拖拉機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)服務(wù)器智能遠(yuǎn)程協(xié)同技術(shù)研究—基于多媒體武術(shù)教學(xué)系統(tǒng)原理

張森均,唐曉平,朱智謀

(紹興文理學(xué)院 元培學(xué)院，浙江 紹興 312000)

0 引言

遠(yuǎn)程協(xié)同設(shè)計(jì)是通過利用計(jì)算機(jī)、信息、自動(dòng)化和現(xiàn)代管理技術(shù)的最新成果對(duì)傳統(tǒng)制造技術(shù)的提升。目前，以交互式圖形系統(tǒng)和工程分析計(jì)算為主的 CAD 系統(tǒng)僅能支持單個(gè)設(shè)計(jì)者的獨(dú)立設(shè)計(jì)和人機(jī)交互，一些簡單的協(xié)同交互也基于落后的方式， 難以適應(yīng)信息發(fā)展的要求。因此，開發(fā)遠(yuǎn)程協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)有著重要的意義。隨著計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同工作的出現(xiàn)和發(fā)展，利用遠(yuǎn)程多媒體系統(tǒng)可以提高制造系統(tǒng)的智能化水平，而如將武術(shù)多媒體教學(xué)系統(tǒng)原理直接引入到智能化系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)一系列的遠(yuǎn)程操作，如遠(yuǎn)程會(huì)議、遠(yuǎn)程CAD成型及遠(yuǎn)程制造系統(tǒng)控制等，對(duì)于提高企業(yè)的拖來機(jī)設(shè)計(jì)制造水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 武術(shù)遠(yuǎn)程教學(xué)多媒體系統(tǒng)及其在機(jī)械數(shù)字化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

武術(shù)在教學(xué)過程中主要強(qiáng)調(diào)動(dòng)作規(guī)格，突出勁力精神，在教學(xué)過程中，學(xué)生首先要弄清楚動(dòng)作的主要路線，在弄清楚路線后需要進(jìn)行動(dòng)作的規(guī)范性指導(dǎo)，做到技術(shù)動(dòng)作的準(zhǔn)確和工整。武術(shù)動(dòng)作在于防身和攻擊敵方，因此需要?jiǎng)幼饔辛?，這就需要學(xué)生嚴(yán)格的按照教師的規(guī)范動(dòng)作，并適時(shí)進(jìn)行發(fā)力；但是在現(xiàn)實(shí)教學(xué)過程中，教師不能一遍遍的重復(fù)動(dòng)作，而多媒體遠(yuǎn)程教學(xué)為學(xué)生提供了極大的學(xué)習(xí)便利，如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程武術(shù)動(dòng)作教學(xué)示范

學(xué)生可以通過觀看教師的多媒體遠(yuǎn)程錄像，一遍遍學(xué)習(xí)教師的動(dòng)作，從而學(xué)會(huì)規(guī)范的動(dòng)作要領(lǐng)，如果將這種技術(shù)手段使用在現(xiàn)代拖拉機(jī)制造上，可以使拖拉機(jī)設(shè)計(jì)知識(shí)庫具有智能化設(shè)計(jì)功能。數(shù)字化遠(yuǎn)程指導(dǎo)如圖2所示。

通過數(shù)字化遠(yuǎn)程指導(dǎo)可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的協(xié)同研發(fā)，提高拖拉機(jī)企業(yè)的設(shè)計(jì)水平。有數(shù)據(jù)表明，波音777采用數(shù)字化設(shè)計(jì)，縮短了研發(fā)周期的40%，減少了50%的返工量。

圖2 數(shù)字化制造遠(yuǎn)程指導(dǎo)

FDM的原理(見圖3)：將加熱材料在計(jì)算機(jī)的控制下，由噴頭噴出，利用數(shù)控技術(shù)使噴頭按照預(yù)定軌跡做相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)；當(dāng)加熱材料被擠壓噴涂到平臺(tái)上時(shí)，通過有選擇性的噴涂，逐漸形成零件的外部輪廓形狀；完成一層后，通過升降臺(tái)的下降，繼續(xù)下一層的制造；如此循環(huán)后，最終形成產(chǎn)品的初始模型，用于實(shí)驗(yàn)和這模具的研發(fā)。

圖3 FDM快速制造流程

通過智能化遠(yuǎn)程指導(dǎo)和遠(yuǎn)程會(huì)議等，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品展示，通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)，通過遠(yuǎn)程控制，可以實(shí)現(xiàn)零部件的快速制造，與傳統(tǒng)意義上的制造技術(shù)相比，F(xiàn)DM技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)。：

1)對(duì)環(huán)境污染小，沒有有毒性物質(zhì)的產(chǎn)生，因此可以使用在普通車間和辦公環(huán)境；

2)工藝簡單，易于操作，且垃圾產(chǎn)生少；

3)可以快速構(gòu)建較難成型的零部件，如橢圓體或者中空體等；

4) 原材料的供應(yīng)簡單，絲狀物體更容易運(yùn)輸；

5)可供使用的原材料多。

FDM系統(tǒng)可以采用遠(yuǎn)程控制的方法對(duì)其進(jìn)行操作，比如用簡單的Web瀏覽器，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的CAD遠(yuǎn)程造型設(shè)計(jì)等，將其使用在拖拉機(jī)智能制造系統(tǒng)中，可以有效的提高制造效率。

2 拖拉機(jī)智能遠(yuǎn)程數(shù)字化設(shè)計(jì)服務(wù)系統(tǒng)

智能遠(yuǎn)程數(shù)字化服務(wù)可以有效縮短研發(fā)周期，減少返工量，實(shí)現(xiàn)資源和經(jīng)驗(yàn)的共享。本次研究的智能遠(yuǎn)程數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要分為兩部分：一部分為基于ANSYS的遠(yuǎn)程輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)；一部分為基于PDM的快速制造系統(tǒng)。

2.1 基于有限元的遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)輔助校核系統(tǒng)

遠(yuǎn)程輔助系統(tǒng)是采用同武術(shù)多媒體教學(xué)系統(tǒng)相同的原理，利用遠(yuǎn)程協(xié)助的方法，實(shí)現(xiàn)輔助設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程指導(dǎo)。本次遠(yuǎn)程輔助設(shè)計(jì)方法主要采用有限元分析的方法，對(duì)設(shè)計(jì)零部件進(jìn)行校核。根據(jù)彈性力學(xué)有限元分析原理，首先建立第i個(gè)有限單元的剛性方程為

[Ki]{Ui}={Fi}

(1)

其中，{F}、{U}表示有限單元體的節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移矢量；[K]表示剛度矩陣；i表示單元體的編號(hào)。根據(jù)分割時(shí)相鄰節(jié)點(diǎn)的關(guān)系，可以將剛度、節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移分別編號(hào)，寫成

(2)

其中，上標(biāo)為A、B節(jié)點(diǎn)分類編號(hào)，通過改寫得

(3)

(4)

(5)

代入得

(6)

令

(7)

(8)

重復(fù)上述步驟，最終可得

(9)

(10)

(11)

2.2 基于Web和PDM的遠(yuǎn)程協(xié)同快速制造系統(tǒng)

基于Web和PDM的遠(yuǎn)程協(xié)同快速制造系統(tǒng)由4部分構(gòu)成，包括數(shù)據(jù)庫、設(shè)計(jì)文件管理、工作流程和任務(wù)管理，采用通用性較強(qiáng)的CAD軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后利用Web瀏覽器、XML和可視化等基礎(chǔ)技術(shù)，設(shè)計(jì)出可以遠(yuǎn)程協(xié)同操作的應(yīng)用集成系統(tǒng)。

從功能需求出發(fā)，遠(yuǎn)程協(xié)同快速制造系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能包括工程總體管理、工序分組管理、成品管理、設(shè)計(jì)零件管理、圖紙管理、應(yīng)用程序管理和可視化管理等，其基本框架如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)程協(xié)同快速制造系統(tǒng)基本框架

該系統(tǒng)以拖拉機(jī)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)管理為核心，按照工程和工序分組，結(jié)合CAD和零件庫圖紙，采用可視化協(xié)同將Web遠(yuǎn)程瀏覽和操作以及PDM快速制造系統(tǒng)功能構(gòu)建在桌面上，每個(gè)功能模塊之間建立相互的關(guān)系。

3 基于遠(yuǎn)程輔助設(shè)計(jì)和快速制造的拖拉機(jī)齒輪數(shù)字化設(shè)計(jì)

拖拉機(jī)是拖拉機(jī)裝備中最常用的機(jī)械，特別是重型拖拉機(jī)，由于其構(gòu)件的強(qiáng)度要求較高，因此重型拖拉機(jī)的零部件的設(shè)計(jì)和制造較為繁瑣，周期較長；而引入遠(yuǎn)程輔助設(shè)計(jì)和快速制造方法可以有效的縮短工期，減少返工量。

如圖5所示：重型拖拉機(jī)的載重量一般都較大，因此其齒輪等零部件的設(shè)計(jì)要求較高，設(shè)計(jì)時(shí)，必須進(jìn)行強(qiáng)度校核。除了試驗(yàn)方法外，校核還可以采用數(shù)值仿真模擬方法，如圖6所示。

采用數(shù)值仿真模擬的方法可以對(duì)尺寸動(dòng)態(tài)擬合及強(qiáng)度進(jìn)行校核，通過施加邊界條件和載荷，模擬真實(shí)的齒輪作業(yè)情況。不過受到技術(shù)限制，有限元仿真在許多拖拉機(jī)廠并沒有普及，因此可以采用遠(yuǎn)程協(xié)同設(shè)計(jì)的方法。通過遠(yuǎn)程系統(tǒng)校核，可以得到校核后的齒輪模型，如圖7所示。

圖5 重型拖拉機(jī)示意圖

圖6 齒輪嚙合施加載荷和邊界效果圖

圖7 校核后的齒輪建模

模型校核完成即表示拖拉機(jī)配件的尺寸設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，可以采用快速制造的方法制造出齒輪，然后對(duì)其進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，以縮短實(shí)驗(yàn)周期。遠(yuǎn)程協(xié)同快速制造平臺(tái)如圖8所示。

圖8 遠(yuǎn)程協(xié)同快速制造平臺(tái)示意圖

制造平臺(tái)主要包括噴嘴、料絲、遠(yuǎn)程CAD模型和可升降平臺(tái)等?？焖僦圃炱脚_(tái)屬于高技術(shù)含量的服務(wù)平臺(tái)，一般拖拉機(jī)企業(yè)能夠熟練操作平臺(tái)的人很少，在使用過程中也可以通過遠(yuǎn)程協(xié)作的方式來完成，通過遠(yuǎn)程Web操作功能，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程協(xié)同制造。為了驗(yàn)證該方法對(duì)拖拉機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)周期以及設(shè)計(jì)質(zhì)量的作用，對(duì)采用該系統(tǒng)后的研發(fā)周期和返工量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，得到了如表1所示的結(jié)果。

表1 智能遠(yuǎn)程拖拉機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)服務(wù)系統(tǒng)測試

由表1可以看出：采用智能遠(yuǎn)程拖拉機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)服務(wù)系統(tǒng)可以有效縮短研發(fā)周期，減少返工量，對(duì)于現(xiàn)代拖拉機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造具有重要的意義。

4 結(jié)論

隨著現(xiàn)代機(jī)械數(shù)字化設(shè)計(jì)制造水平的不斷提高，中小型企業(yè)的設(shè)計(jì)制造水平已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代快速設(shè)計(jì)制造的需要，特別是中小型的拖拉機(jī)設(shè)計(jì)制造企業(yè)，其技術(shù)的革新直接決定了企業(yè)的命運(yùn)。為了提高中小型拖拉機(jī)設(shè)計(jì)制造企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率、縮短研發(fā)周期、提高企業(yè)的競爭力，提出了一種基于武術(shù)多媒體教學(xué)系統(tǒng)的智能遠(yuǎn)程數(shù)字化設(shè)計(jì)制造輔助系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程CAD成型和PDM快速制造系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了拖拉機(jī)零部件的快速設(shè)計(jì)和制造。為了驗(yàn)證平臺(tái)的可靠性，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：采用該平臺(tái)可以有效縮短研發(fā)周期，減少返工量，為中小型拖拉機(jī)設(shè)計(jì)制造企業(yè)的研究提供了一種新的方法。