現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計(jì)方法在機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)中的應(yīng)用

仇岳猛

(江西航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330024)

0 引言

隨著現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計(jì)方法不斷應(yīng)用在機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)中，采用工程圖模型設(shè)計(jì)的方法，進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)和現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計(jì)，通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)中的庫(kù)結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)，提高機(jī)械三維數(shù)字化設(shè)計(jì)中的工程圖創(chuàng)建和零部件構(gòu)造設(shè)計(jì)能力[1]。通過(guò)個(gè)性化的設(shè)計(jì)方式，進(jìn)行現(xiàn)代數(shù)字化機(jī)械模型設(shè)計(jì)，提出基于現(xiàn)代化虛擬數(shù)字化設(shè)計(jì)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法，并應(yīng)用在高性能熱塑性復(fù)合機(jī)械構(gòu)件設(shè)計(jì)中[2]。采用 Autodesk、Bentley、Dassault等機(jī)械工程設(shè)計(jì)軟件，在管理信息平臺(tái)中進(jìn)行機(jī)械軟件設(shè)計(jì)，在軟件模塊中，進(jìn)行工程圖驅(qū)動(dòng)控制，結(jié)合3DE在數(shù)字化信息處理平臺(tái)進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)中的三維模型搭建[3-4]。采用 DVENET（Distributed Virtual Environment NETwork）軟件進(jìn)行高性能熱塑性復(fù)合機(jī)械構(gòu)件的虛擬化模型設(shè)計(jì)[5]，結(jié)合虛擬三維信息仿真技術(shù)，進(jìn)行機(jī)械的虛擬三維設(shè)計(jì)。本文提出基于現(xiàn)代化虛擬數(shù)字化設(shè)計(jì)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法，并應(yīng)用在高性能熱塑性復(fù)合機(jī)械構(gòu)件設(shè)計(jì)中。采用工程圖分析方法，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代機(jī)械數(shù)字化設(shè)計(jì)中的三維模型重建。采用Matlab和VC混合編程控制方法，進(jìn)行高性能熱塑性復(fù)合機(jī)械構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，展示了本文方法在提高現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計(jì)方法在機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)中的可靠性和優(yōu)越性。

1 復(fù)合機(jī)械構(gòu)件的數(shù)字化虛擬三維模型構(gòu)建

1.1 系復(fù)合機(jī)械構(gòu)件的數(shù)字化參數(shù)

為了實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計(jì)方法在機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)中的應(yīng)用，采用三維數(shù)字化虛擬設(shè)計(jì)的方法，進(jìn)行復(fù)合機(jī)械構(gòu)件的數(shù)字化參數(shù)特征分析，通過(guò)分析層次化的機(jī)械參數(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行模塊化控制和機(jī)械構(gòu)建分析，采用Micro Channel總線傳輸協(xié)議，建立復(fù)合機(jī)械構(gòu)件的數(shù)字化虛擬擴(kuò)充總線，進(jìn)行復(fù)合機(jī)械構(gòu)件的數(shù)字化設(shè)計(jì)指令加載和傳輸控制，通過(guò)集成總線調(diào)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合機(jī)械構(gòu)件的數(shù)字化傳輸協(xié)議控制設(shè)計(jì)，提高復(fù)合機(jī)械構(gòu)件的數(shù)字化設(shè)計(jì)的輸出穩(wěn)定性[6-7]。根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，得到現(xiàn)代數(shù)字化機(jī)械模型參數(shù)分布見(jiàn)表1。

表1 現(xiàn)代數(shù)字化機(jī)械模型參數(shù)分布Tab.1 parameter distribution of modern digital mechanical model

根據(jù)表1的參數(shù)設(shè)定，采用上層研磨介質(zhì)約束方法，建立高性能熱塑性復(fù)合機(jī)械構(gòu)件的負(fù)載參數(shù)檢測(cè)模型，通過(guò)傳感器測(cè)量模型參數(shù)分析，得到復(fù)合機(jī)械構(gòu)件的數(shù)字化融合特征分布值，通過(guò)粘滯摩擦系數(shù)計(jì)算，得到復(fù)合機(jī)械構(gòu)件的應(yīng)力分布模型，通過(guò)測(cè)試磨損區(qū)域的總能量和切向能量，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力與變形參數(shù)分析和可靠性計(jì)算。

1.2 數(shù)字化虛擬三維模型

采用數(shù)字化的三維虛擬技術(shù)，進(jìn)行高性能熱塑性復(fù)合機(jī)械構(gòu)件設(shè)計(jì)，在三維機(jī)械設(shè)計(jì)中，采用OpenFlight作為虛擬場(chǎng)景的層次化底層結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用邏輯篩選和組件紋理勾畫(huà)的方法[8]，通過(guò)模型生成和修改編輯的方法，進(jìn)行高性能熱塑性復(fù)合機(jī)械構(gòu)件的三維虛擬重構(gòu)，在三維設(shè)備與邏輯設(shè)備層中，建立高性能熱塑性復(fù)合機(jī)械構(gòu)件的根節(jié)點(diǎn)，添加管附件，在不同的網(wǎng)格面中進(jìn)行三維MBD模型設(shè)計(jì)，網(wǎng)格參數(shù)分布見(jiàn)表2。

表2 TSMC系機(jī)械數(shù)字化設(shè)計(jì)的三維網(wǎng)格分布參數(shù)Tab.2 three dimensional grid distribution parameters of mechanical digital design

通過(guò)尺寸標(biāo)注節(jié)點(diǎn)位置的方法，進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)中的三維模型搭建，分析高性能熱塑性復(fù)合機(jī)械構(gòu)件的交互系統(tǒng)控制原理，基于模型的定義（model based definition，MBD）技術(shù)，構(gòu)建高性能熱塑性復(fù)合機(jī)械構(gòu)件的機(jī)輔助設(shè)計(jì)（computer aided design，CAD）模型，結(jié)合計(jì)算機(jī)三維輔助設(shè)計(jì)[9]，取零部件尺寸標(biāo)注值作為尺寸鏈，得到三維設(shè)計(jì)的尺寸分布參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 三維設(shè)計(jì)的尺寸分布參數(shù)Tab.3 dimension distribution parameters of 3D design

根據(jù)動(dòng)態(tài)參數(shù)分布，求出的曲面模型，采用NC加工和柔性控制的方法，進(jìn)行機(jī)械三維設(shè)計(jì)的云信息融合和提取，通過(guò)模型柔性參數(shù)控制，采用參數(shù)化的擬合方法，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化虛擬三維重構(gòu)[10]。

2 現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計(jì)在機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)應(yīng)用優(yōu)化

根據(jù)上述高性能熱塑性復(fù)合機(jī)械構(gòu)件的三維設(shè)計(jì)和擬合效果，進(jìn)行PMI信息提取，采用完備性檢查與尺寸鏈融合技術(shù)，進(jìn)行PMI動(dòng)態(tài)空間參數(shù)融合構(gòu)造，在組成環(huán)d的矢量方向，結(jié)合各鏈中尺寸進(jìn)行三維機(jī)械設(shè)計(jì)，分析缺失數(shù)據(jù)，在各個(gè)設(shè)計(jì)平面中，采用參數(shù)化數(shù)字化建模和設(shè)備庫(kù)重構(gòu)的方法，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)Fig.1 structural model design of standard library

根據(jù)圖1的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)結(jié)構(gòu)模型，采用工程圖分析方法，分析封閉尺寸鏈數(shù)，得到完備性的結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃（computer aided process planning，CAPP）方法，進(jìn)行不同標(biāo)注平面下的機(jī)械部件的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換模型設(shè)計(jì)，采用形狀結(jié)構(gòu)參數(shù)分析方法，檢查幾何元素的過(guò)約束問(wèn)題，得到封閉環(huán)所在尺寸的子空間約束參數(shù)分布，見(jiàn)表4。

根據(jù)表4的封閉環(huán)所在尺寸的子空間約束參數(shù)分布，采用參數(shù)約束和過(guò)程控制的方法，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代機(jī)械數(shù)字化設(shè)計(jì)中的三維模型重建，并有效應(yīng)用在機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)中。

表4 封閉環(huán)所在尺寸的子空間約束參數(shù)分布Tab.4 subspace constraint parameter distribution of the size of the closed ring

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證本文方法的性能，進(jìn)行采用參數(shù)化數(shù)字化建模和設(shè)備庫(kù)重構(gòu)的方法，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)，得到尺寸標(biāo)注完備性特征分布為0.733，可靠性參數(shù)分布為0.628，采用工程圖分析方法，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代機(jī)械數(shù)字化設(shè)計(jì)中的三維模型重建，如圖2所示。

根據(jù)圖2的機(jī)械數(shù)字化設(shè)計(jì)中的三維模型重建分布，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代數(shù)字化三維設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖2 機(jī)械數(shù)字化設(shè)計(jì)中的三維模型重建Fig.2 3D model reconstruction in mechanical digital design

圖3 三維數(shù)字化設(shè)計(jì)輸出Fig.3 3D digital design output

分析圖3得知，將本文提出的高性能熱塑性復(fù)合機(jī)械構(gòu)件設(shè)計(jì)方法，能有效使高性能熱塑性復(fù)合機(jī)械構(gòu)件設(shè)計(jì)，提高人機(jī)交互性。

4 結(jié)論

通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)中的庫(kù)結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)，提高機(jī)械三維數(shù)字化設(shè)計(jì)中的工程圖創(chuàng)建和零部件構(gòu)造設(shè)計(jì)能力。通過(guò)分析層次化的機(jī)械參數(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行模塊化控制和機(jī)械構(gòu)建分析，通過(guò)粘滯摩擦系數(shù)計(jì)算，得到復(fù)合機(jī)械構(gòu)件的應(yīng)力分布模型，結(jié)合BIM設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)高性能熱塑性復(fù)合機(jī)械構(gòu)件設(shè)計(jì)，本文設(shè)計(jì)的高性能熱塑性復(fù)合機(jī)械構(gòu)件，人機(jī)交互性較好，參數(shù)辨識(shí)度較高。