成，创建标准直圆柱齿轮的三维参数化模型。主要操作步骤如下：
（1）创建齿轮设计参数：
在Pro/E软件的产品参数化设置界面中，输入齿轮的设计参数及相应的初始值，模数m=2，压力角alpha=20度，齿根圆直径df，齿顶圆直径da，基圆直径db，分度圆直径d，齿宽b=30，齿数z=56，如图1，添加完毕后，单击【确定】按钮。
（2）使用Pro/E的草绘功能先绘制基准曲线，后绘制四个尺寸任意的同心圆。
（3）调出Pro/E中各参数之间关系设置的对话框，在其中输入标准直齿圆柱齿轮的关系式，如图2，添加完毕后，单击【确定】按钮。
图1 齿轮参数对话框
图2 齿轮关系对话框
（4） 系统进入三维实体模式，单击【编辑】颉驹偕模型】工具，自动生成满足一定关系式的齿轮参照圆。
（5）单击特征工具栏中的【基准曲线】工具，弹出的【曲线选项】菜单，单击【从方程】―【完成】命令，在工作区选取系统默认的坐标系，单击对话框中的【确定】按钮，在弹出的【设置坐标系类型】菜单中，选择【笛卡尔】坐标系，输入形成齿轮渐开线的参数化方程，输入完毕单击【记事本】主菜单中的【文件】―【保存】命令，最后单击【确定】按钮。即可生成渐开线。
（6）创建镜像渐开线特征。选取已绘制的齿轮渐开线的特征，选择软件中【特征】-【镜像】命令，选择基准平面DTM2作为镜像平面，单击【确定】按钮。
（7）先进入草绘平面，选择齿顶轮廓线，拉伸创建成齿轮基本实体。
（8）创建第一个齿槽特征。先进入草绘平面，再根据渐开线以及齿轮参照圆草绘出齿廓外形，然后对其进行拉伸切除，完成齿槽的创建。
（9）创建齿槽阵列特征。创建齿轮槽，选择软件征工具栏中的【阵列】命令，选择轴阵列选项，输入阵列个数56个，角度为360埃缮杓埔蟮某萋帧？
（10）拉伸切除创建成齿轮轴孔。
（11）拉伸软件的切除功能画出成齿轮键槽，完成齿轮的参数化设计如图3所示。
图3 齿轮参数化设计
2 实验台样机的虚拟装配
一般说，机械装置的虚拟装配是利用三维设计软件在计算机中，对机械产品的结构进行设计与装配。多用途机械系统传动实验台主要包括学生运动机械传动机构、教师运动机械传动机构、时钟运动机械传动机构、教室门运动机械传动机构以及投影幕布运动机械传动机构五个部分。虚拟样机在装配时，首先把这5个运动机械传动机构作为一个组件进行虚拟装配，然后把这5个运动机械传动机构装配成整个实验台。
2.1 学生运动机械传动机构虚拟装配
学生运动机械传动机构，主要由电动机、曲柄摇杆机构、连杆限位变形机构，以及固定构件课桌、课椅以及电机支架组成。虚拟装配如图4所示。小腿在固定在机架上，小手臂与机架在形成固定铰链，小手臂、大手臂、身躯、大腿、小腿之间通过活动铰链链接。电机通过曲柄摇杆机构，带动五连杆限位变形机构运动，完成学生起立和坐下的动作。
图4 学生运动机械传动机构虚拟装配图
2.2 教师运动机械传动机构虚拟装配
教师运动传动机构主要由：电动机;由16齿的大链轮、8齿的小链轮和链条组成的链传动机构;齿轮齿条传动机构;螺距6mm，单头丝杆螺母传动机构;限位开关、限位板以及讲台等固定构件组成，虚拟装配如图5所示。电机启动，通过链传动传递给丝杆，丝杆的旋转运动转变成螺母的直线运动，通过螺母上的销轴带动放置在螺母上的尺寸做直线移动，实现教师木偶人的移动，通过齿轮齿条机构实现教师旋转90度面向学生的动作。
图5 教师运动机械传动机构虚拟装配图
2.3 时钟运动机械传动机构虚拟装配
时钟运动机械传动机构主要由：电动机;齿数为35的蜗轮蜗杆传动机构;每级大齿轮齿数45，小齿轮齿数13，模数1.5的二级直齿圆柱齿轮传动机构以及电动机架、钟罩和红外位置探测器等固定构件组成，虚拟装配如图6所示。电机启动，通过蜗轮蜗杆把运动传递给二级直齿圆柱齿轮，与蜗轮连接的第一级圆柱齿轮的小齿轮带动分针转动，第二级圆柱齿轮齿轮的大齿轮带动时针转动。
2.4 教室门运动机械传动机构虚拟装配
教室门运动机械传动机构主要由：电动机;双曲柄滑块机构以及导杆、限位开关、电机机架等固定构件组成，虚拟装配如图7所示。电机启动，带动双曲柄滑块机构中双曲柄转动，曲柄通过连杆，带动教室门在导轨上进行来回往复运动，实现教室门的开关。
图6 时钟运动机械传动机构虚拟装配图
图7 教室门运动机械传动机构虚拟装配图
2.5 投影幕布运动机械传动机构虚拟装配
投影幕布运动机械传动机构主要由：电动机，锥齿轮传动机构组成，虚拟装配如图8所示。电机启动，带动大圆锥齿轮转动，通过小圆锥齿轮带动幕布上下运动。
图8 投影幕布运动机械传动机构虚拟装配图
2.6 多用途机械系统传动实验台虚拟装配
多用途机械系统传动实验台虚拟样机的主体装配主要是学生运动机械传动机构、教师运动机械传动机构、时钟运动机械传动机构、教室门运动机械传动机构以及投影幕布运动机械传动机构五个传动机构之间的装配。虚拟样在装配时，为方便整个样机的的虚拟装配，可以把装置的几个相关零件组装成组件，然后再把相关组件装配在一起构建试实验台的整体结构，如图9所示。
图9 多用途机械系统传动实验台虚拟装配图
3 结束语
多用途机械系统传动实验台的虚拟设计，减少设计物理样机所需的人力及时间，可以达到降低产品成本，缩短产品生产周期的目的。
基金项目：湖北省高等学校2014年省级大学生创新创业训练计划项目《多用途机械系统传动实验台的设计研究》（项目编号：201411654009）、武汉商学院2014年大学生创新创业训练计划项目《多用途机械系统传动实验台的设计研究》（项目序号：7）、武汉商学院2014年度教学研究项目《基于学生创新能力培养的课程教学研究―以机械设计基础课程为例》（项目编号：2014Y013）的阶段性研究成果
参考文献
而今，经过三十载的努力，这种梦想正在逐渐转变为现实。
孙建华用实际行动诠释爱国情怀，用不竭的创新精神诠释着“中国创造”，凭借顽强的毅力，终于获得生物感应传感器基础理论研究、软硬件开发、系列产品定型设计及工程应用的成果，并完成了专利技术到市场应用的商业转化。不仅打破传统触摸式报警产品的技术缺陷，更是填补了全球生物感应智能报警技术的空白。他为推动世界安全防范技术由传统技术向生物感应智能化传感技术发展的变革作出了重要贡献，被誉为全球生物感应技术的“第一人”。
生物感应技术的发明成功，无疑将是划时代的成果，它突破了国际入侵报警技术领域，漏报、误报的技术瓶颈，并带来安全防范技术（如生物感应介质与普通塑钢门窗融合实现智能塑钢门窗）等的变革，将彻底改变传统安全防范技术的设计理念，一张纸、一根绳、一个坐垫、一个钱包，都可能是您想要的安防产品，使国际社会人们对安全的需求触手可及。
为理想而奋斗
苏格拉底曾说过，“世界上最快乐的事，莫过于为理想而奋斗。”
多年来，孙建华用坚持不懈、务实创新来追求他的科技创新之梦，实现了一个工人发明家的梦想。
上世纪70年代，高中毕业的孙建华作为知青下乡，招工到中国工程物理研究院从事广播电视设备维护工作。在工作中，他发现人体在接触电视机天线时会产生图像变化和噪声，同样在触摸收音机天线时也会产生类似的现象，而非生物接触天线时则没有影响。
这一常见的现象，让孙建华对探索生物感应现象产生了浓厚的兴趣，萌发了“利用人体生物感应现象研究可以区别生物与非生物报警技术的念头”。他开始利用业余时间，自修大学专业理论和有关电子学基础知识。无厂房，就把家里当成实验室；缺设备，就东拼西凑买二手的仪器；无团队，就一个人坚持。孙建华倾其所有，致力于生物感应发明技术的研究、试验等工作，经过二十多年的努力，他终于在家庭实验室内完成了生物感应报警技术原理研究和样机试验，于2001年申请发明专利，2004年获得了国家专利局授权。
相比传统的接触式报警，生物感应技术采用感应介质产生空间弱电场形成的“虚拟屏障”非接触感应人体报警，对人体各种入侵方式100%响应，具有不漏报、防破坏、不可破解的技术特征。此外，采取生物甄别和环境自适应技术，具有区别小动物、非生物和自然气候的功能，不仅极大地降低了误报的可能性，在户外各种气候环境下也能稳定工作。
目前，入侵报警安防产品存在漏报、误报的技术缺陷一直是世界性的难题。随着生物感应技术的成功研发，不仅突破了国际入侵报警技术领域，漏报、误报的技术瓶颈，并带来安全防范技术的变革。
2001年，他先后入选《中国专家人名辞典》、《中国专家学者辞典》、《中国专利发明人大全》。在平凡的工人岗位，他先后获得中国工程物理院第一届青年科技论文报告会“优秀论文奖”；中国工程物理研究院核物理与化学研究所科技论文报告会“优秀论文奖”；1998年至1999年期间，参与研制臭氧发生器及实验研究工作，获得中国工程物理研究院环保工程研究中心科技论文报告会“优秀论文奖。”
探索产业化发展路径
孙建华发明的生物感应传感器研究和产品应用走在世界安全防范技术领域的前列，开创了生物安防智能报警技术的变革。
2002年孙建华得到绵阳市游仙区政府10万元科技资金的无偿支持，创办了四川省绵阳市安防科技有限公司，专业从事生物感应报警技术应用探索与产品开发。
面对国内外市场应用中的空白，孙建华再次带团队进行了研发。要实现生物感应安全防范报警技术的应用，首先需要研发在安全防范技术领域的实用产品，但在产品研发和市场应用初期，公司面临国内外无先例、无技术标准、无融资渠道的鸿沟和门槛；技术上也需要突破空间电场载体排除干扰和设备工作稳定性等问题。
经过13年的坚持，如今孙建华已经实现了生物感应系列产品的定型设计，不仅具有人体感应空间电场非接触报警的稳定的物理性能，而且具有区别生物与非生物及小动物的智能，产品可隐蔽、可粘贴、可移动、可水下、可地下、可随身携带布防，适应室内外全天候工作。这些突出的技术优势和巨大的产业空白，使得孙建华和他的公司在很短的时间内，相继开发成功金融、国防、军事、监狱、航空、文物、电力、家庭等领域的生物感应智能安全防范系列产品，并已获得了在相关领域成功应用的工程案例。
目前，孙建华的企业已成熟的核心技术包括“空间电场介质”为载体的“生物感应传感器”及系列产品的软件和硬件设计。已成熟的样机更是多种多样，有针对野外周界入侵报警的需求设计的“智能周界”，有针对临时移动目标的“移动周界”，有针对门窗防盗报警的“便携式伸缩隔离带”，更有“智能语音一米线”、“智能不干胶纸”、“智能通道”、“智能门锁装置”、“语音地毯”等一系列能广泛适用的生物感应智能安全防范系列产品，这些产品经过不断地试验、应用和反复改进，均已进入了产业化定型设计阶段。
0 引言
虚拟现实 vr (virtual reality)是一种高度逼真的模拟人在 自然 环境 中的视 、听、动等行为 的人机界面。 简单地说，是一种可 以创建和体验虚拟世界的 计算 机系统。虚拟现实技术是 20世纪末兴起的一 门新的综合性信息技术 ，它融合了计算机图形学、多媒体技术 、人工智能、人机接口技术 、数字图像处理 、 网络 技术 、传感器技术及高度并行的实时计算等技术，它不仅指那些戴着头盔和手套的技术，而且还包括一切与之有关的具有 自然模拟、逼真体验的技术和方法 ，它的根本目标就是达到真实体验和基于 自然技能的人机交互。
工业设计是建立在 科学 技术基础之上 ，以赋予工业产品 艺术 性为目的的一项感性思维和理性思维相互融合的工作。工业设计的程序有具体的方法和整体的战略进行指导和支持，不同国家、不同时期面对不同的设计对象时，工业设计的程序与方法也是各不相同，大体上有以下几种：创新设计法 、人机工程学法 、形态组构法 、系统设计方法 、caid方法 、价值工程与价值创新法、设计管理法等 。将虚拟现实技术引入工业设计中，在设计的各个阶段利用虚拟数字模型方便快速地进行各种调查和试验，可以取得适用面更广、更接近真实状态的试验数据。同时，建立在实验基础上的产品设计工作将更具科学性和客观性，给工业设计的方法论 以新的理念。
1 虚拟现实技术在国内外研究的现状
1．1 国外的研究情况
随着虚拟技术的不断成熟与 发展 ，一些发达国家已经在很多领域 中应用了虚拟设计 ，也成立了许多与虚拟技术相关的实验室、课题组，其中著名的有美 国贝卡罗来那大学(unc)的计算机系 ，其主要的研究课题是物理建模与仿真项目和建筑漫游项 目，此外还有美 国的密歇根大学虚拟现实实验室，主要研究 vr在轿车车身设计中的应用以及虚拟现实技术在产品开发中的应用。瑞士苏黎士理工大学计算机图形实验室主要的研究课题包括动画与虚拟平台、协同虚拟环境 (collaborative virturalenvironment)等。美国宇航局(nasa)的ames研究中心利用流行的液晶现实技术和其它零部件研制出了虚拟飞行器，弥补了飞行模拟器成本过高的不足。美国麦道飞机公司采用沉浸式的虚拟现实系统进行新型号发动机的辅助设计。
1．2 国内的研究现状
相对于国外虚拟设计的发展。国内虚拟技术的研究和应用还比较落后。自20世纪 80年代 vr技术开始起步以来，至今我国在 vr的基础图形技术领域 已经具备了坚实的基础。据不完全统计，目前全国已有 34家科研机构、高等院校和 企业 正在开展虚拟制造技术的研究、开发及初步的示范应用工作 ，有 4家企业参与了这种新的探索，其主要的研究内容包括：① 产品的虚拟设计；② 热加工工艺模拟；③加工过程、装配过程的仿真；④ 虚拟轴机床和虚拟量仪的研制和开发；⑤虚拟企业。总体来看，我国虚拟制造技术的研究多数 是在原先的cad／cam 及仿真技术的基础上进行，而系统 、全面的虚拟制造技术的研究尚未开展，还很少能将成熟的虚拟技术应用到实际开发中，尤其在产品的创新设计中，虚拟技术还未发挥出它应有的作用，应用水平远落后于发达国家。由此来看，我国重视产品设计水平的提升，将虚拟技术应用到设计领域已成为当前国内产品开发的重要环节。
2 基于虚拟现实技术的工业设计方法
2．1 创新设计法
创新是工业设计 的灵魂所在。当代社会 经济 条件下 ，市场产品没有创新就犹如失去了灵魂，很难在竞争对手如林的市场上取得优胜。在当今全新 的经济背景下，设计创新将引导消费、把握机遇，成为决定产品生命力的重要条件之一，以思维创新、行为创新、方式创新为核心的工业设计将在企业产品开发过程中扮演着举足轻重的角色。如图 1、2所示 ，在传统 的工业设计中，人们一直沿用着平面 图来表达设计思想。即使应用计算 机三维 软件，最终也只能得到某个视角的立体效果图，难以真实完整地表达 出设计者的意图。而基于虚拟现实技术的工业设计方法将 以数字化的三维模型作为设计思想的载体，全面表达设计者的意图。人们可以根据自己的需要任意放大、旋转模型 ，主动索取信息，从而实现工业设 计由 面表达 向体表达 的突破 ，使设计师有更充裕 的时间来考虑设计的细节 问题这无疑对工业设计的方法创新带来了革命性的冲击如图 3所示。
此外 ，虚拟现实技术与网络技术的结合，将可以构建一个全新的开放式设计平台，以三维数字化模型作为设计思想的载体 ，全面表达设计者的意图。打破地域限制，实现用户与设计 、开发人员的良好沟通和互动。
2．2 基于虚拟现实技术的产品人机工程分析
(1)人机工程学参数的采集与分析。传统的人机工程学在参数的采集和分析中存在诸多问题：①采样数量 、测量和数据分析的工作量均很大，且成本高 、周期长；②无法进行动态修订；③缺乏对于企业具体产品的针对性；④参数多为二维模型。若在具体的采集和分析中使用三维扫描技术 (获取静态三维数据 )、 动作捕捉技术 (获取动作特征数据)，即可生成虚拟被试三维动态数字模型 。这些数字模型在被更新前一直可以 “活在”虚拟现实技术平台上，通过对虚拟被试三维动态数字模型的关键点控制 ，实现实时数据的不断更新。 (2)虚拟人机工程设计与评价 。虚拟人机工程设计借助于虚拟样机 (virtual prototype)系统进行设计 ，故也称其为虚拟人机工程学环境。设计人员和不同技术背景的人可以直观地观察到各种虚拟人体三维数字模型的实时情况，精确研究产品的人机工程学参数 ，直接与设计的产品进行交互，并评价产品的性能。
在传统产品设计的人机系统中，人是操作者 ，机器只是被动的反应 ，而在虚拟产 品设计的人机系统中，人成为主动参与者 ，复杂系统中可能有许多参与者共同在以计算机网络系统为基础的虚拟环境中协同工作。在基于人机工程的传统产品设计中，人机分析和评价必须是在产品设计完成后的样机模型中或者在试制的产品中进行．而在基于人机工程的虚拟产品设计中，人机设计分析评价又是在产品设计的过程中可以同时进行，也可与产品使用者进行各种实时的交互。
如图 4所示．基于人机工程的传统产品设计的人机评价是在样品试制后才进行，若人机评价结果达不到要求 ，就需要进行重新设计 和样 品试 制 ，再进行人机评价，这样反复循环指导方能达到要求，这种评价方式既浪费时间又耗费资源。而图 5基于人机工程的虚拟产品设计全过程采用协 同并行式，人机设计 、人机仿真和人机评价实现交互式。不需要样品试制的过程 ，而且和虚拟加工 、虚拟制造形成并行 ，大大 的节省 了时 间和资原，也加快 企业 新产品的开发进程。
2.3形态组构法
有研究表明，“看”是人类五种感觉中最为重要的感觉，因此，形态与色彩在设计中占据着尤为关键的地位。崭新符号的合理创造，依赖于深入观察理解生活与 自然 形态，及随后进行的创造性抽象思维活动。这里需要强调的是，通过对自然的学习、研究、分析，进一步升华创造出富有生命力的形态这一过程，必须遵循 科学 的研究方法与程序[5]。图2所示的电锤，其头部造型形成了电锤强劲的冲击力，而整体的外形设计不仅有传统电锤的风格，更有本款造型个性设计的明显特征；锤前端典型的电锤圆鼓造型构成了锤的共有特征，但也被赋予了更明确的时尚个性，线条形式随锤体轻微向外弯曲，以至前端产生运动感，海鱼般的外形与原有造型相比更是有着大胆的突破，但那正体现了电锤灵活的运动特征。在采用虚拟现实技术进行本产品的造型设计时，设计师借助于freeform系统，依照科学的方法从虚拟立体的观察和人机交互中不断进行深入分析研究，见图6，找出形态变化的一般 规律 ，使其在固有的限定条件下自如地进行联想、抽象与创造，把思维与创造力带入一个“美的自由王国”。
2.4设计管理法
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
