【正文】 第一章 緒論 虛擬樣機技術(shù) 簡介 虛擬樣機技術(shù)（ Virtual Prototyping,VP）是一門綜合多學科的技術(shù)。該技術(shù)以機械系統(tǒng)運動學，動力學和控制理論為核心，加上成熟的三維計算機圖形技術(shù)和基于圖形的用戶界面技術(shù)，以及廣泛應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)、集成技術(shù)等，將產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)和分析過程集成在一起，把虛擬技術(shù)與仿真方法相結(jié)合，為產(chǎn)品的研發(fā)提供了一個全新的設(shè)計方法，可以顯著的提高設(shè)計質(zhì)量、降低開發(fā)成本，極大地提高企業(yè)地創(chuàng)新能力、競爭能力和經(jīng)濟效益。 虛擬樣機技術(shù)是通過一個統(tǒng)一的實體數(shù) 字化模型并與產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)集成為三維的，動態(tài)的仿真過程。應(yīng)用虛擬樣機技術(shù)，可以產(chǎn)品的使設(shè)計者、使用者和制造者在整個系統(tǒng)研制的早期，在虛擬環(huán)境中直觀形象地對虛擬的產(chǎn)品原型進行設(shè)計優(yōu)化、性能測試、制造仿真和使用仿真，這對啟迪設(shè)計創(chuàng)新、提高設(shè)計質(zhì)量、減少設(shè)計錯誤、加快產(chǎn)品開發(fā)周期有重要意義。虛擬樣機技術(shù)在設(shè)計的初級階段―――概念設(shè)計階段就可以對產(chǎn)品進行完整的分析，可以觀察并試驗各組成部件的相互運動情況。使用仿真軟件在各種虛擬環(huán)境中真實地模擬系統(tǒng)的運動，它可以在計算機上方便的修改設(shè)計缺陷，仿真實驗不同的設(shè)計方案，對整 個系統(tǒng)不斷改進，直至獲得最優(yōu)設(shè)計方案。由于虛擬樣機是一種計算機模型，它能夠反映實際系統(tǒng)的特性，包括外觀、空間關(guān)系以及運動學和動力學的特性，借助于這項技術(shù)，設(shè)計師可以在計算機上建立產(chǎn)品的模型，伴之以三維可視化處理，模擬在真實環(huán)境下系統(tǒng)的運動和運動特性，并根據(jù)仿真結(jié)果精化和優(yōu)化系統(tǒng)。 虛擬樣機技術(shù)國內(nèi)外的現(xiàn)狀綜述 虛擬樣機技術(shù) 是 20世紀 80年代隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種計算機輔助工程 (CAE)技術(shù)。其研究和應(yīng)用迅速得到許多研究機構(gòu)及軟件供應(yīng)商的重視。隨著近代科學技術(shù)的發(fā)展，工程設(shè) 計的理論、方法和手段都發(fā)生了巨大變化。特別是近 30 年來，工程設(shè)計手段的先進與否、數(shù)字化程度的高低，在很大程度上決定了產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的周期、質(zhì)量和成本。 CAD 技術(shù)是計算機應(yīng)用于工程設(shè)計中最早和最成功的典范，它將設(shè)計人員從枯燥的重復勞動中解放出來，為設(shè)計人員將更多的時間和精力用于創(chuàng)造性的工作提供了條件。虛擬設(shè)計技術(shù)在工程設(shè)計過程中的應(yīng)用，再次極大地改進了產(chǎn)品的設(shè)計手段，它可以幫助設(shè)計人員分析機械系統(tǒng)零部件的結(jié)構(gòu)強度、剛度、熱特性和動態(tài)特性，不但進一步推動了 CAD 技術(shù)在各行業(yè)的應(yīng)用，而且解決了許多以前難以處理的工程 問題。 日前，國外虛擬樣機相關(guān)技術(shù)的軟件化過程已經(jīng)完成，較有影響的有美國機械動力公司的 ADAMS，德國航天局的 SIMPACK,美國 EDS公司的 UG、 IDeas 等等。美國 VPI公司目前已經(jīng)開發(fā)出了商業(yè)性的虛擬樣機系統(tǒng)，在國防、航空、航大等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。虛擬樣機技術(shù)在一些較發(fā)達國家，如美國、德國、日本等己得到一泛的應(yīng)用，應(yīng)用領(lǐng)域從汽車制造業(yè)、土程機械、航空航大業(yè)、造船業(yè)、機械電子土業(yè)、國防土業(yè)、通用機械到人機土程學、生物力學、醫(yī)學以及土程齊詢等很多方面。 國內(nèi)虛擬樣機技術(shù)的應(yīng)用研究剛剛開始 ，一些大學和科研院所正在進行這一方面的土作，主要是對虛擬樣機概念和結(jié)構(gòu)的研究，對虛擬樣機要求的相關(guān)技術(shù)如數(shù)據(jù)庫技術(shù)、 CAD/CAM 技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、分布交互仿真技術(shù)等己有一定的基礎(chǔ)。如將虛擬樣機技術(shù)應(yīng)用十航空發(fā)動機、武器裝備、機械系統(tǒng)等方面的研究。但整體上與國外相比還有很大差距，屬于起步階段。 課題研究的目的及意義 傳統(tǒng)機械設(shè)計總是先制定設(shè)計方案，然后再采用理論力學的方法計算其運動學或者動力學特性，而后再進行優(yōu)化、強度分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計等。這個過程單就運動學或者動力學特性分析而言，要經(jīng)過大量的理論分析及計 算。 同傳統(tǒng)的基于物理樣機的設(shè)計開發(fā)方法相比，虛擬樣機技術(shù)以全新的設(shè)計方法正逐步取代傳統(tǒng)機械設(shè)計。 1)全新的研發(fā)模式。傳統(tǒng)的研發(fā)方法從設(shè)計到生產(chǎn)是一個串行過程，這種方法存在很多弊端。而虛擬樣機技術(shù)真正地實現(xiàn)了系統(tǒng)級的產(chǎn)品優(yōu)化，它基于并行工程 (Concurrent Engineering)，使產(chǎn)品在概念設(shè)計階段就可以迅速地分析、比較多種設(shè)計方案，確定影響性能的敏感參數(shù)，并通過可視化技術(shù)設(shè)計一產(chǎn)品、預測產(chǎn)品在真實工況下的特征以及所具有的響應(yīng)，直至獲得最優(yōu)工作性能。 2)更低的研發(fā)成本、更短的研發(fā)周期、 更高的產(chǎn)品質(zhì)量。采用虛擬樣機設(shè)計方法有助于擺脫對物理樣機的依賴。通過計算機技術(shù)建立產(chǎn)品的數(shù)字化模型 (即虛擬樣機 )，可以完成無數(shù)次物理樣機無法進行的虛擬試驗 (成本和時間條件不允許 )，從而無需制造及試驗物理樣機就可獲得最優(yōu)方案，因此不但減少了物理樣機的數(shù)量，而且縮短了研發(fā)周期、提高了產(chǎn)品質(zhì)量。 本課題研究的要求和內(nèi)容 根據(jù)《基于 UG 的機構(gòu)運動創(chuàng)新設(shè)計與仿真》綱要，設(shè)計可完成規(guī)定的探寶機模型一臺，可完成課題中所提出的任務(wù)和要求，并做出書面機械設(shè)計方案，完成探寶機模型機構(gòu)的 3D 虛擬設(shè)計與關(guān)鍵機構(gòu)的運動仿真 。具體包括機器裝置的原理方案構(gòu)思和擬定；原理方案的實現(xiàn)、傳動方案的設(shè)計；關(guān)鍵技術(shù)的分析與實現(xiàn)、主要零部件結(jié)構(gòu)的 3D 設(shè)計及虛擬裝配；基于 UG軟件的關(guān)鍵機構(gòu)運動仿真。 探險車 械設(shè)計要求 在折疊狀態(tài)時，其長度小于等于 300mm、寬度小于等于 300mm、 高度小于等于 300mm。 的驅(qū)動可采用各種形式的原動機，不允許使用人力直接驅(qū)動。 采用原動機。 行進方式不限，拾取（放置）圓環(huán)的方式和每次拾?。ǚ胖茫﹫A環(huán)的數(shù)量不限。 的控制可采用有線或無線遙控方式。 模擬工作場地及用品規(guī)格 本場地采用木工板制作，表面鋪設(shè)噴繪廣告布，場地詳見圖 11，圖中海底寶藏的九個圓環(huán)（ ?50??46?h30）由 PVC材料制作 。 探險車 包括下列動作： 動作 1：成功從“一區(qū)”到達“二區(qū)”。 動作 2： 探險車 在“二區(qū)”內(nèi)通過機械臂抓取“三區(qū)”內(nèi)的圓環(huán)放到“二區(qū)”。 動作 3：成功從“二區(qū)”到達“四區(qū)”。 動作 4：將圓環(huán)套置到“五區(qū)”的圓柱上。 針對于課題的要求，本文主要的研究內(nèi)容有以下一些方面； 1） 部件的設(shè)計造型及幾個關(guān)鍵部件的功能實現(xiàn)； 2）用 UG 三維設(shè)計軟件建立虛擬數(shù)字模型； 3）用 UG/Motion 模塊 做對主要零部件做運動仿真分析； 4）用 UG/Assembly模塊進行虛擬數(shù)字模型的虛擬裝配。 一區(qū) 二區(qū) 三區(qū) 四區(qū) 五區(qū) 起始 位置 圖 11 模擬工作場地 第二章 虛擬設(shè)計 引言 虛擬設(shè)計是以計算機輔助設(shè)計（ CAD）為基礎(chǔ) ， 利用現(xiàn)行的 CAD 系統(tǒng)進行建模 。目前，使用較普遍的三維造型軟件，如 UG,Pro/E,SolidWorks,CATAI，都是功能強大的工業(yè)設(shè)計軟件。 美國 UGS 公司開發(fā)的 Unigaphics (UG)軟件是個集 CAD/ CAM/ CAE 于一體的大型 CAD 軟件使用該軟件進行產(chǎn)品設(shè)計，能直觀、準確地反映零、組件的形狀和裝配關(guān)系，可完全實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計、土藝制造的無紙化開發(fā)，并可與產(chǎn)品設(shè)計、工裝設(shè)計、工裝制造等土作同步進行，從而大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。 UG 具有一個靈活的復合建模模塊。復合建模包括了幾種建模方法 :實體建模 (Solid )、曲面建模 (Surfaoe)、線框建模 (Wireframe)及基于特征的參數(shù)化建模。利用 UG的復合建模模塊，可以很方便的建立起產(chǎn)品零件的實體模型。 UG/Modeling模塊的簡介 UG 建模技術(shù)是一種基于特征和約束的建模技術(shù)，具有交互建立和編輯復雜實體模型的能力。應(yīng)用 UG 的建模功能，設(shè)計工程師可快速進行概念設(shè)計和詳細設(shè)計。與傳統(tǒng)的基于線框和實體的 CAD 系統(tǒng)相比，設(shè)計人員在建模和編輯的過程中花費的精力和時間會更少。 UG 三維建模（ Modeling）應(yīng)用是新一代建模技術(shù)，它結(jié)合了傳統(tǒng)建模和參數(shù)化建模的優(yōu)點，具有全相關(guān)的參數(shù)化功能，是一種“復合建?！惫ぞ?。 UG 建模充分發(fā)揮了傳統(tǒng)的實體、表面、線框造型優(yōu)勢，能夠很方便地建立二維和三維線框模型及掃描、旋轉(zhuǎn)實體，并可進行布爾操作和參數(shù) 化編輯。其草圖工具可供用戶定義二維截面的輪廓線。特征建模模塊提高了表達式設(shè)計的層次，使實際信息可以用工程特征來定義。例如，模塊中提供了各種標準設(shè)計特征，如孔、槽、型腔、凸臺、方形凸臺、圓柱、塊、圓錐、球、管道、圓角和倒角等；同時，還可薄殼實體創(chuàng)建薄壁件，并對實體進行拔模以及從實體中抽取需要的幾何體等。 在 UG中建立的模型，可直接被引用到 UG 的二維工程圖、裝配、加工、機構(gòu)分析和有限元分析中，并保持關(guān)聯(lián)性。如在工程圖中，利用 Drafting 中的相應(yīng)選項，可從實體模型提取尺寸、公差等信息標注在工程圖中，實體模型編 輯后，工程圖尺寸自動更新。 在 UG 中建立的三維模型，可進行著色、消隱和干涉檢查，并可從實體中提取幾何特性和物理特性，進行幾何計算和物理特性分析。 探險車的整個模型的虛擬設(shè)計 經(jīng)過反復討論和假設(shè)最后確定了探險車的設(shè)計方案， 模仿月球車的基本功能和設(shè)計思路，根據(jù)給定的規(guī)定動作順序，綜合運用所學的基本理論、基本知識和相關(guān)的機械設(shè)計專業(yè)知識，對探險車整體車架和實現(xiàn)各個功能的機構(gòu)進行了設(shè)計。 設(shè)計了一種行星越障輪和鏈輪的探險車，該車主要有 4大部件組成：行星越障輪，鏈輪，機械抓手，多關(guān)節(jié)機械臂，四桿液壓式翻轉(zhuǎn)機構(gòu) 以及車架。 探險車的整體設(shè)計類似施工現(xiàn)場的挖掘機，不過比挖掘機多了一對行星輪和液壓四桿機構(gòu)。如圖 21 所示： 機械臂手 鏈輪 行星輪 齒輪箱體 托盤固定蓋 四桿提升機構(gòu) 圖 21 整車模型圖 由上圖可以看出，整車模型的造型并不是很復雜，大部分零件都能用 UG 的實體建模，基于特征（如孔、凸臺、型腔、溝槽、倒角等）的建模和編輯方法進行實體造型，既形象又直觀。整車模型中的一些連接件，緊固件（如螺栓，螺母，軸承，鏈條等）都采用了標準件，這樣使整個模型更加標準化，也提高了工作效率，減 輕了設(shè)計者的工作量。 在整車模型的建模過程 中 ，某些零件的造型設(shè)計，如齒輪，箱體類零件，都還是比較麻煩的，齒輪漸開線的繪制，輪胎的曲面造型等。 探險車中圓柱齒輪的參數(shù)化建模 行星輪中采用的是漸開線直齒圓柱齒輪，而精確的繪制齒輪件漸開線則是參數(shù)化設(shè)計的難點所在。在 UG中可以采用表達式方法來繪制漸開線。 首先，需要確定齒輪的一些基本參數(shù)，包括齒數(shù)，模數(shù)，壓力角，齒頂高系數(shù)等。在 UG/Modeling 模塊中，選擇工具―――表達式選項，將彈出對話框，即可以在其中輸入變量和表達式。首先必須輸入有明確賦值的基 本參數(shù)，也可以在以后進行任意修改。然后輸入必要的變量，必要的變量所采用的參數(shù)必須在它之前就已經(jīng)定義，否則會出現(xiàn)錯誤。另外， UG 自身的一些約定，所以必須進行一定的變量轉(zhuǎn)換。例如， UG 采用的三角函數(shù)是角度而不是弧度，直接變量 t在 0～1之間變化等。在對話框中輸入表達式，如圖 22 所示： 圖 22 表達式對話框 完成后，選擇插入―――曲線―――規(guī)律曲線菜單選項，使用 根據(jù)方程 方式，以 t為系統(tǒng)變量，分別用 xt,yt 來表示坐標 x,y變量，將 z定義為常量 0即可，以坐標原點為基點繪制的漸開線如圖 23所示： 然后繪制 出齒頂圓，齒根圓，分度圓，繪制出漸開線鏡像旋轉(zhuǎn)的參考曲線，所有的長度，角度等值都以表示式輸入。接著對漸開線進行裁減，用裁減曲線命令對漸開線依次選擇基圓和齒頂圓作為修剪邊界， 最后再選擇兩條漸開線，獲得漸開線輪廓， 然后陣列就可以獲得齒輪輪廓線。如圖 24,25所示。 圖 23 漸開線 圖 24 單齒漸開線 圖 25 漸開線齒輪 箱體的造型設(shè)計 行星輪機構(gòu)中的箱體結(jié)構(gòu)比較復雜，如圖 26 所示： 圖 26 箱體 圖 27 箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu) 對于這種結(jié)構(gòu)比較復雜，內(nèi)部又需要精度很高的配合，可以使用 UG 的鏈接技術(shù)，即 WAVE 技術(shù)。 WAVE(Whatif Alternative Value Engineering)是 UG 上進行的一項軟件開發(fā)，是一種實現(xiàn)產(chǎn)品裝配的各組件間關(guān)聯(lián)建模的技術(shù)。采用 關(guān)聯(lián)性復制幾何體 方法來控制總體裝配結(jié)構(gòu) (在不同的組件之間關(guān)聯(lián)性復制幾何體 )，從而保證整個裝配和零部件的參數(shù)關(guān)聯(lián)性，最適合于復雜產(chǎn)品的幾何界面相關(guān)性、產(chǎn)品系列化和變型產(chǎn)品的快速設(shè)計。 WAVE 是在概念設(shè)計和最終產(chǎn)品或模具之間建立一種相關(guān)聯(lián)的設(shè)計方法，能對復雜產(chǎn)品 (如汽車車