拖拉機數字化設計服務器智能遠程協同技術研究—基于多媒體武術教學系統原理

張森均,唐曉平,朱智謀

(紹興文理學院 元培學院，浙江 紹興 312000)

0 引言

遠程協同設計是通過利用計算機、信息、自動化和現代管理技術的最新成果對傳統制造技術的提升。目前，以交互式圖形系統和工程分析計算為主的 CAD 系統僅能支持單個設計者的獨立設計和人機交互，一些簡單的協同交互也基于落后的方式， 難以適應信息發展的要求。因此，開發遠程協同設計系統有著重要的意義。隨著計算機支持的協同工作的出現和發展，利用遠程多媒體系統可以提高制造系統的智能化水平，而如將武術多媒體教學系統原理直接引入到智能化系統中，實現一系列的遠程操作，如遠程會議、遠程CAD成型及遠程制造系統控制等，對于提高企業的拖來機設計制造水平具有重要的現實意義。

1 武術遠程教學多媒體系統及其在機械數字化設計中的應用

武術在教學過程中主要強調動作規格，突出勁力精神，在教學過程中，學生首先要弄清楚動作的主要路線，在弄清楚路線后需要進行動作的規范性指導，做到技術動作的準確和工整。武術動作在于防身和攻擊敵方，因此需要動作有力，這就需要學生嚴格的按照教師的規范動作，并適時進行發力；但是在現實教學過程中，教師不能一遍遍的重復動作，而多媒體遠程教學為學生提供了極大的學習便利，如圖1所示。

圖1 遠程武術動作教學示范

學生可以通過觀看教師的多媒體遠程錄像，一遍遍學習教師的動作，從而學會規范的動作要領，如果將這種技術手段使用在現代拖拉機制造上，可以使拖拉機設計知識庫具有智能化設計功能。數字化遠程指導如圖2所示。

通過數字化遠程指導可以實現產品的協同研發，提高拖拉機企業的設計水平。有數據表明，波音777采用數字化設計，縮短了研發周期的40%，減少了50%的返工量。

圖2 數字化制造遠程指導

FDM的原理(見圖3)：將加熱材料在計算機的控制下，由噴頭噴出，利用數控技術使噴頭按照預定軌跡做相應的運動；當加熱材料被擠壓噴涂到平臺上時，通過有選擇性的噴涂，逐漸形成零件的外部輪廓形狀；完成一層后，通過升降臺的下降，繼續下一層的制造；如此循環后，最終形成產品的初始模型，用于實驗和這模具的研發。

圖3 FDM快速制造流程

通過智能化遠程指導和遠程會議等，可以實現產品展示，通過遠程數據傳輸，可以實現產品的遠程設計，通過遠程控制，可以實現零部件的快速制造，與傳統意義上的制造技術相比，FDM技術具有以下優點。：

1)對環境污染小，沒有有毒性物質的產生，因此可以使用在普通車間和辦公環境；

2)工藝簡單，易于操作，且垃圾產生少；

3)可以快速構建較難成型的零部件，如橢圓體或者中空體等；

4) 原材料的供應簡單，絲狀物體更容易運輸；

5)可供使用的原材料多。

FDM系統可以采用遠程控制的方法對其進行操作，比如用簡單的Web瀏覽器，實現對系統的CAD遠程造型設計等，將其使用在拖拉機智能制造系統中，可以有效的提高制造效率。

2 拖拉機智能遠程數字化設計服務系統

智能遠程數字化服務可以有效縮短研發周期，減少返工量，實現資源和經驗的共享。本次研究的智能遠程數字化設計系統主要分為兩部分：一部分為基于ANSYS的遠程輔助設計系統；一部分為基于PDM的快速制造系統。

2.1 基于有限元的遠程設計輔助校核系統

遠程輔助系統是采用同武術多媒體教學系統相同的原理，利用遠程協助的方法，實現輔助設計的遠程指導。本次遠程輔助設計方法主要采用有限元分析的方法，對設計零部件進行校核。根據彈性力學有限元分析原理，首先建立第i個有限單元的剛性方程為

[Ki]{Ui}={Fi}

(1)

其中，{F}、{U}表示有限單元體的節點力和節點位移矢量；[K]表示剛度矩陣；i表示單元體的編號。根據分割時相鄰節點的關系，可以將剛度、節點力和節點位移分別編號，寫成

(2)

其中，上標為A、B節點分類編號，通過改寫得

(3)

(4)

(5)

代入得

(6)

令

(7)

(8)

重復上述步驟，最終可得

(9)

(10)

(11)

2.2 基于Web和PDM的遠程協同快速制造系統

基于Web和PDM的遠程協同快速制造系統由4部分構成，包括數據庫、設計文件管理、工作流程和任務管理，采用通用性較強的CAD軟件進行設計，然后利用Web瀏覽器、XML和可視化等基礎技術，設計出可以遠程協同操作的應用集成系統。

從功能需求出發，遠程協同快速制造系統主要實現的功能包括工程總體管理、工序分組管理、成品管理、設計零件管理、圖紙管理、應用程序管理和可視化管理等，其基本框架如圖4所示。

圖4 遠程協同快速制造系統基本框架

該系統以拖拉機的產品設計管理為核心，按照工程和工序分組，結合CAD和零件庫圖紙，采用可視化協同將Web遠程瀏覽和操作以及PDM快速制造系統功能構建在桌面上，每個功能模塊之間建立相互的關系。

3 基于遠程輔助設計和快速制造的拖拉機齒輪數字化設計

拖拉機是拖拉機裝備中最常用的機械，特別是重型拖拉機，由于其構件的強度要求較高，因此重型拖拉機的零部件的設計和制造較為繁瑣，周期較長；而引入遠程輔助設計和快速制造方法可以有效的縮短工期，減少返工量。

如圖5所示：重型拖拉機的載重量一般都較大，因此其齒輪等零部件的設計要求較高，設計時，必須進行強度校核。除了試驗方法外，校核還可以采用數值仿真模擬方法，如圖6所示。

采用數值仿真模擬的方法可以對尺寸動態擬合及強度進行校核，通過施加邊界條件和載荷，模擬真實的齒輪作業情況。不過受到技術限制，有限元仿真在許多拖拉機廠并沒有普及，因此可以采用遠程協同設計的方法。通過遠程系統校核，可以得到校核后的齒輪模型，如圖7所示。

圖5 重型拖拉機示意圖

圖6 齒輪嚙合施加載荷和邊界效果圖

圖7 校核后的齒輪建模

模型校核完成即表示拖拉機配件的尺寸設計已經完成，可以采用快速制造的方法制造出齒輪，然后對其進行相關實驗，以縮短實驗周期。遠程協同快速制造平臺如圖8所示。

圖8 遠程協同快速制造平臺示意圖

制造平臺主要包括噴嘴、料絲、遠程CAD模型和可升降平臺等。快速制造平臺屬于高技術含量的服務平臺，一般拖拉機企業能夠熟練操作平臺的人很少，在使用過程中也可以通過遠程協作的方式來完成，通過遠程Web操作功能，實現遠程協同制造。為了驗證該方法對拖拉機設計研發周期以及設計質量的作用，對采用該系統后的研發周期和返工量進行了統計，得到了如表1所示的結果。

表1 智能遠程拖拉機數字化設計服務系統測試

由表1可以看出：采用智能遠程拖拉機數字化設計服務系統可以有效縮短研發周期，減少返工量，對于現代拖拉機數字化設計制造具有重要的意義。

4 結論

隨著現代機械數字化設計制造水平的不斷提高，中小型企業的設計制造水平已經不能滿足現代快速設計制造的需要，特別是中小型的拖拉機設計制造企業，其技術的革新直接決定了企業的命運。為了提高中小型拖拉機設計制造企業的產品設計效率、縮短研發周期、提高企業的競爭力，提出了一種基于武術多媒體教學系統的智能遠程數字化設計制造輔助系統。該系統采用遠程CAD成型和PDM快速制造系統，實現了拖拉機零部件的快速設計和制造。為了驗證平臺的可靠性，對平臺進行了實驗研究。結果表明：采用該平臺可以有效縮短研發周期，減少返工量，為中小型拖拉機設計制造企業的研究提供了一種新的方法。