拖拉機數(shù)字化設(shè)計服務(wù)器智能遠程協(xié)同技術(shù)研究—基于多媒體武術(shù)教學(xué)系統(tǒng)原理

張森均,唐曉平,朱智謀

(紹興文理學(xué)院 元培學(xué)院，浙江 紹興 312000)

0 引言

遠程協(xié)同設(shè)計是通過利用計算機、信息、自動化和現(xiàn)代管理技術(shù)的最新成果對傳統(tǒng)制造技術(shù)的提升。目前，以交互式圖形系統(tǒng)和工程分析計算為主的 CAD 系統(tǒng)僅能支持單個設(shè)計者的獨立設(shè)計和人機交互，一些簡單的協(xié)同交互也基于落后的方式， 難以適應(yīng)信息發(fā)展的要求。因此，開發(fā)遠程協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)有著重要的意義。隨著計算機支持的協(xié)同工作的出現(xiàn)和發(fā)展，利用遠程多媒體系統(tǒng)可以提高制造系統(tǒng)的智能化水平，而如將武術(shù)多媒體教學(xué)系統(tǒng)原理直接引入到智能化系統(tǒng)中，實現(xiàn)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(tǒng)控制等，對于提高企業(yè)的拖來機設(shè)計制造水平具有重要的現(xiàn)實意義。

1 武術(shù)遠程教學(xué)多媒體系統(tǒng)及其在機械數(shù)字化設(shè)計中的應(yīng)用

武術(shù)在教學(xué)過程中主要強調(diào)動作規(guī)格，突出勁力精神，在教學(xué)過程中，學(xué)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(guī)范性指導(dǎo)，做到技術(shù)動作的準確和工整。武術(shù)動作在于防身和攻擊敵方，因此需要動作有力，這就需要學(xué)生嚴格的按照教師的規(guī)范動作，并適時進行發(fā)力；但是在現(xiàn)實教學(xué)過程中，教師不能一遍遍的重復(fù)動作，而多媒體遠程教學(xué)為學(xué)生提供了極大的學(xué)習(xí)便利，如圖1所示。

圖1 遠程武術(shù)動作教學(xué)示范

學(xué)生可以通過觀看教師的多媒體遠程錄像，一遍遍學(xué)習(xí)教師的動作，從而學(xué)會規(guī)范的動作要領(lǐng)，如果將這種技術(shù)手段使用在現(xiàn)代拖拉機制造上，可以使拖拉機設(shè)計知識庫具有智能化設(shè)計功能。數(shù)字化遠程指導(dǎo)如圖2所示。

通過數(shù)字化遠程指導(dǎo)可以實現(xiàn)產(chǎn)品的協(xié)同研發(fā)，提高拖拉機企業(yè)的設(shè)計水平。有數(shù)據(jù)表明，波音777采用數(shù)字化設(shè)計，縮短了研發(fā)周期的40%，減少了50%的返工量。

圖2 數(shù)字化制造遠程指導(dǎo)

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(shù)控技術(shù)使噴頭按照預(yù)定軌跡做相應(yīng)的運動；當(dāng)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(xù)下一層的制造；如此循環(huán)后，最終形成產(chǎn)品的初始模型，用于實驗和這模具的研發(fā)。

圖3 FDM快速制造流程

通過智能化遠程指導(dǎo)和遠程會議等，可以實現(xiàn)產(chǎn)品展示，通過遠程數(shù)據(jù)傳輸，可以實現(xiàn)產(chǎn)品的遠程設(shè)計，通過遠程控制，可以實現(xiàn)零部件的快速制造，與傳統(tǒng)意義上的制造技術(shù)相比，F(xiàn)DM技術(shù)具有以下優(yōu)點。：

1)對環(huán)境污染小，沒有有毒性物質(zhì)的產(chǎn)生，因此可以使用在普通車間和辦公環(huán)境；

2)工藝簡單，易于操作，且垃圾產(chǎn)生少；

3)可以快速構(gòu)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(yīng)簡單，絲狀物體更容易運輸；

5)可供使用的原材料多。

FDM系統(tǒng)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(xiàn)對系統(tǒng)的CAD遠程造型設(shè)計等，將其使用在拖拉機智能制造系統(tǒng)中，可以有效的提高制造效率。

2 拖拉機智能遠程數(shù)字化設(shè)計服務(wù)系統(tǒng)

智能遠程數(shù)字化服務(wù)可以有效縮短研發(fā)周期，減少返工量，實現(xiàn)資源和經(jīng)驗的共享。本次研究的智能遠程數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)主要分為兩部分：一部分為基于ANSYS的遠程輔助設(shè)計系統(tǒng)；一部分為基于PDM的快速制造系統(tǒng)。

2.1 基于有限元的遠程設(shè)計輔助校核系統(tǒng)

遠程輔助系統(tǒng)是采用同武術(shù)多媒體教學(xué)系統(tǒng)相同的原理，利用遠程協(xié)助的方法，實現(xiàn)輔助設(shè)計的遠程指導(dǎo)。本次遠程輔助設(shè)計方法主要采用有限元分析的方法，對設(shè)計零部件進行校核。根據(jù)彈性力學(xué)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(jié)點力和節(jié)點位移矢量；[K]表示剛度矩陣；i表示單元體的編號。根據(jù)分割時相鄰節(jié)點的關(guān)系，可以將剛度、節(jié)點力和節(jié)點位移分別編號，寫成

(2)

其中，上標為A、B節(jié)點分類編號，通過改寫得

(3)

(4)

(5)

代入得

(6)

令

(7)

(8)

重復(fù)上述步驟，最終可得

(9)

(10)

(11)

2.2 基于Web和PDM的遠程協(xié)同快速制造系統(tǒng)

基于Web和PDM的遠程協(xié)同快速制造系統(tǒng)由4部分構(gòu)成，包括數(shù)據(jù)庫、設(shè)計文件管理、工作流程和任務(wù)管理，采用通用性較強的CAD軟件進行設(shè)計，然后利用Web瀏覽器、XML和可視化等基礎(chǔ)技術(shù)，設(shè)計出可以遠程協(xié)同操作的應(yīng)用集成系統(tǒng)。

從功能需求出發(fā)，遠程協(xié)同快速制造系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能包括工程總體管理、工序分組管理、成品管理、設(shè)計零件管理、圖紙管理、應(yīng)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(xié)同快速制造系統(tǒng)基本框架

該系統(tǒng)以拖拉機的產(chǎn)品設(shè)計管理為核心，按照工程和工序分組，結(jié)合CAD和零件庫圖紙，采用可視化協(xié)同將Web遠程瀏覽和操作以及PDM快速制造系統(tǒng)功能構(gòu)建在桌面上，每個功能模塊之間建立相互的關(guān)系。

3 基于遠程輔助設(shè)計和快速制造的拖拉機齒輪數(shù)字化設(shè)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(gòu)件的強度要求較高，因此重型拖拉機的零部件的設(shè)計和制造較為繁瑣，周期較長；而引入遠程輔助設(shè)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(shè)計要求較高，設(shè)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(shù)值仿真模擬方法，如圖6所示。

采用數(shù)值仿真模擬的方法可以對尺寸動態(tài)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(yè)情況。不過受到技術(shù)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(xié)同設(shè)計的方法。通過遠程系統(tǒng)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(shè)計已經(jīng)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(guān)實驗，以縮短實驗周期。遠程協(xié)同快速制造平臺如圖8所示。

圖8 遠程協(xié)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(shù)含量的服務(wù)平臺，一般拖拉機企業(yè)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(xié)作的方式來完成，通過遠程Web操作功能，實現(xiàn)遠程協(xié)同制造。為了驗證該方法對拖拉機設(shè)計研發(fā)周期以及設(shè)計質(zhì)量的作用，對采用該系統(tǒng)后的研發(fā)周期和返工量進行了統(tǒng)計，得到了如表1所示的結(jié)果。

表1 智能遠程拖拉機數(shù)字化設(shè)計服務(wù)系統(tǒng)測試

由表1可以看出：采用智能遠程拖拉機數(shù)字化設(shè)計服務(wù)系統(tǒng)可以有效縮短研發(fā)周期，減少返工量，對于現(xiàn)代拖拉機數(shù)字化設(shè)計制造具有重要的意義。

4 結(jié)論

隨著現(xiàn)代機械數(shù)字化設(shè)計制造水平的不斷提高，中小型企業(yè)的設(shè)計制造水平已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代快速設(shè)計制造的需要，特別是中小型的拖拉機設(shè)計制造企業(yè)，其技術(shù)的革新直接決定了企業(yè)的命運。為了提高中小型拖拉機設(shè)計制造企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計效率、縮短研發(fā)周期、提高企業(yè)的競爭力，提出了一種基于武術(shù)多媒體教學(xué)系統(tǒng)的智能遠程數(shù)字化設(shè)計制造輔助系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用遠程CAD成型和PDM快速制造系統(tǒng)，實現(xiàn)了拖拉機零部件的快速設(shè)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(jié)果表明：采用該平臺可以有效縮短研發(fā)周期，減少返工量，為中小型拖拉機設(shè)計制造企業(yè)的研究提供了一種新的方法。