（机械电子工程专业论文）轴流泵叶轮网络化建模与泵轴虚拟加工的研究.pdf

西华大学硕士学位论文 轴流泵叶轮网络化造型与泵轴虚拟加工的研究 机械电子工程专业 研究生朱文伟指导教师杨昌明 轴流泵作为一种多品种、中小批量生产的机械产品，工程应用十分广泛。 由于其开发周期长且偏重于经验设计，探索轴流泵新的研制模式有重要意义。 网络化设计与制造是机械工程与科学的未来发展趋势之一，它旨在建立共享、 集成、协作的产品开发模式，进一步缩短产品开发周期，提高产品质量。轴流 泵的网络化设计是通过网络技术充分利用共享的资源和经验协同实现产品快 速地设计。此外，论文对泵轴虚拟加工进行了探索，以期为实现轴流泵零部件 虚拟制造奠定研究基础。 ( 1 ) 在升力法设计和网络化设计的基础上，提出了设计、造型的集成方法， 以a u t o c a d 、s o l i d w o r k s 和v r m l 为平台，本文构建了基于w e b 的轴流泵叶 轮设计与泵轴虚拟m t 系统的环境。 ( 2 ) 采用v i s u a lb a s i c 封装升力法设计程序和参数化造型程序，生成动态链 接库( d l l ) ，然后基于b s 结构、虚拟现实技术与a s p 组件技术，实现了轴流 泵水力设计及参数化造型的网络化集成。 ( 3 ) 本文对j a v a 、j a v a s c r i p t 、v r m l 与h t m l 相互之间的通信技术进行 了研究，找出实现v r m l j a v a j a v a s c r i p t 三方相互通信的方法，建立了车床的 静态模型及工件的动态模型，为实现参数可变工件虚拟加工提供了必要的理论 基础与技术支持。 实践表明，在网页上输入轴流泵设计参数，该系统就可以自动生成轴流泵 的木模图和三维模型，并返回到客户端i e 环境中；在网页上输入工件基本参 数，能够初步实现泵轴的在线虚拟加工。 关键词：轴流泵；网络化；a s p ；v r m l r e s e a r c ho nn e t - b a s e d m 。d e l i n go f a x i a ip u r e p s l m p e l i e r a n dp u m ps h a f t sv i r t u a l m a c h i n i n g m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：z h uw e n - w e i s u p e r v i s o r ：y a n gc h a n g m i n g a sa 枷l t i - s p e c l e s ，m e d i u ma n ds m a l l b a t c hm e c h a n i c a lp r o d u c t i o n ，a x i a l p u m p sa p p l i c a t i o ni se x t r e m e l yw i d e s p r e a di n e n g i n e e r i n g b e c a u s eo fi t s1 0 n g d e v e j 叩m e n tc y c l ea n dt h ee m p h a s i so ne x p e r i e n c ei n d e s i g n ，i ti si m p o 舳tt 1 1 a t a x l a j p u m p 。n e wd e v e l o p m e n tm o d e l i s e x p l o r e d n e t w o r k d e s i g n a n d m a n u 士 a c t u r e1 st h ef u t u r ed e v e l o p m e n t t r e n do fm e c h a n i c a le i 培i i l e e 血ga n d s c j e n c e 1 ts e e k st 0e s 劬1 i s hs h a r e d ，i n t e g r a t e d ，c o l l a b o r a t i v e p r o d u c td e v e l o p m e n tm o d e m 肋e rs h o 咖t h ep r o d u c t d e v e l o p m e n tc y c l e ，a n di m p r o v ep r o d u c t q u a l i 舭 n e 咖r kd e s l g no fa x i a lp u m pi s t ot a k ef u l l a d v a n t a g eo fn e t 、】l ，o r kt e c h n 0 1 0 9 y u s l n gt h er e s o u r c e sa n de x p e r i e n c et o a c h i e v er a p i da n dh i g hq u a l i t yd e s i g n i n a d d l t l o n ，d l s s e r t a t i o ne x p l o r e sp u m ps h a f t sv i r t u a lm a c h i n i n g t o1 a yo nt h eb a s j so f v i r t u a lm a c h i n i n gi na x i a lp u m p s p a r t s ( 1 ) b a s e do nl i f td e s i g na n dn e t w o r kd e s i g n ，t h e a p p r o a c h ，i n t e g r a t i n gd e s i g n w i t nm o d e l , 1 si n t r o d u c e d b a s e do n p l a t f o r m sa sa u t o c a d 、s 0 1 i d w o r l ( sa n d v 啪l ，d i s s e r t a t i o nc a n c o n s t r u c tn e t - b a s e d m o d e l i n go fa x i a lp u m p ，si m p e l l e r a n d p u m ps h a f t sv i r t u a lm a c h i n i n ge n v i r o n m e n t ( 2 ) p a c k a g i n gp r o c e d u r e so fh y d r a u l i c d e s i g na 1 1 dp 觚l m e t r i cm o d e lw i t h v i s u a lb a s i cg e n e r a t et h e i ro w n d y n a m i cl i n k1 i b r a 瞑a 1 1 db a s e d0 nb s v i 咖a lr e a l i t y t e c h n o l 。g ya n da s pm o d u l et e e h n 。1 。鼢 d e s i g na n dp a r a m e t r i cm o d e lc a nb ea c h i e v e do n l i l l e s t r u c t u r e ， a x i a lp u m p sh y d r a u l i c ( 3 ) r e s e a r c h i n gc o m m u n i c a t i o nt e c h o n o g ya m o n gj a v a ，j a v a s c n p t 。h t m l 如dv r m l ，d i s s e r t a t i 。nf i n d s 。u tc o m m u n i c a t i o n m e t h 。da m 。n gj a v a ，j a v a s 嘶p t 柚dv r m l ，e s t a b l i s h e sl a t h e s s t a t i cm 。d e la i l dw o r k p i e c e ，sd y n 啪i cm 。d e l 。j t p r o v i d e st h en e c e s s a r yt h e o r e t i c a l b a s i sa n d t e c h n 。1 。g i c a ls u p p 。nt 。v i n u a l 西华大学硕士学位论文 m a c h i n ew o r k p i e c ew h o s ep a r a m e t e r si sv a r i e d p r a c t i c es h o w st h a tt h es y s t e mc a na u t o m a t i c a l l yg e n e r a t et h ew o o d m a po f a x i a lp u m pa n dt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lt h r o u g he n t e r i n gt h ep a r a m e t e r so fa x i a l p u m pi np a g ea n dr e t u r nt oi e o fc l i e n t ，a n dt h ep u m ps h a f t sv i r t u a lm a c h i n i n gi s r e a l i z e di n i t i a l l yt h r o u g he n t e r i n gt h ew o r k p i e c ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r si np a g e k e yw o r d ：a x i a lp u m p ；n e t b a s e d ；a s p ；v r m l i i i 西华大学硕士学位论文 论文创新性声明 本人申明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此申明。 7 2 学生签字：禾拂 导师签字：物品r 仑 2 0 0 8 年5 月 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 网络化设计的研究 随着网络的兴起，信息化带动制造业形成了新的经济增长。“网络化设计 已经成为前沿课题与研究热点。其中，基于i n t e m e t i n t r a n e t 的产品设计理论、 方法与技术，已经展示了其极富创造性的内涵以及丰富多样的发展前景。 1 1 1 网络化设计概述 网络化设计包括网络环境下的协同设计、并行设计、虚拟设计、定制设计、 综合设计和集成设计等。它综合利用i n t e m e t i n t r a n e t 网络技术等一系列技术， 按照市场需求，灵活而迅速地选择和组织合作伙伴，把跨地区、跨行业的设计 资源有效地集成起来，组建动态设计实体，实现远程资源共享，并利用三维仿 真、虚拟现实的技术手段，在设计组织与设计程序中则采用协同设计、并行设 计方法，快速推出高质量、低成本的新产品。 网络化设计以信息技术为依托，融合了现代化企业管理理念、现代设计方 法与各种先进设计技术，形成了一种崭新的设计方法，代表了2 1 世纪设计理论 与实践的重要发展趋势。网络化设计不仅为跨国公司、国内外大企业所重视， 也为我国中小企业提供了符合国情、多快好省的产品开发手段。 基于网络环境的产品设计方法发展极为迅速，已经形成多个研究方向。国 外对该主题及其相关领域的研究代表性的工作有：基于i n t e m e t 环境下集成特 色和虚拟设计空间的协同产品设计，最近则讨论了为满足用户需求采用大批量 定制的理念，以及敏捷企业按定单设计生产的协同设计信息模型，从而为网络 化设计朝着满足客户需求的个性化定制设计指明了方向。国内有关部门及学者 也充分注意到该主题研究的重要性。国内近期发表的文献已涉及到计算机协同 设计、并行设计、虚拟设计、定制设计和绿色设计的相关内容，并提出了网络 化设计中的e r p 系统与产品数据管理p d m 系统的应用和实施技术，从而为网 络化设计、网络化制造与网络化管理的一体化发展提供了一个集成框架。 1 1 2 网络化设计支撑条件 在良好的网络环境支撑下，采用灵活多样的合作形式，实现以信息技术为 基础的、高素质员工为核心的网络化设计。其关键支撑技术有： ( 1 ) i n t e m e t i n t r a n e t 网络技术 西华大学硕士学位论文 网络技术是网络化设计的基础。i n t e m e t 、i n t r a n e t 、w w w 等网络通讯技术 和多媒体技术的发展，使异地异构的设计信息传输、数据访问成为可能。特别 是w e b 技术的实现，提供了一种支持成本低、用户界面好的网络访问介质，通 过对h t m l 语言及h t t p 协议的扩充，使i n t e m e t i n t r a n e t 支持电子图形的浏览和 设计过程信息的传递交流。在特定的时间( 如产品开发的生命周期中的某一阶 段) 、特定的空间( 分布在异地的网络设计组织，或称虚拟企业、敏捷企业、动 态联盟) 内，联盟组织成员利用网络技术共享知识与信息，网络技术提供异地 协同工作环境。在并行产品开发过程中，各协同小组之间，多功能小组中各专 家之间，由于各自的工作目标、背景和领域知识水平的差异，可能导致冲突的 产生。为了避免潜在的非耦合性引起的矛盾，需要利用多媒体工具，如b b s ( 网 上论坛) 、电子白板、n e t m e e t i n g ( 网络会议) 等解决矛盾、冲突，协同工作， 最终达到各方的一致。 网络技术提供良好的接口环境。作为一种多学科交叉融合的崭新的设计技 术，网络化设计的系统本身非常复杂。网络化设计必须架构在异构平台无关性 基础之上，才能在异构异地条件下，完成设计模型构架，实现系统的建模、产 品数据管理和数据交换，并进行设计综合、设计协同、产品评价和产品试验等。 因此实现异构环境下软、硬件的无缝接口，是实施网络化设计的关键支撑技术。 ( 2 ) w e b 动态数据库技术 以集成和网络为基础的设计离不开企业问的信息传递和交换。网络化设计 过程的知识综合性和流程交叉性，决定了产品设计将面对并使用庞大的动态数 据库。由于受到目前网络带宽的限制，设计数据环境的实时管理与维护，在网 络化设计中至关重要。其表达方式和系统构架，决定了网络化设计的效率。 w e b 动态数据库支持异地产品信息交换技术。网络数据库按集成分布框架 体系存储数据信息。一方面根据地域分布，分别存储各地的数据备份信息；同 时将有关产品开发、设计的集成信息存储在公共数据中心，统一协调、管理。 并通过数据中心对各职能小组的授权实现对数据的存取。对于异地产品信息交 换来说，除了传送完好的产品模型外，还经常需要传送局部修改后的模型。特 别是在紧密耦合的产品设计过程中，可以提取基于产品零部件的设计与制造特 征信息，按规定格式转换以进行数据传输，同时将修改信息作用于相应模型， 更新产品模型。这比传送完整模型可以节省时间和费用。 2 西华大学硕士学位论文 w e b 动态数据库支持设计智能化，完成领域知识的复杂问题的求解、评估 和建议。作为设计过程中的专家系统，有效地进行智能推理，协调动态联盟或 虚拟企业的网络化设计进程。而且可以为网络设计的成员的组建提供依据，辅 助构筑动态联盟。 w e b 动态数据库技术提供在线决策手段。由于产品设计的学科交叉性，设 计过程有不同领域的知识及专家参与，需要解决在现有的网络数据库基础上， 如何建立面向主题的数据仓库，包括支持产品的在线评价，实现网络化设计的 优化决策。 w e b 动态数据库标准化。信息交流的前提是具有统一的交流规范。数据库 标准化的制定，对于联盟组织成员顺利开展网络化设计的必要性是显而易见 的。在w e b 动态数据库建立前，就应针对每位联盟成员的情况，统一合理的 标准，使设计成员间的过程合作更加规范，使设计资源得以充分利用。 ( 3 ) 图形仿真与可视化技术 图形仿真与可视化支持网络环境的c a d 技术。各种软件提供了从二维工程 图到三维参数化计算机辅助设计工具，大大加快了设计速度。同时，c a d 与 c a m 的紧密或无缝衔接，实现了设计与制造一体化，使产品开发更具竞争力。 图形仿真与可视化技术提供高效的人机交互环境，实现网络环境下的人性 化、个性化产品设计。与传统的人机交互不同，网络化设计中的人机交互技术， 是以多媒体技术、通讯技术和设计实践相结合为特征的。交互的对象、方式( 包 括距离、协同等) 、传播的形式都发生了深刻的变化。仿真与可视化工具与设 计实践相结合，将帮助网络化设计快速创造优秀的产品。 1 1 3网络化设计的研究方向、应用现状及发展趋势 在网络化设计理论方法不断发展的过程中，网络环境下的协同设计、并行 设计、虚拟设计和定制设计以及绿色设计、模块化设计、面向成本的设计等新 的理念和技术之间的整合、交叉、融合，是网络化设计的主要研究方向与研究 内容。 ( 1 ) 协同设计 计算机支持的协同设计( c o m p u t e r - - s u p p o r t e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g n ) 是指通 过网络技术构造合作设计的共同环境，在异地协同工作过程中，达到各种设计 资源( 包括设计材料、设计工具、设计人员) 的优化配置和远程资源共享，以完 西华大学硕士学位论文 成共同任务。协同设计也可称为多点协作设计( m u l t i l o c a t i o nc o l l a b o r a t i v e d e s i g n ) 、分布式协同设计( d i s t r i b u t e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g n ，d c d ) 或简称为协 同设计、异地设计等。 协同设计作为一种产品研发的新方法，其目的是为了充分发挥企业的核心 优势和核心资源，实现各企业的资源共享和优势互补，共同应付市场的挑战， 联合参与国际竞争，把握市场机遇。它克服了传统设计手段的封闭性、局限性 和设计能力的不完备性，减少了设计资源的重复投入，缩短了产品研发周期， 增强了企业的竞争能力和市场开拓力。 。 以上所说的协同设计，既包括基于i n t e m e t 也包括基于企业i n t r a n e t 平台的实 时交互设计。企业内( 外) 不同的设计人员、不同的部门、不同的设计组织之间， 实现资源共享，设计合作，从而提高设计效率与设计质量。协同设计需要统一 的设计环境的支持，是c a d c a p p c a f d c w m p s 的计算机方法的应用。 国外对协同设计的研究起步较早。波音公司投资4 0 多亿美元研制的波音 7 7 7 客机，就是由网络技术协调该公司分散在世界各地的分支机构和日本三菱 重工等5 家公司协同设计与制造的。在世界各地的波音公司工程师随时可从波 音7 7 7 客机3 0 0 多万个零部件中调出其中一种，在计算机屏幕上对三维模型零部 件观察、研究、修改。波音7 7 7 客机的研制，从1 9 9 0 年1 0 月开始设计到1 9 9 4 年6 月一次试飞成功，仅用3 年8 个月时间，是成功进行协同设计的范例。 ( 2 ) 并行设计 并行设计以平行的、交叉的、集成的方式设计产品并处理相关过程。要求 产品设计人员在设计一开始就考虑到产品全生命周期( 从概念形成到产品报废) 中的所有因素，包括质量、成本、制造和使用等。并行设计通过组织多学科的 产品开发小组，利用各种计算机辅助工具协同工作，达到缩短产品开发周期， 降低设计成本与产品成本，增强对市场快速响应能力的目的。 并行设计需要网络技术支持。动态联盟成员之间的并行设计在i n t e m e t 下实 施，企业内部不同基本组织单元之间的并行设计则在i n t r a n e t 环境进行。实施 并行设计的核心问题是作为设计任务承担者的柔性团队的组织、协调。柔性团 队的动态性、快速耦合性是保证并行设计系统柔性与高效性的关键。 由于设计阶段就有涉及产品整个生命周期的各个不同区域、不同企业、不 同部门的小组成员协同工作及信息交互，可以在设计时尽早发现制造、装配、 4 西华大学硕士学位论文 行销存在的问题，并对众多方案及时评价选优，避免了设计过程的反复，增强 了综合协同，使设计有可能一次成功。 并行设计在美、德、日本等一些国家中已得到应用，其领域包括汽车、飞 机、计算机、机械和电子等行业。例如：美国佛杰尼亚大学并行工程研究中心 应用并行设计开发新型飞机，使机翼的开发周期缩短了6 0 ( 由以往的1 8 个月 减至7 个月) ；美国m e r c u r y 计算机联合开发公司在开发4 0m h z i n t e li 8 6 0 微处 理芯片时，运用并行设计方法，使产品从开始设计到被消费者检验合格由原来 1 2 5 天减少n g o 天；美国h p 公司采用并行工程方法设计制造的5 4 6 0 0 型1 0 0 m h z 波段示波器，在性能及价格上都优于亚洲最好的产品，研制周期却缩短 了1 3 。 ( 3 ) 虚拟设计 虚拟设计可以分成上下两个技术层面。下层技术至少要求在网络环境下实 现设计中的动态仿真。异地异构的企业运用网络技术、多媒体技术及虚拟现实 等先进技术，实现三维c a d 图形浏览、拟实、交换和修改，并利用协同技术 进行设计协商。 高层面的网络环境下的虚拟设计，要求实现虚拟现实。即利用计算机与网 络通信技术，在虚拟异域工作室内，生成具有视听触各种感觉的虚拟环境。除 了产品具有逼真的视觉效果以外，还应有身临其境的沉浸感。远程设计人员可 以在虚拟环境中观察产品的动作，考察其外形、内部结构及使用效果，甚至利 用语言、手势、触摸和数据手套等控制和操作虚拟对象。 虚拟原形是在计算机环境下构建的产品，是一种基于计算机软件的产品描 述，而不是真实的物理形式。创建虚拟原形的成本比建立物理原形要低，便于 设计人员与用户对产品性能进行分析、处理、反馈，从而缩短从设计到制造的 周期。在网络环境下，开发虚拟现实工具，实施虚拟设计，是网络化设计的重 要研究内容。 ( 4 ) 定制设计 定制设计是满足客户要求的个性化设计。它以市场需求为导向，把“设计 个性化 与“制造批量化”结合起来，是2 l 世纪企业提高竞争力的方向。 这里的“定制”指为客户提供个别服务，传统意义上属于小规模、多品种 生产。批量制造则要求设计的产品适应标准化、少品种、多数量的规模生产。 西华大学硕士学位论文 “用户要求与“生产要求”是一对矛盾。 网络环境下的定制设计既不同于传统的单件、小批量设计方式，也有异于 现行的大批量标准化设计制造。定制设计一般通过电子商务向客户提供菜单式 服务，从而获得大量的、个体的、规格性能要求不同的订购合同，最终形成多 品种、多样式、大批量定制生产。 ( 5 ) 绿色设计 网络环境下的绿色设计作为可持续发展的一种新的设计思想，适应人们崇 尚健康、保护生态及追求生活高品质需求。绿色设计不仅指所设计的产品本身 不污染环境，不对生态带来不利影响，也包括生产过程不污染环境，不对生态 带来不利影响。在网络技术支持下，无论面向环境的绿色设计、面向能源的绿 色设计、面向材料的绿色设计，还是面向人机系统的绿色设计，将更具实用性、 适应性。 ( 6 ) 模块化设计 各种产品总是由若干零部件构成。将这些零部件标准化，形成标准模块， 在网络环境下提供模块化设计服务，必将方便设计过程，缩短产品开发周期。 有些机械产品( 如数控机床) 、轻工产品( 如洗衣机) 、光电产品( 如各类光学调 节架) 已有模块化设计的基础，但更多的产品还远没有做到零部件模块化，缺 少相应的模块化数据库和设计软件。 ( 7 ) 面向成本的设计 设计过程中不可避免的是所设计产品的成本问题。如何运用网络技术，包 括w e b 动态数据库、c a d 、并行工程、虚拟设计以及e r p 、p d m ，进行面向成 本的设计，降低设计与生产成本，提高产品质量，将是网络化设计继续关注的 问题。 在未来的发展中，企业按自己的区域或行业特点，组成临时的战略合作设 计组织，进行网络化设计，分担研究开发费用，分散与减少风险，集中科技资 源，加强各自的竞争地位，共同快速响应市场，将是必然选择【l 】。 1 2 虚拟加工的研究 1 2 1 计算机仿真技术概述 仿真就是将复杂的现实系统经过一定的抽象和简化，形成系统的模型。这 里对轴的j j n - r 也是通过对数控机床的车削过程的认识，把它抽象和简化成基于 6 西华大学硕士学位论文 网络的虚拟数控加工的系统。 数控加工是c a d c a m 中的一个重要组成部分。数控机床在6 0 年代就己 获得了应用，7 0 年代就有了自动编程技术a p t 。但是，实现c a d c a m 的集 成是一种非常复杂的工作，所以在实际的制造系统中，经过c a d c a m n c 的 零件，在正式加工之前，一般要经过试切这一阶段。试切的过程也就是对 c a d c a m n c 系统生成的n c 程序的检验过程。一个相对复杂的工件需要大 量的时间和费用在机床上试切来检验刀具路径。当计算技术尚未出现的时期， 仿真只能在实物上进行，这一阶段的仿真称为模拟仿真，其特点是：仿真是在 实物上进行，因而实时性强且精度较高，但在实施的难度和费用都较大。传统 的试切采用塑模、蜡模或木模在专用设备上进行，这不仅浪费人力物力，而且 延缓了生产周期，增加了产品开发成本，降低了生产效率，极大的影响了系统 性能，例如，加工一个飞机的发动机零件，在数控机床上进行一次校验需要 1 2 5 小时，并且随着n c 编程的复杂化，n c 代码的错误率也越来越高，如果 n c 程序生成不正确，就会造成过切、欠切，或加工出废品，甚至造成零件与 刀具、刀具与卡具、刀具与工作台的干涉和碰撞。 后来计算机被引入到仿真领域，仿真技术进入另一个阶段，有一部分计算 机代替实物。进入8 0 年代末期，计算机仿真技术发生了重大的转变，计算机 已成为一种重要的仿真工具。随着计算机技术发展，特别是近十几年来计算机 的硬件和软件发展和普及，数控加工仿真技术逐渐成熟，已经取代了传统的实 施难度和费用都较大实物仿真，利用计算机仿真技术来开发数控技术培训软件 作为培训教育主流。它是利用计算机显示三维实体的代码加工过程，面板控制 操作过程。它具有直观、形象、可视性和交互性强的特点。由于计算机技术的 不断发展和计算机图形学的飞速发展，计算机仿真技术在制造系统中得到了广 泛的应用。采用仿真加工来代替或减少实际中的试切工作，将对数控加工有十 分重要的意义。 近几年来，计算机仿真技术在诸多方面都发生了重大的转变，计算机仿真 己经进入一个全新发展时期，它的重要性与特殊功能己越来越突出【2 】。虚拟现 实( v i r t u a lr e a l i t y ) 简称v r ，是在计算机的环境中高度逼真地模拟人在自然环 境中的视、听、动等行为的人机交互技术。虚拟现实技术不仅是有效地替代实 验的高效、快捷、可靠的手段，而且是解决许多现有实验条件下无法验证和探 西华大学硕士学位论文 索问题的唯一方法。现代产品的日益复杂化和工作环境的多样性已经越来越多 地依靠虚拟现实技术而不是实验手段来修改和完成工程设计，甚至有些规律的 揭示也是紧紧地依赖于虚拟现实技术。虚拟现实技术从根本上改变了人与计算 机的交互方式，被誉为是下一代的人机界面。虚拟现实的特征可以概括为三个 “i ”；即：沉浸( i m m e r s i o n ) ，使投入到虚拟世界中去，产生处在虚拟世界中 的幻觉；交- 0 _ ( i n t e r a c t i o n ) ，用户可以与虚拟环境互动，得到反馈信息和改变 虚拟世界：想象( i m a g i n a t i o n ) ，要求用户发挥想象力，运用虚拟世界解决问题。 1 2 2虚拟h _ z - 的应用现状 由于数控加工在机械制造业发挥了越来越重要的作用，为了缩短产品开发 周期，减少产品的开发成本，通过计算机图形显示技术对数控加工过程进行模 拟以取代或减少试切的方法应运而生。这种方法随着计算机图形技术的不断发 展而逐步演变成为今天的数控加工仿真技术，并在c a d c a m 体系中占据了 越来越重要的地位，成为一个研究的热点问题。近年来，全国各地已有多家科 研机构、高等院校和企业开展了虚拟车床的研究和开发，并取得重要进展。 目前，我国的高等院校和科研单位在数控车床仿真培训系统方面也做了大 量的研究工作。如早期北京航空航天大学采用二维示意图形表示数控仿真环境 的c h 2 0 0 0 数控车床仿真机，当刀具与工件接触时，工件与刀具的公共部分 被屏幕的景色覆盖，表示工件的该部分己经被去除。同时工件轴线的对称部分 也被去除，产生切削效果。合肥工业大学在v i s u a lb a s i c6 0 的环境下，利用窗 口的可视化开发了一套具有w i n d o w s 支持数控车削仿真学习软件。用户界面 完全采用w i n d o w s 风格，对文件的建立、保存都设置了快捷键和按钮，能针 对不同的数控加工系统，使用目前比较通用的几种数控系统为对象，具有常用 的功能，使该系统更具有开放性和适应性，能选择工具菜单中的代码检验或点 击语法检查工具按钮就可以对用户输入的程序开始语法检查，在错误的文本框 中点击鼠标，就可以在n c 代码输入窗口中相应的出错行高亮地显示，从而为 修改源程序提供了方便。仿真显示模块利用仿真程序对己经修改过数控加工代 码进行翻译、处理和计算，将有关信息处理成计算机绘图的有关数据，在利用 计算机的绘图功能和动画技术，在屏幕上形象地模拟数控机床加工零件。类似 的还有南京航空航天大学开发的基于c s 的数控加工仿真教学系统，在v i s u a l c + + 6 0 的环境下，他把仿真教学系统分为机床的控制面板和刀具加工工件两 西华大学硕十学位论文 个独立的部分。将两个程序分别安置在两台计算机上，两者之间通过w i n s o c k 进行单机或联机通讯构成服务器客户机模式，加工部分充当服务器。此系统 最大的特点通过控制部分和加工部分的分离使系统可以避免在同一加工仿真 程序的基础上实现不同厂家机床的控制功能，从而具有良好的可扩展性。 国外很早就已展开数控机床仿真方面的研究工作，美国l a m b 公司， d e n r b 公司等一直在进行虚拟车床的研究。美国m a r y l a n d 大学开发了用于培 训数控人员的虚拟机床仿真器，韩国的t u r b ot e k 公司1 9 9 9 年开发出面向 培训的虚拟数控车削及铣削加工环境，能够实现数控加工的几何仿真，配有声 音。日本s o n y 公司研制的f r e d a m 系统可对球铣刀加工自由面进行三维仿 真，可以进行在碰撞检查。意大利b o l g n a 大学用b 样条曲面建立铣刀与工 作台模型，采用真实感图形显示铣床精加工过程。德国m t s 数控加工仿真系 统可以实现以下的功能，交互式编程功能：数控系统后置处理功能：数据库储存 工艺数据功能；对刀功能；建立工艺档案功能；仿真模拟功能；加工分析功能等， 是一个很好的数控加工仿真系统软件。 基于w e b 的三维产品信息共享逐渐成为研究的热点，v r m l ( v i r t u a l r e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ) ，即虚拟现实建模语言，是目前唯一的一种能被 w e b 浏览器支持的通用三维场景描述语言，可以用在i n t r a n e t ，i n t e m e t 和本地 机系统中，并成为标准的三维图形和多媒体交换格式。由于v r m l 2 0 提供了 5 4 个功能强大的节点，从而使创建三维动态交互环境变得轻而易举。v r m l 技术的出现和成熟，为实现目前的微机的条件下以w e b 方式共享仿真信息， 适应i n t e m e t 的发展以及协同制造要求提供了新的技术手段。 1 3 论文工作的背景、研究内容、意义与项目来源 泵在国民生产生活中广泛使用，轴流泵是一种通用的机械产品，广泛应用 于国民生产的各个领域，是工农业生产中的主要耗能设备之一。提高轴流泵的 研究、设计和制造水平，对节约能源将产生重要的影响。目前，我国泵c a d 在采用一元设计理论进行二维水力设计和绘型方面目趋成熟。但现有的水力设 计软件主要集中在水泵水力设计过程的计算机化方面，设计结果仍然是二维的 叶片木模图。无论是进行有计算机辅助工程分析，还是数控加工，都需要提供 完整三维产品数字模型。这种用二维图样来描述三维产品模型的方法，己不能 满足现代c a d c 伽的需要。 9 西华大学硕士学位论文 c a d c a m 技术作为制造业保证竞争力的有效工具，在规范产品标准、提 高产品质量、缩短上市周期和降低成本诸方面发挥了不可取代的作用。但由于 传统的c a d c a m 系统运行、维护和升级的开销很大，造成了大量时间和资源 的浪费，加之对异构环境适应性差，不能充分利用i n t e r a c t ，已不能满足制造 业的新要求【3 】。制造技术的网络化是先进制造技术发展的必由之路【4 。网络化 c a d c a m 是制造业的未来发展趋势，它可以利用广泛分布的i n t e m e t 网络，将 分散在不同地理位置、具有不同制造资源的企业动态连接起来，从而不受距离 和时间限制，完成产品的设计与加工。无论是厂商、合作者还是用户，都可以 通过网络访问产品图形的信息，有助于进行产品结构选型、零件设计、走刀过 程校验、计算机辅助工程分析及组件预览等工作，实现跨系统、跨平台的图形 资源共享及瞬时异地传送。 轴流泵的研制，一般要经过设计一试验修改设计再试验的多次 反复才能使产品达到设计要求，其周期长，成本高。目前，网络技术发展迅速， 相关技术瓶颈逐步得到解决，在这种大趋势下，研究新一代基于w e b 的轴流泵 c a d c f d c w 集成系统，对进一步提高我国泵的设计、工程分析与制造水平， 充分利用w e b 资源与技术，推动制造信息化工程( m i e ) 应用，有重要的学术价 值和工程应用价值。 在分析轴流泵行业制作的实际情况和功能要求的基础上，提出了网络系统 的总体方案和实施技术。在b s 模式下，利用a s p 的组件技术，以绘图软件 s o l i d w o r k s 为平台实现了轴流泵的典型零部件叶轮和叶片的网络化造型，在虚 拟环境中，初步实现了泵轴在线虚拟加工仿真。 本系统是对四川省科技厅应用基础项目一“基于w e b 的轴流泵c a d c a m 系统研究”的网络化部分。系统可以在网络服务器上运行，客户端只需通过浏 览器就可以访问网页的主页。 1 0 西华大学硕士学位论文 2 轴流泵设计基础 产品开发设计过程是一个特殊的、重要的企业活动过程。它是制造型企业 的工作核心，也是全球企业竞争的战略要地。随着全球市场竞争的日益激烈， 人们对产品质量、个性化、产品交货期、价格及售后服务提出了更高的要求。 如何针对快速多变的市场发展趋势，组成快捷的产品开发系统，迅速满足市场 需求，一直是企业产品开发面临的重大课题。研究产品的网络化协同设计系统 是一条缩短产品开发周期、降低产品成本、提高产品质量，从而提高企业市场 竞争能力的有效途径。 本文所涉及的轴流泵叶轮的网络化协同开发设计系统是在水力c a d 和参 数化建模技术的基础上展开的，利用a s p 组件技术，并最终以v r m l 格式和 d w f 格式把轴流泵叶轮与其木模图显示在客户端浏览器上。 2 1轴流泵水力设计方法 根据轴流泵叶轮内水流运动的特点，可以采用圆柱层间无关性假设，将轴 流泵叶轮内复杂的空间流动简化为平面直列叶栅的饶流问题，因而轴流泵叶轮 叶片的设计就归结为叶栅的设计。目前设计轴流泵叶轮叶栅的主要方法有升力 法、列线图法和奇点分布法等。升力法是最早用来设计轴流泵叶轮叶片的方法， 目前仍然广泛采用。升力法设计叶片的假定是：叶轮叶片数很少，在叶轮叶片 栅中的液体绕流接近于绕单个机翼的绕流，因而叶轮叶片栅中翼型相互作用对 绕流特性影响不大。 根据上述假定，可以把轴流式叶轮叶片栅中的每一个翼型看作是孤立的， 并应用在风洞中进行单个翼型的实验结果来设计叶片。但是上述假定具有一定 的近似性，为此，在设计中，根据经验资料，对流体绕流栅中翼型与单独机翼 的差别进行修正。所以，这种方法在很大程度上依赖于实验数据，是个半理论 半经验的方法。 可利用图2 1 中的曲线进行修正，从图中查得修正系数l ，则 p9 1 = p 口| l 式中p y l 单独机翼翼型的升力系数； v 栅中翼型的升力系数； l 修正系数。 l t l p ：lq ，n 、。、1 b，j ，j l i ， 0溢。f ，、 崤j r 茹、n 、“j 口 厂 心 沁，一 1 穗蝴j。j ， z 宁、一 - - ：2逛 ，z 孓二 l i h ， ，7 w _ 7 ：t ： j 。 嘁，j ? ? ij 7 乡 ， “ e 戳，7 ，)夕钐 乡 ，一 形9 0 嬲么钐 - - l 弛缓 - j 纱 ， f i g 2 1c o r r e c t i o nc o e f f i c i e n to fl i n e a rc a s c a d e 图2 1 平板直n u t - 栅的修正系数 在采用升力法设计叶片的过程中，要用到一些翼型的基本概念和流体运 动特性。 f i g 2 2g e o m e t r yp a r a m e t e ro fa e r o f o i l 图2 2 翼型几何参数 l 、翼型几何参数( 图2 2 ) 骨线翼型内各内切圆中心的连线；翼弦通过翼型后端点d 和翼型中线与前端的交点c 的连线，称为弦长；厚度在垂直弦线方 1 2 西华大学硕士学位论文 向翼型上下边间的距离，用万表示；相对厚度厚度和弦长之比，用 8 一= 8 1 表示，其中的万通常指最大厚度；拱度翼型骨线与弦线间的距 离，用h 表示；相对拱度拱度与弦长之比，用万= h l l 表示，其中的万通 常指最大相对拱度：空气动力冲角绕流翼型不产生环量的来流方向与弦 间的夹角p 用i 表示；冲角无穷远来流( 未受翼型扰动) 方向与弦间的 夹角，用a a 表示；曲率角翼型末端中线的切线与弦线间的夹角，用y 表 示。 2 、翼型动力特性 当实际液体绕流单翼是，在翼型上产生作用力r ( 图2 3 ) ，将该力分解为 两个互相垂直的力： p v 升力( 垂直于来流方向) p j 阻力( 平行于来流方向) f i g2 3f o r c eo f a e r o f o i lp r o d u c e db yl i q u i df l o w 图2 3 绕流液体对翼型的作用力 升力和阻力可分别用下式计算 岛= q l p v 2 f 2 p x = c x l p 记f 2 式中叱无穷远来流速度( 未受翼型影响的速度) ； p 绕流翼型液体的密度； 西华大学硕士学位论文 ，机翼的最大投影面积( 弦长与机翼宽度的乘积) ； c 1 ，单翼的升力系数； c ，单翼的阻力系数。 e ，、c 。的大小和翼型几何参数、来流的冲角及雷诺数有关。对每一种 翼型，这些系数值均可通过风洞实验确定，并将试验结果画成e ，( c 。，) 与冲 角的关系曲线，称为翼型的动力特性曲线。因此，每种翼型均带有本身的特 性曲线。 3 、叶片升力法设基本公式 要保证能量转换，泵的性能参数( q 、h 、玎) 应与叶片的几何参数之间 有确定的关系。 绕流叶栅中的翼型，由于翼型的相互影响，和绕流单独翼型的特性不完 全相同。栅中翼型的升力、阻力和单翼类似，用下式表示 p y = c r p w ：。f 2p 工= e 户w 。2 f 2 式中屹无穷远来流的相对速度； c ，栅中翼型的升力系数； c t 栅中翼型的阻力系数。 如图1 4 所示，用半径为r 和r + 积的两个无限接近且与叶轮轴同轴的 圆柱面所截得的流面层展开成厚度为出的微元叶栅。在栅中翼型上作用的合 力r ( 液体对翼型的作用力) 可分解为升力p 。和阻力p x 。因为液体对翼型的作 用力和翼型对液体的作用力大小相等方向相反，因此可以用r 力来计算叶栅对 液体所作的功率。 叶栅单位时间内对液体作的功应当等于流过叶栅的液体单位时间内所 获得的能量。单位实际内积微元叶栅对液体所作的功率为 d p = 兄勉 单位时间内流过微元叶栅的液体所获得的能量为 d p = p g h , d q 由此 e u l l t - , = p g h , d qq = r , u z p g d q ( 1 一1 ) 由图2 4 所示：咒舍力月圆周分量，咒= r c o s ( 9 0 。一尾一名) = r s i n ( f t + 五) r = e c o s 2 c 。只，升力，对于微元叶栅可以写成 1 4 西华大学硕士学位论文 e = c 。2 l d r 2 ( f = l d r ) f i g 2 4f o r c eo fl i n e a rc a s c a d e 图2 4 叶栅受力分析 由泵的基本方程式： e = “( 屹2 - v 1 ) g = u a v g( “= 屹2 一v 】) 式中尼理论扬程。 流过微元叶栅的流量坦可以写成