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虚拟装配技术论文范文1
关键词：虚拟装配；虚拟装配环境；虚拟装配应用系统
中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)18-4420-03
Survey and Analysis of Virtual Assembly
YU Hai-xia, WANG Jia-qi
(Department of Computer Scienct, Anhui Vocational and Technical College of Industry and Trade, Huainan 232007, China)
Abstract: The research progress of Virtual Assembly (VA) in recent years was summarized and analyzed in this paper. According to different functions and objectives, VA can be classified as four aspects. Virtual assembly technology was summarized and analyzed from three aspects: virtual assembly environment, virtual assembly key technologies, and virtual assembly application systems. Aiming at the shortcomings of traditional virtual assembly environment, the two new virtual environment systems were studied. The key technologies of virtual assembly systems, their researches and applications were summarized, and some important technologies including assembly modeling in virtual environment, constraint-based positioning and assembly process planning were studied comprehensively. Four typical virtual assembly application systems arising in recent years were introduced. At last, technological shortcomings and application obstacles for VA are pointed out.
Key words: virtual assembly; virtual assembly environment; virtual assembly application system
1 概述
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。
2 虚拟装配的研究概况
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。
根据实现功能和目的不同，可以将虚拟装配分为四种类型[1]。
1）以产品设计为中心的虚拟装配。
2）以装配工艺规划为中心的虚拟装配。
3）以制造系统规划为中心的虚拟装配。
4）以虚拟原型为中心的虚拟装配。
3 虚拟装配的研究内容
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]。
3.1 虚拟环境的研究
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。
1）桌面式系统
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。
2）头盔式系统
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。
3）CAVE系统
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。
4）大屏幕投影系统
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真度的仿真平台。
3.2 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。
1）装配建模技术
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。
2）约束定位技术
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。
3）工艺规划技术
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。
3.3 虚拟装配应用系统的研究
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。
1）CHDP(Cable Harness Design and Planning)系统
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。
2）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。
3）基于虚拟原型的装配验证环境VPAVE
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。
4）PAA系统。
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。
4 存在问题
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。
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。
参考文献：
[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.
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虚拟装配技术论文范文2
关键词：工业设计，虚拟现实技术，计算机
0.前 言
新世纪以来，随着计算机图像学，人工智能、计算机网络、信息处理、机械设计和制造等技术的告诉发展，虚拟现实技术在工业实际中的应用越来越多，已经成为工业设计各个阶段不可缺少的工具。虚拟现实技术的广发应用是现代工业实际走向更全面的数字化，是设计部门与企业管理、工程设计与市场营销等产品开发的主要部门之间的交流变得更加容易，不记打打缩短了企业产品开发的时间，而且也为其产品的宣传、销售赢得了先机，为企业在竞争中取胜添加了筹码，加快了企业发展的步伐。
1.虚拟现实的定义
虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）是一种计算机界面技术。从本质上讲，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，它通过给用户同时提供诸如视觉、听觉、触觉等各种直观、自然的实时感知交互工具，最大限度地方便用户操作，提高整个系统的效率。根据VR应用的对象不同，VR的作用可以表现为不同的形式，如将设计概念或方案可视化和可操作化，以方便设计评价和优化；实现逼真的遥现场效果等。
2. 虚拟现实技术在工业设计各个阶段中的应用
（1）虚拟现实技术在需求分析阶段中的应用
通过结合虚拟现实技术的Web页面进行市场调查，可以激发被访问者的兴趣，所得到的信息更丰富，更准确，并且有针对性，这样在产品设计之前可以真正了解市场的需求情况。同时可以利用给予Web的虚拟设计环境把产品的特点和功能尽可能展示给用户，并通过用户的反馈信息获得的个性化需求信息，这有助于设计出符合大批量定制原则的合理的产品结构。。
（2）虚拟现实技术在概念设计中的应用
在概念设计中运用虚拟现实技术，可以将体验设计思想更好地融于其中，也就是更多关注产品使用者感受，而非产品本身。在不同的虚拟环境中，让他们亲自体验修改模型的感受；利用触摸屏来选择产品的造型、色彩、装饰风格等许多可选部件，在渲染和生成十分逼真的三维模型时，充分感受自己所喜爱的产品在虚拟环境中的“真实”情况。甚至还可以根据用户的建议，邀请专家和部分用户一起对模型提出修改意见，观察设计和修改过程，直至大多数人满意为止。
（3）虚拟现实技术在详细设计中的应用
详细设计是概念设计之后的一个重要阶段，包括零件详细设计、工艺详细设计和可制造装配性详细分析等，其中可制造装配性详细分析尤为重要。。在进行复杂产品结构设计时，通过虚拟像是技术可以直观地进行装配分析，避免可能出现的干涉和其他不合理问题，及虚拟装配。
（4）虚拟制造
虚拟现实技术为制造模拟带来了真正的虚拟制造环境，通过虚拟知道可以发现制造中潜在的问题，进而在产品实际生产前就采取预防措施，达到产品一次性制造成功的目标，从而降低成本，缩短产品开发奏起，增强产品的竞争力。
虚拟制造系统基本上不消耗资源和能源，也不生产实际的产品，而是运用计算机迷你现实中产品进行产品设计、开发与制造过程，它的运用将会对未来制造业的发展产生极大的推动作用。。
（5）虚拟评价和测试
在虚拟工业设计中不可忽略的一环是虚拟产品进行评价和测试。虚拟评价技术主要是在方针的基础上，对产品运行状态与性能进行虚拟条件下的评价，从中获得修改的依据，降低修改和生产的成本。
3.结束语
正如其它新兴科学技术一样，虚拟现实技术也是许多相关学科领域交叉、集成的产物。它的研究内容涉及到人工智能、计算机科学、电子学、传感器、计算机图形学、智能控制、心理学等。我们必须清醒地认识到，虽然这个领域的技术潜力是巨大的，应用前景也是很广阔的，但仍存在着许多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术障碍。客观而论，目前虚拟现实技术所取得的成就，绝大部分还仅仅限于扩展了计算机的接口能力，仅仅是刚刚开始涉及到人的感知系统和肌肉系统与计算机的结合作用问题，还根本未涉及“人在实践中得到的感觉信息是怎样在人的大脑中存储和加工处理成为人对客观世界的认识”这一重要过程。只有当真正开始涉及并找到对这些问题的技术实现途径时，人和信息处理系统间的隔阂才有可能被彻底的克服了。我们期待这有朝一日，虚拟现实系统成为一种对多维信息处理的强大系统，成为人进行思维和创造的助手和对人们已有的概念进行深化和获取新概念的有力工具。
参考文献：
[1]张立群. 计算机辅助工业设计[M]. 上海：上海人民出版社，2003
[2]鲁晓波，覃京燕等. 计算机辅助工业设计[M].北京：高等教育出版社，2007
虚拟装配技术论文范文3
关键词：机械类专业；毕业设计；民族班；改革
毕业设计是学生在校学习期间最后一个实践性教学环节，是学生学习、研究与实践成果的全面总结，是学生综合素质与工程能力培养的全面检验。其主要目的是培养学生综合应用所学知识和技能解决工程实际问题的能力，进行创造性工作的基本训练，培养学生独立工作和团队协作能力，是对学生学习成果的一次全面考验。新疆是个多民族地区，少数民族的基础教育比较薄弱，考入新疆大学的多数少数民族学生均来自边缘地区。虽然在四年的学习过程中，严格地按照教学大纲和教学计划完成教学内容，但是由于学生本身基础较差、汉语接受能力有限，大部分学生对于系统性、实践性较强的专业课程很难全部理解透彻，使学生在学习中总处于被动状态。为加大民族班教学改革的力度，提高教学质量，在以往实践性教学环节中所积累的经验的基础上，通过采取有效的改革措施，取得了较好的成果。
一、设计手段
机械制图是机械工程专业最基本的工具，是表达设计思路和设计方案的语言。以往我们都是采用手工绘图，其缺点是：绘图速度慢、出错率高、不易修改、图面质量差。国家早就规定要甩掉图板，利用计算机二维绘图解决以上问题，但其设计思路仍然建立在手工绘图的基础上。机电产品的配合性和可装配性是设计人员容易出现错误的地方，以往要到产品最后装配时才能发现，导致零件的报废和工期的延误，造成巨大的经济损失和信誉损失。采用3D平台下的计算机辅助装配技术可以在设计阶段就进行验证，确保设计的正确性，避免损失。三维设计方法与人的思维方式比较接近，较为直观，可以大大地提高设计速度，并且可以进行装配干涉检验、机构运动仿真及有限元计算、优化设计等。尤其对于空间想象力不高的学生来说，更是一种比较理想的设计方法。此外，三维设计后可以立即转化为二维（平面）图形，因此从三维到二维的整个过程不一定比直接画二维图要慢。我们从2000年（95级民族班）起，要求学生在毕业设计过程中尽量采用计算机绘图，并在答辩中采用多媒体答辩，这在当时全校民、汉班级中是比较少见的。直到2004年，采用三维设计已经较普遍，这方面已经达到了内地同类大学的水平。
二、设计题目
选题是否合适，其难易程度直接决定学生毕业设计的质量。我们在近几年的毕业设计选题上，淘汰了以前过时的老题目，而尽量选择指导教师的科研课题和当前的生产实际相结合的题目，充分体现教学与科研、生产实际相结合的原则，培养学生综合应用所学知识和技能解决工程实际问题的能力。如2001年机械制图96-2班两名学生参加了由指导教师主持的横向课题“数控塑料切粘机的研制”，并以之作为毕业设计题目，完成了产品的设计、零件的加工到整机的调试全过程，获得了难得的实践经验，并完成了整机的CAD绘图工作。长期以来，机械强度分析与计算一直沿用材料力学、理论力学和弹性力学所提供的公式来进行。由于在计算过程中有许多的简化条件，因而计算精度较低；在设计中，为了保证设备或构件的安全可靠性，常采用加大安全系数的方法，结果使结构尺寸加大，浪费材料，有时还会造成结构性能的降低。有限元分析技术是最重要的工程分析技术之一，它广泛应用于弹塑性力学、断裂力学、流体力学、热传导等领域。有限元法在产品结构设计中的应用，使机电产品设计产生革命性的变化，理论设计代替了经验类比设计。以前由于其理论性较强，有限元法仅仅用在硕士论文中，但从2002年起，在本科班中尝试应用有限元强度分析作为毕业论文题目。同时，由于我们所用的有限元分析软件在Linux平台上运行，所以学生必须掌握Linux操作系统，使学生在计算机方面也有了全方面的提高。
三、创新实践
近几年，我们在学生当中广泛进行了课外学术活动和机械创新设计实践，并把这些内容与学生的毕业设计相结合，获得了可喜的成绩。依布拉音、西克热木等学生完成的“油罐车注油自动控制系统”项目在西北地区比赛中获得一等奖，全国大赛中获得三等奖。努尔比亚等学生完成的“上下楼梯搬运机器人”项目在西北地区比赛中获得一等奖，全国大赛中获得三等奖。通过这些设计大赛及几年的教学改革实践，学生不仅从设计中得到了锻炼，学到了设计技能，而且在做设计时的动手机会多了，培养了他们科学的思维方法与创新能力，加深了学生对机械制造专业的认识，促进了课程设计、毕业设计质量的提高。要实现教育改革和建设的目标，关键是教师，教师不但要有高度的敬业精神和教学责任心，还要有较高的教学业务素质。为使青年教师提高工程素质，增加实践经验，鼓励青年教师积极参与实际科研工作和实验室建设，并对青年教师制定了严格的培养计划。教师梯队建设及青年教师培养有了明确的规划，结合课程建设，个人业务素质提高较快。
四、结论
虚拟装配技术论文范文4
关键词：船舶；虚拟仿真技术；建造评估；应用
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）08-0084-02
1 船舶虚拟仿真技术研究及应用现状
在船舶工业里面对虚拟仿真技术加以应用，能使敏捷造船、并行工程以及数字化造船得以实现，同时它也是我国传统造船模式转向现代化的重要环节之一。对虚拟仿真技术加以运用，在建造船舶之前，工程师可在虚拟环境下对船舶的建造过程进行仿真，从而改进和评价船舶的工艺与设计，这样便于指导船厂进行现场生产作业。在船舶行业里运用虚拟仿真技术，能使生产效率得到提升，降低生产成本，使建筑周期缩短，从而为我国船舶行业的发展奠定良好的基础。
船舶的建造评估和设计可以使先前工艺或前期设计导致的工程修改得以消除，进而对船舶企业的成本、质量以及生产效率产生直接的影响。现如今，许多国家正在开展以虚拟仿真评估和数字化描述相结合的船舶虚拟制造、设计仿真技术的应用研究，并且在船舶建造中也应用了多种仿真评估软件，而且其研制水平和效率还在近年来得到了大幅提升，包括我国在内的许多国家都正在寻求提升研制质量、节省研制费用、缩短研制时间的新方式。
挪威UD公司作为船舶设计的佼佼者，现如今，他们在对新船型进行设计时，全都会对三维模型加以利用，然后在虚拟环境下综合评价钻井船的设备布局、布置、外观等，分析虚拟船舶水动力，对虚拟评估进行分段划分，并仿真船舶的作业过程。
自20世纪90年代一来，我国开始对各种先进的仿真技术加以研究，并开展大规模系统仿真。但将虚拟仿真技术应用在海洋和船舶领域的起步还比较晚，现如今，其工作最主要集中在初步实施和理论研究的应用阶段，此外，国内的船舶研究所也开发有虚拟仿真的软件系统和硬件平台。
2 将虚拟仿真技术应用在船舶的建造评估中
此项技术通过对虚拟实体模型加以利用，来实现评估船舶建造过程的目的，包含船舶生产工艺规划、操作顺序验证、生产系统创建。它能支持船舶生产管理、机器人仿真、人机功效分析、作业时间测定、工艺规划与验证等的内容。
2.1 在建造前期的论证评估中运用
船舶建造的内容之一便是根据企业生产力布局要求以及实际能力，对船舶企业的经济、技术和发展条件加以研究，对船舶企业的发展方向和规模进行预测和论证，将企业建设技术经济指标拟定出来。在建造船舶的前期对生产规划进行论证评估是一项综合性非常强的工作，这个过程需要对企业多方面信息进行分析。此项技术可用于对当前企业环境、生产规模以及结构分布进行虚拟，并由设计人员在虚拟中模拟各种设想，经由分析信息数据库对各种设想利弊进行分析，同时对其可行性加以论证，这就包括环境影响、船型选择、生态保护、现状分析等工作。此项技术为船舶的建造前期论证提供了论证方式和技术手段。
2.2 在建造方案的设计评估中运用
船舶建造方案通过设计人员将各种想法不断形象法和概念法，同时用相应生产手段加以表达出来，这个过程需要对前后进行参照，在设计方案时，要求方案的初步设计和深入设计必须具有交互性。对虚拟仿真技术所具备的交互性和真实性特征加以利用，可用于对三维空间进行虚拟，从而使设计人员可以对他们的设计思想进行更精确的表达。例如，由中国船舶工业集团研究所开发出来的虚拟仿真评估系统。通过对不同总组方案的比较，将船舶的建造设计思维在虚拟环境里展现出来，让设计人员可直观的对其进行评析，通过对方案生产环境、结构布局的协调性进行观测并比较，可对设计思维进行修改完善。对虚拟三维空间加以利用，进而为生产方案在场地位置设计、动态调整、生产布局选择、结构调整等方面提供依据，从而使后续生产过程可以更为合理。
2.3 在生产方案的比较中运用
此技术所创建的环境为三维虚拟环境，它可对构建环境进行全方位展示，并且通过虚拟现状，让建造方案可以更加真实。此技术可以让建造方案在表现上突破原有平面、静态的模式，让建造人员的思想可以更形象和直观的呈现在操作者面前，使规划方案与操作者之间能有更强的交互性，从而对多人员多层次协调参与船舶的建造有利。
可通过许多途径来实现方案设计需要达到的目标，而这当中必不可少的一环便是方案比较。虚拟仿真技术为方案比较提供了一个更为有效和方便的应用工具。在进行方案比较时，可在船舶建造的虚拟系统中对生产方案加以直接使用，让设计方案可以在虚拟三维空间里得到体现。对试用不同的方案，并考察其对生产环境所形成的影响，对各生产要素不同的设想进行评价比较，并进行不同方案的实时切换，然后在同一建造序列和生产项目中感受不同的生产效果，从而对设计合理性加以判断。与此同时，还可运用技术手段量化分析比较方案中的具体指标，从而使船舶生产方案能更加合理。例如，运用SPD-V3.2设计软件虚拟布置机舱管路的结构方案。在评估方案的基础上，对机舱管路设计合理性以及工艺合理性进行验证，进而将设计中存在的缺陷找出，从而使生产现场返工率得以降低。
2.4 在建造过程中运用
在建造船舶时，对虚拟仿真评估技术加以利用，可以实现对船舶建造方案实施效果进行先期检验，也就是看其能否达到环境、生产的最佳综合效益，并在实施中不断选择和修改，最终帮助决策者来决定后续的生产方案。比如，可通过虚拟仿真技术将某虚拟方案和船舶生产实际相结合，进而将建造方案实施状况予以真实展现，从而使由于方案欠缺而造成的效益损失状况得以减少。此外，此技术还能对温度、噪音等不可见现象进行模拟，从而达到检测影响船舶生产各因素的目的。
3 船舶虚拟仿真的评估应用实现现存问题
①虚拟仿真技术标准化应用。作为船舶建造领域极为重要的技术，虚拟仿真技术一定要与建造技术规范、规定等相符。但由当前情况可知，因为船舶建造标准化问题尚未解决，为保障虚拟软件商的软件独立性，使得软件系统之间存在较差的兼容性，要想使仿真成果的协调和共享得以实现，就必须对仿真技术应用标准化问题加以研究。通过对同一设计平台的开发，使协同平台集成效率得到提升，从而在更大范围上实现信息的共享和设计的协同。
②改进建造设计技术。在传统船舶的设计中绝大部分平面结构图的表达方式为二维表达，最近几年开始引进三维技术，从而形成了三维与二维相结合的建造技术模式。但在我国，由于虚拟仿真技术欠缺完善化和标准化的仿真软件作为载体，假如能将生产技术改为规范化的三维表达和设计模式，将会对此技术在生产设计中的进一步应用有利。
③生产设计习惯与传统观念问题。因为此项技术尚且处在推广使用期，现如今设计人员对此技术的认识尚且不足，并且传统观念并未随着技术进步而有所改进。绝大部分船舶企业在此项技术上尚且停留在演示层次，并未认识到此项技术的深层效用。此外，由于传统设计习惯对新方法的使用形成了一定制约作用，要想在短时间内改变此种设计习惯还有一定难度。对此技术进行及时的开发利用，对此技术的三维平台设计平台加以搭建，将对培养设计人员普及性有利。
④虚拟仿真技术有待完善。因为此项技术自身存在一定局限性，使得此技术在船舶设计某些场合中的应用尚且存在一定难度。比如，对建造方案在构思期的表达模糊性问题以及修改实时性问题，建立标准化的指标评价体系统、建立预测分析模型等问题上依旧存在一定的技术障碍。
⑤船舶行业中虚拟仿真技术应用效果不显著。此项技术的开发需要投入大量资金和尖端设备。尽管此项技术在研究船舶生产作业形式和建造方案上属于高科技手段，但由于开发此项软件产品的价格确实相当昂贵，并且其系统兼容性也比较差，现如今，国内对此系统的应用还多半依赖于进口提供，因为目前我国的科研院无法对相关设备进行全面配置，在各高校也无法运用多系统来实现学员的全面培训，导致此项技术在船舶行业中并不能取得很好的应用效果，这也是实现此项技术在船舶设计中应用的一个难点。
要想使上述问题得到解决，极为重要的一点便是全面应用此项技术，在软件开发公司的作用下，开发具有普及型的仿真技术软件是非常必要的，同时需要科研院和相关院校合作，对此项技术进行大规模的培训。
4 结 语
因为在国内的船舶生产评估过程中应用虚拟仿真评估技术尚属起步阶段，并且在国外也并无标准应用模式可供借鉴，再加上国内造船现状有别于国外，此外，由于船舶虚拟仿真的评估技术是伴随船舶制造工艺以及技术的发展而发展起来的，所以，它的研究工作、虚拟维修、新工艺等许多方面还有待完善和改进。现如今，集成化仿真已经成为船舶制造的发展方向，此项技术的应用也已经成为船舶制造模式最为关键性的技术，并且已经变成船舶制造能力得到提升的手段之一，此外，在船舶企业中应用此项技术，将会为企业进一步的发展提供技术支撑。
参考文献：
[1] 谢荣.船舶虚拟仿真技术在船舶建造评估中的应用研究[J].船舶工程，2011，（5）.
[2] 蒋艳会，甄希金，韦乃琨，等.船舶虚拟装配系统研究及应用[A].第十二届全国内河船舶与航运学术会议论文集[C].北京：《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社，2012.
[3] 谢子明，徐东，朱苏.虚拟造船技术应用探讨[A].2011年中国造船工程学会优秀论文集[C].北京：《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社，2011.
[4] 杨润党，范秀敏，王文荣.虚拟仿真技术在船舶建造过程中的研究与应用[J].舰船科学技术，2008，（1）.
虚拟装配技术论文范文5
【关键词】液压与气压传动；教学改革；三维CAD
Application of SOLIDWORKS in Teaching the Hydraulic and Pneumatic Transmission
Zhao Wei Cao Jian Gu Jin-mei
（Jiaxing University， Jiaxing ZheJiang 314001）
【Abstract】A teaching reform is proposed which integrates the basic principle， structure and design of the hydraulic and pneumatic transmission and SolidWorks 3d design software to build a three-dimensional teaching environment. Teaching content and teaching method are discussed based on the three-dimensional teaching situation. The students’ design quality and practice ability are improved by enhancing the visual and interesting teaching of the method.
【Key words】Hydraulic and pneumatic transmission；Teaching reform； Three-dimensional CAD
1 教学改革的现状与趋势
如何借助高速发展和普及的计算机技术，改造传统教学模式，培养学生的工程意识、工程素质、工程实践能力和工程创新能力是教学改革的普遍趋势。美国从20世纪80年代末期就在国家科学基金（NFS）资助下研究有关三维教学改革问题。在广泛征集教育界、工业界、管理部门的意见后，形成了现代工程设计的教学模式：在工程设计这一主线下，教授有关的工业设计基础知识、三维造型理论、教学中突出三维立体的地位与作用，从三维立体入手全面理解物体的构成原理与表达方法，1997 年，在全国范围已成立了网络图形实验室，以满足工科院校学生教学与实验的需要，学生可以在计算机上建立三维模型，并对其进行工程分析、虚拟装配以及原型制造等[1]。美国工程教授Ronsld E.Barr1998 年在“Journal for Geometry and Graphics”发表的论文“Design Graphics Course at the University of Texasat Austin”指出：工程设计（EDG）的核心思想是建立3D 数字几何数据库，构思设计、立体造型、设计分析、样机制造、装配检验、绘图编制文件等全过程均由数据信息并行传递[2]。北京航空航天大学根据多年积累的教学经验和教学思想，将手工绘图与计算机绘图有机地融为一体进行教改取得阶段性成果，目前，机械设计教学方法是创建以“设计”为主线，以“三维”可视化教学为核心的现代工程设计教学体系。
液压与气压传动技术是融合了流体力学、机械设计、机械原理、电工电子和自动控制等多方面知识的综合性课程，是工业应用最为广泛的基础技术之一，是机械类专业学生必须掌握的一门专业基础课，该课程与生产实际联系紧密，实践性强，要求学生能够掌握流体动力学的基本理论、液压元件的结构原理、液压基本回路、液压系统的分析和设计方法等知识，最终达到能够阅读、分析和设计一个完整的液压传动系统的教学目标[3]。要实现上述教学目标，除了理论知识讲解以为，生产实践实训等也是必不可少的，但实验实训所需设备和条件毕竟是有限的。机械设计已经步入三维设计阶段，首先通过三维软件进行可视化结构设计与优化，再产生二维加工图纸，如美国波音公司新一代飞机全部采用三维建模设计完成。液压元件结构复杂，装配精度高，内部流道较多，采用三维设计进行模拟教学具有很大优势[4]。学生在三维情境下进行探究和学习，这种教学方法生动形象，有利于提高学生兴趣，使学生在短时间内进入相应情境，以达到更快理解的目的。实验实训能大大提高了学生的动手能力，但是实际操作时要受到设备数量、品种等方面的限制，而且耗时大，占用课时太多，耗材的消耗量也很大，成本高。三维模拟教学则以其高效率、低成本、内容丰富、有助于提高课程教学效果，而且成本低、效率高，使学生可以不受场地与设备的限制，对于液压与气压传动的教学具有重要的意义[5]。
2 基于SolidWorks的三维CAD教学体系
SolidWorks 软件是美国 SolidWorks 公司开发的一款三维 CAD 产品，是实行数字化设计的三维实体可视化造型软件，是一个以功能设计为主的CAD/CAM软件，具有易学易用、功能强大和技术创新的特点。SolidWorks是主流的三维CAD设计软件，是液压系统和元件结构设计最常用的软件。
（a）二维结构图
（b）三维结构图
图1 柱塞式液压泵结构
二维视图可以理解为对人观察事物的视觉的离散化，必须结合图纸和逻辑思考两个方面才能理解事物，使得读图或画图效率低下且容易出错，如图1（a）所示的液压泵结构图，需配合文字说明才能理解。三维视图与人的视觉特征是一致的，看一眼就能够明白，如图1（b）所示。采用三维CAD首先使复杂的结构具象化，降低了教学和学习的难度。
（a） 三维透视图 （b）三维剖面图
图2 液压元件的三维教学模型
液压与气压传动相关理论知识和重要零部件的典型结构，如液压缸、液压泵和液压阀等，机构复杂、配合精密，可以SolidWorks三维模型和三维动画，制定出具体的教学方案，如图2（a）所示，是采用SolidWorks的透明功能讲解液压集成块的油路的设计问题，图2（b）是采用SolidWorks的装配体剖视功能讲解液压阀的内部结构。可以综合采用旋转、爆炸、动画等SolidWorks常用的功能，使讲解达到清楚明白的地步。
3 基于SolidWorks的三维CAD设计实践体系
在《工程图学》等课程中，已经引入计算机二维和三维绘图教学，但只是照葫芦画瓢地让学生在绘图软件中将图形绘制出来，这种教学和设计的思维是先把结构想好了，再把分析做完了，最后在电脑上把图纸画出来，三维设计软件还只是一种展示设计的工具。基于SolidWorks三维模型的教学改革思想是在三维模型环境中构思设计、立体造型、设计分析、样机制造、装配检验，真正实现把制图与设计融为一体。为此，需要在课堂教学与设计指导中把三维设计融入进去，使学生养成基于三维模型的思考习惯，并在设计中实践，将理论、实验和三维设计结合到一起，并在三维设计环境中讲解结构设计问题。基于SolidWorks构建产品设计体系，主要包括功能设计和外观设计两个方面。
3.1 功能设计
功能设计主要包括需求分析、概念设计、零件的三维设计、装配体设计、检查与分析、图纸生成与加工制造，SolidWorks软件建立的集成块三维实体是一个逼真的零件，可以方便、直观地检查各个结构或零部件之间的位置关系是否符合液压系统原理图的逻辑要求，尤其是液压集成块的设计，包括外部布局和内部布孔两个方面，孔之间的前后上下交叉，孔的壁厚的检查等，这些实际的内容只有学生亲自动手实践，才能体现出来，如图3学生作品所示。SolidWorks的功能设计不仅仅是结构设计，还包括机构运动仿真模块SolidWorks Motion可以进行运动与受力分析，流体仿真模块SolidWorks Flow Simulation可以对流体流动进行仿真分析，SolidWorks工程图可以实现三维与二维的转换，极大提高绘图的效率。
图3 学生的三维设计作品
3.2 造型设计
随着人们消费层次的提升，对个性化的产品的需求不断增强，产品不仅要实现功能要求，而且需要根据美学原理进行造型设计，如图4所示，是实现相同榨汁功能的榨汁机的四种不同造型，可以在三维设计软件中尝试将不同主体机构进行搭配，直到产生满意的造型为止。
图4 三维造型设计
4 总结
SolidWorks是液压行业广泛采用的三维设计软件，将其与液压与气压传动的课堂教学结合，不但能够提高教学的效率和质量，而且起到理论与实践的桥梁作用，学生掌握了基于三维设计平台的思考和设计模式后，能够快速的进入到设计者角色之中，可以进行课程设计、毕业设计以及各类创新活动和比赛，增强实践能力。
【参考文献】
[1]杨光，黄毓瑜，刘静华，等.突出“设计”和“三维”的观点改革工程图学教学[J].工程图学学报，2002（2）：150-156.
[2]李艳.基于三维设计的工程图学课程体系的重构[J].计算机工程与设计，2007， 28（7）：1705-1707.
[3]李阁强，李健，韩建海.“液压传动”课程教学改革与实践[J].中国电力教育，2014（11）：96-97.
