張高美

（廣東理工學(xué)院，廣東 肇慶 526114）

一、前言

計算機技術(shù)的發(fā)展對設(shè)計領(lǐng)域的影響越來越大，尤其是工業(yè)設(shè)計行業(yè)，計算機輔助工業(yè)設(shè)計已經(jīng)成為現(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)的必要手段。國內(nèi)外的計算機輔助工業(yè)設(shè)計（簡稱CAID）的研究主要集中在計算機輔助造型技術(shù)、CAID中的人機交互技術(shù)、智能技術(shù)以及新興技術(shù)的應(yīng)用研究等方面。

嚴謹、理性、精確是工業(yè)設(shè)計中最重要的原則。傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計手法無法直觀、真實地展現(xiàn)產(chǎn)品各模塊之間的相對狀態(tài)，無法在工業(yè)設(shè)計過程中判斷產(chǎn)品是否存在干涉或其運動軌跡是否合理。該問題一直以來都在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中予以解決，由結(jié)構(gòu)工程師判斷干涉等問題，再跟工業(yè)設(shè)計師進行溝通，或者自行修改產(chǎn)品。產(chǎn)品尺寸數(shù)據(jù)經(jīng)過結(jié)構(gòu)設(shè)計師、模具設(shè)計師的改動后，產(chǎn)品的外觀必然會發(fā)生變化，此時產(chǎn)品已無法很好地表達工業(yè)設(shè)計師設(shè)計的初衷，導(dǎo)致工業(yè)設(shè)計質(zhì)量下降。若再返回與工業(yè)設(shè)計師溝通修改造型，無疑增加了產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的周期與設(shè)計成本，降低了工作效率。

本次研究的主要意義在于：基于Pro/ENGINEER軟件的參數(shù)化設(shè)計、基于特征建模以及單一數(shù)據(jù)庫（全相關(guān)性）的特性，將Pro/ENGINEER軟件中的三維動態(tài)仿真應(yīng)用到工業(yè)設(shè)計過程中，以最全面的狀態(tài)展示產(chǎn)品，并檢測出所設(shè)計的產(chǎn)品是否存在干涉現(xiàn)象，以便設(shè)計師在工業(yè)設(shè)計過程中就能及時發(fā)現(xiàn)問題并進行修改，提高設(shè)計師的設(shè)計效率，降低設(shè)計成本。且該軟件參數(shù)化設(shè)計的特征，使工業(yè)設(shè)計師與結(jié)構(gòu)設(shè)計師、模具設(shè)計師交接工作更為便利，縮短產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的周期、減少開發(fā)費用和成本，提高產(chǎn)品性能，從而獲得最優(yōu)化和創(chuàng)新的產(chǎn)品設(shè)計。

二、研究現(xiàn)狀及意義

> 圖1 史都華平臺的基本結(jié)構(gòu)

> 圖2 Pro／E裝配好的史都華平臺模型

> 圖3 機構(gòu)仿真設(shè)計流程圖

與發(fā)達國家相比，我國的工業(yè)設(shè)計仍然處于初級階段。目前我國還是世界上的制造業(yè)大國。將工業(yè)設(shè)計看成是外觀造型設(shè)計，這是以前我國很多企業(yè)的誤區(qū)，因此他們還是使用模仿的手段，沒有創(chuàng)新能力。中國制造到中國創(chuàng)造的進程中，工業(yè)設(shè)計是一個非常好的方法，它能讓產(chǎn)品具有較強的核心競爭力。在“中國創(chuàng)造”這個概念中關(guān)鍵在于創(chuàng)新，這就要求企業(yè)自主研發(fā)新產(chǎn)品，要求企業(yè)自主設(shè)計新產(chǎn)品，而不是以往的照搬照抄、按圖紙加工產(chǎn)品。企業(yè)生存發(fā)展的關(guān)鍵在于在進行產(chǎn)品創(chuàng)新的進程中怎樣去提高企業(yè)的設(shè)計效率和產(chǎn)品的競爭力。

在工業(yè)設(shè)計過程中，傳統(tǒng)的三維動態(tài)仿真都建立在3ds Max或者FLASH等圖形設(shè)計軟件或造型軟件基礎(chǔ)之上。3ds Max是一種三維動畫渲染和制作的軟件，在影視、室內(nèi)設(shè)計、建筑、游戲領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。它的主要優(yōu)點就是其可視性，表現(xiàn)起來非常直觀和真實。FLASH是一種矢量類的動畫制作軟件，該軟件中可以插入很豐富的圖形、動畫、聲音、視頻等。這種軟件在網(wǎng)頁上的動畫中使用很廣泛。

以上軟件都有一個不可避免的問題就是：使用這些軟件建模仿真設(shè)計出的產(chǎn)品數(shù)據(jù)無法導(dǎo)出或方便修改，同時也無法查看產(chǎn)品各部件之間是否存在干涉或者運動軌跡是否合理。一些相關(guān)數(shù)據(jù)也無法直接用于機器生產(chǎn)，必須經(jīng)過其他軟件的轉(zhuǎn)化。在轉(zhuǎn)化過程中容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失或者產(chǎn)品破面等情況，這時設(shè)計人員必須花時間進行修補等。圖形設(shè)計軟件與工程設(shè)計軟件之間的轉(zhuǎn)換也增加了產(chǎn)品設(shè)計周期，產(chǎn)品設(shè)計的誤差也無法縮小，無法滿足市場日益提高的要求。

三維動態(tài)仿真作為設(shè)計過程中的重要手段之一，不應(yīng)僅僅重視其可視性，而更應(yīng)重視其轉(zhuǎn)化為實際生產(chǎn)時的一系列相關(guān)問題，否則設(shè)計只能停留在外觀裝飾的初級階段。

仿真的最終目的就是盡可能地反映現(xiàn)實的環(huán)境和狀況，其中就包括了產(chǎn)品在實際情況下會遇到的一系列問題，例如干涉和運動軌跡等等。為了適應(yīng)市場和行業(yè)的發(fā)展。三維動態(tài)仿真技術(shù)將朝著集成化、智能化、可視化和并行化的方向發(fā)展。

（1）集成化。集成化可以從多個方面進行考慮，它也可以指產(chǎn)品設(shè)計的整個生命周期，如從產(chǎn)品前期的計劃、構(gòu)思，再到設(shè)計、組裝、仿真，最后到測試和文檔的生成等。而Pro/E的這種采用特征建模的技術(shù)便于產(chǎn)品數(shù)據(jù)在計算機內(nèi)的傳遞和表達，使得集成化成為可能。

（2）智能化。智能化其實就是專家系統(tǒng)，它結(jié)合人工智能，讓仿真軟件成為具有專家系統(tǒng)的軟件。它能進行推理、優(yōu)化、選擇，從而做出最終決策。

（3）可視化。由于仿真技術(shù)最重要的目的之一就是盡可能地反映現(xiàn)實環(huán)境和狀況，因此圖形界面越直觀，用戶越易于接受。隨著計算機輔助設(shè)計在仿真分析功能上的加強，可視化技術(shù)也將越來越受到重視。

（4）并行化。并行化要求在設(shè)計產(chǎn)品開始的時候就把產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)品的生產(chǎn)成本、制作周期等所有后期需要考慮的因素都考慮進去。這樣可以提高產(chǎn)品的研發(fā)效率。并行化的趨勢要求建立跨學(xué)科的、以人際關(guān)系合作為基礎(chǔ)的合作開發(fā)新產(chǎn)品的模式。

Pro/E在解決特征相關(guān)性的問題時是采用單一數(shù)據(jù)庫的手段，而且它也是第一個使用參數(shù)化設(shè)計的工程方面的軟件。Pro/E的這種基于特征的方式，能夠?qū)⒃O(shè)計至生產(chǎn)的全過程形成一體化的數(shù)據(jù)而進行流程管理，還可以保持數(shù)據(jù)的安全性及可追溯性。這就是三維仿真技術(shù)發(fā)展中的集成化的體現(xiàn)，也就是本文的研究重點。

例如在各大游樂園中的仿真飛行器，我們就可以利用Pro/E進行建模、裝配進而仿真，從而解決其他動態(tài)仿真軟件如3ds Max等難以精確計算平面位置變化的缺陷，諸如這類仿真飛行器都是史都華平臺。1965年，Stewart先生提出一種平行式六軸機構(gòu)，其中平臺被建議用來作為飛行仿真器，因此又常被稱為“史都華平臺”。如圖1是史都華平臺的基本結(jié)構(gòu)，圖2是Pro/E裝配好的模型，將該模型進行機構(gòu)仿真后就可以精確計算平面位置的變化。

三、基于Pro/E實現(xiàn)工業(yè)設(shè)計中三維動態(tài)仿真的過程

（一）實體建模

進行三維動態(tài)仿真的第一步就是對產(chǎn)品各個模塊進行實體建模，確定每個簡單實體的形狀特征以及它們之間的相對位置和表面連接方式，再根據(jù)每個簡單實體特征的主次關(guān)系按照先主后次的順序進行建模。每個簡單實體特征建模的順序和它的表面造型都直接影響到整個產(chǎn)品模型的可修改性、穩(wěn)定性、可理解性等。因此在建模的時候應(yīng)該用最少最簡單的特征去表現(xiàn)每個部分。

由于Pro/E中的參數(shù)化設(shè)計能夠較好地保持工作的一致性，同時能增加工作中的靈活度，避免人為修改數(shù)據(jù)時產(chǎn)生的疏漏，因此在Pro/E中的實體建模階段我們可以采用參數(shù)化設(shè)計。參數(shù)化設(shè)計（也叫尺寸驅(qū)動，Dimension-Driven）是采用預(yù)定義的辦法建立圖形的集合約束集，指定一組尺寸作為參數(shù)與集合約束集相聯(lián)系，因此改變尺寸值就能改變圖形。Pro/E系統(tǒng)最典型的特點是參數(shù)化，體現(xiàn)參數(shù)化除使用尺寸參數(shù)控制模型外，還在于根據(jù)尺寸建立數(shù)學(xué)關(guān)系式，使其保持始終相對的大小、位置或約束條件。

（二）零件裝配

要想成功制作出三維動態(tài)仿真，在進行實體建模后就需要進行零件的裝配過程。零件的裝配需要在產(chǎn)品的零件之間建立一定的約束，這樣每個零件在產(chǎn)品中的相對位置就確定了。在進行零件裝配時，需要選取一組或者一組以上的約束來限制零件，確定其相對位置。

裝配零部件的過程中，第一個零部件的選擇非常重要，它應(yīng)該是整個模型中最關(guān)鍵的基礎(chǔ)零件，后裝配的零件都要直接或者間接地參照該零件；同時在以后的工作中不會刪除該零件。因為零件的裝配也存在父子關(guān)系，先導(dǎo)入的零件叫做父零件，后裝配的零件稱為子零件。子零件可以單獨刪除，但是父零件一旦刪除與之相關(guān)聯(lián)的子零件也會被一并刪除。因此第一個零件在以后的工作中不能被刪除。

（三）Pro/E機構(gòu)運動仿真

在進行實體建模，并選擇合適的裝配方法進行組裝之后就可以將零件進行機械仿真，以便設(shè)計者能夠了解零件在真實狀況下的運動情況，并進行驗證分析，免去機械設(shè)計中模型制作的費用，縮短了產(chǎn)品開發(fā)的時間。

在進行機構(gòu)仿真之前，我們需要找出將來固定不動的零件，并用約束條件將其裝配起來；再使用合適的接頭連接的方式將其余的零件裝配進來；接著進入“應(yīng)用程序—機構(gòu)”模塊；接下來是手動測試元件是否能按預(yù)定的方式運動，以測試元件裝配是否正確，如果元件不能按預(yù)定方式運動則回到組裝環(huán)境下重新組裝，如果測試無誤則開始進行下一步；接著如果機構(gòu)中含有齒輪副或者凸輪從動機構(gòu)則開始設(shè)置齒輪副、凸輪從動機構(gòu)，從而建立各零件間的關(guān)系，便于驅(qū)動；接著開始添加伺服電動機作為機構(gòu)動力的源泉；再繼續(xù)可以添加其他一些設(shè)置，例如彈簧、力等；最后進行分析與仿真，例如位置、運動學(xué)、動態(tài)等分析，并根據(jù)分析得到結(jié)果報告。簡單來說，機構(gòu)仿真設(shè)計的大致流程如圖3所示。

四、總結(jié)

工業(yè)設(shè)計過程中不僅僅要考慮產(chǎn)品造型的美觀性，更要考慮產(chǎn)品在批量生產(chǎn)及實際使用過程中可能會出現(xiàn)的一系列問題，如產(chǎn)品各模塊之間的干涉情況、運動軌跡檢測等。因此本文探索以Pro/E這種工程類建模軟件為工具，將機構(gòu)仿真設(shè)計引入工業(yè)設(shè)計過程，改變傳統(tǒng)的機構(gòu)仿真僅僅用于結(jié)構(gòu)、模具設(shè)計過程，以便提高工業(yè)設(shè)計質(zhì)量與設(shè)計師的工作效率，加強工業(yè)設(shè)計師與結(jié)構(gòu)、模具設(shè)計師之間的溝通與交流。■