拖拉機零部件數字化協同設計
——基于遠程多媒體體育教學系統

羅 樂

(河南科技學院 新科學院，河南 新鄉 453003)

0 引言

近年來，隨著數字化校園建設的深入開展與計算機網絡技術的廣泛應用，利用遠程教室開展跨地區課程學習和學術交流成為一種新型的教學模式。當前網絡化協同設計成為一種新型的產品數字化設計方法，利用該方法，企業內部以及企業間可以對設計信息進行交流交互，共享設計資源。在拖拉機數字化設計過程中，可以將多媒體技術引入到遠程協作系統中，設計人員可以對設計信息進行交流和交互，可以有效地提高拖拉機零部件產品的數字化設計效率，縮短研發周期，降低研發成本，增強拖拉機設計生產企業的核心競爭力。

1 遠程多媒體體育教學系統和現代拖拉機數字化設計

為了提高體育課堂效率，優化課堂教學，可以借助于多媒體技術設計教學系統，通過遠程教學，將視頻、音頻及智能工具集中于一體，實現教學過程的交互性，如圖1所示?；诙嗝襟w系統，體育教師可以利用多媒體采集系統，將教學過程制作成錄像，或者通過實時錄像工具，實現遠程教學，教學過程中學生和老師可以進行互動。

圖2為飛行器數字化設計的案例。隨著CAD技術的發展，tpCAD技術可以以極小的數據量(如900kB)表現出復雜的飛機數字化三維模型。將這一設計過程應用在拖拉機零部件的設計中，可實現拖拉機的三維數字化設計。拖拉機的一些復雜件設計方法往往只被個別企業所掌握，并且數字化設計也通常由大公司設計部門的技術人才來完成，如果能夠實現拖拉機設計生產企業的協同合作，可以大大提高拖拉機零部件的設計效率和質量。

圖1 基于多媒體的遠程體育教學

圖2 飛行器數字化設計

2 拖拉機數字化及協同設計制造技術

數字化協同設計是當前設計制造企業普遍使用的一種方法，也是提高復雜產品研發速度和市場競爭力的一種重要手段。數字化協同設計制造技術是指利用計算機硬件、軟件及網絡，采用虛擬仿真技術，對產品的設計、分析、裝配和制造過程進行全面的模擬(包括生產技術、物流材料和設備等)，從而有效地縮短生產設計周期，降低研發成本。數字化協同設計制造技術可以集成三維建模技術、虛擬裝配技術、零部件仿真優化、多媒體和網絡通信等技術，是一項綜合性較強的技術。近幾年來，隨著農業自動化水平的不斷提高，農機產品的使用頻率越來越高。以拖拉機為例，如果想快速地設計出滿足客戶需求的產品，必須結合現代數字化產品協同設計技術，如CAD/CAM/PM集成技術、異地協同設計技術、虛擬制造技術和并行計算技術等。

1) CAD/CAE/CAPP/CAM集成系統。CAD/CAE/CAPP/CAM集成系統是指集成了計算機輔助設計、工程、工藝和制造等技術為一體的系統，這些軟件又可以采用PDM統一組織和管理，實現分布式數據的共享，從而為數字化協同設計制造平臺提供強大的技術支持。

2)異地、協同設計。數字化協同設計制造系統支持異地域的協同設計，可在互聯網或者公司內部網絡進行產品的設計，包括產品的建模、分析和數據交換等。采用協同設計開發支持工具，可以使多人實時地交流交換設計信息，從而有效地提高設計效率。

3)虛擬設計和虛擬制造。利用數字化協同設計制造平臺可以對拖拉機進行建模、仿真、分析和虛擬現實等操作。設計建模完成后，可以采用仿真和虛擬現實技術對產品的性能進行分析，從而實現產品的進一步優化設計，并對產品的性能進行綜合評價，最終實現產品的驗收。

4)并行設計。數字化協同設計制造技術注重產品的并行設計。與傳統的串行設計不同，并行設計可以在初始階段考慮到產品的發展和市場需求，以提高產品的一次研發成功率。數字化設計系統每個獨立的設計單元可以獨立的數字化設計功能，最后將設計成果和遇到的設計問題通過系統的協同功能進行交流和交互，實現企業內部和企業間的協作。

美國國防建模和仿真辦公室提出了一種不同類型仿真之間互相協同合作的規范HLA，并在軍事領域進行了應用。軟總線協同仿真框架如圖3所示。

圖3 軟總線協同設計仿真框架

根據該框架規范，不同的設計和仿真都可以通過協同總線實現數據和資源的共享。為了使協同設計制造平臺發揮協同設計功能，需要設計底層的支持平臺，通過規劃和協調并行的各個部分，實現資源和信息的共享，如圖4所示。

圖4 拖拉機數字化協同仿真平臺技術

基于軟總線技術，可以實現拖拉機的協同仿真平臺架構。在設計過程中，可以采用數字化技術進行拖拉機的一體化建模，包括拖拉機的虛擬樣機模型、農田環境模型及操作模型等。通過協同設計，最后對產品進行評價和決策。如果產品合格，則直接生成數字化產品；如果產品不合格，需要對產品進行優化設計，直到設計的拖拉機產品合格。圖5表示數字化管理系統的結構框架。

圖5 數字化協同管理系統結構

拖拉機的許多復雜零件需要由異地設計完成，然后進行數字化協同管理(包括模型的導入導出、模型管理和資源調度等)，最后由應用層統一管理，從而實現了資源的協同和優化配置。

3 拖拉機協同數字化加工

在拖拉機數字化設計過程中，為了使設計產品具有更高的精度，可以將設計出的產品進行虛擬仿真驗證，然后對其指標進行測試。當拖拉機的零部件產品不達標時，需要對產品進行修改，通過反復校驗，最終使產品滿足設計要求。

基于遠程多媒體系統的拖拉機協同數字化加工流程如圖6所示。在拖拉機零部件產品初步設計完成后，可以采用虛擬仿真模擬的方法對指標進行驗證。如果設計的產品不達標，則需要通過協同設計對產品進一步優化，利用遠程多媒體系統對設計過程進行交流交互，從而提高產品的設計質量。除了虛擬建模對產品進行驗證之外，還可以通過數據測量的方式，對產品的設計指標進行驗證。

圖6 基于遠程多媒體系統的拖拉機協同數字化加工流程

remote multimedia system

數據測量指標驗證如圖7所示。數據測量是通過特定的測量設備和測量方法獲取產品表面離散點的幾何坐標數據，利用該方法通過對拖拉機設計產品的預加工，對產品的性能指標和加工尺寸等進行數據測量，完成拖拉機產品的數字化設計評價。

為了驗證方案的可行性，以拖拉機切削零部件的數字化設計為例，對產品的數字化設計制造過程進行驗證。首先采用遠程協助系統，對拖拉機零部件產品的切削加工過程進行仿真，如圖8所示。

采用數字化協同仿真手段，對設計的拖拉機零部件產品的切削過程進行數值化仿真。數字化虛擬仿真過程的技術含量較高，并不是每個設計部門都可能擁有掌握這些技術的人才；而利用多媒體遠程協助技術，可以使多部門之間進行協作，或者采用遠程操作直接操作進行數字化仿真。通過數字化仿真可以得到切削產生的最大應力和應變以及應力應變的分布，還可以通過遠程監控實現實際加工過程的監測，如圖9所示。

圖7 數據測量指標驗證

圖8 數字化協同仿真

圖9 數字化遠程協同加工性能監測

基于多媒體遠程系統，拖拉機的數字化協同設計制造除了可以實現協同設計、協同仿真和交流交互之外，還可以實現加工過程的遠程監測功能，通過遠程協同評價，進一步提高拖拉機零部件的加工質量。

4 結論

在拖拉機零部件產品的設計過程中，為了提高產品的設計效率和設計質量，縮短設計周期，降低設計成本，將數字化產品設計方法引入拖拉機零部件設計制造系統中，利用多媒體遠程技術對系統進行了優化，使系統具有遠程協作能力，有效地提高了拖拉機零部件產品的設計效率。為了驗證方案的可行性，以拖拉機零部件的協同仿真和數字化加工過程的遠程數據采集為例，對系統的功能進行了驗證。實驗結果表明：采用該方案可以有效地實現拖拉機零部件產品的遠程仿真和數據監測與評價功能，驗證了方案的可行性，可以對系統進一步優化，以滿足實際拖拉機零部件設計生產的需求。