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Key words： virtual prototyping technology；paper statistics；quantitative analysis
中图分类号：C53 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）09-0312-02
0 引言
虚拟样机技术是上世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程技术。设计人员在计算机上建立能够反映产品特性的样机模型，用样机模型代替物理样机在各种工况下进行仿真试验和分析，测试和评估产品的整体性能，进而不断改进和优化样机模型的设计，直至获得最优设计方案后，再制造物理样机[1]。虚拟样机技术改变了传统的产品研发和设计思想，极大地降低了产品研发和设计的技术风险和开发成本，缩短了研发周期，提高了产品性能，加速了新技术向产品转化的开发、研制与使用过程。进入21世纪以来，虚拟样机技术及其应用在发达国家已经获得重大进展，被广泛地应用于各个不同领域。世界众多著名的制造公司在生产开发过程中都广泛采用虚拟样机技术，设计、装机、测试都在计算机中模拟完成，保证了产品一次试制成功[2]。虚拟样机技术的应用，使企业能够以最低的成本快速推出产品，迅速抢占国际市场，提高了企业的市场竞争力，为企业带来巨大的经济效益和社会效益。
本文依托“维普中文科技期刊数据库”这一平台，通过对2003～2012年10年期间与虚拟样机技术相关的期刊论文的检索，采用论文计量学方法，对虚拟样机技术的应用研究论文进行统计分析，概括和总结我国虚拟样机技术的应用研究状况，以期为虚拟样机技术今后在我国更广泛地推广应用提供参考。
1 数据来源及分析方法
本文以维普中文科技期刊数据库收录的期刊论文为统计分析源，以2003～2012年为时间条件，以“全部期刊”为期刊范围，以“虚拟样机”为题名或关键词进行全部专业论文的检索，经过整理汇总，删除重复论文后共计2508篇。通过EXCEL将整理后的论文数据套录成数据库，采用论文计量学方法对论文的发表年份、涉及领域、研究机构以及第一作者等四个方面进行统计分析，概括和总结近10年来我国虚拟样机技术的应用研究状况[3]。
2 统计分析结果
2.1 虚拟样机技术应用研究论文年份统计分析 从图1和表1可以看出我国虚拟样机技术应用研究论文数量的增长态势。2003年至2009年期间，论文数量逐年增加，2004年和2005年，论文数量增加的幅度最大，之后增加幅度在逐年减小，2009年论文数量达到顶峰。这表明，2003年至2009年，我国虚拟样机技术应用研究发展得比较快，并取得了大量的研究成果。但是，从2010年开始，论文数量较大幅度减少，特别是2012年，论文数量减少到152篇。产生这种现象的原因有可能是近三年对虚拟样机技术相关的应用研究力度减小，也有可能是相关研究论文的产出以及中国学术期刊库的收录有一定时滞性[4]。
2.2 虚拟样机技术应用研究涉及领域统计分析 笔者对研究主题涉及到我国航空航天、国防军工、汽车与发动机、工程机械、矿产机械、农业机械、机器人与机械手、教育等领域的论文数量进行统计，结果显示，我国虚拟样机技术应用研究涉及各个领域，部分论文同时涉及多个领域，论文涉及领域分布情况见图2。论文产出居前三位的领域是汽车、工程机械、机器人，这表明，随着汽车、工程机械、机器人领域近十年来的迅猛发展，虚拟样机技术应用研究在这些领域中也取得了不斐的成果。
2.3 虚拟样机技术应用研究机构统计分析 在2508篇论文中，没有署名作者单位的共有23篇。笔者将论文作者的工作单位分为本科院校、科研院所、企业和大专院校四类研究机构，统计结果见表2。发文数量最多的机构是本科院校，为2145篇，科研院所、企业和大专院校发文数量分别为419篇、368篇、117篇，其中科研院所、企业、大专院校与本科院校作者合著的论文数量分别为280篇、244篇、46篇，本科院校的发文数量远远高于其他机构。这充分显示，本科院校是虚拟样机技术应用研究的主要机构。
2.4 虚拟样机技术应用研究论文作者统计分析 根据论文第一作者发文数量的统计结果可知，无作者数据的论文10篇，大部分作者1至2篇，发文数量排列前10位的作者见表3，其中，七位是本科院校的教授或讲师，二位是博士研究生，只有一位是科研院所的高级工程师，由此可见，本科院校的教授和教师是虚拟样机技术应用研究的中坚力量。
3 结论与建议
从“中国学术期刊网络出版总库”检索及分析结果可以看出，2003～2012年10年期间，我国虚拟样机技术应用研究发展迅速，至2009年达到顶峰，近年又逐渐回落；应用研究涉及领域极为广泛，研究成果比较多的是汽车、工程机械、机器人领域；应用研究的主要机构是本科院校，应用研究的主要群体是本科院校的学者和教师。本文的检索分析结果不一定能够全面反映我国虚拟样机技术应用研究状况，但从一个侧面反映了我国虚拟样机技术的应用研究机构和群体比较单一。
虚拟样机技术问世之后，得到许多发达国家制造商的高度重视，立即将这一先进制造技术引入企业的产品开发中，取得了很好的经济效益。我国是一个制造大国，虚拟样机技术的应用研究，不应仅在本科院校，不应仅有本科院校的学者和教师，更应广泛推广到企业和科研院所，让广大企业和科研院所的技术人员参与研究和应用。
面对日益激烈的市场竞争，我国企业应积极主动充分利用虚拟样机技术，减小产品的技术风险，缩短产品的研发周期，降低产品研发的成本，提高产品的性能，从而增强企业的产品开发能力，提高我国企业在世界制造业中的地位和市场竞争力。此外，虚拟样机技术的研究专家也应加强向企业推广虚拟样机技术，推动这一先进制造技术在我国企业和科研院所的普及和应用。
参考文献：
[1]郭卫东.虚拟样机技术与ADAMS应用实例教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.
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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.
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一、前言
随着科技的快速发展，世界经济已由原来的卖方市场转化为买方市场。现代企业要在激烈的市场竞争中占有一席之地，必须解决TQCSE难题，即以快速交货T（Time）、高质量Q（Quality）、低成本C（Cost）、优质服务S（Service）和保护环境E（Environment）来满足不同客户的需求，快速响应市场需求。
虚拟样机技术是20世纪80年展起来的现代设计方法，是以虚拟样机模型代替物理样机，在计算机模拟物理样机的运行。近年来，虚拟样机技术飞速发展，现已成为机械专业方向研究生以上层次人才的必修课程。用户可以利用ADAMS软件或使用其他三维软件建立虚拟样机模型后，导入ADAMS软件，通过添加各种约束、驱动或接触力进行动态仿真，模拟物理样机的运行。通过ADAMS强大的后处理功能生成各种曲线、动画等，进而了解设计的复杂机械运动性能，为物理样机的试制提供理论依据。在大学本科教学中开展ADAMS的教学工作，采用ADAMS多体动力学仿真软件对机械原理中各种机构进行三维运动仿真后验证机构设计的合理性，观察主要机构的运动轨迹、运动速度、加速度等数据变化情况，可以使学生更好地理解机械原理、机械设计中的相关机构运动原理，在进行毕业设计时，能运用ADAMS软件对其所设计的各种机构进行验证，培养和提高学生的设计分析能力，为毕业后能尽快适应专业技术工作打下良好的基础。
二、面向产业需求，开设专业导论课程
机械设计制造及其自动化专业是桂林理工大学机械工程与控制工程学院重点发展的优势和核心专业。每年大学新生入学时，都需要进行专业导论课程教育。为了将一些现代设计方法及理论传授给新生，面向装备制造业的发展需求，教师在讲授专业导论的相关内容时，会将历年学生所做的优秀仿真作品进行动画演示。为了进一步加深学生对虚拟样机技术的理解，相关教师还会组织学生参观桂林市内在虚拟仿真技术使用较多、较为成功的行业领头企业，如桂林大宇客车有限公司、桂林橡胶机械厂等大型企业。企业工程师会结合行业特点，将一些典型案例采用虚拟仿真技术进行现场演示，极大地激发学生学习虚拟样机的兴趣，为后续课程的学习打下良好的专业基础。
三、学习ADAMS动力学仿真软件，贯穿专业课程教学过程
我校机械专业在专业基础课的教学中，利用ADAMS软件三维建模技术、形象的动画展示功能以及强大的后处理功能，将机械原理课程中一些常用机构，如平面四杆机构、凸轮机构、齿轮机构的组成和运动情况进行动态仿真，弥补学生实践经验不足带来的问题。此外，学生在学习过程中还可以了解到现代设计方法高效、快捷的特点，并从中感受到ADAMS软件在机械系统设计中的魅力。以凸轮设计为例，教师讲授凸轮廓线的传统设计方法通常是图解法和解析法。传统的图解法作图过程烦琐、精度不高；解析法虽能获得很高精度，但须花费大量的时间与精力建立精确的数学模型及编制计算程序。显然，上述两种方法都存在难以实际操作的缺点，使得学生很难真正理解。通过ADAMS，则可以直接模拟凸轮的实际运动状态，设计简单、直观，还可以使凸轮运动起来。通过ADAMS的强大的后处理功能，可测量出从动件的运动规律与给定运动规律的拟合程度，图1是采用直接法设计凸轮的全过程。现代设计方法的引入，可让学生体会到先进设计技术的优越性，提高学生的学习积极性。
四、利用ADAMS搭建虚拟仿真实验平台
为加深学生对枯燥无味的理论知识的理解，提高学生的工程实践能力、动手能力和创新能力，实验教学活动提供了一个真实直观、可以动手操作的平台。工程技术人员利用虚拟仿真技术，可以在虚拟环境中模拟真实的机器运行，观测各构件的相互运动及受力情况，不断调整设计方案后进行仿真试验，对整个系统进行优化，直到获得较为满意的优化设计方案以后再投入人力和物力制造物理样机，从而大幅降低新产品的开发费用，提高产品开发效率及缩短产品的研发生产周期。为了进一步提高学生学习ADAMS的积极性，如在大学生科技竞赛、创新大赛、机器人大赛、学院组织的ADAMS大赛等一系列竞赛活动中，在指导教师的指导下，在计算机上利用ADAMS动力学仿真软件对机构的运动轨迹、速度变化规律、加速度变化规律及受力分析等做一个前期试验，并在虚拟试验的基础上对整个系统进行优化后再加工出物理样机进行相应的实验。利用ADAMS强大的后处理功能，将实验数据导入计算机中，与计算机仿真得到的结果进行对比分析，找出实验数据、理论数值和仿真结果之间的差距，改进虚拟样机模型或调整实验方案，并对一些优秀作品给予物质奖励。通过上述一系列活动，可加深学生对常用机械机构的构造和运动原理的掌握，提高分析问题和解决问题的能力。
五、熟练使用ADAMS仿真软件，提高毕业设计质量
毕业设计是学生即将结束大学学习生涯的最后在校学习环节，是对大学四年所学的基础知识、专业知识的一次全面检验。在毕业设计的过程中，学生将机械原理、机械设计、力学和数学等相关知识综合运用于设计过程中，经过毕I设计的磨炼，他们的工程实践能力、分析问题和解决问题的能力有了提高，学校的办学水平和人才的培养能力也得到了提升。毕业设计是学生即将走上新工作岗位的一个重要过渡。为了进一步提高学生使用ADAMS软件的能力，根据学生毕业设计课题选题实际情况，教师可在学生的毕业设计论文中增加ADAMS虚拟仿真分析技术，提升毕业论文的档次。
W生在开始进行毕业设计的初期，可在指导教师的指导下查阅相关文献，运用已掌握的相关专业知识，通过原理构思进行初步设计后，利用相关软件建立一个粗略的虚拟样机模型，利用ADAMS软件对方案进行动态仿真，将机构的运动轨迹、速度（角速度）、加速度（角加速度）或机构运动过程中所受的力（力矩）与理论计算值进行比较，通过对仿真结果和理论值的比较，找出问题的症结，对模型或理论分析进行修正，并再次进行仿真。之后，在仿真的基础上，对各设计参数进行优化并确定最终方案，最后采用三维CAD软件对模型进行进一步的细化，导出二维图纸。通过这样一个设计、仿真、分析的过程，较为真实地模拟了机械新产品开发的全过程，学生按照这个模式进行毕业设计，其设计能力和毕业设计质量可以有较大提高，为即将走上工作岗位打下良好基础。
六、结束语
虚拟样机技术在现代产品设计中不断地体现了优越性。为提升学生的工程实践能力和综合素质，通过专业导论课程教育、创新大赛、专业学习和毕业设计等一系列活动，可将ADAMS仿真技术融入系列的教学活动中，让学生在学习机械专业理论知识的同时，能熟练使用ADAMS软件解决一些具体工程实际问题。并在毕业设计过程中使用ADAMS模拟机械新产品开发的全过程，使学生的设计能力和毕业设计质量有了较大提高，增强就业核心竞争力。
参考文献：
[1]郭卫东.Adams的教学探索与实践[J].计算机辅助工程，2013，5，22（增刊1）：439-444.
[2]刘晓敏，赵云伟.ADAMS软件实践教学方法研究[J].高教学刊，2015，（16）：165-167.
Application of ADAMS in Practice-Teaching Reform of Mechanical Professional
SHEN Zhong-hua1，2，CHEN Jing1，2
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作者简介：伊纪斌（1994-），男，山东淄博人，山东理工大学国防教育学院学生，研究方向：机械设计
随着知识经济和工业制造的快速发展，现代化的市场要求产品生产厂商要以最快的速度、最优的品质、最短的研发时间、最低的成本消耗和最佳的服务来满足顾客的需求。传统设计一般是在图纸结合产品的特性和设计的具体要求进行的，在机械设计的过程中需要提前对设计中的设备装配的干扰因素的不确定进行考虑，但是产品在装配中的缺陷只有在产品开发的后期才能暴露出来或者在产品的试制阶段和装配中显现出来。如果设计的零件已经开始投入生产了，那么损失就更加严重了。产品的质量在传统的设计和制造方式上不能得到很好的保证，并且传统设计的工艺比较粗糙、开发的效率低、花费时间比较长、耗费的资金比较大。在变化速度快、持续性发展和不可预测性市场中难以适应。因此，企业的生产活动需要具备高度的柔性和快速的反应，与此同时信息技术的飞速发展保证了机械制造的先进性，信息化的使用对于现代机械工程设计十分重要。
1虚拟机械制造技术
以往传统的机械设计技术的设备条件比较差，设计技术性不强，传统的设计观念比较保守，设计的手段主要依靠的是粗略的计算和估算，主要是在较多的简化和静止化假设中完成机械工程的设计，传统设计具有较大的随意性，并且设计的关键过程还对设计者的经验和设计习惯具有很大的依赖性。设计的过程很难实现合理、高效和准确。但是在现代化虚拟设计的相关技术可以很好地实现设计经验依赖性强、设计过程静态性和设计理念随意性向现代化设计精确性、以数据知识工程和专家系统为保证的设计方式的发展，虚拟计算机技术需要对必要的信息进行检索、分析和收集。最终找出最优的设计方案和数值运算的方式，当然也会对CAD技术和人工智能技术、数据库技术等进行大量的应用。虚拟机械制造技术主要是在虚拟环境下对计算机的模型进行虚拟分析的一种计算机设计技术。该技术集成并综合应用了综合性的机械制造环境，主要包括了各种仿真、分析、应用等工具以及信息模型和控制工具等。虚拟制造需要经历的主要阶段有装配产品的概念设计、动态仿真、回收利用。依靠虚拟制造技术，机械设计人员不需要将所有的零件设备生产制造出来，可以通过对零件模型的建立，随后对零件进行虚拟装配，并对各零件部位之间的装配间隙进行干涉、对装配的状态实现检查，对零件设计中的错误及时发现，如果零件不符合设计要求，可以依靠计算机技术方便及时更改模型，最后形成新的零部件设计图和装配图，达到设计、装配和制造检验的协调。
2虚拟制造技术的关键
虚拟制造技术包含了许多方面，主要有设计技术的提出、产品制造过程的抽取、原模型的建立、集成基础结构、建模仿真等。下面就对虚拟制造技术中的关键技术进行详细的介绍：
2.1虚拟技术中的建模技术
虚拟指的是在系统中将现实制造系统映射到虚拟环境下，主要涉及了RMS的模型化、形式化、计算机化的抽象描述和表示。VMS建模的主要内容有生产模型建立、产品模型建立、工艺模型建立的信息化体系结构的建立。生产模型中有静态描述和动态描述两种。静态描述主要是关于对系统生产能力和生产特性。动态描述是在已经被得知的系统状态和需求的性质上对产品的整个过程进行全面的预测。在制造过程中我们将种种实体对象总的称之为产品模型。在产品的模型建立中需要对产品的明细、形状特征等方面进行描述。对于VMS而言，要实现产品实施过程的全部继承必须具备完整的产品模型。因此在虚拟制造中的产品模型不再是单一和静止的，它可以运用抽象的技术实现各种模型面貌的提取。工艺模型主要指的是在制造过程中对产品的工艺参数和关于产品功能的各种因素进行联系，最终实现对产品模型和生产模型之间相互作用的反映。
2.2虚拟制造技术中的仿真技术
仿真指的是通过计算机实现复杂现实系统的抽象化和简洁化最终形成的系统模型，并且在仿真的基础上对模型进行应用，最终得到相应的系统性性能分析。仿真主要以系统模型为主体的研究方法，它对实际的生产系统没有直接的干扰作用，并且仿真系统可以对计算机的计算能力进行应用，实现在短时间内完成在实际工作中需要很长时间的工作，有效缩短了生产决策的时间，最大化地避免了对人力、物力和资金的投入以及浪费。计算机技术还有很好的仿真修复功能，最大化地保证了方案的最优。仿真技术过程的主要步骤有系统研究、数据收集、系统模型建立、仿真算法的确定、仿真模型的计算、仿真模型的运行、结果的输出和分析。仿真在产品的制造过程主要被分为制造的仿真和加工的仿真。在系统产品的开发中主要涉及的是产品建模、设计交互行为仿真等。方便对设计结果的评价，及时进行反馈，降低产品设计中的错误。加工过程的仿真主要有切削、装配、检验及焊接、压力加工和铸造等。以上两种仿真过程是相对独立的，两者不能实现集成，而VM中应建立全面过程的统一仿真。
2.3虚拟制造中的虚拟现实技术
虚拟现实技术的目的是改善计算机的交互方式，提高计算机的可操作性，它是在对计算机图形系统和多种显示以及控制等接口设备的基础上，以交互的三维环境为人提供沉浸体验的技术。虚拟现实技术主要由图形系统和多种接口设备组成，使人在虚拟环境中感受到真实的沉浸感觉，交互性计算机系统是虚拟现实系统的基础。虚拟现实系统中有操作者、机器和人机接口。它帮助提升人和计算机间的和谐度，同时也是最有力的仿真工具。在VRS的作用下实现对真实世界的模拟。在用户交互输入以及输出修改虚拟环境的条件下，使人达到身临其境的沉浸感觉。VM的关键技术之一就是虚拟现实技术。
3机械虚拟样机技术介绍
虚拟样机技术在机械工程设计中被称作机械系统动态仿真技术，它是20世纪80年代在计算机技术的快速发展中发展起来的一种计算机辅助技术。在计算机建立样机模型后，对模型的多种动态性能进行具体的分析，最后对样机方案实现改进。用数字化模型代替物理性的样机。通过虚拟样机技术的作用，简化了机械产品的设计开发过程，有效缩短产品开发的时间，最大程度降低产品的开发成本和费用，实现产品质量和系统性能的提升，使设计产品实现最优化和最具创新性。综合以上优势，该技术一经出现就受到了众多工业发达和高等院校及设计和生产企业的重视，许多著名的产品开发设计者都对该技术进行了引入并运用在自身产品的开发中，并且取得了极好的经济和生产效益。在机械工程设计
中应用仿真技术对零件进行设计、生产工序等方面的选用以及工艺参数、加工工艺、装配工艺等构件的运动性等均可以实现建模仿真。
4虚拟制造技术在机械工程中发挥的优势
4.1强大的通用性和分析处理复杂问题的能力
虚拟样机技术建立和发展的基础是分析力学和多体运动力学，该技术的关键是对复杂机械系统进行自动建模。因此，大多数的虚拟样机技术软件主要运用的是带约束乘子的微分代数混合方程。令每个构件都有六个自由度是它的核心，还要要求其对多余的自由度进行限制，实现其具有良好的通用性，达到适用性强的目的。与此同时，虚拟样机技术还对机械系统的详细环节进行考虑，具体指弹性、接触和摩擦等因素。
4.2为机械系统建模带来便利
传统的机械系统建模中要先建立运动分析，随后在运动分析的基础上进行动力分析，这中间需要许多的图形分析和公式推导。但是图形的分析和公式的推导过程往往比较复杂，并且错误率高。同样的建模过程中设计人员只需要将机械的构成方式和连接方法以及相应的物理参数实施输入，其后的建模和求解只需要计算来完成就可以了，极大地帮助设计人员承担了许多的设计难度。
4.3强大的后期处理能力
在传统的分析方法上通常得出的是大量的数据，数据的理解还要依靠丰富的经验和理论。但是运用虚拟样机计算软件为复杂性的数据提供了可视化技术，使得设计人员直观地看到机械设计的性能和运动效果。
5结语
虚拟制造技术实现了现代工程机械工程设计领域中的设计、试制等一系列过程的直观性。实现了在产品真正制造出来前，可以在虚拟的制造环境中生成产品的原型，更好地替代现实中的硬件产品，更方便地对设计产品的性能和可生产性进行评估，极大地缩短了产品的设计和生产周期，最大化地节约了产品开发的成本，保证产品的开发和设计可以适应市场的灵活性的变化。虚拟制造技术是现实技术和计算机仿真技术在机械制造中的综合应用。在现代化计算机虚拟设计技术的帮助下实现对众多产品的开发和设计，不仅不会造成实际物质的浪费，并且还能更直观地了解产品生产的具体情况，打开了机械制造和设计的全新局面。
参考文献
[1]李锐．虚拟制造技术在现代机械工程设计领域中的应用[J]．河南科技，2013，（13）．
[2]刘玲娣．浅谈虚拟制造技术在农机设计制造中的应用[J]．河北农机，2013，（2）．
[3]孙福臻，阎勤劳，单忠德，等．机械虚拟现实技术的应用与发展[J]．机械设计与制造，2010，（5）．
[4]郝虎．虚拟样机技术在采煤机械设计中的应用[J]．城市建设理论研究（电子版），2011，（25）．
篇5
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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根据对目前压实度检测系统的研究，要实现振动压路机对压实度的实时检测技术一般需要利用压路机振动轮的某一动态响应值来间接反映路基压实度的变化。此次仿真研究的目的就是利用虚拟样机技术模拟垂直振动压路机的振动压实试验，测量振动轮在碾压代表不同压实度路基模型时的垂直振动加速度幅值，为建立路基压实度和振动轮加速度幅值之间的对应关系提供数据支持。
1 垂直振动压实技术的特点
（1）垂直振动压路机的振动轮在激振机构的带动下产生的垂直方向上的定向振动，对被压实材料不会产生水平方向上的干扰力。垂直振动压路机施工过程中不会在振动轮的行驶方向上产出拥土，道路的表面没有松散层和裂纹出现，因此避免了传统振动压实之后还需要使用静碾压路机进行碾压的施工环节，施工效率在同等条件下提高了 3 倍。
（2）垂直振动压实之后，得到的铺层材料压实度均匀，质量稳定，密封性好。垂直振动还能够确保沥青和骨料混合物具有更好的均匀性和良好的道路表面粗糙度。
（3）垂直振动压路机适用于各种压实材料及工况，广泛应用于砂土、土石填方、沥青混合料以及水泥混凝土的混合料，其作业时的击实能量沿道路的表面垂直向下传递，具有很小的道路表面波动，因此施工过程中对周围的环境影响较小，具有一定的环保意义。
2垂直振动压实仿真的理论分析
垂直振动压路机压实路基数学模型的建立是基于以下假设的：
（1）振动压路机的减振系统和随振的压实材料被认为是弹簧—阻尼单元，而且弹簧--阻尼认为是没有质量的；
（2）假设垂直振动压路机的振动轮和所有相关的机架均为刚性体，而且将它们看成是具有一定质量的集中质量块；
垂直振动压路机在高频低幅或者低频高幅下进行工作时，其它机械参数是不变的，只有路基材料的结构和物理性质发生变化，从振动轮垂直振动加速度的推导结果也可以看出压路机在工作时振动轮的垂直加速度和代表压实材料的刚度和阻尼有关。
振动轮在压实过程中的动力学响应与被压实材料的压实度有着紧密的联系，振动轮在垂直方向的振动加速度响应和压实材料的刚度正相关，与阻尼负相关。随着压实度的增加，代表压实材料的刚度增大，阻尼减小，因此垂直振动压路机振动轮的垂直振动加速度和压实度是正相关的，而且这种规律具有普遍性不因为被压实材料的改变而不同。因此，在ADAMS 利用虚拟样机模拟振动压实试验，以测量振动轮垂直振动加速度的基频幅值来反映压实材料的压实度是可行的。
3垂直振动压路机的压实仿真模拟
在垂直振动压路机的施工过程中，压实材料的物理特性是不断变化的，而在仿真环境下压实材料的这种变化是通过材料本构模型物理参数的改变来描述的。振动压实系统动力学模型中的刚度和阻尼只是压实材料的模拟参数，其数值是大都是通过经验来确定，不能通过土工试验来测定，在描述压实材料的物理性能上存在很多的不足。而在 ANSYS 中以本构模型为理论基础建立起的路基仿真模型更接近于路基真实的物理性能。
通过改变路基材料在不同压实度下本构模型中物理参数的值建立起同种路基材料的不同仿真模型，构成多组振动压实仿真模型模拟实际的振动压实试验。每一组模型完成一次仿真之后即可获得在不同压实度下的振动轮垂直振动加速度，通过幅频变换得到其在基频下的加速度幅值。垂直振动压路机的虚拟样机工作参数为振幅 2mm，激振频率为 29Hz，行走速度为 3km/s。某路基材料不同压实度下本构模型的基本物理参数如表 1 所示。
表1 路基材料的基本物理参数
利用 ADAMS/View 的后处理模块采集垂直振动压路机的虚拟样机在碾压压实度为67%的路基模型时振动轮的垂直振动加速度信号波形如图 1~图 2 所示。
图 1 碾压压实度为 67%的路基模型时振动轮垂直振动加速度信号
图 2振动轮垂直振动加速度信号的频谱图
从振动轮加速度信号的波形图可以看出：随着路基模型压实度的不断增加，振动轮的垂直振动加速度信号的幅值也在不断增大，这与理论分析和相关文献的论述是相符合的；从图 5-8 振动轮垂直振动加速度信号的频谱图可知读取振动轮振动的基频为 29Hz，这与振动轮的激振频率是一致的，说明 ADAMS/View的后处理模块能对虚拟振动压实的振动信号进行准确的采集，所建立的仿真系统也是可行的，采集的仿真数据具有一定的研究价值。
4 垂直振动压路机的路基压实状态分析
垂直振动压路机在代表不同压实度的路基模型上进行振动碾压时其振动轮将会有不同垂直振动加速度响应。表2为垂直振动压路机虚拟样机在碾压不同压实度路基模型时获取的振动轮垂直振动加速度信号在基频下的响应幅值。利用基频下振动轮垂直振动加速度的幅值对路基模型的压实度进行标定50，从而实现利用振动轮的动态响应来反推路基压实度的目的。
表2 不同压实度下振动轮垂直振动加速度的幅值
图6 为振动轮的垂直振动加速度和路基压实度之间的对应关系，振动轮垂直振动加速度在基频下的幅值和路基压实度之间通过数据拟合建立起的线性关系式为：
Y=2.617x-65.821；R2=0.9731 （1）
式中：y—路基压实度；x—振动轮垂直振动加速度幅值；R—相关系数。
这种检测方法实现了对路基压实度更全面的检测，能够更好的控制施工质量，随时发现被压实路段存在的缺陷，避免了人工检测工作量大和测点不足容易出现漏检的问题。
5结束语
论文实现了垂直振动压路机压实路基的仿真过程，测得了振动压路机的振动轮在碾压不同压实度的路基模型时在垂直方向上的振动加速度，并根据数学模型计算的结论建立起了振动轮垂直振动加速度和路基模型压实度之间的线性关系式，为建立振动轮动态响应和路基压实度之间的关系提供了一种仿真方法。
参考文献
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随着人类社会进步的加快，科学技术水平的不断提高，人们对产品的要求也越来越高。这就需要提高产品质量，同时缩短开发周期。此时以仿真技术和系统建模为核心的虚拟样机技术得到了的广泛应用，在真实的产品没有真正生产出以前就对它进行仿真模拟，这样的话防止各种设计缺陷的存在。其中一款具有代表性的软件系统：机械系统动态仿真软件ADAMS，这一款软件包括了高效的求解器、可视界面、各种简便的建造模型的工具和具有强大功能的后处理模块等，利用ADAMS软件来对机械系统的结构进行分析，在物理样机设计之前就可以对数控玻璃磨边机产品的各种性能进行测评，不仅能够降低开发费用，而且能够减少开发周期，很大的提高了机械系统仿真的效率。ADAMS在机械系统运动学、动力学和静力学仿真方面的功能十分的强大，但是当ADAMS软件建立一些比较复杂机械系统的时候，就会比较困难。这方面常见的就是使用UG软件和ADAMS软件结合来开发复杂的机械系统的虚拟样机。
1 UG软件和ADAMS软件的介绍
UG（Unigraphics NX）是一个产品工程的解决方案，它是由Siemens PLM Software公司出品的一款软件，它为用户的加工过程及产品设计提供了数字化模型和检验的手段。UG Unigraphics NX根据用户的工艺设计和虚拟产品设计的要求，提供了解决方案，这种解决方案是经过实践验证的。UG具有三个设计层次，即子系统设计、组件设计和结构设计。所有的信息被分布于各子系统之间。
本论文使用的运动仿真软件是由美国MDI公司进行开发设计的ADAMS软件，这款软件是现在最具权威性的机械系统运动学与动力学仿真的软件。它的求解器是使用的拉格郎日方程来进行建立系统运动学和动力学方程，对虚拟的机械系统进行运动学和动力学的分析，并且在分析之后输出加速度、反作用力、速度和位移的曲线，整个运动的过程是通过在计算机上建立虚拟样机来模拟复杂的机械系统的。其中ADAMS软件的核心模块包括ADAMS/View和ADAMS/Solver。
2 ADAMS和UG的运动联合仿真
在利用ADAMS和UG进行运动联合仿真设计的时候，通常我们现在先在UG软件当中建立三维模型，建立模型的过程：首先通过二维图纸在UG软件中建立三维零件模型，然后在将零件进行装配同时进行干涉检查，最后将建立的三维装配图形导入到 ADAMS软件当中，在ADAMS软件中首先对三维装配图形的仿真参数进行设定，这样就产生了参数化的机构模型，最后进行运动学和动力学的仿真。下图1所示的就是一般情况下的联合仿真设计流程。
3 焊接机器人联合仿真分析
3.1 UG三维建模
焊接机器人主要有底座、躯干、肩、手臂、手腕、机械手6部分组成。在UG中建立焊接机器人的各零部件，装配后得到焊接机器人实体模型，见图2所示。
3.2 三维模型导入ADAMS
在UG中，选择“文件”“导出”Parasolid，然后打开ADAMS，选择FileImport，弹出文件导入对话框，在File Type下拉框中选Parasolid类型，然后在File To Read选择栏中点右键选择Browse，最后选择读入UG输出的文件。三维图导入到ADAMS中如图3所示。
3.3 ADAMS运动仿真
导入模型之后，首先要给焊接机器人添加约束副，给底座与大地之间添加固定副，分别在底座与躯干、躯干和肩、肩和手臂、手臂和手腕、手腕和机械手之间添加旋转副。然后给所有旋转副添加旋转驱动，肩和手臂之间旋转副的驱动参数为15d*sin（180d*time-90d）+15d，手臂和手腕之间旋转副的驱动参数为-15d*sin（180d*time-90d）-15d，底座和躯干之间旋转副的驱动参数为180d*time，其它旋转副的驱动参数为0d*time。至此，已完成整个样机约束的添加如图4所示。
停止仿真运动，右键点击机械手，在下拉菜单中选择measure，出现对话框，在characteristic中选择选项，输出机械手在X，Y轴方向的位移、速度、加速度曲线。如图5-图10所示。
从上面图中可以看出，机械手的运行曲线平滑且有规律，说明该机构的整个运动过程平稳无冲击震荡现象，通过观察机构仿真运动并结合曲线，可以证实该机构的运行曲线与实际情况相符。
4 结束语
ADAMS软件和UG软件作为动力学仿真分析领域和三维建模领域的优势产品，二者的联合仿真广泛应用于产品开发、工程校验、机械设计等过程中。本文通过UG和ADAMS之间的无缝接口程序，将在UG中创建的焊接机器人三维模型成功导入到ADAMS中，并通过在ADAMS中进行运动学仿真分析，根据仿真分析的结果，验证了将UG与ADAMS软件相结合的建模设计和运动学仿真方法的可行性，不仅提高了数据转换的可靠性，还大大提高了仿真效率，是虚拟样机技术研究中的崭新应用，促进了虚拟仿真的发展，对于教学和实践具有广泛的意义。
参考文献
[1]张磊.UG NX6.0后处理技术培训教程[M].北京：清华大学出版社，2009.
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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
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维修操作空间定量评价方法
维修是一种需要人参与的活动，适当的维修空间将提高维修效率和维修人员的舒适程度。这一节的主要内容是确定适当的维修操作空间的大小。
在设计产品时，适当的操作空间的具体尺寸需要依据维修人员的身体尺寸和操作姿态来确定。因此维修操作空间应考虑维修人员的影响因素，如实体可达性。人的上肢可以接触到的空间范围分为最佳范围、正常范围和最大范围。人体上肢的作业范围是一个三维空间，维修人员的最大操作空间和舒适度随着操作高度、手臂延伸线与人体中线的夹角角度的改变而发生变化。为了便于分析人体上肢的操作范围，建立数学模型描述人体各部分的尺寸和相对位置。
软件工具设计和案例探究
CATIA是法达索公司（Dassault Systemes）与IBM公司（International Business Machines Corporation国际商业机器公司）联合开发的一款CAD/CAE/CAM软件，主要为客户提品外形设计、机械零件设计、配合结构设计、组装、数控加工等功能，并提供大量的标准尺寸零件模型，使得企业可以缩短开发周期，快速迭代设计方案，对市场需求做出敏捷的反应。CATIA是目前应用最广泛数字样机设计开发软件之一，应用范围涵盖等航空航天、建筑、船舶、汽车、铁路等多个领域。DELMIA（Digital Enterprise Lean Manufacturing Interaction Application）是法国达索（Dassault Systemes）公司生产的一款数字化企业的互动制造应用软件，是PLM（Product Life Management）系列产品之一。该软件与CATIA互为补充，呈现上下游关系，共同贯穿产品的设计周期。利用CATIA制作数字样机后，可在DELMIA中进行物流过程分析、维修、装配、工艺规划、与机器人配合等多种功能的虚拟演示和模拟，是一个面向设计、制造、维护、人机过程的“数字化工厂”仿真平台。便于用户检查设计方案的缺陷和漏洞，及时更改设计方案，降低研发成本，缩短研发时间，实现快速上市的目的。DELMIA中含有一个Human Task Simulation模块，包含虚拟人模型、人体动作模型、维修工具等内容，用于模拟人机交互过程，实现虚拟维修、虚拟拆卸、虚拟装配等功能，也是本研究中重点使用的模块，包含本研究中所需要的大部分数据。本研究基于CATIA与DELMIA现有的软件功能和数据库进行二次开发，研究目标是在客户已经完成产品设计和数字样机的制作的情况下，根据已制作好的虚拟维修仿真动画，针对产品的维修操作空间的完成定量评估。
软件的二次开发是在现有软件产品的基础上，对软件功能进行延伸和扩展，或实现和其他软件的对接并实现数据的交换和传输。二次开发一般针对某一类特定的用户，通过添加更个性化、专业化的功能和模块，使得软件功能更具有针对性，用户的需求得以实现，工作效率得以提高。DELMIA为不开源的软件，为实现二次开发必须利用软件开发商为用户专门准备的二次开发接口。为灵活地满足不同客户的需要，DELMIA提供了多种二次开发的接口：一是CAD格式接口，方便客户加载在CAD环境下设计的数字样机，实现模型结构、尺寸、颜色渲染等数据的导入导出；二是知识工程，这是DELMIA的一个专门模块，知识工程利用参数化定义的方法对人体模型和基础动作单元进行了建模，建立一个标准模型库，用户可以通过关键参数调用标准模型库中的模块，从而实现快速建模，完成设计任务；三是采用自动化对象编程的接口Automation API（Application Programming Interface），能够实现宏指令的编写，或利用宏与VB开发语言（Visual Basic）相结合编写简易程序；四是开放的基于构件的应用编程接口CAA（Component Application Architecture，应用组件架构），这是DELMIA的一套C++函数库，这一接口主要用于与C++开发语言链接，方便客户使用C++编写所需程序，用户可通过快速应用研发环境RADE（Rapid Application Development Environment）和不同的API（Application Programming Interface）接口完成从DELMIA数据库中调取数据到C++程序中的过程。
该案例为针对拆卸某型号大型客机APU上六角螺母的维修空间定量评估。目的是利用所提出的方法和开发的软件工具，对维修操作空间进行定量评价，以展示方法的灵活性和有效性以及软件的可用性和可靠性。该大型客机APU的虚拟维修操作动画截图如图1所示。该大型客机APU上有12颗六角螺母，选取123号螺母作为典型案例，三颗螺母的位置如图2所示。
这三颗螺母中，显然3号周围的障碍物少，对扳手的使用影响较少，同时位置较低，距离肩膀较近，手臂只需微微向上伸出即可接触到，因而上肢舒适度较高。该螺母周围的空间无需定量评估，定性评估即可确定等级为优秀。1号螺母虽然位置很高，但是周围的障碍物少，手部可达到1200旋转。2号螺母位置较高且周围障碍物较多，维修人员手部只能达到600旋转。本案例中选取2号螺母进行分析。
第一步打开程序，连接虚拟环境，选定虚拟人并连接。第二步选定关键帧，抓取扳手之后，选取手部携工具接近、旋转卸下六角螺母、手部携工具离开这三帧内容。第三步系统提示选取第一帧的维修活动单元类型，为平移，此时软件自动计算第一帧的扫掠舒适度PV、上肢舒适度r和该帧总舒适度s，x=0，y=0，z=1，但不在界面中显示。第四步系统提示选取第二帧的维修活动单元类型，为旋转，如图3所示，此后软件自动计算第一帧的扫掠舒适度Pv、上肢舒适度r和该帧总舒适度s，x=0，y=1，z=1，但不在界面中显示。第五步系统提示选取第三帧的维修活动单元类型，为平移，此时软件自动计算第三帧的扫掠舒适度Pv、上肢舒适度r和该帧总舒适度s，x=0，y=1，z=2，但不在界面中显示。第六步系统自动根据已有的x、y、z，计算s的评价标准，（0.8x+0.75y+0.9z）为优秀阈值，（0 5x+0.25y+0.7z）为差阈值，该部分不在界面中显示。第七步系统输出三帧中每一帧的s值，并与s的优秀阈值和差阈值比较，给出空间评价结论。该案例中具体数据截图如图4所示。得出结论该部分操作空间维修性差，必须加以改进。
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随着数控机床的普及，采用数控机床己成为机械制造业改革的主要方向，如何能高质量、高效率、低费用的培训操作人员成为亟待解决的问题之一。由于数控机床的教学比较抽象需要借助实验来加深对课堂知识的理解，生产用的数控机床一般价格都比较昂贵，软件也不是开放式的结构，无法用于学生的实验教学。因此设计一种功能齐全，结构简单，软件结构开放，低成本，且具有代表性的教学实验型微型数控机床可以满足教学实验的要求。
1 总体方案的确定
实验型微型数控铣床以开放式CNC体系为指导思想，在Windows98下开发系统的硬件、软件。本研究将用Delphi语言、Solidworks及Protel软件完成对该数控铣床整体结构的设计和控制系统的接口电路(IO/TIMER控制板)、驱动电路、有关外围电路、相应控制软件的设计。绘制出试验型数控铣床的虚拟样机，根据零件图，设计零件制造的工艺；在零件加工完成后，进行装配调试，完成微型数控铣床的制作。
2 机械部分设计
微型铣床的机械部分是机床的主体部分，其设计计算主要包括：总体传动方案的确定，电机、主轴、丝杠的选取等。机械部分Solidworks虚拟制图如图1所示
图1 铣床的机械部分虚拟制图
2.1 机床总体传动方案的确定
本机床可以实现X轴、Y轴和Z轴三坐标联动。X轴、Y轴的进给是通过电机带动丝杠，丝杠又与螺母传动来实现。电机与丝杠的连接可以通过销钉来实现。在传动过程中电机带动丝杠做旋转运动，螺母沿导轨做水平移动，从而带动工作台运动。论文参考网。Z轴的进给也是通过电机带动丝杠，丝杠又与Z轴螺母传动来实现。主轴套与Z轴螺母相连，在传动过程中电机带动丝杠做旋转运动，螺母沿导轨做上下移动，从而带动主轴做上下运动。
2.2 设计计算部分
2.2.1 主轴的选取和校核
1）主轴选取
立式铣削切削力的计算:
由机械设计手册[1],对高速钢圆柱铣刀:
其参数按实际加工过程中平均铣削条件为准选取:
对圆柱铣刀逆加工:
主轴材料为 40Cr 钢取C=102
2）主轴校核
2.2.2 滚珠丝杠的选取
由最大动载荷Q值和导程P可以选择滚珠丝杠的型号为：CWM165-2.5-P3。
3机床控制部分设计
3.1系统硬件组成
经过分析，本三坐标数控系统决定采用单CPU结构(采用的控制PC机主频达到797MHz)。本三坐标数控铣床主要用于教学演示故对精度要求不是特别高，采用开环控制方式，用步进电机驱动输出，设计数控接口电路进行定时中断、脉冲输出以及其它开关量的输入输出。论文参考网。论文参考网。其数控系统硬件组成如图2所示[2－4]
3.1.1接口电路设计
本数控接口电路主要完成外部开关量的输入和步进电机的控制以及一些机床辅助功能的实现，性能优良、工作可靠。接口电路的结构如图3所示[5－6]。
3.1.2步进电机驱动器输出控制电路
为了输出脉冲去控制三个方向的步进电机，以及接收机床行程开关等开关量信号，在电路设计中设计了两片可编程接口芯片8255，可以对48点数字量进行I/O操作。但本微型数控铣床三坐标数控系统中仅用到了一片8255，另一片暂时未用，用于以后的功能扩展。使用的8255的 PA口、PB口、PC口均工作在基本输入输出方式。8255控制字格式如下：
D7：1，D6：0，D5：0，D4：0，D3：0，D2：0，D1：0，D0:0,
即控制字为80H
用Delphi编写CNC程序，初始化8255：
procedure TForm1.FormCreate(Sender: Object);
begin
asm
mov al,80H
mov dx,0213H
out dx,al
……
end；
在实时中断服务程序中，用8255经光电隔离向三个方向的步进电机驱动器输出控制信号，进而控制三个方向步进电机的运动，如图4所示。
4 结束语
型微型数控铣床具有体积小，价格低，功能完善，安全系数高，是三坐标驱动和生产型数控铣床工作原理相同，且具有开放的软硬件结构，基于以上的优点微型数控铣床将具有广泛的应用前景。
参考文献：
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[5] 郑学坚，周斌．微型计算机原理及应用[M]．清华大学出版社，2001：200-223
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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
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一、 开题报告的撰写方法及基本要求
1、 如何选题、开题
选题、开题必须要考虑以下几个方面的因素：
1）课题有没有价值，从为什么要选这个课题？选取这个课题有什么背景，这个课题的研究，从理论上看有什么价值，从实践上看，有什么价值。
2）从实际出发，根据自身的知识结构、实验条件、资金等方面的情况选取适合自己研究的课题。
3）课题要与所学专业相关，且忌选择与所学专业相差太大的题目。作为过程装备与控制工程专业的本科生，所选课题最好与过程装备的工程设计、技术开发、生产制造及工程科学研究有关，尽量选择结合生产和科研单位的实际任务，也可以是教师科研或研究生课题的一部分； 或者是同本专业、学科内容密切相关，符合教学要求的自拟课题。
2、开题报告一般包括哪些内容
开题报告一般包括：
1）课题的名称。课题名称是所要研究内容的高度概括，要简练，一般不要超过20字；
2）问题的提出。从为什么要选这个课题？选取这个课题有什么理论的价值，实践的价值，预计从几方面来完成。
3）这个问题研究的现状。国内研究到什么程度，国际研究到什么程度，主要通过文献综述来阐述。
4）确定自己要研究的主要内容。
5）确定研究拟采用的方法和步骤。就是采用什么样的方法来对这个课题进行研究，研究这个课题具体分哪几个步骤进行。
6）对研究课题的可行性进行分析。如自己具备哪些条件、研究路线是否行得通等。
7）列出时间安排。
8）列出参考文献。
3、如何查阅文献资料、怎样写文献综述查阅文献资料可根据如下步骤进行：
1）课题确定后，要根据课题的研究的内涵确定课题的中英文关键词；
2）根据中英文关键词检索该课题领域的期刊、学位论文、专利、国际会议、经典著作或专职部门的研究报告。建议从以下几条途径入手：一是通过检索学校图书馆的电子资源，如维普中文科技期刊数据库、万方数据资源系统、超星数字图书馆、Elsevier数据库等，一般能查到较新的文献，找到几篇“经典”的文章后“顺藤摸瓜”，留意它们的参考文献。质量较高的学术文章，通常是不会忽略该领域的主流、经典文献的。二是利用学校图书馆的外文过刊阅览室，能够查到一些较为早期的经典文献。三是利用国家或省市图书馆或一些科技情报检索机构，也能够查到一些相关文献。四是利用互联网，从一些专门的网站上也能获取一些信息。
在写文献综述时，可参照以下步骤：
1）首先要将与你课题题目相关的国内外研究认真介绍一下（先客观介绍情况，要如实陈述别人的观点），从而了解到国内外目前研究的现状如何，别人都采用了什么方法进行了研究；
2）然后进行评述（后主观议论，加以评估），评述目前研究的水平，研究方法的适用性或其不足；
3）最后评述一下自己拟研究课题有何意义，目前处在什么水平，自己拟采用的研究方法是否科学合理。
4、如何合理的安排时间进度
根据拟定的研究内容及拟采用的研究方法、手段，详细列出进行课题研究所需的工作（工作划分得越细，越容易统筹安排）根据总的课题时间进行统筹安排，合理分配。
有的研究内容相互之间关联性较强、则需要分步进行；而有的研究内容关联性不是很强，则可以齐头并进，同时展开研究。例如，很多课题需要实验分析且往往需要在理论分析或数值模拟分析之后进行，但是实验分析往往需要较长的时间，如果按部就班地进行研究，往往会拖很长的时间，这种情况下，就需要将实验分析的内容进一步细化，如可分为试样制备、实验条件准备、实验、检验或标定等，可以将试样制备和实验条件准备等实验工作提前，在进行理论分析时就开展这些工作，这样就节省了时间。
合理安排时间进度与具体的课题有关，此处只给出了指导性原则，建议同学们可参照企业施工或维修计划图的方法，将细化的工作排列在时间进度表中，找出最优工作进度安排路线。
5、参考文献
参考文献包括书籍、期刊、专利、会议论文等，总数一般不少于10篇，其中外文文献一般不少于3篇，参考文献要能体现相关研究领域科技发展的新进展。
二、毕业论文撰写基本要求及方法
1、毕业论文的基本要求
论文篇幅为1.5万字左右，一般不少于30页。
主要内容及编排顺序如下：
1）摘要；
2）目录；
3）前言或绪论（包括研究课题的目的意义、相关情况的介绍、前人工作等、课题研究内容等）；
4）按研究的内在逻辑关系给出理论分析、数值分析、程序或实验等研究过程中的步骤、数据、结果等的描述；
5）结论与展望；
6）参考文献，参考文献不少于10篇，其中英文不少于5篇，需要在正文部分引用出处。
2、毕业论文撰写的方法
毕业论文是在完成各项研究内容的基础上，按上述内容阐述研究的目的、过程、成果及结论。
在撰写论文过程中，理论依据要充分，数据要准确，公式推导要正确，能将所学的知识和技能应用于毕业论文中。另外，要注意论文结构的合理性；数学模型建立的正确、合理性；实验方案的合理性，实验数据的准确性；社会调查的客观性和科学性。是否有自己独特的见解或者创新。
另外，撰写论文时要概念清楚，内容正确，结构严谨，文字通畅，用语符合技术专业规范，各种标准资料的运用符合学科、专业国家标准的规定，图表清楚，图面质量符合要求，书写格式规范。
三、毕业设计的要求
1、 设计说明书内容
1）文献综述（研究课题的意义与作用、研究方案确定的原则与说明）；
2）总体结构设计、技术方案依据及原理说明（有实验的应包括实验流程示意图）；
3）技术实施过程、工艺计算、机械设计和强度设计、零部件结构设计；
4）材料的选用和说明、机器或设备的制造、安装或检修；
5）结论、总结或专题讨论。
2、设计图纸的内容、图纸量的要求
设计说明书篇幅为1.5万字左右，一般不少于30页。
设计图纸：指机械设计标准所指的图纸，图纸绘制的规范及标准优先采用国家标准。设计图纸的总量不少于2张A0或4张A1的图纸。对于大纸画小图的现象应予避免或进行适当的折扣计数。
所有图纸须有图框和标题栏。图纸要有人审核并在“审核”一栏上签名，学生在设计一栏上签名。原理图、程序框图和流程图以及其它一些抛去文字就失去
意义的图不计其内。图纸可以用计算机绘制；任何人不得拷贝或抄袭他人的图纸，一旦发现则以作弊论处。
四、论文（设计）选题方向
1、产品设计
2、创新设计
3、表面工程
4、机械设计技术研究
5、机械设计
6、机器人设计
7、动画设计
8、振动控制及减振材料
9、逆向工程
10、图形处理网页设计
