引論：我們?yōu)槟砹?3篇虛擬裝配技術論文范文，供您借鑒以豐富您的創(chuàng)作。它們是您寫作時的寶貴資源，期望它們能夠激發(fā)您的創(chuàng)作靈感，讓您的文章更具深度。
篇1
Unity3D不只是單純的游戲引擎，而是已經涉及到多種不同領域的一個跨平臺的三維游戲與虛擬現(xiàn)實開發(fā)工具，該工具支持多腳本語言以及強大的物理引擎等特點。論文通過研究Unity3D與HTML交互機制，實現(xiàn)場景中對象的動態(tài)交互行為，也就是控制各裝配體的裝配順序并實現(xiàn)碰撞檢測、零件實時編輯等功能，從而使得整個裝配過程具有邏輯合理性和可控制性。
2、Unity3D與HTML交互機理
2.1 Unity3D瀏覽器調用HTML網頁中的函數
Unity3D瀏覽器通過執(zhí)行Application.ExternalCall（）來調用任何在HTML網頁里定義JavaScript函數，比如下面一句調用了HTML網頁里SayHello（）函數，并傳遞了一句話作為參數。
Application.ExternalCall（ "SayHello"， "The game says hello！" ）；
2.2 HTML網頁調用Unity3D瀏覽器中的腳本函數
Unity3D 瀏覽器的插件或ActiveX控件都有一個SendMessage（）的函數，HTML網頁通過這個函數與Unity3D進行通信，通過該函數可以傳遞對象名、函數名以及簡單參數，然后SendMessage（）就會調用Unity3D中GameObject上綁定的函數。在調用SendMessage（）函數之前，必須先得到Unity Web Player的引用。這里可以使用JavaScript 對象Document的getElementById（）函數來獲得該引用。
3、減速器虛擬裝配的實現(xiàn)
3.1交互界面設計
交互式虛擬裝配的重點不僅在于產品虛擬裝配的過程，還在于它可以與用戶進行實時交互。系統(tǒng)界面分為兩部分：網頁中為利用HTML提供的控件加入按鈕、列表框、滾動條、文本區(qū)、標簽等；Unity3D瀏覽器中為利用Unity提供的GUI接口加入按鈕、窗口、標簽等控件分別實現(xiàn)了減速器裝配體的自動裝配、手動裝配、原理演示、零件查看、零部件實時編輯等功能，充分實現(xiàn)用戶參與下的人機實時交互。
3.2碰撞檢測及裝配順序規(guī)劃
虛擬裝配是一個實時交互系統(tǒng)，如用戶可以在虛擬場景中用鼠標選取裝配體的零件進行拆裝。Unity3D引擎本身提供了基本形體的碰撞器，通過PhysX物理引擎自動檢測碰撞。根據Unity3D碰撞器提供的OnCollisionEnter方法，獲得相關碰撞信息，然后由它繼續(xù)調用其他處理過程（相對位置檢測、碰撞檢測等），實現(xiàn)手動裝配過程。
虛擬裝配過程中零件拆裝順序的檢測也是一個關鍵問題，用戶選擇零件正確與否直接決定該零件是否進行拆裝。系統(tǒng)為每一個零件定義一個唯一識別拆裝順序的順序號，當用戶選擇某一零件后，調用相應的拆裝順序檢測模塊進行比較當前選擇零件的順序號與系統(tǒng)預定的順序號是否一致決定拆裝是否進行或者根據零件間的位置約束關系判斷某零件當前是否可以移動來決定拆裝是否進行。
3.3 裝配體零件的任意移動及實時編輯
在虛擬裝配中，用戶對場景中零件的選取及操作（位移、顏色等的實時修改）是交互性最充分的體現(xiàn)。當用戶在虛擬場景中用鼠標點擊或指向某一零件時，系統(tǒng)應該做出響應，如被指向或點擊的零件應實時改變顏色或彈出對話框提示用戶等。Unity3D的GUI接口提供了各種控件可以非常方便的編輯一些按鈕、窗口等用戶界面，通過重寫鼠標事件可以檢測用戶的各中輸入信息并作出正確的響應。通過變換組件可以完成產品的平移和任意角度旋轉操作以及裝配體零件某一方向比例變換。
4、結論
本文對基于Unity3D的虛擬裝配相關技術進行了研究，并實現(xiàn)了在用戶參與的人機界面下的虛擬裝配實例。對在虛擬裝配過程中零件的碰撞檢測、裝配順序規(guī)劃、零件選取及實時編輯等功能的實現(xiàn)提出了有效的方法，具有一定的參考價值。
【參考文獻】
篇2
1 分層序列裝配模型
由于機械產品結構復雜，每個零部件之間都有嚴格的裝配關系[4-5]，無論是拆還是裝都需要按照設計的裝配結構來進行。本文采用層次化序列裝配模型，即將產品的整體結構按照其真實的裝配標準按層次劃分或分解為不同級別的能夠進行獨立裝配的裝配單元，形成并行裝配序列。通常產品的裝配單元可分為：零件、合件、組件、部件、機器五個等級的裝配體，裝配時，按照上述等級依次分解，上一級包含下一級子裝配體，下一級子裝配體又包含更下一級子裝配體直至最終不可分解的零件，其中每一級裝配體按照其裝配次序形成序列。層次化模型的優(yōu)點在于更清晰表達產品中零部件之間的層次關系，并可以用子裝配體表達一組功能上或物理結構上相關的零件集，可減少裝配分析的復雜性，簡化問題的求解過程。圖1 為分層序列裝配示意。
幾點說明：
（1）在裝配模型設計中，每一層裝配體都會存在基準件，按照裝配工藝要求將基準件設為該層序列的第一個裝配體，以保證滿足裝配標準和裝配精度；
（2）裝配單元的劃分依據具體機械產品的裝配要求，如果在某層子裝配體中如（部件層）出現(xiàn)單一零件時，該類零件則視為部件級零件，可以直接在相應層中進行裝配順序排序。
2 基于Quest3D的虛擬裝配系統(tǒng)設計
2.1 系統(tǒng)總體架構
本文的虛擬裝配系統(tǒng)分為兩個區(qū)，即場景區(qū)和功能區(qū)。場景區(qū)包括攝像機控制、3D模型導入和顯示、環(huán)境設置。其中，攝像機控制是根據用戶需求實現(xiàn)對模型及場景的瀏覽漫游功能如移動、旋轉和縮放等；3D模型導入和顯示則是基于原始模型實現(xiàn)數據轉化和表示，每個零件都具有位置、材料及貼圖信息屬性；環(huán)境設置包括場景布置、燈光設置以及UI設計。功能區(qū)由五個功能模塊組成，分別為：整體拆裝模塊、序列拆裝模塊；手工模擬拆裝模塊及運動仿真模塊。如圖2所示。
2.2 模型導入轉化及場景設置
通過UG NX三維建模，生成原始數據模型，應用Deep Exploration軟件將prt文件模型進行文件格式轉換為dae文件，中學英語論文然后導入到Quest3D中。Quest3D可對導入所有數字內容的進行設置和編制。由于機械產品結構復雜，所包含零件繁多，Dae初始模型是分成若干個可裝配的零部件，需要通過程序定義其在場景中的世界坐標及彼此位置關系，用3D render場景模塊把它們組合在一起并顯示。
為了能更好控制每個零部件裝配運動狀態(tài)，在Quest3D中可添加Motion模塊作為每個可裝配零部件的運動屬性[6]，如圖3所示。為保證零件裝配運動速度可調節(jié)性，Quest3D 提供阻尼模塊參數Damping value，將其與運動方向建立聯(lián)系。在拆或裝時候，阻尼參數發(fā)揮作用，Damping 值增加時，阻尼增大，零件裝配運動減慢，反之亦然。
場景設置主要包括光照、攝影機設置、貼圖、材料、紋理等效果制作。光照采用平行光源和點光源從攝像機的投射方向給予模型物體較好的立體視覺效果，增強用戶的沉浸感和系統(tǒng)的交互性。攝影機是用于確定觀察者位置和投射方向以及與物體相對空間視窗的對應關系。系統(tǒng)采用物體注視攝像機（Object Inspection Camera）作為場景的交互窗口，通過調節(jié)攝像機的Position Vector，Camera Matrix和Camera Target模塊參數，設定攝像機的位置、縮放的范圍等，用戶即可利用三維鼠標就可以對三維場景中所有物體進行瀏覽操作。圖4為三維模型導入效果圖中，（a）為一個二級減速器，（b）為車床主軸箱。
2.3 裝配及運動設計
Quest3D中的三維模型中各個裝配體依據裝配單元建立層級鏈表，即確定拆裝過程的序列。每個裝配體都具有Motion模塊屬性，包括postion Vector（位置）、Rotation Vector（旋轉）和Size Vector（縮放），拆裝的原理是根據裝配序列依次對裝配體的各個矩陣中參數的進行改變設置，從而實現(xiàn)裝配體的平移運動和旋轉運動，以達到零部件裝配效果。
虛擬裝配過程分為整體拆裝、順序拆裝及模擬手動拆裝方式。整體拆裝是對整個模型一次性實現(xiàn)拆分和裝配過程，體現(xiàn)“爆炸”效果；順序拆裝是按照裝配單元依次進行拆裝；模擬手動拆裝則是通過建立工具箱模塊，用戶可從工具箱中選擇合適工具模擬真實拆裝過程。無論以何種方式進行裝配，拆裝模塊作為獨立模塊可進行重復調用，表1為拆裝模塊中相關設置參數表示。
系統(tǒng)的UI模塊是用戶實現(xiàn)裝配操作的交互窗口，不同類型的機械產品可根據其復雜程度和操作方便性、人性化原則進行設計。本系統(tǒng)可用三維鼠標實現(xiàn)場景模型的移動、旋轉和縮放，同時設置菜單、按鈕、復選框等控件進行裝配過程的選擇、設置和操作。圖5是減速器（a）和車床主軸箱（b）虛擬拆裝圖示，圖6為CA6140車床的18級變速虛擬傳動示意圖。
3 結論
本文提出了分層裝配思想應用Quest3D 引擎開發(fā)的虛擬裝配和運動仿真系統(tǒng)可用于不同類型的機械產品模型，通過建立虛擬場景、UI功能模型有效達到了用戶對于產品的交互操作，其虛擬裝配過程和運動仿真對于企業(yè)設計制造及高校實踐教學提供了較好的虛擬現(xiàn)實平臺。
【參考文獻】
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篇3
裝配過程直接影響產品的性能、成本和質量，還影響產品生命周期各個環(huán)節(jié)：資源和原材料的利用、生產過程的管理、工裝的制備、調試維護的便捷和回收性能．
虛擬裝配系統(tǒng)可使用戶在產品生產以前在虛擬環(huán)境中模擬實際的裝配過程，評價零部件 的可裝配性 ；預先檢驗裝配結果，展示產品原型結構和功能 ；分析產品原型性能，并最終利用這些結果指導實際設計開發(fā)過程，從而大大節(jié)約開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期．
本文討論了對復雜零部件、大型或精密產品進行原型展示、功能分析和虛擬裝配時的功能需求，設計了原型展示分析與虛擬裝配系統(tǒng)(PAVAS)的體系結構，基于模塊化的思想提出一種既可以分布處理又可以集成整合的系統(tǒng)框架，并研究了組成系統(tǒng)框架的一些關鍵技術．
1 系統(tǒng)體系結構
本系統(tǒng)是面向大型復雜產品虛擬裝配和結構功能展示及性能分析而設計的，所以它主要包括產品虛擬裝配功能、產品功能虛擬展示和強沉浸感顯示三大功能．與一般性的虛擬裝配系統(tǒng)不同，本系統(tǒng)更加偏重于后兩點功能的表現(xiàn)．為實現(xiàn)功能需求，系統(tǒng)采用了如圖 1所示的硬件結構 ．各部分功能如圖2所示．其中Onyx4系統(tǒng)通過 5BNC接口與 CRT和投影儀連接；PC機通過 RS232接 口對 Onyx4系統(tǒng)的控制臺進行操作，還通過以太網接口向Onyx4系統(tǒng)傳輸數據文件；數據服務器和應用服務器通過以太網與Onyx4系統(tǒng)連接 ，以實現(xiàn)數據的互相傳輸．其中數據服務器和應用服務器可根據實際需求進行特定的功能配置或者省略．
2 系統(tǒng)模塊及功能
本系統(tǒng)的模塊如圖3所示．整個系統(tǒng)在 IRIX6．5上基于 Performer 3．2．2構建．主要分為控制核心、裝配控制、圖形引擎、文件服務、數據服務和應用服務 6個大模塊[ 1 J．其中前 3個模塊作為系統(tǒng)功能核心，安裝于同一硬件系統(tǒng)中，通過計算機內部總線和相應的數據協(xié)議進行連接；后 3個模塊可根據系統(tǒng)應用的實際情況，分別安裝于獨立的服務器通過快速以太網進行連接或者與核心功能模塊安裝在一起．PAVAS系統(tǒng)模塊功能分述如下 ．
1)控制核心．控制核心用于協(xié)調和管理PAVAS的其他各個模塊，進行消息管理并提供控制臺連接，同時支持基本 I／O設備．
2)裝配控制模塊．它需要完成 4點主要功能：裝配關系模型的創(chuàng)建和管理、約束管理、裝配路徑管理、可裝配性評價．
3)圖形引擎．生成虛擬環(huán)境，創(chuàng)建裝配和展示場景；處理用戶與系統(tǒng)的交互；在操作時進行實時碰撞檢測；立體顯示輸出；提供物理系統(tǒng)．
4)文件服務模塊．實現(xiàn)產品原始數字模型與系統(tǒng)文件格式之間的雙向轉換；與數據服務模塊進行雙向通信，將模型信息傳遞其中以供其他模塊利用，或者將修改后的模型數據導出．
5)數據服務模塊．存儲產品模型和虛擬場景數據信息；綜合文件服務模塊提供的模型信息和應用服務模塊提供的交互信息供高層模塊使用；將高層模塊運行生成的新模型信息和交互反饋信息傳遞給文件服務模塊和應用服務模塊．
6)應用服務器．提供 I／0接口；處理人機交互信息；與數據服務模塊雙向通信實現(xiàn)交互信息的寫人及輸出．
3 系統(tǒng)關鍵技術分析
PAVAS的關鍵技術主要有：主動立體顯示技術、實時的快速碰撞檢測技術、虛擬環(huán)境中物理系統(tǒng)的模型建立與實現(xiàn)技術、人機交互模型的建立與交互設備之間的聯(lián)系方法、裝配模型的創(chuàng)建和表達技術、約束的識別和捕捉技術以及數據服務模塊中數據庫結構與文件結構之間的轉換等．本文主要分析主動立體顯示技術、產品可裝配性評價和實時快速碰撞檢測技術．
3．1 主動立體顯示中的圖像視差計算
由于人的兩眼之間存在瞳距，所以每只眼睛感受的圖像之 間也存在一個水平方向的差距，如圖 4所示．大腦利用這個差距來處理圖像從而產生立體感 ．
主動立體顯示就是通過使左右眼圖像分時交替在顯示屏上刷新顯示實現(xiàn)的．立體圖像的計算方法主要有旋轉法和雙中心法，如圖5所示．
旋轉法采用一個投影中心，通過使被觀察對象分別向兩個方向旋轉相同角度投影來計算左右眼圖像，如圖 5a所示．使用這種方法得到：
其中，Xo，y0，Zo是 P0的坐標；是兩次旋轉后位置的夾角．這種方法需要作除法運算，因此速度稍慢，且會在實際使用中造成原理屏幕中心的地方垂直視差增大的情況．雙中心法因采用兩個 投影 中心，如 圖 5b所示 ，因此得到：
這種方法可以避免產生垂直誤差，效果較好．在這一系列的計算過程中，諸如用戶瞳距、用戶與被觀察對象的距離等數據可以通過交互設備進行實時跟蹤或者針對應用使用平均數據．
3．2 零件和產品的可裝配性評價
對于零件的可裝配性評價 ：首先選擇 種因素對產品零件的可裝配性進行評價，定義 F= 表示影響因素集合；U(z)表示裝配難度的隸屬度函數，z代表影響因素的特征值， 亂，見表為影響因素集對應的影響因素重要程度向量，其中a 表示因素 對零件可裝配性影響程度的大小，且滿足：
定義零件的可裝配性指數根據．廠的取值來評價零件的可裝配性．對于產品的可裝配性評價：在零件可裝配性評價的基礎上定義產品的可裝配性指數向量，A 為零件P 可裝配性指數．另定義 0為n*m階模糊關系矩陣，元素 O 代表零件 只中因素 對裝配難度的隸屬度函數值．
則有而產品的可裝配性指數產品的平均可裝配性指數 A ，則為A 與零件總數 的商．A 作為最 終的產品可裝配性評價指標．
3．3 實時的快速碰撞檢測方法
在實時碰撞檢測中，主要解決時間步長問題、多物體對測試問題和兩兩物體對測試問題．PAVAS系統(tǒng)的實時碰撞檢測按照以下規(guī)則進行．
規(guī)則1 在碰撞頻率較高的時候采用小時間步長檢測 ，在碰撞頻率較低的時候采用大步長檢測．時間步長同時與被檢測對象的相對運動速度相關．
規(guī)則2 免除靜止模型之間的碰撞檢測；免除距運動模型較遠物體與運動模型之間的碰撞檢測；對于距運動模型較近物體首先采用 K—dop包圍盒算法進行粗略檢測，若發(fā)生碰撞則改用精密的檢測算法 ．
規(guī)則 3 在精密的檢測和針對具有內部空間的多面體零件的裝配檢測過程中使用距離跟蹤算法 ．
4 應用實例
按照本 文思路，基于 SGI Onyx4可視化系統(tǒng) 、科視立體投影系統(tǒng)和 Dell PE46大型服務器等硬件設備構建了虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)；利用 uG，OpenGL PerforlTler和 C語言等軟件、庫和開發(fā)語言構建用于數控機床運動分析和虛擬裝配的原型系統(tǒng)．圖 6是某數控機床模型在系統(tǒng)屏幕上的投影；圖 7是該機床主軸有限元分析結果在屏幕上的投影 ．
5 結 語
1)本文提出的PAVAS軟硬件結構可根據實際應用對系統(tǒng)的功能需求進行不同的配置，可以構建成基于 PC或者基于工作站甚至小型機的系統(tǒng)．
2)系統(tǒng)采用雙中心投影法來實現(xiàn)主動立體顯示，消除了垂直誤差，提高了運行速度，在給人沉浸感的同時增加舒適性．
3)系統(tǒng)綜合目前采用的一些碰撞檢測方法結合 K—dop和距離跟蹤法來進行碰撞檢測，在不失精度的前提下可進一步加快計算速度．
參考文獻 ：
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關鍵詞：數控銑床；3D造型；模塊化設計；虛擬裝配；仿真
Design of Universal Components and Simulation of Feeding Movements for Numerical Control Milling Machine Based on Pro/E
ABSTRACT：The numerical control lathe is equipped by the foundation of the manufacture industry , its level influences the development of the manufacturing industry directly. The function, performance and manufacturing cost of the lathe are often contradictory, and more than 75% of total cost of the products and performance of the products have already been fixed during the course of designing, so should improve the quality and performance of the products and reduce their cost through improving and designing , and module designing technique is exactly the important means to solve this contradiction.
篇5
. 液壓破碎錘及其組成
車載液壓破碎錘可以高效地完成碎石、拆除、公路修補、凍土挖掘、二次破碎等艱苦工作，歐洲和美國的各種車載破碎錘紛紛面世，如Atlas Copco、Rammer、Montabert、Indeco等。.80年代，韓國的破碎錘也繼日本之后有了長足的進步，1986年韓國水山重工推出了液壓破碎錘，韓國相繼出現(xiàn)了很多品牌。
破碎錘的沖擊能量的來源還是由以下3種方式提供：第一種由液壓油提供，例如Rammer和Montabert；第二種由氣壓提供，例如日本的破碎錘；第三種也是效果最好的，由液壓、氣壓混合提供，一般液壓占25％、氣壓占75％，如Atlas Copco公司設計、生產的破碎錘。但所有的破碎錘活塞回到原位的力完全是由液壓提供。目前液壓破碎錘已經被廣泛應用于公路再建、市政拆除、礦山、采石、隧道、水下作業(yè)等工程建設領域。
..本文所研究的液壓破碎錘是在單斗反鏟型液壓挖掘機上改裝的，將液壓挖掘機上的鏟斗改裝成液壓錘。因此總體結構包括動力裝置、工作裝置、回轉機構、操縱機構、傳動系統(tǒng)、行走機構和輔助設備等。常用的全回轉式液壓挖掘機的動力裝置、傳動系統(tǒng)的主要部分、回轉機構、輔助設備和駕駛室等都安裝在可回轉的平臺上，通常稱為上部轉臺。因此又可將液壓破碎錘概括成工作裝置、上部轉臺和行走機構等三部分。.
二、工作裝置設計方法
1． 工作裝置傳統(tǒng)設計方法
我國工程機械發(fā)展與國外相比相對較晚、較慢，技術水平整體較低。工作裝置的傳統(tǒng)設計方法在設計歷史中起到了主要作用。對于工作裝置的設計方面國內外研究的情況大致是：
(1) 圖解設計法；(2) 基于平移性的作圖法；(3)解析法；(4) 綜合圖解設計法；(5) 優(yōu)化設計方法，以上設計方法基本上遵循一般連桿機構的位置綜合原則，側重考慮工作裝置的平移性。對它的工作裝置伸縮性與平移性，平移性與自動放平性，動力性與自動放平性之間的矛盾關系未能綜合分析，只是滿足單個性能的要求，無法達到全局最優(yōu)?？傊@些方法都是基于二維平面上進行的。對于工作裝置干涉問題、運動學、動力學等問題不可能很好的解決，也不可能直觀的表現(xiàn)出來。
近年來隨著計算機技術的發(fā)展，在工作裝置設計上出現(xiàn)了基于虛擬樣機技術的工作裝置設計。例如吉林工業(yè)大學、大連理工大學和洛陽拖拉機廠等利用虛擬樣機技術不但研究了工作裝置的運動學、動力學特性，而且對其進行了優(yōu)化設計，但是它們不是對模型進行了大量的簡化，就是只局限于對剛體情況下工作裝置虛擬樣機的研究。
本論文是在全面分析液壓破碎錘工作裝置的基礎上，建立工作裝置的虛擬樣機模型，在虛擬環(huán)境下模擬物理樣機的運動狀況，快速分析各種設計方案，進行輔助設計、參數化設計和優(yōu)化設計，幫助設計人員完成以前需經數次物理樣機才能完成的實驗研究。
2． CAX技術及其軟件
由文獻可知，CAX技術是虛擬樣機技術的基礎技術平臺。一般意義的CAX技術主要指CAD、CAPP、CAM、CAE、CAQ等，限于篇幅，本文主要闡述CAD/CAE技術及其軟件。
目前，工程設計中常用的CAD軟件有二維和三維軟件之分。其中三維造型軟件比較知名的有Pro/ENGINEER，UG，Solid works，I-DEAS，CATIA，CIMATRON等。各個三維CAD軟件當前的最新版本是Pro/ENGINEER wildfire2.0，UG NX4.0，Solid works 2006，I-DEAS NX V11，CATIA V5，CIMATRON E6.0等等。
本文將采用Pro/ENGINEER wildfire軟件完成液壓破碎錘工作裝置的建模與裝配，建立工作裝置的虛擬樣機并進行不同作業(yè)工況下的動態(tài)模擬。
所謂CAE即Computer Aided Engineering（計算機輔助工程）是指工程設計中的分析計算與分析仿真，具體包括工程數值分析、結構與過程優(yōu)化設計、強度與壽命評估、運動及動力學仿真。工程數值分析用來分析確定產品的性能；結構與過程優(yōu)化設計用來保證產品功能、工藝過程的基礎上，使產品、工藝過程的性能最優(yōu)；結構強度與壽命評估用來評估產品的精度設計是否可行，可靠性如何以及使用壽命為多少；運動及動力學仿真用來對CAD建模完成的虛擬樣機進行運動學仿真和動力學仿真。從過程化、實用化技術發(fā)展的角度看，CAE的核心技術為有限元技術與虛擬樣機的運動及動力學仿真技術。
目前工程實際中應用較多的CAE軟件有ANSYS、MATLAB、ADAMS、ALGOR等。各個軟件的最新版本是ANSYS 8.0、MATLAB 8.5、ADAMS 2005、ALGOR V17等。
本文采用MSC.ADAMS軟件進行液壓破碎錘工作裝置虛擬樣機的仿真研究。
3． 多體動力學理論
多體系統(tǒng)動力學包括多剛體動力學和多柔體系統(tǒng)動力學，是研究多體系統(tǒng)（一般由若干柔性和剛性物體相互連接所組成）運動規(guī)律的科學[17]。
多體系統(tǒng)動力學的核心問題是建模和求解問題，其系統(tǒng)研究開始于20世紀60年代。從60年代到80年代，側重于多剛體系統(tǒng)的研究，主要是研究多剛體系統(tǒng)的自動建模和數值求解；到了80年代中期，多剛體系統(tǒng)動力學的研究已經取得一系列成果，尤其是建模理論趨于成熟，但更穩(wěn)定、更有效的數值求解方法仍然是研究的熱點；80年代之后，多體系統(tǒng)動力學的研究更偏重于多柔體系統(tǒng)動力學，這個領域也正式被稱為計算多體系統(tǒng)動力學，它至今仍然是力學研究中最有活力的分支之一，但已經遠遠地超過一般力學的涵義。多體系統(tǒng)動力學的根本目的是應用計算機技術進行復雜機械系統(tǒng)的動力學分析與仿真。
三、 液壓破碎錘工作裝置的研究體系
1． 液壓破碎錘工作裝置虛擬樣機的構建流程
本文液壓破碎錘工作裝置虛擬樣機的建立主導思想是：根據液壓破碎錘工作裝置的試制圖紙，在Pro/ENGINEER中進行三維實體建模，通過虛擬裝配，建立工作裝置的三維模型，然后添加適當的約束以及驅動，使之成為一個虛擬機構。其構建流程如圖2-1所示。
圖2-1虛擬樣機的構建流程
2． 液壓破碎錘工作裝置的研究體系
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FA702并紗機用于將棉、毛、絹、化纖等寶塔筒子單紗及細紗管紗并成股紗供捻線用，外形最長尺寸達13.670米，排布的零部件很多，如需更改總體的尺寸，如按照常規(guī)的設計方法，需更改細節(jié)的零件參數，再重新調整裝配約束，這樣耗時且很容易出錯。
UGNX／WAVE技術使設計者將驅動設計結構中最重要的總體設計參數建立在具有相關性的控制結構中，僅用幾個設計變量表達式就可以控制設計的總體結構、尺寸，修改關鍵設計參數及表達式，可使整個零部件自動更新。因此，在這一設計過程中，設計員只需對關鍵部件的關鍵參數進行修改就可以得到正確的設計結構和數據。
2．FA702并紗機的結構和特點
(1)結構特點：
設計新穎，結構合理，車速高，噪音低，操作方便。整機為兩面車，分離傳動，易于調整。筒錠為雙支撐形式，運轉平穩(wěn)，適應高速生產。
(2)結構簡介
本機由以下部分組成：車頭傳動，機架，卷繞，斷頭自停，托盤，車尾傳動，供紗架與張力裝置等部分組成。
(3)主要機構
1)卷繞機構2)防疊裝置3)斷頭自停機構
(4)總體布置
圖1FA702并紗機的總體布置圖
3.UGNX／WAVE技術
(1)UGNX/WAVE基礎知識
WAVE是一種實現(xiàn)產品裝配的各組件間關聯(lián)建模的技術，采用關聯(lián)性復制幾何體方法來控制總體裝配結構，從而保證整個裝配和零部件的參數關聯(lián)性，最適合于復雜產品的幾何界面相關性、產品系列化和變型產品的快速設計。
總體設計可以嚴格控制子系統(tǒng)和零部件的關鍵尺寸與形狀，而無需考慮細節(jié)設計；而子系統(tǒng)和零部件的細節(jié)設計對總體設計沒有影響，并無權改變總體設計的關鍵尺寸。因此，當總體設計的關鍵尺寸修改后，子系統(tǒng)和零部件的設計自動更新，從而避免了零部件的重復設計的浪費，使得后續(xù)零部件的細節(jié)設計得到到有效的管理和再利用，大大縮短了產品的開發(fā)周期。
(2)基本概念
1)控制結構:傳遞產品全局性的參數、外形、基準位置等約束條件至零件進行詳細設計的樹狀結構。
2)起始部件:包含零件詳細設計所必需的各種約束條件的Ugpart文件。對于不同零件所需的不同約束條件，通過CopyGeometrytoPart來包含不同的約束條件，可以通過引用集的區(qū)分不同的幾何體。
3)連接零件:產品結構樹和控制結構樹發(fā)生關聯(lián)的UGPart文件，在其中進行詳細設計，使其成為產品結構樹中的零件或部件。
4.WAVE應用在FA702并紗機設計的實例
(1)確定FA702并紗機設計的總體控制參數及子系統(tǒng)的設計控制參數
總體控制參數：并紗機的總長、總寬及總高，各子系統(tǒng)的位置及總體形狀，子系統(tǒng)的總體布置、形狀參數，建立用于控制系統(tǒng)的主參數。
(2)建立并紗機的控制結構
確定完控制參數之后，應先建立總體裝配結構的樹形結構，協(xié)調所有子系統(tǒng)之間的幾何關系和位置關系。樹形結構以每個功能部件族作為子節(jié)點，父節(jié)點與子節(jié)點之間的幾何關系及各節(jié)點之間的位置關系則由相關幾何參數和位置參數來確定。
圖2FA702并紗機的總體控制結構
圖3FA702并紗機的總體控制結構裝配樹
(3)建立并紗機子系統(tǒng)的控制結構
同上，建立子系統(tǒng)的控制結構，如車尾傳動的控制結構
圖4FA702并紗機的車尾傳動部分控制結構
(4)零件細節(jié)設計
根據建立的子系統(tǒng)控制結構，再分解到進一步的子零件控制組件，建立起始部件，進而建立連接部件，在連接部件中進行零部件的細節(jié)設計。
(5)產品裝配
完成整個零部件模型詳細設計后，使用UGNX的裝配功能將零部件進行裝配，生成產品裝配。可以通過調整主參數來驅動整個模型，在控制結構的管理和控制下，設計整個產品開發(fā)形成一個有機整體。圖5為完成的FA702裝配圖。
圖5FA702并紗機的裝配模型
5結束語
WAVE技術為我們提供了一個很好的工作平臺，總體參數的定義與應用完全可以用控制結構來實現(xiàn)，當上一級參數發(fā)生改變時，下一級參數也會發(fā)生改變更新，一旦總體參數發(fā)生改變，零部件的控制幾何體自動更新，這樣既保證了整體裝配結構的一致性，又使得設計效率大大提高。
參考文獻
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作者簡介：伊紀斌（1994-），男，山東淄博人，山東理工大學國防教育學院學生，研究方向：機械設計
隨著知識經濟和工業(yè)制造的快速發(fā)展，現(xiàn)代化的市場要求產品生產廠商要以最快的速度、最優(yōu)的品質、最短的研發(fā)時間、最低的成本消耗和最佳的服務來滿足顧客的需求。傳統(tǒng)設計一般是在圖紙結合產品的特性和設計的具體要求進行的，在機械設計的過程中需要提前對設計中的設備裝配的干擾因素的不確定進行考慮，但是產品在裝配中的缺陷只有在產品開發(fā)的后期才能暴露出來或者在產品的試制階段和裝配中顯現(xiàn)出來。如果設計的零件已經開始投入生產了，那么損失就更加嚴重了。產品的質量在傳統(tǒng)的設計和制造方式上不能得到很好的保證，并且傳統(tǒng)設計的工藝比較粗糙、開發(fā)的效率低、花費時間比較長、耗費的資金比較大。在變化速度快、持續(xù)性發(fā)展和不可預測性市場中難以適應。因此，企業(yè)的生產活動需要具備高度的柔性和快速的反應，與此同時信息技術的飛速發(fā)展保證了機械制造的先進性，信息化的使用對于現(xiàn)代機械工程設計十分重要。
1虛擬機械制造技術
以往傳統(tǒng)的機械設計技術的設備條件比較差，設計技術性不強，傳統(tǒng)的設計觀念比較保守，設計的手段主要依靠的是粗略的計算和估算，主要是在較多的簡化和靜止化假設中完成機械工程的設計，傳統(tǒng)設計具有較大的隨意性，并且設計的關鍵過程還對設計者的經驗和設計習慣具有很大的依賴性。設計的過程很難實現(xiàn)合理、高效和準確。但是在現(xiàn)代化虛擬設計的相關技術可以很好地實現(xiàn)設計經驗依賴性強、設計過程靜態(tài)性和設計理念隨意性向現(xiàn)代化設計精確性、以數據知識工程和專家系統(tǒng)為保證的設計方式的發(fā)展，虛擬計算機技術需要對必要的信息進行檢索、分析和收集。最終找出最優(yōu)的設計方案和數值運算的方式，當然也會對CAD技術和人工智能技術、數據庫技術等進行大量的應用。虛擬機械制造技術主要是在虛擬環(huán)境下對計算機的模型進行虛擬分析的一種計算機設計技術。該技術集成并綜合應用了綜合性的機械制造環(huán)境，主要包括了各種仿真、分析、應用等工具以及信息模型和控制工具等。虛擬制造需要經歷的主要階段有裝配產品的概念設計、動態(tài)仿真、回收利用。依靠虛擬制造技術，機械設計人員不需要將所有的零件設備生產制造出來，可以通過對零件模型的建立，隨后對零件進行虛擬裝配，并對各零件部位之間的裝配間隙進行干涉、對裝配的狀態(tài)實現(xiàn)檢查，對零件設計中的錯誤及時發(fā)現(xiàn)，如果零件不符合設計要求，可以依靠計算機技術方便及時更改模型，最后形成新的零部件設計圖和裝配圖，達到設計、裝配和制造檢驗的協(xié)調。
2虛擬制造技術的關鍵
虛擬制造技術包含了許多方面，主要有設計技術的提出、產品制造過程的抽取、原模型的建立、集成基礎結構、建模仿真等。下面就對虛擬制造技術中的關鍵技術進行詳細的介紹：
2.1虛擬技術中的建模技術
虛擬指的是在系統(tǒng)中將現(xiàn)實制造系統(tǒng)映射到虛擬環(huán)境下，主要涉及了RMS的模型化、形式化、計算機化的抽象描述和表示。VMS建模的主要內容有生產模型建立、產品模型建立、工藝模型建立的信息化體系結構的建立。生產模型中有靜態(tài)描述和動態(tài)描述兩種。靜態(tài)描述主要是關于對系統(tǒng)生產能力和生產特性。動態(tài)描述是在已經被得知的系統(tǒng)狀態(tài)和需求的性質上對產品的整個過程進行全面的預測。在制造過程中我們將種種實體對象總的稱之為產品模型。在產品的模型建立中需要對產品的明細、形狀特征等方面進行描述。對于VMS而言，要實現(xiàn)產品實施過程的全部繼承必須具備完整的產品模型。因此在虛擬制造中的產品模型不再是單一和靜止的，它可以運用抽象的技術實現(xiàn)各種模型面貌的提取。工藝模型主要指的是在制造過程中對產品的工藝參數和關于產品功能的各種因素進行聯(lián)系，最終實現(xiàn)對產品模型和生產模型之間相互作用的反映。
2.2虛擬制造技術中的仿真技術
仿真指的是通過計算機實現(xiàn)復雜現(xiàn)實系統(tǒng)的抽象化和簡潔化最終形成的系統(tǒng)模型，并且在仿真的基礎上對模型進行應用，最終得到相應的系統(tǒng)性性能分析。仿真主要以系統(tǒng)模型為主體的研究方法，它對實際的生產系統(tǒng)沒有直接的干擾作用，并且仿真系統(tǒng)可以對計算機的計算能力進行應用，實現(xiàn)在短時間內完成在實際工作中需要很長時間的工作，有效縮短了生產決策的時間，最大化地避免了對人力、物力和資金的投入以及浪費。計算機技術還有很好的仿真修復功能，最大化地保證了方案的最優(yōu)。仿真技術過程的主要步驟有系統(tǒng)研究、數據收集、系統(tǒng)模型建立、仿真算法的確定、仿真模型的計算、仿真模型的運行、結果的輸出和分析。仿真在產品的制造過程主要被分為制造的仿真和加工的仿真。在系統(tǒng)產品的開發(fā)中主要涉及的是產品建模、設計交互行為仿真等。方便對設計結果的評價，及時進行反饋，降低產品設計中的錯誤。加工過程的仿真主要有切削、裝配、檢驗及焊接、壓力加工和鑄造等。以上兩種仿真過程是相對獨立的，兩者不能實現(xiàn)集成，而VM中應建立全面過程的統(tǒng)一仿真。
2.3虛擬制造中的虛擬現(xiàn)實技術
虛擬現(xiàn)實技術的目的是改善計算機的交互方式，提高計算機的可操作性，它是在對計算機圖形系統(tǒng)和多種顯示以及控制等接口設備的基礎上，以交互的三維環(huán)境為人提供沉浸體驗的技術。虛擬現(xiàn)實技術主要由圖形系統(tǒng)和多種接口設備組成，使人在虛擬環(huán)境中感受到真實的沉浸感覺，交互性計算機系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基礎。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中有操作者、機器和人機接口。它幫助提升人和計算機間的和諧度，同時也是最有力的仿真工具。在VRS的作用下實現(xiàn)對真實世界的模擬。在用戶交互輸入以及輸出修改虛擬環(huán)境的條件下，使人達到身臨其境的沉浸感覺。VM的關鍵技術之一就是虛擬現(xiàn)實技術。
3機械虛擬樣機技術介紹
虛擬樣機技術在機械工程設計中被稱作機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術，它是20世紀80年代在計算機技術的快速發(fā)展中發(fā)展起來的一種計算機輔助技術。在計算機建立樣機模型后，對模型的多種動態(tài)性能進行具體的分析，最后對樣機方案實現(xiàn)改進。用數字化模型代替物理性的樣機。通過虛擬樣機技術的作用，簡化了機械產品的設計開發(fā)過程，有效縮短產品開發(fā)的時間，最大程度降低產品的開發(fā)成本和費用，實現(xiàn)產品質量和系統(tǒng)性能的提升，使設計產品實現(xiàn)最優(yōu)化和最具創(chuàng)新性。綜合以上優(yōu)勢，該技術一經出現(xiàn)就受到了眾多工業(yè)發(fā)達和高等院校及設計和生產企業(yè)的重視，許多著名的產品開發(fā)設計者都對該技術進行了引入并運用在自身產品的開發(fā)中，并且取得了極好的經濟和生產效益。在機械工程設計中應用仿真技術對零件進行設計、生產工序等方面的選用以及工藝參數、加工工藝、裝配工藝等構件的運動性等均可以實現(xiàn)建模仿真。
4虛擬制造技術在機械工程中發(fā)揮的優(yōu)勢
4.1強大的通用性和分析處理復雜問題的能力
虛擬樣機技術建立和發(fā)展的基礎是分析力學和多體運動力學，該技術的關鍵是對復雜機械系統(tǒng)進行自動建模。因此，大多數的虛擬樣機技術軟件主要運用的是帶約束乘子的微分代數混合方程。令每個構件都有六個自由度是它的核心，還要要求其對多余的自由度進行限制，實現(xiàn)其具有良好的通用性，達到適用性強的目的。與此同時，虛擬樣機技術還對機械系統(tǒng)的詳細環(huán)節(jié)進行考慮，具體指彈性、接觸和摩擦等因素。
4.2為機械系統(tǒng)建模帶來便利
傳統(tǒng)的機械系統(tǒng)建模中要先建立運動分析，隨后在運動分析的基礎上進行動力分析，這中間需要許多的圖形分析和公式推導。但是圖形的分析和公式的推導過程往往比較復雜，并且錯誤率高。同樣的建模過程中設計人員只需要將機械的構成方式和連接方法以及相應的物理參數實施輸入，其后的建模和求解只需要計算來完成就可以了，極大地幫助設計人員承擔了許多的設計難度。
4.3強大的后期處理能力
在傳統(tǒng)的分析方法上通常得出的是大量的數據，數據的理解還要依靠豐富的經驗和理論。但是運用虛擬樣機計算軟件為復雜性的數據提供了可視化技術，使得設計人員直觀地看到機械設計的性能和運動效果。
5結語
虛擬制造技術實現(xiàn)了現(xiàn)代工程機械工程設計領域中的設計、試制等一系列過程的直觀性。實現(xiàn)了在產品真正制造出來前，可以在虛擬的制造環(huán)境中生成產品的原型，更好地替代現(xiàn)實中的硬件產品，更方便地對設計產品的性能和可生產性進行評估，極大地縮短了產品的設計和生產周期，最大化地節(jié)約了產品開發(fā)的成本，保證產品的開發(fā)和設計可以適應市場的靈活性的變化。虛擬制造技術是現(xiàn)實技術和計算機仿真技術在機械制造中的綜合應用。在現(xiàn)代化計算機虛擬設計技術的幫助下實現(xiàn)對眾多產品的開發(fā)和設計，不僅不會造成實際物質的浪費，并且還能更直觀地了解產品生產的具體情況，打開了機械制造和設計的全新局面。
參考文獻
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〔正文〕
機械設計是機械類各專業(yè)的專業(yè)基礎課。同時，該課程也是工科類專業(yè)的基礎必修課。本課程在教學內容方面，著重基本知識、基本理論和基本方法，在培養(yǎng)實踐能力方面，著重設計構思和設計技能的基本訓練。在本課程學習中，綜合運用先修課程中所學的有關知識和技能，結合各種教學實踐環(huán)節(jié)及課程設計的基本鍛煉，為順利地過渡到學習有關專業(yè)課程及進行專業(yè)畢業(yè)設計打下良好的基礎。
機械設計課程設計是機械類專業(yè)和近機類專業(yè)學生在學完機械設計及同類課程以后所設置的一個重要的教學實踐環(huán)節(jié)，也是學生第一次較全面、規(guī)范地進行設計訓練機械設計教學的一個重要實踐環(huán)節(jié)。其主要目的是培養(yǎng)學生的理論聯(lián)系實際的設計能力，訓練學生綜合運用機械設計課程和其他先修課程的基礎理論并結合生產實際進行分析和解決工程實際問題的能力，鞏固、深化和擴展學生有關機械設計方面的知識；通過對通用機械傳動或簡單機械的設計，使學生掌握一般機械設計的程序和方法，樹立正確的工程設計思想，培養(yǎng)獨立、全面、科學的工程設計能力等；在課程設計實踐中，對學生進行設計基本技能的訓練，培養(yǎng)學生查閱和使用標準、規(guī)范、手冊、圖冊及相關技術資料的能力以及計算、繪圖、數據處理和計算機輔助設計等方面的能力等。
基于以上認識，結合近年我校機械設計課程體系、課程內容以及立體化教學模式的改革和重點課程建設，在學生機械設計課程設計和畢業(yè)設計實踐中，主要從機械設計課程設計的設計方法和手段的改進等方面進行了大膽的改革與實踐，逐步實施了從手工繪圖到二維AUTOCAD的應用最終到三維 CAD的過渡，在提高學生的設計能力和綜合素質方面得到了較好的效果。
一. 機械設計實踐的現(xiàn)狀
幾個世紀以來，人們用手工繪圖來表達自己的設計理念。圖紙作為工程師的語言，為工程設計技術人員之間進行有效的交流帶來極大方便。然而，隨著科學技術的發(fā)展，特別是計算機技術的廣泛應用，手工繪圖已不能滿足機械設計的要求?，F(xiàn)在，機械設計手段從20世紀70年代的手工繪圖轉向計算機繪圖，大大提高了繪圖效率和繪圖質量。
目前，CAD技術主要以二維繪圖軟件AUTOCAD為代表，在機械設計實踐中只是教會學生操作和繪制簡單的零件圖，而用AUTOCAD繪制裝配圖以及進行有關的工程分析是非常不便的且很難實現(xiàn)。為此，為了能夠方便地繪制裝配圖，在機械設計實踐教學和畢業(yè)設計中逐步地采用了CAXA電子圖版、開目CAD等二維繪圖軟件作為繪圖工具，輔助完成零部件設計。 當前，我國制造業(yè)已全面完成甩圖板工程，二維CAD技術的普及結束了手工繪圖的歷史，對減輕人工勞動強度，提高經濟效益起到了很明顯的作用。隨著技術的發(fā)展，CAD技術正從二維CAD向三維CAD過渡，有相當一部分CAD應用較早的企業(yè)已完成了從二維CAD向三維CAD轉換，并取得了巨大的經濟效益和社會效益。企業(yè)需要掌握三維CAD技術的專業(yè)人才，掌握三維CAD技術已成為工科院校畢業(yè)生最基本的要求。因此，在機械設計實踐教學中采用三維 CAD技術，已成為我們現(xiàn)在機械設計實踐教學改革的重要內容和亟待解決的問題。
二. 三維CAD關鍵技術
三維CAD造型技術也稱建模技術，它是CAD技術的核心。從20世紀60年代至今，三維建模技術的發(fā)展經歷了線框建模、曲面建模、實體建模、特征建模、參數化建模、變量化建模，以及當今正在研究的產品集成建模、行為建模等發(fā)展過程。三維CAD以三維造型設計為基礎，只要形成了三維模型，各種二維視圖唾手可得。三維CAD技術在產品的三維造型、虛擬裝配、工程圖生成、動態(tài)干涉檢驗、機構運動分析和動態(tài)仿真、有限元分析等方面帶來了革命性得突破，提高了設計效率和設計質量。三維設計的真正意義不僅僅在于設計模型本身，而是設計出模型的后處理工作。
三維CAD技術主要包括以下內容：三維造型/三維設計、計算機輔助工程分析、機構運動分析/仿真、裝配干涉檢驗、三維轉二維、圖樣檔案管理等。科技論文?？萍颊撐摹＠眠@種全過程的三維CAD系統(tǒng)完成設計以后，不僅使設計對象的幾何形狀和性能滿足要求，而且使各方面的指標（強度、剛度、重量和成本等）都達到最佳狀態(tài)，這是計算機輔助設計和輔助工程分析的根本目的。三維CAD符合設計者的思維習慣，可以充分發(fā)揮設計者創(chuàng)造力和想象力。三維 CAD技術不僅解決了產品設計和工程圖繪制的問題，更重要的是利用三維CAD技術實現(xiàn)產品的虛擬設計、運動仿真和優(yōu)化設計，所生產的三維零件可以直接與CAE/CAM/CAPP等CIMS技術進行數據交換和銜接，是將來實現(xiàn)無圖樣生產的關鍵技術之一，是實現(xiàn)虛擬制造的重要手段。掌握三維CAD技術的使用，已經逐步同使用計算機進行文字處理一樣，成為產品開發(fā)、設計人員的一種基本技能。
三、CAD技術的發(fā)展趨勢
隨著計算機性能的提高，網絡通訊的普及化、信息處理的智能化，CAD三維技術正向規(guī)范化、智能化、集成化的方向發(fā)展。
1. 規(guī)范化。ス娣痘(標準化)的趨勢體現(xiàn)在幾個方面：數據模型的規(guī)范化(標準化)、數據交換格式的標準化和CAD資源的規(guī)范化等。數據模型應采用STEP標準體系。隨著STEP標準體系的逐步完善，它對于幾何數據、工程數據模型的思想將作為新一代CAD系統(tǒng)的開發(fā)指南?？恳郧暗囊恍藴式涌谝呀洘o法完全滿足CAD數據交換的要求。目前，參數化特征模型的傳輸還是一個世界難題，在STEP標準基礎上，相信這一點能有所突破。
2.智能化。ヌ卣髟煨禿筒問設計的采用即是智能化方面的進步。軟件不僅僅是提供一些繪制的工具由人們去使用，也不再將占線面數據存儲在一起，而忽略其內在聯(lián)系。特征和參數的引入使得軟件似乎成為人類(用戶)一個更聰明的助手。科技論文。CAD軟件應該更大限度地將工程數據概念集成到數據模型中，例如目前，CAD軟件的特征模型主要是解決零件幾何造型的問題，而對于后續(xù)分析、CAPP和加工的需要還考慮得不夠。
3.集成化。ゼ成化是當今CAD技術發(fā)展的又一大趨勢。CAD技術不是孤立的。首先，它集成了計算機軟硬件、數據庫、外圍設備、圖形學、網絡及各個應用領域的技術。同時，它又不斷和CAM(計算機輔助制造)、CAPP(計算機輔助工藝流程規(guī)劃)、MIS（管理信息系統(tǒng))、PDM(產品數據管理)以及MRP(制造資源管理)等系統(tǒng)相集成。由于Internet的發(fā)展，使得這些設想得以實現(xiàn)。如何構造在Internet體系上的CAD/CAM集成化系統(tǒng)將會是人們追蹤的熱點。特別是在全球經濟一體化的背景下，并行工程、異地設計制造等概念的發(fā)展和應用，基于網絡、基于WEB的協(xié)同設計制造系統(tǒng)大受青睞?，F(xiàn)在已有一些標準，如解決異構系統(tǒng)平臺的XML和XML-3D，以及解決三維圖形、圖像在互聯(lián)網上傳輸共享的VRML標準相繼出臺，已經為我們在互聯(lián)網的構架下，建立協(xié)同設計和協(xié)同工作的環(huán)境打下了基礎。
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篇9
實驗教學不僅能幫助學生形成正確的概念，加深對規(guī)律的理解，而且與課堂理論教學相比，實驗課程為培養(yǎng)和提高學生的動手能力、研究能力、創(chuàng)新意識提供了較好的途徑。因此，實驗課程在學科教學中具有不可替代的作用。隨著高等教育的普及，對實驗資源的需求與目前存在的實驗條件不足之間的矛盾日益突出。虛擬實驗系統(tǒng)的出現(xiàn)，很好地解決了這一問題。但是，目前現(xiàn)有的虛擬實驗系統(tǒng)主要存在以下問題：
(1)呈現(xiàn)方式上以提供實驗的文字和圖片資料為主。這些文字和圖片資料涉及實驗原理、實驗方法、實驗儀器的介紹，學生更多的只是停留在“看”的層次上，這在一定程度上不能激發(fā)學生學習的興趣，不利于實驗動手能力的培養(yǎng)。
(2)用戶與虛擬實驗的交互性不強。虛擬實驗系統(tǒng)多以提供實驗操作過程的視頻和動畫為主，主要呈現(xiàn)演示型實驗，學生參與實驗操作較少。
(3)實驗結果多以靜態(tài)圖像形式呈現(xiàn)，這在一定程度上影響了實驗者的沉浸感。
虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality)技術的發(fā)展，為利用虛擬實驗系統(tǒng)開展教學注入了新的活力。虛擬現(xiàn)實技術能為學生提供生動、逼真的三維學習環(huán)境, 學生作為一名參與者操縱該環(huán)境中的實驗對象。該虛擬環(huán)境具有豐富的媒體表現(xiàn)形式、增強的現(xiàn)實感，這對調動學生的學習積極性, 突破教學的重點、難點，培養(yǎng)學生的技能將起到積極的作用。虛擬現(xiàn)實建模語言VRML(Virtual Reality Modeling Language)是一種用于描述三維物體及其行為的建模語言，它可以構建虛擬世界，并集成文本、圖像、音響、MPEG 影像等多種媒體類型。在VRML中雖然可以嵌入Vrmlscript、Javascript 等語言編寫的程序代碼，但它本身并沒有直接和用戶進行交互的能力，需要與其他語言結合才能實現(xiàn)三維場景和用戶交互的要求。因此，為了構建功能強大的三維虛擬實驗系統(tǒng)，有必要對現(xiàn)階段VRML語言與其他軟件的交互方式進行探討。
二、虛擬現(xiàn)實建模語言及其特點
VRML是一種三維場景的描述性語言，使用它能在Web上創(chuàng)建可導航的、超鏈接的三維虛擬現(xiàn)實空間。虛擬現(xiàn)實建模語言的出現(xiàn)，改變了Web頁面限于二維空間的表達方式，創(chuàng)造了交互式瀏覽的三維空間。VRML并不是用三維坐標點的數據來描述三維物體的，而是用類似HTML標記文本語言來描述三維場景。它以靈活多樣的方式將二維、三維圖形和動畫、影片、聲響、音樂等多種效果調和在一起，具有對內的樹型場景結構和對外的分布式場景結構，提供了可重用的節(jié)點和原型，便于建模。用戶在場景中可以根據不同的視點巡視，有很大的自由度。[1]VRML文件包括兩大部分，場景描述部分和動態(tài)交互處理部分。場景描述部分主要通過造型(shape)結點定義了對象的幾何尺寸、材質紋理，通過組(Group)結點將各個對象按一定的結構組織為場景，通過光照及聲音結點在場景中模仿對象的自然特性。動態(tài)交互處理部分主要通過傳感器(Sensor)結點感知用戶與對象的交互，插值器(Interpolator)結點實現(xiàn)類似關鍵幀技術的插值動畫，Script結點是VRML與Java、JavaScript等語言的接口，通過Script結點與其他語言的結合，能擴展VRML的功能。[2]VRML有以下特點：
1.C/S的工作模式和平臺無關性。VRML的訪問方式是基于C/S模式的，其中服務器提供VRML文件及圖像、視頻、聲音等支持資源，客戶通過網絡下載希望訪問的文件，并通過本地平臺上的VRML瀏覽器交互式地訪問該文件描述的虛擬世界。由于瀏覽器是本地平臺提供的，從而實現(xiàn)了平臺無關性。
2.實時3D圖形渲染。實時3D著色引擎在VRML中得到了更好的體現(xiàn)。
3.網絡傳輸容易。VRML適合于計算機網絡的傳輸，并不要求很高的網絡傳輸帶寬，而且圖形生成的工作可以放在性能要求不高的客戶機上。
4.VRML具有可伸縮性。首先對于 VRML 瀏覽器來說，從理論上講，應能處理由數億個對象組成的分布在 Internet 上的場景。其次，VRML在高、低檔的機器上都應該工作得很好，它允許瀏覽器為了提高性能而降低圖像或仿真質量，而在硬件性能增強時質量可以變得更好。第三，VRML場景可以相對于網絡性能而伸縮。
三、三維虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā)軟件的三種交互
雖然VRML語言具有以上優(yōu)點，但由于他本身缺乏直接和用戶進行交互的能力, 所以在開發(fā)三維虛擬實驗系統(tǒng)時，常常需要將他與其他語言相結合。針對目前常用的三維虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā)技術，筆者對三種交互方式進行了分析。
1.VRML與Java交互
VRML作為面向對象的建模語言，長于表達三維物體的靜態(tài)特征，但其VRML本身不具有與外部交互的能力，它必須和其他語言相結合才能構造出具備交互能力的三維場景。為了實現(xiàn)與外界更復雜的交互，VRML2.0標準提供了兩種擴展VRML并和外部程序實現(xiàn)連接的機制，一種是通過Script節(jié)點完成復雜的交互過程，另一種是通過外部編程接口EAI實現(xiàn)。
(1)通過Script節(jié)點與外部交互
Script節(jié)點本身沒有任何動作，其動作是由程序腳本來實現(xiàn)的，它是VRML與其他編程語言的接口。內嵌在Script節(jié)點中的程序腳本可用JavaScript 和Java 編寫，其交互過程是，Script節(jié)點通過eventIn接口將事件傳至Script節(jié)點中的程序腳本;瀏覽器就立即調用內嵌程序腳本將事件進行處理;被加工的信息由Script節(jié)點的eventOut字段將結果送出。
VRML瀏覽器捆綁了用于VRML編程的Java類包，該VRML類包主要包括vrml，vrml.node，vrml.field，還有一個可以操縱瀏覽器狀態(tài)的Browser類。通過調用這些類包，Java程序可以實現(xiàn)與VRML場景的交互。雖然利用Script節(jié)點可以實現(xiàn)瀏覽者與VRML場景的動態(tài)交互，但這種交互只能按預先設定的狀態(tài)進行，如果要在外界與VRML場景之間進行信息交流，Script 節(jié)點就顯得力不能及了。
(2)通過EAI與外部交互
EAI(External Authoring Interface)是VRML2.0提供的介于VRML世界與外部環(huán)境的編程接口，通過此接口VRML場景可以和與其嵌在同一網頁上的Java Applet程序進行交互。Java Applet可以監(jiān)視VRML場景事件，并能夠在節(jié)點間傳遞事件，實現(xiàn)VRML節(jié)點的動態(tài)增加和刪除，同時可以在瀏覽者與VRML場景間傳遞信息，從而大大提高了外界與VRML場景的交互能力。VRML的EAI接口定義了一套針對VRML瀏覽器的Java類包，它由三部分組成：vrml.external，vrml.external.field，vrml.external.exception。
EAI在Java Applet與VRML場景進行通訊時，首先需要獲取Browser類的實例, 通過調用封裝在vrml.external包中的Browser類的靜態(tài)方法getBrowser( )來實現(xiàn)，在Java Applet中建立Browser對象后即標識了一個VRML場景。Browser類包含獲取當前瀏覽器環(huán)境信息的各種方法，其中通過調用getNode( )方法直接獲得VRML場景中使用DEF關鍵字定義的節(jié)點對象，調用getEvent In( )、getEvent Out( )方法獲得訪問節(jié)點的入事件、出事件。 眾多學者對利用VRML與Java技術混合開發(fā)的三維虛擬實驗系統(tǒng)進行了研究。如金俠杰等人基于VRML技術與Java技術開發(fā)了網絡交互式虛擬裝配環(huán)境;池建斌等人通過VRML外部編程接口EAI及內嵌腳本節(jié)點編程，實現(xiàn)了二級圓柱齒輪減速器虛擬拆裝系統(tǒng);吳波等人基于VRML與Java技術在工程設計領域的應用進行了研究，提出一種新型的Web環(huán)境下3D交互仿真結構，復雜的運算和仿真在服務器上進行，從而實現(xiàn)服務器端裝配模型和客戶端顯示模型的分離，并在此基礎之上提出協(xié)同環(huán)境開發(fā)的系統(tǒng)結構。[3][4][5] 此外，楊雨標等運用VRML與Java技術在微機上進行機器人運動仿真。 [6] 分析以上系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，VRML技術與Java技術相結合實現(xiàn)三維虛擬實驗系統(tǒng)具有較強的三維立體感和交互性，常用于虛擬裝配及其他工程設計領域。
2.VRML與Matlab/Simulink交互
利用Matlab提供的虛擬現(xiàn)實工具箱，可以實現(xiàn)和VRML程序的直接交互。虛擬現(xiàn)實工具箱是Matlab 6.X版新增加的工具箱，能在一個三維虛擬現(xiàn)實環(huán)境中進行可視化操作和與動態(tài)系統(tǒng)進行交互提供一種有效的解決方案，這些動態(tài)系統(tǒng)用Matlab和Simulink來描述。[7] 虛擬現(xiàn)實工具箱拓展了Matlab和Simulink處理虛擬現(xiàn)實圖像的能力。使用標準的VRML技術，可以通過Matlab和Simulink環(huán)境生成三維場景。
虛擬現(xiàn)實工具箱可以在Matlab接口和Simulink接口兩種環(huán)境中運行，而Simulink接口更直接、更容易使用，很容易通過圖形用戶界面進行交互，因而可能是更適合的工作方式。通過Simulink這一接口，可以在一個虛擬的三維模型中觀察動態(tài)系統(tǒng)的模擬。一旦在Simulink對話框中包含了虛擬現(xiàn)實模塊，就可以選擇與Simulink信號連接的虛擬世界。所有VRML節(jié)點的屬性分別列在等級樹樣式的觀察窗口中，可以選擇控制的自由度。當關閉接口對話框后，虛擬現(xiàn)實工具箱模塊自動更新在虛擬世界中與選擇節(jié)點有關的輸入和輸出。當連接這些輸入到一定的Simulink信號上時，就可以在一個支持VRML的瀏覽器中觀察可視化的模擬。
使用Matlab的虛擬現(xiàn)實工具箱開發(fā)三維虛擬實驗系統(tǒng)具有以下特點：(1)利用Matlab虛擬現(xiàn)實工具箱，能夠將枯燥的VRML編程變?yōu)榭梢暬幊蹋喕颂摂M場景的設計。(2)Matlab /Simulink是專用的計算軟件，在實驗數據計算方面表現(xiàn)出極強的優(yōu)勢。(3)通過Simulink接口，很容易實現(xiàn)與三維圖形用戶界面的交互。但是如果在本地機上使用實驗系統(tǒng)，需要在本地機上安裝Matlab/Simulink、虛擬現(xiàn)實工具箱以及VRML編輯器、Web瀏覽器和VRML插件。如果本地機上不能安裝Matlab/Simulink，用戶也可以通過遠程機來觀察和控制三維虛擬世界。當然，要求遠程機上所有的組成部分都需要支持標準的VRML97軟件。通過Matlab Web Server功能也可以實現(xiàn)三維虛擬實驗環(huán)境的遠程訪問。用戶可以通過客戶端瀏覽器瀏覽包含有虛擬場景和相應表單的頁面，瀏覽虛擬實驗場景的同時可以在表單中修改實驗參數，點擊發(fā)送后，客戶端的參數通過HTTP協(xié)議傳送給Web服務器, 由matweb.exe將參數提取出來，再傳送給指定的M文件。該M文件對matweb傳送來的數據進行運算后傳送到Simulink仿真模型中去，以改變虛擬場景的運行。
3.VRML、Java以及Matlab三者交互
使用VRML、Java以及Matlab軟件混合開發(fā)的三維虛擬實驗系統(tǒng)主要有兩種，一是針對Matlab虛擬現(xiàn)實工具箱與VRML程序交互的局限性，采用Java編程擴展Matlab虛擬現(xiàn)實可視化交互功能。這種方案結合了前兩種交互方式的優(yōu)點，有效地運用Matlab虛擬現(xiàn)實工具箱實用的建模環(huán)境和Java 擴展的人機交互性，在三維虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā)中具有廣闊的應用前景。二是直接采用VRML、Java以及Matlab/Simulink三種軟件之間的接口編程。采用Java Applet程序和VRML構建的3D場景實現(xiàn)用戶界面，利用Java套接字，通過部署在客戶端的Java Applet和服務器端Java應用程序實現(xiàn)客戶端與服務器端的傳輸。運用Matlab/Simulink進行實驗建模和運算，并利用Matlab的COM接口實現(xiàn)與服務器端的Java連接，將客戶端實驗參數傳送到Matlab/Simulink中進行仿真運算，運算結束后再將實驗結果傳送回客戶端。該方案采用B/S結構，滿足了網絡實驗教學的需要。客戶端只需一個集成Java虛擬機的瀏覽器即可運行實驗，同時由于網絡虛擬實驗內容存放在服務器端，易于實驗功能擴展和管理。此外，該方案特別適用于復雜實驗模型的仿真。
使用VRML、Java以及Matlab軟件開發(fā)的三維虛擬實驗系統(tǒng)具有以下優(yōu)點，在呈現(xiàn)方式上采用3D技術，豐富了媒體的表現(xiàn)形式，增強了學生實驗的臨境感;由于實驗模型的計算采用的是專用的計算軟件，在實驗數據計算方面也表現(xiàn)出極強的優(yōu)勢;系統(tǒng)能根據實驗數據動態(tài)地顯示三維實驗模型的運動，并以相圖等形式呈現(xiàn)實驗結果。實驗過程和實驗結果的直觀化、形象化，能夠促進學生對實驗的深入探究，提高其問題解決能力。
四、結束語
三維虛擬實驗系統(tǒng)拓展了實驗教學的時間和空間，提高了教學效率，不僅可以作為課堂實驗教學的補充，而且為遠程教育中實驗教學的開展注入了新的活力，因而具有良好的應用前景。本文介紹了三維虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā)過程中常用軟件的三種交互方式，對各種交互方式進行了分析，希望對廣大開發(fā)者有所啟發(fā)。
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文章編號：1672-5913(2007)13-0031-03
引言
機械測繪課程設計是我國高校機械類和電機類專業(yè)普遍開設的一門重要實踐課程，是機械制圖教學中一個重要后續(xù)環(huán)節(jié)，要求學生利用一周時間，對典型的機械設備進行工作原理分析，拆卸、安裝并使用簡單的測繪工具如鋼板尺、游標卡尺、內外卡鉗、各種螺絲刀等對各個零件進行測量，畫出零件圖和裝配圖并標注尺寸，填寫明細表和技術要求。其目的是加強、鞏固、深化、擴展課堂教學的理論知識，培養(yǎng)學生實踐動手能力及操作能力，進一步提高學生分析問題和解決問題的水平。但是傳統(tǒng)的手工測繪和計算機二維繪圖的實踐方式已經落后于時代，手工測繪工作量大，重復勞動較多，修改復制不方便，學生普遍興趣不高。以AutoCAD為代表的二維繪圖軟件一度成為計算機繪圖和輔助設計的首選軟件，在高校機械測繪教學實踐中得到普遍應用，但是近年來隨著計算機技術，三維彩色圖像仿真技術和軟件編程技術的飛速發(fā)展，計算機繪圖已從二維平面圖發(fā)展到三維立體圖，機械計算機輔助設計也從二維設計發(fā)展到三維設計。當前不少CAD應用系統(tǒng)已經將設計、繪圖、分析、仿真、加工等一系列功能集成于一體，并在國內外得到廣泛應用。因此對機械測繪課程設計的改革迫在眉睫，讓學生在機械測繪的繪圖實踐中就掌握三維CAD軟件的應用尤為重要。
1使用三維建模和設計軟件的優(yōu)點和必要性
(1) 隨著先進數控設備及大量的CAD/CAM/CAE軟件的不斷涌現(xiàn)，設計、分析、加工、檢測等功能一體化已經成為現(xiàn)代制造技術的基本特征，工程圖樣是CAD/CAPP/CAM/ERP各個模塊間的重要的信息載體，它不僅表達產品的幾何構造，還是對產品性能進行分析和優(yōu)化，對設計結果進行模擬和驗證及工程數據管理的重要基礎，二維圖樣已遠不能滿足要求，而能夠完成這一系列制造工程的信息載體只能是三維模型。
(2) 三維設計符合人的思維過程。設計師在設計時，總是先構思，后表達，即先構思出產品的形狀，然后再將構思出的產品形狀表達出來。由于在腦海中構思出的產品形狀是三維的，因此，畫三維立體圖符合設計師的創(chuàng)新意識流，有利于設計的深入進行。
(3) 由三維設計得到的三維立體圖具有直觀、易于理解等特點，便于與他人進行技術交流，甚至可以與不懂機械制圖的人們交流。
(4) 有利于獲得復雜的幾何造型，如截交、相貫、不規(guī)則復雜曲面等。
(5) 可以在計算機上對零件進行力學分析、虛擬加工、虛擬裝配，檢驗零件的裝配情況，從而減少制造昂貴的產品樣機的數量。
2國內外較流行的三維建模和設計軟件
目前不少公司和高校都從事機械三維設計軟件的開發(fā)，推出了不少各具特色的軟件，當前較流行的國內外軟件有：Unigraphics Solutions公司的UGⅡ、 SDRC公司的IDEAS、Dassult公司CATIA、PTC公司的PRO/E、MATRA公司的Euclid、CV公司的CADDS5、Solidworks公司的Solidworks、Autodesk公司的MDT和Inventor、北航海爾的CAXA，華中軟件集團的InerCAD、開目軟件公司的開目CAD等。
筆者所選擇的Solidworks軟件，是一個美國Solidworks公司開發(fā)的基于Windows平臺的CAD軟件，有較強大的三維建模、工程圖繪制、動畫制作和模型渲染功能，以其為核心集成的CAD/CAM/CAM系統(tǒng)可較好滿足產品設計、分析、制造、產品數據管理的一體化要求，并能與其他CAD/CAM/CAE軟件達到無縫連接和集成。該軟件在較短時間得到了企業(yè)和高校的認可，在上海，該軟件已成為不少單位招聘機械崗位員工的基本需求之一，上海十多所工科高校自2000年開始連續(xù)舉辦和參與SolidWorks軟件應用大賽，在美國筆者進修的加州大學機械工程專業(yè)的課程設計和畢業(yè)設計中也得到普遍使用。
3應用Solidworks軟件的齒輪減速器各零件的三維建模
齒輪減速器就是各高校普遍采用的測繪對象，它由齒輪、齒輪軸、軸、滾動軸承、鍵等零件安裝在封閉的箱體內組成，是工程上具有典型性和代表性的部件。
3.1箱座的三維建模
箱座是減速器的主要零件之一，主要用來支承和固定其他零件。如圖1所示，結構有一定復雜性，在三維建模前，首先進行形體分析，如將其分為箱座主體、內腔、底板、箱體聯(lián)接凸緣、加強肋、螺栓凸臺、回油溝、吊耳、排油孔等部分，然后就可以應用Solidworks進行三維實體建模，通過各種二維繪圖和編輯操作產生二維圖形，通過二維圖形拉伸、旋轉、薄壁特征、抽殼、打孔以及三維編輯等操作來實現(xiàn)三維實體建模，且Solidworks的實體建模為基于特征的參數化建模，采用樹狀結構來記錄設計歷程中的每一步特征，可以對特征的狀態(tài)和創(chuàng)建順序進行修改、回溯到某一特征然后繼續(xù)進行造型，并支持創(chuàng)建特征庫，可以將一些常用特征存在特征庫中，以后再使用時只需定位和輸入某些尺寸數值即可完成特征的創(chuàng)建。
3.2螺紋緊固件的三維建模
螺紋緊固件是廣泛使用的標準件，減速器各零件中，除螺釘、螺栓、螺母等標準件外，箱體、箱蓋、通氣塞、排油螺塞等多個零件都有螺紋，在AutoCAD等軟件中，精確繪制螺紋有一定的困難，采用Solidworks軟件，相對就比較方便，首先繪制好輪廓和路徑，然后利用掃描工具就可精確構造出螺紋的三維結構，圖2是通氣塞三維模型渲染圖。
4減速器的三維裝配
該齒輪減速器的三維裝配比較復雜，關鍵在裝配時要明確各個零部件間的位置約束關系，如對齊、重合、平行、相切、同軸等，并注意裝配的前后順序，可將其分為主動軸系零件：主動齒輪軸、滾動軸承、擋油環(huán)、調整環(huán)、主動軸透蓋、主動軸悶蓋等；從動軸系零件：從動軸、齒輪、滾動軸承、定位套筒、調整環(huán)、從動軸透蓋與從動軸悶蓋等；箱座及其附件：油標小蓋、反光片、油面指示片、螺釘、油塞等；箱蓋及其附件：窺視孔蓋、通氣塞、螺釘、螺母等；一一裝配，然后再集中安裝。圖3是該減速器三維裝配整機渲染圖，Solidworks裝配較為靈活，采用樹形方式表達裝配體中的層次和約束關系，采用SmartMate方法，在動態(tài)拖動零部件的同時，可自動捕捉適當的配合關系，進行裝配。同其他CAD三維軟件，在進行零件間三維裝配時，可進行零部件之間的干涉檢查，計算裝配體的各種物理屬性。
裝配爆炸圖是將裝配到一起的零部件分別移開，使設計人員可以更好地對裝配結構和裝配關系進行分析和觀察。現(xiàn)在不少CAD三維軟件，都可形象地模擬出裝配體各零件間的裝配和拆卸過程，并直接轉化為動畫，如圖4是采用Solidworks制作的減速器整機爆炸圖。該軟件除可自動根據裝配關系生成爆炸圖外，還提供了自動和手動相結合的方法生成爆炸圖，在手動調整中可以對每個零件移出的方向、距離等進行設定。
5工程圖
現(xiàn)在，絕大多數的CAD三維軟件，可直接從三維模型投影產生各種工程圖，包括標準三視圖、軸側圖、向視圖、各種剖視圖、局部視圖等及相關的尺寸與標注，且工程圖和三維模型可相關聯(lián)，改變某張工程圖紙中的機件的局部結構和大小，相關聯(lián)的三維模型和其他圖紙也同時發(fā)生變化。當然，國外的CAD三維軟件的制圖標準與我國制圖標準不一致，在由減速器三維模型轉化為工程圖紙時，需根據我國國標對視圖中的某些線條和尺寸標注進行調整，標注相應的工程符號，即可完成減速器的零件圖和裝配圖。
結論：
在機械測繪課程設計中結合Solidworks等三維CAD軟件，不僅可以提高學生機械測繪能力和制圖技能，而且有利于培養(yǎng)學生動手實踐能力及用計算機進行機械造型的能力，開闊學生的專業(yè)視野，提高學生的學習興趣和工程素養(yǎng)，為后續(xù)專業(yè)課程如機械設計、機械制造、計算機輔助設計與制造、計算機圖形學、有限元分析等學習打下基礎，同時對引進設備的消化、吸收、改造也有積極的現(xiàn)實意義。
參考文獻：
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篇11
一、 基于應用型人才培養(yǎng)的工程圖學教學目標
為達到“厚基礎、寬口徑、重能力、高素質、強能力、具有創(chuàng)新精神”的應用型人才模式培養(yǎng)目標，使學校所培養(yǎng)的學生適應地方經濟發(fā)展和社會需要，不妨借鑒英國的機械類教育模式，即在教學中強調一個“用”字，一切以將來的實際應用為目標，對任何一門課程，都要求教師努力做到讓學生在學習了這門課程之后即可運用所學的知識解決生產中的某些實際問題，這就要求每門課程設定的目標較清晰，讓學生了解這門課程所學習的知識和培養(yǎng)的技能將來在社會工作中有何用途。為此，我們設定了如下明確的課程教學目標：一是熟練運用投影理論并遵照國家標準規(guī)定繪制和閱讀工程圖樣；二是具有工程圖學思維能力和工程圖學素質，包括形象思維能力、圖形表達能力、空間想象能力和嚴謹細致的工程素質；三是熟練運用某種cad軟件進行二維繪圖和三維構型設計。
二、 構建符合人才培養(yǎng)目標的理論教學體系
教學體系直接反映了教學目的和培養(yǎng)目標,是培養(yǎng)學生綜合素質和創(chuàng)新能力的核心環(huán)節(jié)。在教學過程中，我們把基本理論、創(chuàng)新能力、綜合素質的協(xié)調發(fā)展作為教學目標，在學時少的情況下，不過于強調知識的完整與系統(tǒng)，對教學體系進行了重新優(yōu)化和整合。
（一） 畫法幾何部分強調基礎理論作用，淡化其難度
畫法幾何是滿足工程設計的需要誕生的，它為工程和科學技術各個領域解決機械結構、空間幾何及工程設計等問題提供了可靠的理論依據及解決問題的有效手段，可提高學生的空間想象能力和邏輯思維能力。但是，長期以來畫法幾何占用了大量的教學時間，因此，在教學中，我們重點講清點、線、面和立體投影的基本理論，為學生學習工程制圖打下基礎，不強調畫法幾何的深度和廣度，對于圖解法、在三維建模時自動生成的截交線和相貫等比較抽象、難度較大的部分適當刪減，剩余內容留作自學，學生可以根據自己的掌握情況選擇取舍，教師可以給予相應的指導，做到因材施教。
（二） 工程制圖部分重在工程實踐和實際應用
工程制圖的基本目的是培養(yǎng)學生利用二維圖形表達三維形體的能力、閱讀和繪制工程圖樣的能力。這是一個從“畫法幾何”理論到“工程圖樣”應用實踐的跨越過程，而工程制圖的實質內容就是零件圖、裝配圖兩大部分，教材中各章節(jié)都應該圍繞這兩個部分展開。授課時，首先采用現(xiàn)場教學的方式，在實驗室和實訓中心，甚至帶學生到校外實習基地，讓學生直接感受、觀察、裝拆、測繪或模擬工程安裝，使學生對零件圖、裝配圖的實用性這一特點有一個清楚的認識。
關于零件圖部分，主要通過多個實例的講解，把重點放在機件的表達方法、表面粗糙度、公差與配合等主要內容的實際應用上，對于尺寸標注和和專業(yè)課程密切相關，在此只是復習組合體尺寸標注部分，適當介紹一些常見工藝結構如鑄造圓角、退刀槽等的標注方法。技術要求部分則重點介紹書寫格式及其在圖樣上的標注方法，對有關符號的含意和選用只作簡介，由學生自學。
關于裝配圖，在圖形表達部分，重點介紹裝配圖表達方法的特點，即規(guī)定畫法和特殊表達方法。尺寸標注重點講解裝配圖中必要尺寸與零件圖中完整尺寸標注的不同，通過舉例說明性能尺寸、安裝尺寸及裝配尺寸等，使學生了解其標注的重要性，在后續(xù)課程學習和應用中引起重視。技術要求中配合符號在裝配圖中的標注及其與零件圖的關系要向學生講清楚，其余留待學生自學和后續(xù)課程講解。讓學生明確標題欄中的名稱對看裝配圖的重要性以及明細表中零件的名稱及材料對看圖和拆圖的重要性。
（三） 加強利用cad軟件進行三維構型的教學
在制造業(yè)中，設計人員在設計過程中實際是先在大腦中形成空間形體模型，然后運用投影法進行表達，畫出平面圖樣，而生產技術人員首先閱讀工程圖樣，然后通過空間想象，把圖樣中的內容轉化到空間去，構建出三維形體后再按尺寸和技術要求進行加工生產，因此，在設計制造過程中，三維構形貫穿始終。但根據我國目前機械裝備現(xiàn)狀，采用三維實體建模設計的企業(yè)絕大部分還只在產品的設計、研發(fā)、分析等環(huán)節(jié)采用三維技術，而最終的生產制造環(huán)節(jié)還要將其轉換為二維圖樣進行生產，從我國制造業(yè)發(fā)展縱向分析，工程形體的三維造型表達完全取代二維圖樣還需要一個過程，因此，在教學中要做到制圖基礎與實體構形相結合，零件圖繪制與零件實體造型相結合，裝配圖繪制與虛擬裝配相結合，常用零件的畫法與相應零件的實體模型相結合，三維造型設計與制造、分析相結合。
三、 構建符合人才培養(yǎng)目標的實踐教學體系
工程圖學是一門實踐性很強的技術基礎課,只有通過實踐,讓學生盡快將圖學知識轉化為圖學能力，學生的創(chuàng)新素質和應用能力才能得到提升，因此，我們構筑的實踐教學體系主要有以下幾方面：
（一） 徒手繪圖、儀器繪圖、計算機繪圖基本技能訓練
在儀器測繪、討論設計方案、技術交流、現(xiàn)場參觀時，受現(xiàn)場條件或時間的限制，經常繪制草圖，草圖對于捕捉設計靈感，現(xiàn)場記錄，加速新產品的設計、開發(fā)，幫助技術人員組織、形成和拓展思路非常有用。儀器繪圖既是工程技術人員的必備基本技能，又是學習和鞏固圖學理論知識不可缺少的方法，在計算機繪圖技術廣泛應用的今天，仍然必不可少。因此，在教學中，徒手繪圖、儀器繪圖和計算機繪圖一樣作為基礎平臺，貫穿在教學的全過程。
（二） 部件測繪動手環(huán)節(jié)
在部件測繪動手環(huán)節(jié)中，學生通過測繪方法的確定、尺寸數據的獲取及處理、公差與配合、工量具的正確使用、裝配圖的表達方案的最優(yōu)選擇等內容，增強工程意識，理論與實踐相結合，為提高學生的圖學能力和工程應用能力打下了基礎。
（三） 三維構形設計
三維構形設計就是在給出一定約束條件的前提下，讓學生通過自己的想象、分析，構思三維形體，自主進行組合體、零件和裝配體的設計以及計算機輔助造型等一系列設計，采取自由創(chuàng)作和發(fā)現(xiàn)、收集、分析、比較案例的實踐方式，培養(yǎng)創(chuàng)新設計能力，從而促進學生圖學素質和創(chuàng)新素質的提升。
綜上所述，培養(yǎng)工程應用型人才應強調學用結合，在工程圖學教學中應重點突出“學以致用”，而不是主要強調知識的完整性和系統(tǒng)性。筆者面向企業(yè)應用與技術創(chuàng)新，推動工程圖學教育改革，使畫法幾何、工程制圖、計算機繪圖三部分內容融會貫通，徒手繪圖、儀器繪圖、計算機繪圖三種繪圖能力全面培養(yǎng)，機電產品、工程項目、軟件系統(tǒng)三種形態(tài)對象協(xié)調應用，加強測繪和設計環(huán)節(jié)教學，并且在教學中注重充分發(fā)揮教師的主導作用和學生的主體作用，采用啟發(fā)式、討論式、案例式等教學方法，為學生圖學能力的提高和勝任相關工作奠定了良好的基礎。
參考文獻：
篇12
航空發(fā)動機是飛機的關鍵部件，而葉片類零件則是航空發(fā)動機的核心零件之一，也是發(fā)動機研制和批產的“瓶頸”環(huán)節(jié)。其特點是結構復雜、品種、數量繁多，對發(fā)動機的性能影響大、設計和制造周期長、工作量大。由于葉片類零件種類多，葉型、榫頭的形狀復雜，其工裝設計也相對復雜。有效的工裝設計可以提高工裝設計效率、提高工裝(包括零部件)重用度、縮短工裝制造周期、降低工裝制造成本。
目前工裝設計選擇的cad平臺主要以電子圖板方式在企業(yè)工裝設計領域使用，即人工進行工裝結構設計、參數計算，然后利用cad軟件平臺進行繪圖、出圖。其中大部分企業(yè)采用二維cad基本上只解決工裝繪圖問題，起到了電子圖板的作用，但是參數化功能不足，設計效率低。而極少數采用三維cad軟件的企業(yè)由于三維實體造型速度慢，三維實體模型虛擬裝配繁瑣，輸出符合國標的二維工程圖速度更慢等因素并沒有在工裝設計中切實的發(fā)揮出三維cad軟件強大的實體造型和參數化驅動等功能。
基于上述的工裝設計的實際情況，提出以壓氣機葉片為對象，開發(fā)工序數模驅動的葉片類零件的工裝設計系統(tǒng)。本系統(tǒng)的設計思想是基于航空發(fā)動機中不同級的葉片，很大一部分在拓撲結構上一樣，裝夾方式也相同，只在尺寸上有差異，如圖1所示。因此設計這些葉片的工裝時，采用基于實例的三維工序驅動的設計方法，即實現(xiàn)工序數模驅動下的工裝數模自動進行尺寸調整，形成新的工裝數模，并通過設計者局部小的修改后，形成最終的滿足要求的新工裝。
1系統(tǒng)特點
本系統(tǒng)與翼寵cad彰工裝設計相比，具有以下的特點。
1．1實現(xiàn)工藝工裝并行設計
傳統(tǒng)的工藝過程設計和夾具設計過程是相分離的，通常由工藝設計部門進行零件的工藝設計，生成詳細的加工工序后，將有關信息傳遞給工裝設計部門，由它完成工裝設計。然而，建立基于面向工裝設計的工藝成熟度模型，在pdm產品數據管理平臺上，直接使用同一數據源三維模型，定制工藝、工裝并行設計業(yè)務流程，從而實現(xiàn)工裝工藝的并行設計。
1．2三維工序數模驅動工裝設計
其核心思想是通過工序數模中包含的工藝特征信息(如基準特征信息、定位及夾緊基準信息、精度特征信息、材料特征信息和管理特征信息等)來驅動工裝中的相關組件，使這些組件在空間位置和尺寸上做相應的調整，從而達到自動生成新工裝的目的。
1．3基于pdm的集成化工裝數據管理
基于pdm平臺，建立單一數據源的工裝數據庫，保證工裝數據的唯一性、實時性、有效性和安全性。工裝基礎數據和信息包括：產品信息、工藝信息、已有工裝信息、工裝標準件庫、典型構架．結構庫、加工設備接口信息，工裝設計經驗知識等。通過對工裝基礎數據和信息的有效組織和利用，創(chuàng)造能讓工裝設計人員迅速、有效地掌握和借鑒已有工裝設計經驗的環(huán)境，從而提高工裝設計速度。
2系統(tǒng)體系結構
基于上述特點，本系統(tǒng)以oracle為底層數據庫，以tcenterprise(pdm)為數據管理平臺，以ugnx3．0為cad支撐系統(tǒng)，采用ug／openapi對ug進行二次開發(fā)，運用參數化建模方法和專家系統(tǒng)等技術，實現(xiàn)工裝的快速設計；所有工裝數據全部基于pdm系統(tǒng)實現(xiàn)統(tǒng)一管理，保證工裝數據的唯一性、實時l生、有效性和安全性。
基于以上思路，本系統(tǒng)由工序模型設計子系統(tǒng)、工裝設計子系統(tǒng)、工裝實例添加子系統(tǒng)三部分組成，具體系統(tǒng)體系結構，如圖2所示。
3系統(tǒng)工作流程
系統(tǒng)采用工序數模驅動的工裝設計方法，其工作流程，如圖3所示。
3．1建立新的工序數模
這是新工裝設計的驅動力，是工裝模型進行自適應變化的信息來源。
3．2建立典型工裝裝配體模型
這是新工裝設計的基礎，即典型實例模型將根據新工裝數模中的信息做相應的變化，形成新的工裝模型。
3．3新工裝的形成過程
新工裝的形成過程主要是在新工序數模驅動下的自動化過程。首先，需要找到合適的典型工裝；然后，將這個工裝裝配體模型另存為新名字，同時修改各組件的名字；再次，將新工序數模裝配進去，執(zhí)行相關程序，使裝配體各個組件及相互配合關系發(fā)生改變；最后，手動進行某些細節(jié)的修改，從而形成最終的新工裝。
4系統(tǒng)功能
系統(tǒng)的功能主要分為三部分：工序數模設計功能、基于實例的工裝設計功能、實例添加向導功能。
4．1工序數模設計模塊
主要提供計算機輔助造型、數模屬性添加兩類功能。具體功能：(1)葉片零件模型葉身截型線造型功能；(2)葉身數據處理完成葉身的造型功能；(3)葉身的葉根葉尖的延伸功he；(4)凸臺的造型功能；(5)榫頭的造型功能；(6)對工序模型各部分進行布爾并運算生成工序模型；(7)向工序模型添加相關屬性等功能。
4．2工裝設計模塊
三維工序驅動的工裝設計系統(tǒng)的功能主要為：工裝設塊提供基于工序數模的工裝設。工序數模驅動的工裝設計，其核心思想是通過工序數模中包含的信息來驅動工裝中的相關組件，使這些組件在空間位置和尺寸上做相應的調整，從而達到自動生成新工裝的目的。改設計思想中包含有三個關鍵的技術：工序數模包含的信息、工裝組件數模包含的信息、工裝裝配體的相關約束。
要達到上述目的，需要提取一些信息：
(1)工裝與工序數模之間的裝配信息，包括裝配元素和裝配關系。其中裝配元素是指裝配關系中直接裝配的那些組件的幾何元素，如工序數模的葉盆表面，工裝中定位銷球形表面等。裝配關系是指裝配元素之間以什么關系裝配在一起，如對齊、面貼合等。
(2)工裝裝配體組件之間的尺寸關聯(lián)信息。由于采用數模驅動的設計方法，所以當用一個新的工序數模驅動工裝裝配體實例時，與工序數模直接接觸的那些組件會根據工序數模包含的信息進行自動的適應性調整，包括空間位置和尺寸。這就要求其它組件也必須在空間位置和尺寸上做相應的變化。為此，工裝裝配體各個組件之間需要建立尺寸關聯(lián)關系。建立關聯(lián)關系的原則是：當一個組件的尺寸變化后，會影響到哪些組件的尺寸，如何影響。建立的尺寸關系用ug中的表達式進行記錄，包括兩種：裝配關系中的距離表達式和組件所對應的part文件中的特征表達式。
4．3工裝實例添加功能
這是一個向導工具，引導操作人員定義新典型工裝裝配體，并對添加相應的屬性。
工裝實例庫中的實例是相對典型的和穩(wěn)定的工裝裝配體。實例庫的建立需要在pdm平臺下完成，要考慮實例庫和pdm之間的管理關系，以及實例庫中的實例與pdm中產品bom之間的關系。實例庫中工裝實例的添加、刪除、修改和查詢功能均需在pdm環(huán)境中完成。
工裝實例庫的建立需要兩方面的工作：
(1)以葉片類零件為應用對象，對典型工裝設計知識進行總結歸納，包括：典型且可以重用的零組件、零組件的尺寸參數、技術規(guī)格、圖形、設計流程，形成相應的夾具零組件庫和工裝實例庫。
(2)工裝實例庫的構造使用相關參數化造型等技術，在典型工裝或專用工裝設計完成之后，任何新的工裝設計如果滿足一定的相似條件，就可以快速的從庫中實例派生出新的工裝設計，從而解決快速設計的需求。
5系統(tǒng)實現(xiàn)
本系統(tǒng)是以ug／nx3．0為開發(fā)平臺，下面具體介紹系統(tǒng)功能的實現(xiàn)過程。
從工藝部門接到工裝設計任務后，進入ug軟件進行工裝設計。典型工裝在pdm下進行管理，根據制造bom的結構，這些工裝的part文件與使用它們的那些物料關聯(lián)在一起，并建立屬性信息，表明該工裝是哪道工序使用的。生成的工序模型，如圖4所示。
下面以壓氣機葉片毛坯鍛件的第一道工序—銑進排氣邊的工裝夾具設計為例，進行描述。首先，根據工藝規(guī)程和葉片毛坯鍛件圖，利用ug二次開發(fā)的參數化工序建模菜單，輸人參數和屬性添加進行工序建模，生成的工序模型和各部分名稱信息，如圖4所示。根據建好的三維工序模型，在pdm下的工裝實例庫選擇工裝類型；緊接著，在ug中打開選好工裝類型模型，然后在裝配環(huán)境下調入三維工序模型，進入ug二次開發(fā)的工裝設計菜單，根據對話框提示指出葉盆或葉背(定位點在葉盆就指定葉盆，在葉背就指定葉背)，接著通過遍歷工序模型得到工序數模驅動的新工裝模型，最后通過適應性裝配和局部小的修改得到完全滿足需求的新工裝模型。系統(tǒng)各菜單和葉片工序數模驅動的新工裝，如圖5所示。
篇13
目前主要的電子設備包括電臺、無線電羅盤、高度表、雷達等，其主要功能是獲取信息、傳輸信息并進行顯示。由于電子設備涉及到多個學科和專業(yè)，設備復雜，在工作中故障率很高。對電子設備的維修能力是正常使用電子設備的前提。采用實際設備進行維修訓練，可以獲得較好的訓練效果。但由于電子設備昂貴的造價，使得實裝訓練變得比較困難。并且，使用實際設備直接進行訓練，尤其是讓新手進行訓練，帶有很大的風險，容易損害正常的設備。采用計算機軟件配合簡單的硬件構造虛擬化的維修訓練環(huán)境，用于訓練電子設備維護人員，既可以降低訓練成本，又可以避免新手操作不熟練造成對設備的損害，訓練效果也有一定的保證。
然而，目前虛擬維修主要應用于機械設備的維修訓練，電子設備的虛擬維修較少提及。這是由于電子設備的特殊性。電子設備的虛擬維修訓練系統(tǒng)特殊之處包括三點，一是電子設備所產生或接收的各種信號。一般情況下，電子設備通過產生或者接收大量的信號進行工作，這些信號的特性各異，并且信號之間的依賴關系復雜。二是與電子設備狀態(tài)相關的多種顯示符號。不同的設備操作會導致不同的顯示符號。三是維修過程中用于測量信號的儀器。因此，開發(fā)電子設備的虛擬維修訓練系統(tǒng)，關鍵在于建立電子設備的信號模型，根據信號的依賴關系，建立電子設備的故障模型，同時利用虛擬儀器模擬信號的測量，實現(xiàn)故障維修訓練。
本文采用虛擬現(xiàn)實技術和多信號模型，設計并開發(fā)了電子設備的虛擬維修訓練系統(tǒng)，用于新手的維修訓練。本系統(tǒng)采用3DMax建立電子設備的三維模型，用于展示設備的外形；采用GL-Studio建立設備的響應模型，用于訓練電子設備的各種操作；采用多信號模型，建立電子設備的故障模型，用于模擬電子設備的各種常見故障；采用虛擬儀器，實現(xiàn)設備主要射頻、低頻信號的虛擬測試；最后采用專家系統(tǒng)對訓練過程進行評估。本論文分為以下幾部分：首先介紹虛擬維修的現(xiàn)狀，然后介紹了電子設備虛擬維修的關鍵技術，接著給出了電子設備虛擬維修訓練系統(tǒng)的硬件架構和軟件架構，并對主要部分進行分析；最后總結了電子設備虛擬維修訓練系統(tǒng)的主要特點和發(fā)展方向。
1.虛擬維修的研究現(xiàn)狀
德國Fraunhofer計算機圖形研究所與寶馬公司聯(lián)合開展以寶馬汽車裝配和維修過程的核查與確認為目的的虛擬裝配仿真，美國Lockheed Martin公司在F-16飛機設計過程中采用虛擬維修確認和人素分析[1]，英國Salford大學虛擬環(huán)境中心對包括碰撞檢測、約束建模等關鍵性問題展開研究。華中科技大學對虛擬維修拆卸過程規(guī)劃與仿真進行了深入的研究，該文研究了基于零件約束關系的Petri網拆卸序列規(guī)劃，對模型特性進行了分析和驗證，用獲得的拆卸序列建立拆卸序列數據鏈表，存儲零件的信息。
文獻[2]對于三維環(huán)境下的路徑規(guī)劃，本文先是對三維路徑規(guī)劃中所需要采用的一些關鍵技術作了研究，包括關鍵幀路徑動畫、人體步行周期以及OSG骨骼動畫技術。然后本文將這些技術應用于虛擬應急演練系統(tǒng)中，完成了基于OSG的虛擬人路徑規(guī)劃模擬系統(tǒng)?？色@得外界數據，達到人機交互，呈現(xiàn)相應信息給用戶。
文獻[3]設計了某型雷達結構虛擬維修的總體方案和維修仿真規(guī)劃，建立了維修仿真環(huán)境，給出了某型雷達結構虛擬維修的操作流程及可視化的碰撞檢測結果，同時對其維修性和人機工效學進行了評估與驗證。
2.電子設備虛擬維修訓練系統(tǒng)軟件架構
該系統(tǒng)通過任務選擇和角色指派為受訓對象提供虛擬化維修場景和維修訓練環(huán)境，訓練科目包括外場維護和內場維修，主要建設內容包括設備拆裝建模、設備信號建模、虛擬儀器建模、三維虛擬場景建模、維修過程建模和維修評估建模等。
裝備的三維模型用于展示裝備的外觀，裝備的拆裝模型用于訓練裝備拆裝順序。裝備的信號模型用于模擬裝備的工作過程和各種故障。裝備是否發(fā)生故障，在實際訓練過程中需要采用虛擬儀器進行虛擬化測試，根據測試得到的結果對裝備的狀態(tài)進行判斷。總之，裝備的三維與拆裝模型、裝備的信號模型和虛擬儀器構成電子設備虛擬維修訓練系統(tǒng)的維修場景，維修場景編輯器通過編輯裝備的狀態(tài)、設定維修科目實現(xiàn)虛擬化維修訓練。
三維虛擬場景用于展示整個的飛機維修場景，維修過程建模將設備所有的標準化維修步驟進行建模，虛擬維修訓練系統(tǒng)通過比對訓練者每個步驟的操作與標準化維修步驟之間的差別，實現(xiàn)對維修訓練效果的評估。
從以上分析可以看出，機載電子裝備虛擬維修的核心問題是建立各種模型。尤其是信號模型、故障模型和虛擬儀器模型。這些模型通過模擬真實裝備的工作過程，構建虛擬化的訓練環(huán)境。另外比較重要的模型是維修過程的建模和維修效果的評估，維修過程建模需要考慮多種裝備在不同狀態(tài)和不同任務階段的維護需求，尤其是在故障排查和維修時，需要考慮多種不同的排故策略。
3.電子設備虛擬維修訓練系統(tǒng)關鍵技術
3.1 交互式操作的仿真。在電子設備的操作過程中，需要通過一些按鍵、開關或遙感的操作實現(xiàn)對設備狀態(tài)的改變和監(jiān)控。因此，電子設備虛擬維修訓練系統(tǒng)中，必須實現(xiàn)各種交互式操作的仿真。
為了實現(xiàn)電子裝備的交互式操作，本系統(tǒng)采用GL Studio為開發(fā)工具，開發(fā)了虛擬座艙，圖3給出了多功能顯示器和平顯的交互式操作模型。訓練人員可以通過操作各種按鍵或旋鈕，獲觀察平顯上的符號，操控裝備。
3.2 虛擬儀器建模。電子設備在維修過程中需要用到必須用到兩類儀器，一類是通用儀器；一類是專用儀器。通用儀器包括信號源、頻譜儀、示波器、萬用表、功率計等；專用儀器是指為電子設備專門研制的外場和內場測試設備，包括雷達信號模擬器、電臺模擬器等。這兩類儀器的使用熟練程度又直接決定著維修效果，所以必須建立與之對應的虛擬儀器。虛擬儀器是以通用計算機作為系統(tǒng)控制器、由軟件來實現(xiàn)人機交互和大部分儀器功能的計算機儀器系統(tǒng)。虛擬儀器的操作和測量結果的顯示是以虛擬面板的形式借助于計算機顯示來顯示的，而且數據的傳送、分析、處理等都是由計算機軟件來完成的，可提供多人次、多場位的訓練環(huán)境，改進訓練效果，提高儀器的使用水平。
4.小結
為節(jié)約訓練成本，降低訓練風險，采用虛擬現(xiàn)實技術，構建了電子設備虛擬維修訓練過程，給出了軟件架構和關鍵技術的實現(xiàn)。該虛擬維修訓練系統(tǒng)可以用于多種飛機航空電子設備的虛擬維修訓練，具有較大的推廣應用價值。
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