拖拉機(jī)零部件數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)
——基于遠(yuǎn)程多媒體體育教學(xué)系統(tǒng)

羅 樂

(河南科技學(xué)院 新科學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003)

0 引言

近年來，隨著數(shù)字化校園建設(shè)的深入開展與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，利用遠(yuǎn)程教室開展跨地區(qū)課程學(xué)習(xí)和學(xué)術(shù)交流成為一種新型的教學(xué)模式。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同設(shè)計(jì)成為一種新型的產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，利用該方法，企業(yè)內(nèi)部以及企業(yè)間可以對設(shè)計(jì)信息進(jìn)行交流交互，共享設(shè)計(jì)資源。在拖拉機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)過程中，可以將多媒體技術(shù)引入到遠(yuǎn)程協(xié)作系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)人員可以對設(shè)計(jì)信息進(jìn)行交流和交互，可以有效地提高拖拉機(jī)零部件產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)效率，縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，增強(qiáng)拖拉機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)企業(yè)的核心競爭力。

1 遠(yuǎn)程多媒體體育教學(xué)系統(tǒng)和現(xiàn)代拖拉機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)

為了提高體育課堂效率，優(yōu)化課堂教學(xué)，可以借助于多媒體技術(shù)設(shè)計(jì)教學(xué)系統(tǒng)，通過遠(yuǎn)程教學(xué)，將視頻、音頻及智能工具集中于一體，實(shí)現(xiàn)教學(xué)過程的交互性，如圖1所示。基于多媒體系統(tǒng)，體育教師可以利用多媒體采集系統(tǒng)，將教學(xué)過程制作成錄像，或者通過實(shí)時(shí)錄像工具，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教學(xué)，教學(xué)過程中學(xué)生和老師可以進(jìn)行互動(dòng)。

圖2為飛行器數(shù)字化設(shè)計(jì)的案例。隨著CAD技術(shù)的發(fā)展，tpCAD技術(shù)可以以極小的數(shù)據(jù)量(如900kB)表現(xiàn)出復(fù)雜的飛機(jī)數(shù)字化三維模型。將這一設(shè)計(jì)過程應(yīng)用在拖拉機(jī)零部件的設(shè)計(jì)中，可實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)。拖拉機(jī)的一些復(fù)雜件設(shè)計(jì)方法往往只被個(gè)別企業(yè)所掌握，并且數(shù)字化設(shè)計(jì)也通常由大公司設(shè)計(jì)部門的技術(shù)人才來完成，如果能夠?qū)崿F(xiàn)拖拉機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)企業(yè)的協(xié)同合作，可以大大提高拖拉機(jī)零部件的設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

圖1 基于多媒體的遠(yuǎn)程體育教學(xué)

圖2 飛行器數(shù)字化設(shè)計(jì)

2 拖拉機(jī)數(shù)字化及協(xié)同設(shè)計(jì)制造技術(shù)

數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)是當(dāng)前設(shè)計(jì)制造企業(yè)普遍使用的一種方法，也是提高復(fù)雜產(chǎn)品研發(fā)速度和市場競爭力的一種重要手段。數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)制造技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)硬件、軟件及網(wǎng)絡(luò)，采用虛擬仿真技術(shù)，對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析、裝配和制造過程進(jìn)行全面的模擬(包括生產(chǎn)技術(shù)、物流材料和設(shè)備等)，從而有效地縮短生產(chǎn)設(shè)計(jì)周期，降低研發(fā)成本。數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)制造技術(shù)可以集成三維建模技術(shù)、虛擬裝配技術(shù)、零部件仿真優(yōu)化、多媒體和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，是一項(xiàng)綜合性較強(qiáng)的技術(shù)。近幾年來，隨著農(nóng)業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提高，農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的使用頻率越來越高。以拖拉機(jī)為例，如果想快速地設(shè)計(jì)出滿足客戶需求的產(chǎn)品，必須結(jié)合現(xiàn)代數(shù)字化產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)，如CAD/CAM/PM集成技術(shù)、異地協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)、虛擬制造技術(shù)和并行計(jì)算技術(shù)等。

1) CAD/CAE/CAPP/CAM集成系統(tǒng)。CAD/CAE/CAPP/CAM集成系統(tǒng)是指集成了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、工程、工藝和制造等技術(shù)為一體的系統(tǒng)，這些軟件又可以采用PDM統(tǒng)一組織和管理，實(shí)現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)的共享，從而為數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)制造平臺提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。

2)異地、協(xié)同設(shè)計(jì)。數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)制造系統(tǒng)支持異地域的協(xié)同設(shè)計(jì)，可在互聯(lián)網(wǎng)或者公司內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，包括產(chǎn)品的建模、分析和數(shù)據(jù)交換等。采用協(xié)同設(shè)計(jì)開發(fā)支持工具，可以使多人實(shí)時(shí)地交流交換設(shè)計(jì)信息，從而有效地提高設(shè)計(jì)效率。

3)虛擬設(shè)計(jì)和虛擬制造。利用數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)制造平臺可以對拖拉機(jī)進(jìn)行建模、仿真、分析和虛擬現(xiàn)實(shí)等操作。設(shè)計(jì)建模完成后，可以采用仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對產(chǎn)品的性能進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對產(chǎn)品的性能進(jìn)行綜合評價(jià)，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的驗(yàn)收。

4)并行設(shè)計(jì)。數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)制造技術(shù)注重產(chǎn)品的并行設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)的串行設(shè)計(jì)不同，并行設(shè)計(jì)可以在初始階段考慮到產(chǎn)品的發(fā)展和市場需求，以提高產(chǎn)品的一次研發(fā)成功率。數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)每個(gè)獨(dú)立的設(shè)計(jì)單元可以獨(dú)立的數(shù)字化設(shè)計(jì)功能，最后將設(shè)計(jì)成果和遇到的設(shè)計(jì)問題通過系統(tǒng)的協(xié)同功能進(jìn)行交流和交互，實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部和企業(yè)間的協(xié)作。

美國國防建模和仿真辦公室提出了一種不同類型仿真之間互相協(xié)同合作的規(guī)范HLA，并在軍事領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用。軟總線協(xié)同仿真框架如圖3所示。

圖3 軟總線協(xié)同設(shè)計(jì)仿真框架

根據(jù)該框架規(guī)范，不同的設(shè)計(jì)和仿真都可以通過協(xié)同總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和資源的共享。為了使協(xié)同設(shè)計(jì)制造平臺發(fā)揮協(xié)同設(shè)計(jì)功能，需要設(shè)計(jì)底層的支持平臺，通過規(guī)劃和協(xié)調(diào)并行的各個(gè)部分，實(shí)現(xiàn)資源和信息的共享，如圖4所示。

圖4 拖拉機(jī)數(shù)字化協(xié)同仿真平臺技術(shù)

基于軟總線技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)的協(xié)同仿真平臺架構(gòu)。在設(shè)計(jì)過程中，可以采用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行拖拉機(jī)的一體化建模，包括拖拉機(jī)的虛擬樣機(jī)模型、農(nóng)田環(huán)境模型及操作模型等。通過協(xié)同設(shè)計(jì)，最后對產(chǎn)品進(jìn)行評價(jià)和決策。如果產(chǎn)品合格，則直接生成數(shù)字化產(chǎn)品；如果產(chǎn)品不合格，需要對產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，直到設(shè)計(jì)的拖拉機(jī)產(chǎn)品合格。圖5表示數(shù)字化管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架。

圖5 數(shù)字化協(xié)同管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

拖拉機(jī)的許多復(fù)雜零件需要由異地設(shè)計(jì)完成，然后進(jìn)行數(shù)字化協(xié)同管理(包括模型的導(dǎo)入導(dǎo)出、模型管理和資源調(diào)度等)，最后由應(yīng)用層統(tǒng)一管理，從而實(shí)現(xiàn)了資源的協(xié)同和優(yōu)化配置。

3 拖拉機(jī)協(xié)同數(shù)字化加工

在拖拉機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)過程中，為了使設(shè)計(jì)產(chǎn)品具有更高的精度，可以將設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品進(jìn)行虛擬仿真驗(yàn)證，然后對其指標(biāo)進(jìn)行測試。當(dāng)拖拉機(jī)的零部件產(chǎn)品不達(dá)標(biāo)時(shí)，需要對產(chǎn)品進(jìn)行修改，通過反復(fù)校驗(yàn)，最終使產(chǎn)品滿足設(shè)計(jì)要求。

基于遠(yuǎn)程多媒體系統(tǒng)的拖拉機(jī)協(xié)同數(shù)字化加工流程如圖6所示。在拖拉機(jī)零部件產(chǎn)品初步設(shè)計(jì)完成后，可以采用虛擬仿真模擬的方法對指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證。如果設(shè)計(jì)的產(chǎn)品不達(dá)標(biāo)，則需要通過協(xié)同設(shè)計(jì)對產(chǎn)品進(jìn)一步優(yōu)化，利用遠(yuǎn)程多媒體系統(tǒng)對設(shè)計(jì)過程進(jìn)行交流交互，從而提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。除了虛擬建模對產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證之外，還可以通過數(shù)據(jù)測量的方式，對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證。

圖6 基于遠(yuǎn)程多媒體系統(tǒng)的拖拉機(jī)協(xié)同數(shù)字化加工流程

remote multimedia system

數(shù)據(jù)測量指標(biāo)驗(yàn)證如圖7所示。數(shù)據(jù)測量是通過特定的測量設(shè)備和測量方法獲取產(chǎn)品表面離散點(diǎn)的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)，利用該方法通過對拖拉機(jī)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的預(yù)加工，對產(chǎn)品的性能指標(biāo)和加工尺寸等進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，完成拖拉機(jī)產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)評價(jià)。

為了驗(yàn)證方案的可行性，以拖拉機(jī)切削零部件的數(shù)字化設(shè)計(jì)為例，對產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)制造過程進(jìn)行驗(yàn)證。首先采用遠(yuǎn)程協(xié)助系統(tǒng)，對拖拉機(jī)零部件產(chǎn)品的切削加工過程進(jìn)行仿真，如圖8所示。

采用數(shù)字化協(xié)同仿真手段，對設(shè)計(jì)的拖拉機(jī)零部件產(chǎn)品的切削過程進(jìn)行數(shù)值化仿真。數(shù)字化虛擬仿真過程的技術(shù)含量較高，并不是每個(gè)設(shè)計(jì)部門都可能擁有掌握這些技術(shù)的人才；而利用多媒體遠(yuǎn)程協(xié)助技術(shù)，可以使多部門之間進(jìn)行協(xié)作，或者采用遠(yuǎn)程操作直接操作進(jìn)行數(shù)字化仿真。通過數(shù)字化仿真可以得到切削產(chǎn)生的最大應(yīng)力和應(yīng)變以及應(yīng)力應(yīng)變的分布，還可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)現(xiàn)實(shí)際加工過程的監(jiān)測，如圖9所示。

圖7 數(shù)據(jù)測量指標(biāo)驗(yàn)證

圖8 數(shù)字化協(xié)同仿真

圖9 數(shù)字化遠(yuǎn)程協(xié)同加工性能監(jiān)測

基于多媒體遠(yuǎn)程系統(tǒng)，拖拉機(jī)的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)制造除了可以實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)、協(xié)同仿真和交流交互之外，還可以實(shí)現(xiàn)加工過程的遠(yuǎn)程監(jiān)測功能，通過遠(yuǎn)程協(xié)同評價(jià)，進(jìn)一步提高拖拉機(jī)零部件的加工質(zhì)量。

4 結(jié)論

在拖拉機(jī)零部件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中，為了提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)成本，將數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法引入拖拉機(jī)零部件設(shè)計(jì)制造系統(tǒng)中，利用多媒體遠(yuǎn)程技術(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，使系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程協(xié)作能力，有效地提高了拖拉機(jī)零部件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率。為了驗(yàn)證方案的可行性，以拖拉機(jī)零部件的協(xié)同仿真和數(shù)字化加工過程的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集為例，對系統(tǒng)的功能進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用該方案可以有效地實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)零部件產(chǎn)品的遠(yuǎn)程仿真和數(shù)據(jù)監(jiān)測與評價(jià)功能，驗(yàn)證了方案的可行性，可以對系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化，以滿足實(shí)際拖拉機(jī)零部件設(shè)計(jì)生產(chǎn)的需求。