机械电子工程专业论文

机械电子工程专业论文内容摘要：

一版更新有利得多。 回顾历史， CAD 和计算机图形学的国际标准制定总是滞后于市场上的工业标准。 CAD 产品更新频繁。 谁家产品的技术思想领先，性能最好，用户最多，主导了市场，谁就是事实上的工业标准。 CAD 技术的发展不是一种 纯学术行为，它是在高技术产品所固有的激烈市场竞争中不断向前推进，永无止境。 CAD 软件一般应集成在一个异构的工作平 台之上，为了支持异构跨平台的环境，就要求它应是一个开放的系统，这里主要是靠标准化技术来解决这个问题。 第一章 绪 论 5 目前标准有两大类：一是公用标准，主要来自国家或国际标准制定单位；另一是市场标准，或行业标准，属私有性质。 前者注重标准的开放性和所采用技术的先进性，而后者以市场为导向，注重考虑有效性和经济利益。 后者容易导致垄断和无谓的标准战。 通过总结这个领域几十年标准化工作的经验，不少标准化专家已认识到存在的问题，这已经成为进一步制定标准的障碍。 因此提出应对传统的标准化工作进行革新。 有专家建议标准革新的目标是公用标准应变成工 业标准，也就是说革新后仍应以公用标准为基础，不过要从工业标准中吸收其注重经济利益和效率的优点。 另外，也有人提出现在制定标准的单位很多，但是标准制定过程却没有标准，这也是标准革新过程中值得考虑的问题。 这些观点对我国制定 CAD 标准也许有所启迪。 2．开放性 CAD 系统目前广泛建立在开放式操作系统窗口 95／ 98／ NT 和 UNIX平台上，在 Java LINUX 平台上也有 CAD 产品，此外 CAD 系统都为最终用户提供二次开发环境，甚至这类环境可开发其内核源码，使用户可定制自已的 CAD 系统。 3．集成化 CAD 技术的集 成化体现在三个层次上：其一是广义 CAD 功能CAD/CAE/CAPP/CAM/CAQ/PDM/ERP 经过多种集成形式成为企业一体化解决方案，推动企业信息化进程。 目前创新设计能力（ CAD）与现代企业管理能力（ ERP、 PDM）的集成，已成为企业信息化的重点；其二，是将 CAD 技术能采用的算法，甚至功能模块或系统，做成专用芯片，以提高 CAD 系统的效率；其三是 CAD 基于网络计算环境实现异地、异构系统在企业间的集成。 应运而生的虚拟设计、虚拟制造、虚拟企业就是该集成层次上的应用。 国际 CAD 商品系统开发的另一个趋势是在全球 范围内优选最成功的功能构件，进行集成。 至今最成熟的几何造型平台有两家： Parasolid 和 ACIS；几何约束求解构件有一家，它的主要产品是 2D 和 3D DCM。 我国开发的机械 CAD 应用系统已经部分采用 ACIS 和 Parasolid 平台，这是合理的。 但是国际上近来又有一种思潮，要求软件开发自由化，以免受制于一、二家公司垄断性产品的束缚。 这就是选用 Linux 操作系统以及在它基础上开发各种共享软件，开放源程序。 我国也在酝酿自主开发因特网、操作系统、以及各种办公的国产化系统。 这时，自研制几何造型通用平台和各种功能构 件也将提上议事日程，我们要及早做好准备。 4．智能化 设计是一个含有高度智能的人类创造性活动领域，智能 CAD 是 CAD发展的必然方向。 从人类认识和思维的模型来看，现有的人工智能技术对模拟人类的思维活动（包括形象思维、抽象思维和创造性思维等多种形式）往往是束手无策的。 因此，智能 CAD 不仅仅是简单地将现有的智能技术与 CAD 技术相结合，更要深入研究人类设计的思维模型，并用信息技术来表达和模拟它。 这样不仅会产生高效的 CAD系统，而且必将为人工智能领域提供新的理论和方法。 CAD 的这个发展趋势，将对信息科学的发展产生 深刻的影响。 华南理工大学本科毕业论文 6 虚拟装配 基于虚拟现实的产品虚拟拆装技术在新产品开发、产品的维护以及操作培训方面具有独特的作用。 在交互式虚拟装配环境中，用户使用各类交互设备（数据手套 /位置跟踪器、鼠标 /键盘、力反馈操作设备等）象在真实环境中一样对产品的零部件进行各类装配操作，在操作过程中系统提供实时的碰撞检测、装配约束处理、装配路径与序列处理等功能，从而使得用户能够对产品的可装配性进行分析、对产品零部件装配序列进行验证和规划、对装配操作人员进行培训等。 在装配（或拆卸）结束以后，系统能够记录装配过程的所有信息，并生成评 审报告、视频录像等供随后的分析使用。 虚拟装配是虚拟制造的重要组成部分，利用虚拟装配，可以验证装配设计和操作的正确与否，以便及早的发现状配中的问题，对模型进行修改，并通过可视化显示装配过程。 虚拟装配系统允许设计人员考虑可行的装配序列，自动生成装配规划，它包括数值计算、装配工艺规划、工作面布局、装配操作所模拟等。 现在产品的制造正在向着自动化、数字化的反向发展，虚拟装配是产品数字化定义中的一个重要环节。 虚拟装配技术的发展是虚拟制造技术的一个关键部分，但相对于虚拟制造的其它部分而言，它又是最薄弱的环节。 虚拟 装配技术发展滞后，使得虚拟制造技术的应用性大大减弱，因此对虚拟装配技术的发展也就成为目前虚拟制造技术领域内研究的主要对象，这一问题的解决将使虚拟制造技术形成一个完善的理论体系，使生产真正在高效、高质量、短时间、低成本的环境下完成，同时又具备了良好的服务。 虚拟装配从模型重新定位、分析方面来讲，它是一种零件模型按约束关系进行重新定位的过程，是有效的分析产品设计合理性的一种手段。 从产品装配过程来讲，它是根据产品设计的形状特性、精度特性，真实的模拟产品三维装配过程，并允许用户以交互方式控制产品的三维真实模拟装配过程 ，以检验产品的可装配性。 近年来，世界各国尤其是发达国家都对虚拟装配技术给予了高度的重视， 投人了大量的人力物力进行研究。 波音公司在数字化代表产品波音 777 的展示中，不像以往那样重点宣传新型飞机本身性能如何优越，而是强调他们充分利用数字化研制技术以及产品研发人员的重新编队等方面。 波音 777 飞机项目顺利完成的关键是依赖三维数字化设计与综合设计队伍 (238 个 Team)的有效实施，保证飞机设计、装配、测试以及试飞均在计算机上完成，研制周期从过去的 8 年时问缩减到 5 年，其中虚拟装配的工程设计思想在研制过程中发挥了巨 大的作用。 德国 Fraunhofer 工业工程研究所较早进行了虚拟装配规划系统的研究和开发，他们开发的第一个虚拟装配规划原型系统可以实现在虚拟环境中执行装配操作，交互地装配和拆卸零件， 并在用户交互的基础上生成装配图，进行装配工时和装配成本第一章 绪 论 7 的分析。 我国从 90 年代中后期开始进行虚拟装配方面的探索和研究工作，我国虚拟装配技术的应用研究尚处于起步阶段，只有为数不多的机构如清华大学、浙江大学、武汉理工大学和西北工业大学等院校作了有益的研究 [， 由于虚拟现实设备非常昂贵，近年来国内大多数研究被限制在介绍国外的进展理论 探讨范围内， 或者在非虚拟现实环境下进行研。 但人们已经逐渐地认识到虚拟装配所能发挥的巨大作 用。 本课题研究内容 本文主要内容结构为：第一章，介绍光驱产品的概况与发展趋势， CAD 技术的历史与虚拟装配；第二章，介绍在 Inventor 2020 环境下对光驱产品进行三维建模，此外还包括 Inventor 的介绍和参数化建模的基本方法；在第三章中将讨论虚拟装配约束，其中包括装配约束与装配运动；第四章中探索在 Inventor Studio 环境下进行3D 渲染，并给出最终效果图； 华南理工大学本科毕业论文 8 第二章 光驱产品的三维建模 Inventor 介绍 Autodesk Inventor 软件是美国 AutoDesk 公司于 1999 年底推出的三维可视化实体模拟软件，目前已推出最新版本 Inventoror 2020，本次研究使用的是Inventor2020。 它包含三维建模、信息管理、协同工作和技术支持等各种特征。 使用Autodesk Inventor 可以创建三维模型和二维制造工程图、可以创建自适应的特征、零件和子部件，还可以管理上千个零件和大型部件，它的 “ 连接到网络 ” 工具可以使工作组人员协同工作，方便数据共享和同事之间 设计理念的沟通。 Inventor 在用户界面简单，三维运算速度和着色功能方面有突破的进展。 它是建立在 ACIS 三维实体模拟核心之上，设计人员能够简单迅速地获得零件和装配体的真实感，这样就缩短了用户设计意图的产生与系统反应时间的距离，从而最小限度的影响设计人员的创意和发挥。 Autodesk Inventor 产品系列正在改变传统的 CAD 工作流程：因为简化了复杂三维模型的创建，工程师即可专注于设计的功能实现。 通过快速创建数字样机，并利用数字样机来验证设计的功能，工程师即可在投产前更容易发现设计中的错误。 Inventor 能够加速概念设计到产品制造的整个流程。 Autodesk Inventor 主要包括零 /部件设计、 ACE 交换 、运动仿真 /应力分析 、Inventor Studio 四大模块 ， 大模块里还包含有小模块； 此外， Inventor 的资源中心还提供设计加速器功能与各种标准的标准件，如齿轮、螺钉、皮带轮组、轴承等。 在本研究中主要使用零部件设计模块进行零部件（包括钣金）设计、装配和运动仿真，在资源中心帮助下设计齿轮（包括直齿齿轮、锥齿轮）、带轮，最后在 Inventor Studio环境下进行渲染。 光驱产 品的三维建模 光驱是由多种类型的零部件构成的，其中有钣金件、塑料 铸件 、标准件等。 不同类型零部件的建模环境、方法会有所不同，同类型的不同零件的建模过程也会有所区别。 如塑料 铸件 在一般环境下即可完成建模，而钣金件需要转到钣金设计环境下，利用资源中心和设计加速器进行标准件设计会更有效率。 在 Inventor 软件环境下，机械三维建模应该严格以设计构思或者前期图纸为依据，尽量保持三维图形数据的完整和正确性。 三维模型的一般建模过程如图 所示。 第二章 光驱产品的三维建模 9 图 Inventor 软件三维建模过程 构造虚拟样机必须进行机械零 、部件的三维实体造型。 三维实体模型的构建对于虚拟样机的仿真和分析十分重要，必须充分理解所构造的机械结构的各个零部件的外形以及他们之间的相对位置和装配关系，在实体建模时严格按照实际的尺寸来进行，只有这样才能构建出与实际相符合的 光驱 实体模型。 光驱 是一个复杂的机械结构，考虑到 Inventor 所建立的三维模型 要 进行 运动 仿真分析 ，考虑其 所需要的时间和成功率，所以在不影响本文对 光驱 进行运动学、动力学分析的前提下，在 Inventor 中尽量略去一些不需要分析的零部件几何模型的构建，如一般不必绘制过渡圆角、倒角等非关键性信息。 这样可以减少 运动仿真 中零件的数量，同时减少零件间约束副的总数，从而可以减少运动仿真仿真所需的时间，保证了仿真实验的成功率。 本文使用的创建 光驱 三维零件的方法和一般过程如图 所示。 图 Inventor 中创建三维零件的一般过程 由于在 Inventor 中实体模型可以有多种不同的构造方法，采取何种方法更为合理、高效，需要有一个经验积累过程。 一般来说，要根据图形的形状选择合适的构造模型的方式。 对于像 光驱的基架、 托盘、摇杆、主架 等复杂的零件，选择合理的构造方法是尤其重要的。 因此，在设计实体模型之前，必须要考虑好模型的生成方法和步骤。 其中建模的难点在于辅助平面和辅助点的建立，只有建立好辅助平面和辅助点，才能保证零件模型的精确性。 按照是否存在相对运动将 光驱 划分为： 光盘旋转 装置、光头行走 装置、 托盘进出装置三 个大运动部件。 华南理工大学本科毕业论文 10 光驱 虚拟样机的建模过程如图 所示。 它的思路是按照生产工艺流程组织的，即“建模即虚拟加工，组装即虚拟装配，仿真分析即虚拟试验。 ”。