UG虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用

何玉靜

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和計(jì)算機(jī)的普及和應(yīng)用，各種新型材料、新型工藝、新興技術(shù)和更好的設(shè)計(jì)與理論方法不斷涌現(xiàn)，農(nóng)業(yè)機(jī)械的更新速度也在不斷加快。其中UG虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)具有：有效的降低成本，大大的縮短開(kāi)發(fā)周期，有效的提高產(chǎn)品的質(zhì)量，和為生產(chǎn)企業(yè)有效的節(jié)約成本和提高經(jīng)濟(jì)效益等優(yōu)勢(shì)。本文了論述UG虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)的基本組成及在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用，分析了UG虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)在在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用前景。

Abstract： With the continuous development of science and technology and the popularization and application of computer， various new materials， new technology， and better design and theoretical methods are emerging， and the updating speed of agricultural machinery is also accelerating. UG virtual design technology has advantages of effectively reducing costs， greatly shortening the development cycle， effectively improving the quality of products， and saving costs for production enterprises and increasing economic benefit. This paper discusses the basic composition of UG virtual design technology and its application in agricultural machinery， and analyzes the application prospect of UG virtual design technology in agricultural machinery.

關(guān)鍵詞：GU虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)；農(nóng)業(yè)機(jī)械；應(yīng)用

Key words： GU virtual design technology；agricultural machinery；application

中圖分類(lèi)號(hào)：S220.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）21-0193-02

0 引言

UG虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)是一門(mén)高科技新興技術(shù)，以被各大領(lǐng)域所應(yīng)用。其在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域方面的應(yīng)用也將不斷地的深入，必將引領(lǐng)農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)制造領(lǐng)域的變革。

1 UG虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)的定義及特點(diǎn)

UG是Siemens PLM Software公司出品的一個(gè)產(chǎn)品工程解決方案，它為用戶(hù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)及加工過(guò)程提供了數(shù)字化得造型和驗(yàn)證手段，UG針對(duì)用戶(hù)的虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝要求的需要，提供了實(shí)踐驗(yàn)證的解決方案，UG是用戶(hù)指南和普遍語(yǔ)法的的英文縮寫(xiě)。這是一個(gè)交互式CAD/CAM（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造）的系統(tǒng)，它功能強(qiáng)大，可以輕松實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜實(shí)體及造型的構(gòu)建，它誕生之初主要基于工作站，它隨著PC硬件的發(fā)展和個(gè)人用戶(hù)的迅速增長(zhǎng)，在PC上的應(yīng)用取得了迅猛的發(fā)展，它已成為模具行業(yè)三維設(shè)計(jì)的一個(gè)主流。UG始發(fā)與1969年，它是基于C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)的。UG是一個(gè)在二維和三維空間無(wú)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上使用自適應(yīng)多重網(wǎng)格方法開(kāi)發(fā)的一個(gè)靈活的數(shù)值求解偏激分方程的軟件工具。

1.1 UG虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)定義

UG虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)是匯集了計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)、多媒體技術(shù)、智能接口技術(shù)、傳感技術(shù)、語(yǔ)音處理技術(shù)、音響技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖像識(shí)別處理技術(shù)，實(shí)時(shí)高度并行的計(jì)算技術(shù)、人工智能、人機(jī)工程學(xué)，人的心里及行為研究的眾多的關(guān)鍵技術(shù)，是這些技高度的融合與集成，UG虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)是指以高度仿真的方式給客戶(hù)展示了實(shí)體變化和相互作用的三維界面，使客戶(hù)有身臨其境的感覺(jué)，并直接參與和仿真對(duì)象在模擬環(huán)境的作用和變化，有一種真實(shí)的感覺(jué)。高度仿真、身臨其境、交互作用是其主要特點(diǎn)。UG虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)其特征是：①UG虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)是一種基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、多觀點(diǎn)的三維設(shè)計(jì)技術(shù)，這種技術(shù)所構(gòu)建的三維環(huán)境可以現(xiàn)實(shí)的世界真實(shí)的再現(xiàn)，也可以模擬超越現(xiàn)實(shí)的虛構(gòu)世界。②設(shè)計(jì)者可以通過(guò)視、聽(tīng)、觸的人體感官，直接以人的思維方式和自然技能與所設(shè)計(jì)的環(huán)境交互。③在設(shè)計(jì)操作的過(guò)程中，人是作為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)源的主體融入到虛擬的環(huán)境中，而不只是設(shè)計(jì)端的參與者。

1.2 UG虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)的特點(diǎn)

首先UG虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)是動(dòng)態(tài)環(huán)境的建模技術(shù)，UG虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)的核心內(nèi)容是虛擬環(huán)境的構(gòu)建，應(yīng)用動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)能有效的獲取實(shí)際環(huán)境下的三維數(shù)據(jù)，利用三維數(shù)據(jù)就構(gòu)建虛擬環(huán)境模型。其次就是UG虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)是實(shí)時(shí)的三維設(shè)計(jì)技術(shù)，當(dāng)前，三維成像技術(shù)已經(jīng)比較成熟，關(guān)鍵是如何能夠滿(mǎn)足時(shí)需實(shí)用的要求，為了達(dá)到這個(gè)要求圖形的刷新率要不低于于16幀/S，最好要高于31幀/S。再提高刷新率的同時(shí)要保證不降低圖形的復(fù)雜程度和質(zhì)量。要在虛擬設(shè)計(jì)的真實(shí)感圖形中，完成圖像生成的硬件體系結(jié)構(gòu)，當(dāng)然用于加速的各種有效技術(shù)是重中之重。再次就是立體顯示和傳感技術(shù)，UG虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)依賴(lài)與傳感技術(shù)和立體顯示的發(fā)展，而立體顯示技術(shù)又包含人的感官生理原理以及涉及計(jì)算機(jī)的如何生成技術(shù)，當(dāng)今的硬件系統(tǒng)（單目鏡、頭盔顯示器和可移動(dòng)的視覺(jué)顯示器）有待進(jìn)一步的發(fā)展。光學(xué)顯示部分還有待改進(jìn)，其還存在許多局限性。傳感器技術(shù)的可重復(fù)性、精確性、安全性和可靠性等技術(shù)問(wèn)題需要有待提升，不同性能的傳感器性能有待提高。再次就是UG虛擬設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工具，UG虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)最終要面向應(yīng)用，利用平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)可縮短與應(yīng)用結(jié)合的時(shí)間。因此，就應(yīng)大力研發(fā)UG虛擬技術(shù)的開(kāi)發(fā)工具。當(dāng)前，常用的UG虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具Super8cape公司VRT，作為一個(gè)可視化的平臺(tái)，它有著較高網(wǎng)絡(luò)處理和交互能力，Scnse的WTK本身是C函數(shù)系統(tǒng)，它可提供合成虛擬的一個(gè)應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境，3MudtiGen的MuMGen的軟件是具有交互式的建模系統(tǒng)，3MudtiGen-PoIadign的Vega使用簡(jiǎn)單，可用于聽(tīng)覺(jué)仿真和實(shí)時(shí)視覺(jué)。利用API可成交互式三維應(yīng)用和實(shí)時(shí)可視仿真，利用VTree可生成視覺(jué)仿真和實(shí)時(shí)場(chǎng)景生成。總之UG虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)的系統(tǒng)是眾多系統(tǒng)的集成，其包含了很多的信息模型，必須根據(jù)設(shè)計(jì)方式合理安排組合。集成技術(shù)涵蓋了數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的管理模型、模式識(shí)別、模型的標(biāo)定、信息的同步與合成等技術(shù)。

2 UG虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用

UG虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域很廣、很寬泛，最常用的幾個(gè)重要領(lǐng)域：一是醫(yī)療，涵蓋外科的手術(shù)訓(xùn)練、病理解剖教學(xué)、和很復(fù)雜的外科手術(shù)和顯微鏡手術(shù)；二是游戲娛樂(lè)業(yè)，利用UG虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)可以營(yíng)出一定的虛擬環(huán)境，可以生動(dòng)、逼真、形象的模擬太空飛船遨游太空、星球大戰(zhàn)場(chǎng)景、極地探險(xiǎn)、海底探險(xiǎn)以及一些逼真的街頭巷戰(zhàn)的打斗游戲，給人一種身臨其境的體驗(yàn)感，并給體驗(yàn)者帶來(lái)很強(qiáng)的知識(shí)性、趣味性、驚險(xiǎn)性。三是在航空、航天和軍事方面。其應(yīng)用與人員培訓(xùn)、戰(zhàn)略規(guī)劃和面產(chǎn)品設(shè)計(jì)。如軍事是演示虛擬的戰(zhàn)爭(zhēng)場(chǎng)面、虛擬導(dǎo)彈發(fā)射器、飛機(jī)的虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)、和太空訓(xùn)練系統(tǒng)。四是廣泛的應(yīng)用與教育系統(tǒng)的培訓(xùn)，對(duì)于艦艇、飛機(jī)的駕駛員和宇航員、戰(zhàn)場(chǎng)指揮員和各種復(fù)雜系統(tǒng)的操作人員，模擬仿真的訓(xùn)練是必備的課程，利用UG虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)可使仿真效果更形象、逼真，如果仿真內(nèi)容越加豐富、其培訓(xùn)效果就更好。

2.1 UG虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用途徑

虛擬產(chǎn)品的生成是建立在計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)完成的。它可以在虛擬的條件下完成產(chǎn)品構(gòu)思、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造、產(chǎn)品測(cè)試、產(chǎn)品分析。以往的農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)是通過(guò)圖紙繪圖設(shè)計(jì)，樣機(jī)試制、樣機(jī)試驗(yàn)、修改圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，重新試制，要經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的時(shí)間才能生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品，眾多的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤不能在設(shè)計(jì)初級(jí)階段得以發(fā)現(xiàn)，再加上農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的試驗(yàn)是伴隨季節(jié)性，所以導(dǎo)致想要生產(chǎn)一款農(nóng)機(jī)產(chǎn)品，需要漫長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)周期。UG虛擬設(shè)計(jì)的應(yīng)用大大的縮短了農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。其明顯的優(yōu)勢(shì)是把存儲(chǔ)在及計(jì)算機(jī)中的數(shù)字模型即虛擬產(chǎn)品代替現(xiàn)實(shí)中的實(shí)物模型進(jìn)行仿真演練，進(jìn)行分析。在模擬制造過(guò)程中計(jì)算全機(jī)模擬生成所有工件原型，然后再對(duì)虛擬產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)裝，在預(yù)裝的同時(shí)還能進(jìn)行階段性的碰撞檢測(cè)。如對(duì)測(cè)試結(jié)果不滿(mǎn)意，就可及時(shí)的對(duì)虛擬工件圖進(jìn)行修改再次預(yù)裝試驗(yàn)，這樣就可以大大的提高了產(chǎn)品的可靠性，防止了大量的原材料的浪費(fèi)。在生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量上、時(shí)間上、成本上、環(huán)境上各方面的因素上的得以改良和提高，起到了全局優(yōu)化和一次性研發(fā)成功的的效果。難度大且復(fù)雜的大型農(nóng)機(jī)設(shè)備更需要這種模擬仿真技術(shù)，其不僅可以在運(yùn)動(dòng)學(xué)上加以仿真，還可以有效地利用優(yōu)化設(shè)計(jì)、有限元分析的等方法對(duì)動(dòng)力學(xué)加以仿真、分析，從而有效的完成各種構(gòu)件的參數(shù)優(yōu)化。生產(chǎn)出符合設(shè)計(jì)的更好的產(chǎn)品。其具體步驟分為以下幾點(diǎn)，一是幾何建模，利用照片掃描或者圖像繪圖軟件，繪制出虛擬對(duì)象的形狀和外表；二是運(yùn)動(dòng)型建模，能模擬對(duì)象在虛擬的世界中的動(dòng)態(tài)特征，關(guān)于模擬對(duì)象的碰撞、伸縮、手抓提、位置變化、和表面變化的等特征就是運(yùn)動(dòng)建模；三是物理型建模，就是把模擬對(duì)象的慣性、質(zhì)量、表面粗糙度、硬度與形體變化的虛擬建模方式。建立實(shí)體的物理模型的優(yōu)勢(shì)在于：這個(gè)實(shí)體可以用虛擬的手加以感覺(jué)，可以真實(shí)的感覺(jué)到這個(gè)實(shí)體的質(zhì)量，表面粗糙程度；四是聲音型建模，就是利用聽(tīng)覺(jué)機(jī)理建立聲音模擬；五是演示模型的分割，在真實(shí)模擬的條件下，簡(jiǎn)化模型的復(fù)雜程度，有效的提高模型的實(shí)時(shí)型。

2.2 UG虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)的建模

與絕大數(shù)的仿真技術(shù)一樣，虛擬技術(shù)的核心應(yīng)用就是虛擬世界的建模過(guò)程，首先是利用計(jì)算機(jī)從數(shù)學(xué)上定義模擬建模的基本過(guò)程，所具有并利用所特有的硬件資源，從而建立起模擬設(shè)備零件的幾何模型，再利用計(jì)算機(jī)的轉(zhuǎn)化過(guò)程實(shí)現(xiàn)所需的仿真模型。其次是要注重優(yōu)化模型和開(kāi)發(fā)模擬對(duì)象的數(shù)據(jù)庫(kù)，就是建立模擬對(duì)象的外表、形狀、行為、限制模型并將對(duì)應(yīng)的模擬對(duì)象發(fā)送到仿真的世界。通過(guò)以上的兩個(gè)步驟UG虛擬設(shè)計(jì)的模型就可完成。

3 結(jié)語(yǔ)

虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的廣泛應(yīng)用其優(yōu)勢(shì)是很明顯的。隨時(shí)實(shí)時(shí)建?？墒拐麄€(gè)生線的生產(chǎn)流程得以簡(jiǎn)化，并發(fā)揮了其最佳效果，有效的縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，使產(chǎn)品生產(chǎn)周期達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，在生產(chǎn)產(chǎn)品之前就可以先行調(diào)試生產(chǎn)工具和軟件程序，這樣就可以有效的利用時(shí)間。此外UG虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)還可以在教育培訓(xùn)領(lǐng)域得到應(yīng)用，工作人員對(duì)于一些惡劣的環(huán)境和危險(xiǎn)的環(huán)境可以在模擬中進(jìn)行培訓(xùn)，從而杜絕了對(duì)人體的傷害和對(duì)設(shè)備的損害，既安全、方便、快捷又能節(jié)省人力財(cái)力。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，知識(shí)和信息的快速更新，制造業(yè)面臨著要以最快的速度生產(chǎn)出最好的產(chǎn)品，要花費(fèi)最低的成本與代價(jià)，同時(shí)生產(chǎn)環(huán)境要最優(yōu)、服務(wù)要最好，要有快速的市場(chǎng)適應(yīng)能力來(lái)贏得市場(chǎng)先機(jī)和時(shí)代先機(jī)。要完成這一偉大目標(biāo)，就必須要求生產(chǎn)企業(yè)和相關(guān)工作者將制造技術(shù)和不斷發(fā)展的計(jì)算機(jī)科學(xué)、虛擬技術(shù)、系統(tǒng)科學(xué)、人工智能等相關(guān)的科學(xué)技術(shù)加以融合運(yùn)用。創(chuàng)造出具有自動(dòng)化、信息化、智能化的全新概念的基于數(shù)字媒體技術(shù)的UG虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)。3DS MAX和CAD被廣泛的農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品虛擬設(shè)計(jì)，其優(yōu)勢(shì)是不僅能模擬產(chǎn)品工作狀態(tài)，還可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)干涉檢查和相關(guān)的虛擬裝配，使設(shè)計(jì)過(guò)程有效地得以簡(jiǎn)化，使其更直觀更合理，不但使產(chǎn)品的質(zhì)量得以提高、設(shè)計(jì)周期大幅減縮，實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)大大節(jié)省，更能便于利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行虛擬介紹和產(chǎn)品推銷(xiāo)，從而為提高企業(yè)形象，展示產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)占有率夯實(shí)基礎(chǔ)。

綜上所述，在技術(shù)高速發(fā)展的21世紀(jì)，UG虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)必將在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域得以深入應(yīng)用。當(dāng)然，UG虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)是一門(mén)新興的科學(xué)應(yīng)用技術(shù)，其應(yīng)用前景廣闊，我國(guó)尚處于應(yīng)用的初級(jí)階段，但只要不斷地加大對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械中UG虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)的投入和研發(fā)力度，UG虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的發(fā)展前景機(jī)會(huì)更加廣闊。

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