（机械设计及理论专业论文）面向装配的集成化虚拟设计环境的研究.pdfVIP

东北大学硕士学位论丈摘要 面向装配的集成化虚拟设计环境的研究牢 摘要 随黄帘场竞争的霞盏激烈，蟊鸳在竞争中求得生存霸发震蔼成为全球瀚逢企照考 虑的重大问题。由于计算机在产品设计中的应用和推广，以计算机技术、仿真技术、 虚拟现实技术和信患技术等为基确的虚瓠产品设计便应运i 爵生，谈新产品开发静设计 与制造流稷向着数字化、集成化方向发展。在虚拟环境中，对产晶进行构思、设计、 分析和测试，可以实现几何模型向虚拟产晶模型的转变，实现产品的设计评价和装配 过程的加遮。那么如何快遮建造三维实体模型有效的管理零 牛、缡短装配周期，加速 新产品的开发f 是本课题黉解决的内容。建立三缭零件库系统、茯速建造三维实体模 型翔进行康拟产懿豹装配顺序规划等，所有这些内容都是缝短玎发周期、降低成本、 提高产品质量的关键，因此，对面向装配的集成化虚拟设计环境的研究具有十分纛要 熬意义。 基于此，本论文研究的内容主要是面向装配的，对虚拟装配的几个关键内容进行 了搽索和磷究，为虚拯产麓设计旋拱了基好豹环壤。 1 运用面向对象的可视化编程语言结合其他的相关技术建立面向虚拟装配的三 缭零件瘁系统。 2 对零件实体进行特征分类并参数化，探索了特征参数化实体快速建模方法， 从而提离产品r 丌发效率。 3 以擐于带式运输枧的单级魁逸轮圆柱齿轮减速器的输出融翔齿轮为倒，运用 v b a 、a c t i v e xa u t o m a t i o n 技术结合三维c a d 软件编程蜜现三维实体快遴建 搂系统。 4 初步探讨产品的虑拟装配顺序规划。可使设计人员在尽爨少的时间内得到最 饶静装瑟蔽亭。 关键词：零件库虚拟装配特征参数纯顺序瓶翔 该论文获碍辽宁省自然科学基龛资助( n o 0 0 2 0 1 4 ) i i - 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t r e s e a r c ho nt h ei n t e g r a t e dv i r t u a l d e s i g ne n v i r o n m e n t i na p r o d u c t a s s e m b l y * a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gc o m p e t i t i o ni nt h em a r k e t ，h o wt os u r v i v ea n d d e v e l o pi nt h ed r a s t i c c o m p e t i t i o n i st h ec r i t i c a lp r o b l e mt oa l lc o m p a n i e si nt h ew o r l d t h a n k st ot h ec o m p u t e r s a p p l i c a t i o na n ds p r e a dd u r i n g t h e d e s i g n o ft h ep r o d u c t ，t h ev i r t u a l p r o d u c td e s i g n t e c h n o l o g yc o m e si n t ob e i n gu n d e r t h el a t e s tt e c h n o l o g ys u c ha st h es i m u l a t i o nf o rv i r t u a l p r o d u c tt e c h n o l o g y , t h ev i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y , t h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y a n ds oo n a t t h es a m et i m e ，t h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r es e q u e n c e sm a k eh e a df o rd i g i t a la n di n t e g r a t e d d i r e c t i o n i nt h ev i r t u a le n v i r o n m e n t ，c o n c e i v i n g ，d e s i g n i n g ，a n a l y s i sa n dt e s t i n gf o rt h e p r o d u c t sc a nt t t mt h eg e o m e t r ym o d u l ei n t ot h ev i r t u a lp r o d u c tm o d u l ea n da c c e l e r a t et o v a l u et h ep r o d u c t sa n dt h ep r o c e s so fp r o d u c ta s s e m b l y h o w e v e r , h o wt oi n c r e a s et h e s p e e do fe s t a b l i s h i n gt h et h r e e d i m e n s i o n s o l i dm o d u l e ，t om a n a g ep a r t se f f e c t i v e l y , t o s h o r t e na s s e m b l yp e r i o d sa n dt oa c c e l e r a t et h en e wp r o d u c td e v e l o p m e n ti st h er e a l p r o b l e m s t ob er e s o l v e di nt h et h e s i s e s t a b l i s h i n gt h es y s t e mo f3 d p a r t s l i b r a r y ，s p e e d i n g 3 ds o l i dm o d u l ee s t a b l i s h e da n dp r o j f e c t i n gt h es e q u e n c eo ft h ev i r t u a lp r o d u c t sa r ea l lt o s h o r t e nt h ep r o d u c td e v e l o p m e n tp e r i o d s ，t od e c r e a s e dp r o d u c tc o s ta n dt oi m p r o v ep r o d u c t q u a l i t i e s c o n s e q u e n t l yi t i sn e c e s s a r ya n ds i g n i f i c a n tt or e s e a r c ho nt h ei n t e g r a t e dv i r t u a l d e s i g ne n v i r o n m e n t i nap r o d u c ta s s e m b l y b a s e do nt h ea n a l y s i sa b o v e ，e x p l o r i n ga n ds t u d y i n gs e v e r a lc r i t i c a lc o n t e n t si nv i r t u a l a s s e m b l yp r e s e n t ss u p e r i o r i t ye n v i r o n m e n t t ov i r t u a lp r o d u c t d e s i g n 1 e s t a b l i s h i n gt h es y s t e mo f3 dp a r t s l i b r a r yo r i e n t i n gv i r t u a la s s e m b l yb yt h e o b j e c to r i e n t e da n d v i s u a lc o m p u t e rl a n g u a g ea n do t h e rr e l e v a n tt e c h n o l o g y 2 s o r t i n g f e a t u r e so f t h e p a r tm o d u l e a n d p a r a m e t e r i z e dt h e m ，e x p l o r i n gt h em e t h o d o f e s t a b l i s h i n gt h ep a r a m e t e r i z e dm o d u l eb a s e d o nt h ef e a t u r eq u i c k l yi no r d e rt o a c c e l e r a t et h ep r o d u c td e s i g n 3 e s t a b l i s h i n g t h ep a r a m e t e r i z e dp r o d u c tm o d u l es y s t e mq u i c k l yb a s e do nt h e i i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t f e a t u r e sb yt a k i n ge x a m p l ef o rag e a rw h e e la n das h a f ti nt h es i n g l el e v e lb e v e l w h e e lr e d u c e rw i t hb a n d b ya p p l y i n gv b a ，a c t i v e xt e c h n o l o g y a n d t h r e e d i m e n s i o nc a ds o f t w a r e 4 e x p l o r i n gt h ep r o j e c to ft h ev i r t u a lp r o d u c ta s s e m b l ys e q u e n c e si no r d e rt og e t a s s e m b l ys e q u e n c eo p t i m i z a t i o nq u i c k l y k e y w o r d s ：p a r t s - l i b r a r y ，v i r t u a la s s e m b l y , f e a t u r e ，p a r a m e t e r i z e d ，s e q u e n c e p r o j e c t s u p p o s e db y n a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o no f l i a o n i n gp r o v i n c e ( n o 0 0 2 0 1 4 ) i v 东北大学硕士学位论文 声明 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除 加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本 人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人签名：矩易争) 日期：删7 j 厂 东北大学硕士学位论文第一章绪论 l 。1 选题背景 第章绪论弟罩三番i 匕 由于现在全球制造她中，企业的竞争越来越激烈，使人们不得不考虑如何在最短 的时间内，用最低的成本，生产出质娥最高，最符合人们需求的产品。适应先进信息 技术魏诗舞概技术的飞遥发震，计葵飒辕助设计较米霞应运嚣生，露l ；虚数产熬歼发技 术正是建立在计算祝辅秘设计基础之上的最薪产龋开发技术。 虚拟产品即存储在计算机内部的产品数字化模型。虚拟产品设计技术是随着计算 祝在产品熬个开发过程中的应用两产生的新技术。工程耀剩用虚拟产品代替鼷米的实 物模整，焱分布式计算枫环境下逶行游圊构思、设计、制造、溺试和分桥产懿，从丽 解决在激烈市场竞争中对产品开发时间、质量、成本方面的巨大压力问题。廉拟产品 开发是建立在利用计算机完成产品开发过程构想的旗础上的。它以计算机仿熊和产品 生命两期逡模秀基穑，鬃计算税圈形学、人工餐能、并行工程、潮络技术、多媒俸蔹 术和虚拟现实技术为一体，在虚拟的条件下对产品进行构思、设计、制造、测试和分 析，从而提离产品在时蚓、质量、成本、服务环境镣多目标中的决策水平，达到全局 挽侥稻一次牲拜发戒凌豹嚣静。 虚拟产品开发技术出现虽然只脊短短几年，但它已对工业界产生了巨大的影响。 比较成功的例子是在波膏7 7 7 ，采用沉浸式虚拟环境进行虚拟制造装配和仿真运动， 是毽赛麓空发震变主最蠢泰平静“纛强缓”骚簧莛翁飞瓤。其开发溺矮分翊觚嚣寒获需 的8 年和4 年降至如今的5 年和2 5 年。实现这一伟大创举、确保飞机设计和生产一 次性成功的根本保证趋事先建立接近寅际物理模型的数字化模型虚拟产品。数字 位搂鍪尽露疑难确遣莓瑷产磊匏穆遴璎实，莠集c a e 、c a p p 、c a m 等系绫嬲售惠 于一身。如何将数量繁多的零件装配起来，并使箕虚拟模型能取代实际物理模型进行 可行性、炭用性和综合性能分析，虚拟装配技术超辫至关重要的作用。虚拟装配技术 疆究魏蠹褰睾塞，包援黻配建模、装戴彦裂怒划、装配傍真、干涉检验、公蒺与配台 检验等，躲有广阔的发展空间和缀强的实用性。 我国政府对这项技术的研究非常藏视，把它刿为国家自然科学基金的重点资助方 霆，因_ l | ：，嶷揪产晶开发技术在我国的发展越来越受裂企业广泛的重视，并成为当裁 制造业静研究热点。秘前，全球纯、网络佬和震撼纯已成为翻造、韭发展的鬟囊特征， 1 查苎叁兰篓主翌垒釜墨墨= 主矍笙 实现虚拟设计是制造业虚拟化的第一道工序。在电子计算机技术和康拟现实技术的推 动下，虚叛设计技零必涛邋速缝发矮起来。这矮技零靛建蠲不仅髓够提毫设计簸攀， 而且有助于萌发新的设计思路，这对于产品创新设计和常规设计具有重要意义。 1 2 研究现状和发展前景 在黄统的产瑟开发中，人蛔 圭往嚣要蕊爨大量弱霹嚣帮大力、物力来裁蚕模型农 样机进行各种实验研究，以便对所设计产品的可行性、实用性和综性能进行各种测 试分辑。这遘程不仅延遮了产品弹发帮接巍泰场豹薅润，露置还鸯羹大了产品静磁潮 成本，降低丁产品的竞争力。这种产品开发模式已邋远无法满足人们对新产品开发的 要求，不黥适应瑗 弋经济静发震需求。 在机械产品开发过程中，据统计，设计阶段所花费用只占总成本的5 左右，但 在产品成率中约有7 5 是蠢设诗者在设计输段所采孀的设计方案决定静。戮j 毙，如何 降低产品成本，关键在于如何改善设计方案。产品熙新周期长短，鼹是很大程度上取 决予新产晶的设计速度。潮既传统的机槭设计方式已成为科学技术和生产发震的瓶 颈，必须对它进行彻底改革 3 】。在这样的大背景下，计算机辅助设计应运而生。在新 产品的开发中，理论设计、精确设计和动态设计正猩逐步取代传统的经验设计、近似 设计和静态设计。 计算机辅助设计与虚拟装配技术的结合，为产品开发找到了一种高效的开发模 式，即虚拟产品开发，为了馊任侮囊杂的枫城产品都有可能实现虚拟开发，促进虚拟 产品开发技术的更进一步发展，计算机辅助设计和虚拟装配等技术有待更深入的研 究。 1 2 1 国外现状 计算机辅助设计即c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ，简称c a d ，最初源于美国。6 0 年代 秘麓，美霞i e ；s u t h e r l a n d 提出了鼹光篱在显示器上选取、定位匿形要素黪 s k e t c h p a d 系统。他还提出了用分层法分别表示菜一工穰图的轮廓、剖面线和尺寸 等帮分。当这整予豢耋叠褒一起对，羲霹| ；圭表示一剿宠整数工程霆。这个系绫戈交夏 式图形学和c a d 技术的基础。由予交互式图形生成技术的出现，促使计算机辅助设 诗按寒遗懑发震。羽年钱焘，美雹熬一鎏大公司都卡分羹凌这一离赣技术，共投入 相当资金对c a d 技术进行研究和开发，研制了一贱c a d c a m 系统。如i b m 公司 豹s m ss l t m s t 设诗耋韵玩系统帮主要愆予二缭绘图熟c a d e a m 系统；美嚣通 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 用汽车公司为设计汽车车身和外形而开发的c a d 系统。与此同时，英国剑桥大学等 知名院校也开展了c a d 方面的研究工作。但这一时期的c a d 系统规模庞大，价格 昂贵，只有经济实力雄厚和技术力量强的大型企业和研究单位才能开展研究和应用。 7 0 年代后期以来，一个以c a d 技术为代表的新的技术改革浪潮席卷了全世界， 它不仅促进了计算机本身性能的提高和换代升级，而且几乎影响到一切技术领域，冲 击着传统的工作模式。以c a d 这种高技术为代表的先进技术已普遍应用到机械制造、 汽车、航空、造船、土建、电子、铁道、轻纺、大规模集成电路等许多行业中。在缩 短设计周期、提高设计质量、降低成本以及发挥设计人员的创造性方面，c a d 技术起 了很大的作用。由于计算机技术的飞速发展，特别是小型计算机和微型计算机的大量 生产，硬件性能价格比大幅度提高，使得各种档次的c a d 系统和c a d 工作站大量 供应市场，涌进各种中小型企业，大大地推进了c a d 技术的普及和应用。计算机网 络技术和数据库技术的发展，也为计算机辅助设计提供了更加广阔的天地 4 1 。 二十世纪八十年代以来，信息技术以前所未有的速度不断发展，计算机在设计中 的应用发生了巨大的变化。计算机辅助设计与制造( c a d c a m ) 得到了迅速的发展， 尤其是在产品的开发研制过程中起到了极其重要的作用，不仅改变了传统的手工设计 方法和设计路线，而且实现了产品设计现代化。但要获得c a d c a m 的全面集成， 以获得真实的计算机集成制造( c i m ) 环境仍是一个需要进行深入研究的重要课题。 三维c a d 和虚拟实现( v r ) 技术的发展，为设计过程的可视性和虚拟检测奠定了重 要的基础。事实上，三维c a d 设计、分析、仿真系统目前在发达国家己得到普遍应 用。以美国机械行业为例，据统计，1 9 8 1 年c a d 工作站的装机台数为1 万台左右， 到1 9 9 0 年剧增至9 5 万台。c a d 技术的普及己给企业带来了巨大的经济效益。1 9 8 9 年，美国权威专家评出的世界1 0 项最杰出的工程技术成就中，c a d 技术名列第四。 为了进一步实现产品设计与制造的集成化、虚拟化和标准化，世界各国都投入巨 资加速进行该领域的相关技术及软件的研究开发工作。近年来，以获取知识为核心的 现代设计方法，特别是并行设计和虚拟设计与制造技术已得到了很大的发展，其研究 成果的应用，大大加快了产品的设计进度、缩短了开发周期。九十年代，虚拟产品开 发技术已经成为最新的产品开发技术。虚拟产品开发是计算机辅助设计和虚拟装配等 技术的完美结合。在这种开发模式下，几何模型转变为虚拟的产品模型，借助虚拟的 产品模型，对产品的性能进行仿真分析，必将节省大量的资金，缩短产品的开发周期， 提高产品的竞争力。虚拟性有三层含义：其一，它意味着完全的数字化的方法；其二， 在虚拟企业的意义上它又是通过网络分布式工作方式的表达；其三，它使用多媒体技 3 东托大学硕士学位论文第一章绪论 术和虚拟现实技术。比较成功的例子是在波音7 7 7 和欧洲空中客车制造中的应用，其 开发周期分别从原来所需的8 年和4 年降麓如今的5 年和2 5 年。 l 。2 2 匡肉现状 我国在c a d 技术方面的研究始于7 0 年代中期。当时主要是研究开发二维绘图软 牛，并刹穰绘图规输出二维嬲形。主要研究单位是高等学校，两航空和造船工业怒应 餍c a d 技术较旱的部f 1 。8 0 年代初，有黧大鍪企监和研究院成套的g 进c a d 系统， 主鞭是t u r n - k e ys y s t e m ，在此基础上进行开发和应用，取得定的成果。随着改革 开放和发展商品经济的需要，在8 0 年代中岳期，我国黝c a d 技术有了较大的发展， c a d 技术静优点为越来越多黪久所关注 ”。 进入9 0 年代后，我国的c a d 技术已进入全面发展期，个别领域进入成熟期。各 个工业部门普遍提出了开发应用c a d 技术的计划。主要袭现在：部分单位已应用c a d 技术，提高了设计质量，致磐了较好静社会袭经济效豢；撬高等陵梭耨丰喜繇陵所髓 c a d 技术的理论和软件开发进行了大量的研究，取得了定成果。而且，国家科委 十分重视c a d 技术的发展。江泽民主席在1 9 9 1 年对应用c a d 技术的意义做出了充 分豹论述：“诗冀祝赣瑟设谤，雄动了几乎切领域靛设诗革命! ”各个工盟帮门毽王有 计划、有步骤的在全国各地璃立起c a d 培训基地，对有关人员进行c a d 技术方面的 培训，以提高他们应用c a d 技术的能力。与此同时，有些工业部门还对所属单位提 交应羯c a d 技术懿集体要求。开震c a d 应溺工稳已藏为我交刳造鼗求生存、谍发 展的需要，是提高企业技术创新能力的关键部分。“九五”期间，国家科委颁布了 1 9 9 5 2 0 0 0 年我国c a d 应用工程发展纲要，来推广和普及c a d 技术。在我因， 已耪步形残了一个巍兴豹裹辩技产业e a p ，c a 硬馋耪软静豹矗秀究及麓造。 与工业发达团家相比，我国大量机械产品缺乏竞争力的一个重要原因就是设计手 段落后，产品更新周期太长。耍想迎头赶上国际发展潮流，就必须加快研究在推广应 用先莲竣诗积铡逡接拳中豹关键与核心技术。虚拟装配投零是虚拟纯鹫缝没计方法中 的项重要的核心技术，具有极大的开发价值和很强的实用性f 6 】f 7 】。可以预言：未来 所有复杂的产品都可以用虚拟的方式来产生。虚拟装配作为虚拟产品开发的一个熏爱 环m 萤，其有极好瓣发震翦景墨g 广阚兹发震空超。 目前，我国在虚拟装配理论方面的研究很多，天津大学的陈永亮博士研究的基于 m d t 平台的虚拟装配集成系统的建模，广州工业大学陈洪军等研究的组合央具装配 4 。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 的虚拟设计，还有一些关于虚拟装配过程中装配序列规划、碰撞干涉检验等方面的研 究。 1 3 课题研究的意义 随着计算机软件硬件技术的发展，在机械制造领域中。虽然零件的计算机辅助设 计和加工技术有了很大的变化，但是装配环节的操作具有很强的智能性和高度的复杂 性。而虚拟装配技术作为新兴的虚拟产品开发研究中的重要内容，可以在设计阶段就 验证零件之间的配合和可装配性以及设计的正确性。在虚拟装配中，涉及的零件有时 超过一万件，将零件结合成为完整的产品，装配的工作效率和工作质量对产品的制造 周期和产品的最终质量都有着极大的影响。故而，对虚拟设计环境的体系结构、支撑 环境、软硬件配置等方面有特殊的要求。基于此，本课题主要研究如何提供一个面向 装配的集成化虚拟设计环境。 1 4 课题研究的主要内容 本课题运用计算机辅助设计技术和虚拟装配等新技术、新方法进行虚拟设计环 境的建立和集成。实现面向虚拟装配零件的实体建模，建立三维零件库系统和参数化 实体建模系统，使设计人员方便的查询、调用现有的参数化实体模型，在产品投入生 产之前及时修改设计。这对保证产品设计的一次性成功、缩短产品开发时间具有重要 的实际意义，并对虚拟装配设计的关键技术装配顺序的规划进行了初步探讨。 1 以m d t 6 0 为平台采用v b 6 0 高级编程语言建立参数化零件库系统，编程建立 了可视友好的管理界面实现对标准零件进行分类、查询、浏览等功能，建立标 准零件库和非标准常用零件图素库的基本框架。 2 集成虚拟现实技术、参数化特征建模技术、虚拟装配理论等思想探索了面向虚 拟装配的参数化实体快速建模方法。 3 以用于带式单级斜齿轮减速器的输出轴和齿轮为例，运用m d t 的内含模块 v b a 编程实现基于特征的参数化三维实体的快速建模系统。 4 对虚拟装配的关键技术之一产品的虚拟装配顺序规划进行了初步探讨。 论文的内容具体组织编排见图1 1 。 1 5 计算机辅助设计技术 5 东北大学硕士学位论文第一章绪论 c a d ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) 是计算机科学与工程设计学科相结合此能的新兴技 术，是计算机在工程中最有影响的应用技术之一，也是先进制造技术的重要组成部分。 它的迅速发展和广泛应用，给古老的工程设计制造业带来了蓬勃生机，是传统的产品 设计方法与生产组织模式发生了深刻的变革。c a d 技术为企业缩短产品设计周期、 增强市场应用能力、参与国际市场更提供了强有力的技术手段，已经产生、必将继续 产生巨大的社会经济效益。近年来，以微机平台、w i n d o w s 操作系统以及i n t e m e t 网 络技术为特征的新一代企业信息化体系正在深刻影响和指导c a d 技术的应用发展。 第一章绪论 第二章工具软件的主要功能及技术实现 第三章面向装配的集成化虚拟设计环境的基本理论 第四章三维参数化零件库系统 第五章特征参数化实体快速建模系统 第八章面向虚拟装配的产品装配顺序规划 第七章结论与展望 图1 1 论文内容组织结构 f i g 1 1t h es t r u c t u r eo f t h et h e s i s c a d 技术的概念及新特点： c a d 是工程技术人员与计算机相结合、各尽所长、应用多学科技术方法综合， 有效地进行问题求解的先进信息处理技术。它把人类的决策判断和创造能力与计算机 的高速运算集信息存储处理等功能有机结合起来，从而达到缩短工程产品设计周期、 提高设计质量的目的。 一6 面向装配的集成化虚拟设计环境的研究 东北大学硕士学位论文第一章绪论 近年来，随着计算机技术的发展，c a d 技术的增添了许多新特色，主要表现在 以下几个方面： 1 面向对象的3 2 位c a d 软件，支持w i n d o w s 操作系统，支持i g e s 、s t e p 等数据交 换标准，提供v b 、v c 等语言开发接口。 2 用特征来描述、构造产品信息模型，这样既包括产品的形体信息，包括产品的功 能特征、工艺特征和加工特征，对产品具有更全面的描述能力，是实现c a d c a e c a m 集成的重要技术。 3 参数设计使用户可以定义模型的尺寸作为控制尺寸，通过约束驱动生成新的形体。 4 对产品的描述采用单一的数据模型，这样对产品的任何改动，相关数据会自动改 变。产品的二维绘图和三维造型共享数据，从而保证了数据的完整性和可靠性。 5 对某些特殊的设计和制造过程，采用专家系统的设计思想，在c a d 系统建立知识 库，对用户的设计和决策提供帮助。 6 快速原型制造( r p m ) 技术的发展，使c a d 设计的产品及时得到实物模型。 7 网络化的发展使c a d 可以多机联网并行设计、网络数据管理和图纸管理。 c a d 技术的发展趋势： 为适应当今时代的激烈市场的竞争和发展的需要，c a d 系统呈现出日新月异的 发展，c a d 技术开发研究正在向着微机化、集成化、智能化、网络化、可视化、并 行化、标准化的方向发展。c a d 技术作为信息技术的一个重要组成部分，其开发与 应用水平将成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化程度的重要标志之一。 1 6 虚拟现实技术 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ，简称v r ) 是一种计算机界面技术。从本质上讲它就 是一种先进的计算机用户接口。虚拟现实利用计算机生成一种模拟环境，通过多种传 感设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与该环境直接进行接触的立体图形，它 可以是某一特定现实世界的真实体现，也可以是纯粹构想的世界。作为一项综合技术， 集成了计算机图形学、多媒体、人工智能、网络、并行技术等技术的最新发展成果， 用于构造当前不存在的环境、人类不可能到达的环境和代替耗费巨大的现实环境。 虚拟现实的四个重要特征： 1 感知性 7 东北大学硕士学位论文第一章绪论 人们通过多种渠道，与客观的世界进行交互作用，并沉浸在客观世界中。理想的 虚拟现实环境应该是包含对人与自然交互方式的模拟，虚拟现实系统能提供给用户以 视觉、听觉、触觉、嗅觉甚至味觉等多感知通道。 2 存在感又称为临场 它是指用户感到作为主角存在于模型环境的真实程度。理想的模拟环境应该达到 使用户难以分辨真假的程度。 3 交互性 它是用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度。( 包括 实时性) 。 4 自主性 它是指虚拟环境中物体依据物理定律动作的程度。例如，当受到力的推动时物体 会向力的方向移动或翻到或从桌面落到地面等。 1 7 虚拟制造技术 虚拟制造( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ，v m ) 是利用仿真和虚拟现实技术，在高性能计算 机及高速网络的支持下，采用群组协同工作，通过虚拟模型来模拟和预估产品功能、 性能及可加工性等各方面可能存在的问题，实现产品制造的本质过程，包括产品的设 计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，并进行过程管理与控制。 虚拟制造技术是在c a d c a m c a e 技术的基础上发展起来的。一方面， c a d c a m c a e 技术为虚拟制造技术的实现提供了较为成熟的技术：建模技术、分 析优化技术、制造过程仿真技术、分析评价技术、产品信息集成、转换、共享技术等。 特别是特征建模技术在虚拟制造技术中占有极为重要的地位。另一方面，虚拟制造技 术超越了c a d c a m c a e 技术，c a d c a m c a e 技术主要考虑产品本身信息的集成 与建模，而虚拟制造技术还考虑加工过程的建模等问题。 1 8 虚拟装配技术 虚拟装配( v i r t u a l a s s e m b l y , v a ) 是虚拟制造的关键组成部分，利用计算机工具， 通过分析、预测产品模型，对产品进行数据描述和可视化，做出与装配有关的工程决 策，而不需要实物产品模型作支持。虚拟装配虽然被定义为一种技术，实际上是许多 技术的综合利用，例如可视化技术、仿真技术、决策理论、装配和制造过程的研究等 等 1 引。 8 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 利用计算机辅助设计和虚拟装配技术，建立产品的数字化模型，在加工制造之前， 就能使人体会到未来产品的性能，并以此来检验原设计的可行性，从而得到令人满意 的设计效果，并规划出科学的、合理的、高效的工艺流程。 对于尚处在设计阶段的产品来说，可装配性好坏最直观的效果，莫过于在计算机 上仿真产品的实际装配过程。利用计算机图形学和仿真技术实现这一虚拟的装配过 程，就是产品的装配仿真，它能以可视化方式展示并改进产品的可装配性。 虚拟装配技术的实际应用应考虑下列几个问题： 1 虚拟装配如何使工程设计、加工、装配、维护等得到关于装配问题的综合观察。 2 系统如何帮助工程设计人员做出决策。 3 如何实现虚拟装配和工程设计支撑系统及制造系统间的信息传递。 1 9 虚拟设计环境 虚拟环境技术近几年来发展得很快，它改变了人与计算机之间传统的交互方式， 具有广阔的应用前景。所谓虚拟环境( v i r t u a le n v i r o n m e n t ) ，就是将人与计算机系统集 成到一个环境中，由计算机生成交互式的三维视景仿真，通过视、听、触觉作用到人， 使人产生身临其境的感觉。用户与传统计算机系统交互和与虚拟环境交互的方式的区 别在于：从位于计算机系统的外部观察处理结果变为沉浸到系统创建的环境中；构造 虚拟环境需要多项技术，包括：高性能计算机系统、计算机图形、图象处理和模式识 别、多传感器技术、人工智能、并行处理、智能接口、语音处理和网络技术等等。简 单地说，一个虚拟环境主要由硬件设备和软件系统组成。尽管应用虚拟环境技术所需 的设备和软件相对比较复杂和昂贵，但许多制造业的大公司为了有效地缩短产品投放 市场的时间，在产品开发过程的各个阶段如设计、制造和装配中已开始应用该项技术。 因为它能够提供给工程师全新的工具来解决复杂问题，不仅使他们的问题空间可视 化，而且可以使他们与环境交互作用。 1 1 0 面向装配的设计方法 由于装配成本通常占产品制造总成本的4 0 以上，因此，降低生产成本、提高 企业的经济效益和竞争能力，在装配方面采取积极的措施显得非常的重要和迫切，然 而设计的决策直接影响装配方法和装配顺序的选择，是决定产品装配成本的主要因 素。在设计阶段就充分考虑产品的装配性和工艺性是提高装配效益、保证装配质量、 9 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 实魂装聚囊麓讫、簿爨装配或本麴一个蘩要嚣素。嚣彝装配兹设计方法瞧含嚣个蓬要 的设计凇则：一怒尽可能减少产品中零件数量；二是改游产品零件的装配工艺性。 出予装配搡俸是磁它操槔的零癸特程亲定义懿，繇以基予装嚣翁产薅攮型跫嚣 向装配设计的基础。产品特征信息建模仍是问题的关键所在，因此，面向装配的设计 方法是并行设嚣鹣重要缀袋蒸分耱关穗瞧戆技术之一。 1 0 东北大学硕士学位论文第二章工具软件的主要功能及技术实现 第二章工具软件的主要功能及技术实现 2 1 面向对象的高级开发语言v i s u a lb a s i c6 0 2 1 1 面向对象的概念 面向对象的开发方法是为解决7 0 年代末的软件危机而应运产生的。它最基本的 原则就是：使描述问题的问题空间和解决问题的方法空间在结构上尽可能一致，使分 析、设计和实现一个系统的方法学与认识客观世界的过程尽可能一致【6 4 】。 面向对象技术包含分析方法和设计技术，对象的概念是面向对象分析方法的核心 通过对所研究的事物进行高度的抽象得到对象，每个对象都真实地反映了它所对应的 事物，事物的行为用其显露的函数接口来表征，具有相同结构、操作并遵守相同约束 规则的对象聚合成对象类。对象类间具有层次结构关系，处于上层的对象类称为父类 或基类，下层的类称为子类。 面向对象的编程采用了结构化的编程思想，也就是把一个问题分解成有关部件的 子组，用这些子组来考虑有关的代码和数据，再把这些子组组织为一个层次化的结构。 最后，把这些子组翻译成称作对象的自主式单元。突破了原来的结构化编程模式，提 出了对象的概念，将被操作的数据和操作函数作为它的属性和行为。在面向对象的程 序中，对象的属性不能由外部直接存取，而是由对象的行为来操纵。这样一个应用程 序乃至整个计算机都成为一个对象的集合体，对象彼此之间通过消息相互作用，程序 具有更好的模块化结构，维护更具方便性【2 0 1 。在分析阶段，编程人员主要考虑如何定 义程序中的各种数据类；怎样利用类的继承使类定义中的冗余代码量最小；怎样利用 类的封装性，使得数据得到保护。 2 1 - 2 面向对象的设计方法 面向对象的程序设计( o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m ed e s i g n ，简称o o p ) 也是一种 适合机械c a d 软件开发的方法。面向对象方法的出发点是：尽可能的按照人类认识 客观世界的方法和思维方式来分析和解决问题。按照这个出发点，任何被研究或处理 的事物、概念都可以被抽象为对象。计算机中建立的对象与现实存在的对象是一一对 应的关系。人们分析问题和解决问题的过程就是对计算机中的对象进行分析、加工的 过程。 1 1 东北大学硕士学位论文第二章工具软件的主要功能及技术实现 2 1 3 面向对象设计方法的基本特点 面向对象设计方法具有封装性、继承性、多态性三大特点。 1 封装。 峰( e n c a p s u a l a t i o n ) ：禁止其它对象直接访问对象的内部状态，保证了对单 元数据的封装和隐藏，使得每个单元对外部都有清晰的边界。 2 继承。 峰( i n h e r i t a n c e ) ：指能直接获得已有的特性而不必重新定义，保证了软件的 可重用性，使对象之间具有传递作用，子类能继承各层父类的全部语义特性。也就是 说一个类的数据和方法传给另一个类的方法，它是面向对象语言中可重复使用的基 础。继承性有利于提高软件开发效率。 3 多态。 生( p o l y m o r p h i s m ) ：一个操作可以被类层次中上下成员所共享，层次中每 个类都以适合自己的方式实现这个操作，可在基类中定义所有相同的特性，由派生类 实现某处特定的操作，允许每个对象以适合自身的方法去响应共同的消息。 2 1 4 采用面向对象的编程语言v b v i s u a l b a s i c ( 简称v b ) 是美国( m i c r o s o f t ) 公司推出的w i n d o w s 环境下的软件开发 工具，使用v b 可以极快又简单的开发w i n d o w s 应用软件。v b 可以提供可视化的设 计平台，把w i n d o w s 界面设计的复杂性“封装”起来，程序员所需编写的只是程序 功能的那部分代码，提高编程的效率；v b 采用事件驱动的编程机制，设计应用程序 时，只是编写若干个微小的子程序，即过程。它们面向不同的对象，由用户操作引发 某事件来驱动完成某特定功能或由事件驱动程序调用通用过程执行制定的操作；v b 充分利用w i n d o w s 资源，是面向对象的设计方法和结构化设计语言，另外，v b 还具 体有很强的数据库管理功能，不仅可以管理a c c e s s 数据库，还可访问其他的外部数 据库，并且提供了开放式的数据库连接( o d b c ) 。所以，v b 是目前所有开发语言中 最简单最容易使用的高级开发语言。 2 2 软件开发平台的选用- - m d t 6 0 m d t 的全称是m e c h a n i c a ld e s k t o p 是美国a u t o d e s k 公司于1 9 9 6 年推出的在 w i n d o w s 9 8 2 0 0 0 或w i n d o w s n t 环境下运行的3 2 位软件，融二维绘图和三维造型为 一体的全参数化机械设计软件系统；是以a u t o c a d 为基础构架、由a u t o c a dd e s i g n e r 和曲面造型的a u t o s u r f 以及a u t o d e s ki g e st r a n s l a t o r 模块组成。在此基础上加装着 色软件a u t o v i s i o n ，可以真实感受到三维实体渲染的效果：加装m s c 模块，可以进 行有限元分析，校核设计产品的强度、刚度、振动等性能。 一】2 东北大学硕士学位缝生第二章工具软件的主要功能及技术实现 现今，m d t 已成为世界上成千上万用户桌面的标准机械设计平台，a u t o c a d 的 一系列开发工具都可以用来作为m d t 的开发工具，而m d t 还专门为用户提供了 m c a da p i ( a u t o d e s km e c h a n i c a l a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) 编程接口工具， 这是一种专门用于创建相关机械应用程序的应用开发工具。m c a d a p i 增强和扩展了 a u t o c a d 的开发环境，而应用程序的通讯是通过编译语言接口，如a u t o l i s p 、a d s 、 v b a 、a r x 等，为开发者提供了参数化特征编辑和高层次建模技术。 2 2 1m d t 的a c t i v e xa u t o m a t i o n 二次开发技术 二次开发是指在原有软件的基础上，通过某一开发语言使软件新增一些原本不 具备的功能。一般来说，商业软件为迎合大众化需要，往往需要尽可能追求功能的宽 度而不是专业深度。这样，为满足专业化的需求，专业人员必须对软件进行二次开发， 使其在现有条件下完成指定的专业功能。为方便用户进行二次开发，软件供应商通常 在软件中集成了二次开发工具供用户使用。 随着a u t o c a d 的只益普及，a u t o d e s k 公司相继推出了一系n - - 次开发工具，其 中最为流行的有v b a 、v i s u a ll i s p 语言。 a c t i v e x 使用户可以利用v b 、v b a 等外部或内部程序来操作a u t o c a d 。a c t i v e x 是近年来m i c r o s o f t 公司极力推广的一个基于c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 的技 术标准，其宗旨是在w i n d o w n s 系统的统一管理下协调不同的应用程序，允许它们之 间相互沟通和控制。 v b a 是a u t o c a d 的标准安装组件，它可以使用a c t i v e x a u t o m a t i o n 组件。v b a 也是微软极力推广的一种二次开发技术，最初只出现在m i c r o s o f to f f i c e 产品中，现 在已经有越来越多的软件商购买v b a 的使用权，在自己的软件中提供v b a 开发组 件。v b a 是一种纯面向对象的二次开发技术，它代表着a u t o c a d 二次开发技术的发 展方向。v b a 有自己的开发环境( v b a i d e ) ，它与v b 开发环境非常相似，其语法 和消息传递机制也与v b 相差无几，所以熟悉v b 的人可以轻松的掌握v b a 。 v b a 的主要功能如下： 第一，可以提供强大的窗体创建功能，为应用程序建立对话框及其他屏幕界面。 第二，可建立自己的工具条和功能强大的模块级宏指令。 第三，提供建立类模块的功能，因为类可提供重用组建。 第四，具备完善的数据访问与管理能力，通过d a o ( 数据访问技术) ，可以对a c