拖拉机数字化设计服务器智能远程协同技术研究—基于多媒体武术教学系统原理
2018-08-10张森均唐晓平朱智谋
张森均,唐晓平,朱智谋
(绍兴文理学院 元培学院，浙江 绍兴 312000)
0 引言
远程协同设计是通过利用计算机、信息、自动化和现代管理技术的最新成果对传统制造技术的提升。目前，以交互式图形系统和工程分析计算为主的 CAD 系统仅能支持单个设计者的独立设计和人机交互，一些简单的协同交互也基于落后的方式， 难以适应信息发展的要求。因此，开发远程协同设计系统有着重要的意义。随着计算机支持的协同工作的出现和发展，利用远程多媒体系统可以提高制造系统的智能化水平，而如将武术多媒体教学系统原理直接引入到智能化系统中，实现一系列的远程操作，如远程会议、远程CAD成型及远程制造系统控制等，对于提高企业的拖来机设计制造水平具有重要的现实意义。
1 武术远程教学多媒体系统及其在机械数字化设计中的应用
武术在教学过程中主要强调动作规格，突出劲力精神，在教学过程中，学生首先要弄清楚动作的主要路线，在弄清楚路线后需要进行动作的规范性指导，做到技术动作的准确和工整。武术动作在于防身和攻击敌方，因此需要动作有力，这就需要学生严格的按照教师的规范动作，并适时进行发力；但是在现实教学过程中，教师不能一遍遍的重复动作，而多媒体远程教学为学生提供了极大的学习便利，如图1所示。
图1 远程武术动作教学示范
学生可以通过观看教师的多媒体远程录像，一遍遍学习教师的动作，从而学会规范的动作要领，如果将这种技术手段使用在现代拖拉机制造上，可以使拖拉机设计知识库具有智能化设计功能。数字化远程指导如图2所示。
通过数字化远程指导可以实现产品的协同研发，提高拖拉机企业的设计水平。有数据表明，波音777采用数字化设计，缩短了研发周期的40%，减少了50%的返工量。
图2 数字化制造远程指导
FDM的原理(见图3)：将加热材料在计算机的控制下，由喷头喷出，利用数控技术使喷头按照预定轨迹做相应的运动；当加热材料被挤压喷涂到平台上时，通过有选择性的喷涂，逐渐形成零件的外部轮廓形状；完成一层后，通过升降台的下降，继续下一层的制造；如此循环后，最终形成产品的初始模型，用于实验和这模具的研发。
图3 FDM快速制造流程
通过智能化远程指导和远程会议等，可以实现产品展示，通过远程数据传输，可以实现产品的远程设计，通过远程控制，可以实现零部件的快速制造，与传统意义上的制造技术相比，FDM技术具有以下优点。：
1)对环境污染小，没有有毒性物质的产生，因此可以使用在普通车间和办公环境；
2)工艺简单，易于操作，且垃圾产生少；
3)可以快速构建较难成型的零部件，如椭圆体或者中空体等；
4) 原材料的供应简单，丝状物体更容易运输；
5)可供使用的原材料多。
FDM系统可以采用远程控制的方法对其进行操作，比如用简单的Web浏览器，实现对系统的CAD远程造型设计等，将其使用在拖拉机智能制造系统中，可以有效的提高制造效率。
2 拖拉机智能远程数字化设计服务系统
智能远程数字化服务可以有效缩短研发周期，减少返工量，实现资源和经验的共享。本次研究的智能远程数字化设计系统主要分为两部分：一部分为基于ANSYS的远程辅助设计系统；一部分为基于PDM的快速制造系统。
2.1 基于有限元的远程设计辅助校核系统
远程辅助系统是采用同武术多媒体教学系统相同的原理，利用远程协助的方法，实现辅助设计的远程指导。本次远程辅助设计方法主要采用有限元分析的方法，对设计零部件进行校核。根据弹性力学有限元分析原理，首先建立第i个有限单元的刚性方程为
[Ki]{Ui}={Fi}
(1)
其中，{F}、{U}表示有限单元体的节点力和节点位移矢量；[K]表示刚度矩阵；i表示单元体的编号。根据分割时相邻节点的关系，可以将刚度、节点力和节点位移分别编号，写成
(2)
其中，上标为A、B节点分类编号，通过改写得
(3)
(4)
(5)
代入得
(6)
令
(7)
(8)
重复上述步骤，最终可得
(9)
(10)
(11)
2.2 基于Web和PDM的远程协同快速制造系统
基于Web和PDM的远程协同快速制造系统由4部分构成，包括数据库、设计文件管理、工作流程和任务管理，采用通用性较强的CAD软件进行设计，然后利用Web浏览器、XML和可视化等基础技术，设计出可以远程协同操作的应用集成系统。
从功能需求出发，远程协同快速制造系统主要实现的功能包括工程总体管理、工序分组管理、成品管理、设计零件管理、图纸管理、应用程序管理和可视化管理等，其基本框架如图4所示。
图4 远程协同快速制造系统基本框架
该系统以拖拉机的产品设计管理为核心，按照工程和工序分组，结合CAD和零件库图纸，采用可视化协同将Web远程浏览和操作以及PDM快速制造系统功能构建在桌面上，每个功能模块之间建立相互的关系。
3 基于远程辅助设计和快速制造的拖拉机齿轮数字化设计
拖拉机是拖拉机装备中最常用的机械，特别是重型拖拉机，由于其构件的强度要求较高，因此重型拖拉机的零部件的设计和制造较为繁琐，周期较长；而引入远程辅助设计和快速制造方法可以有效的缩短工期，减少返工量。
如图5所示：重型拖拉机的载重量一般都较大，因此其齿轮等零部件的设计要求较高，设计时，必须进行强度校核。除了试验方法外，校核还可以采用数值仿真模拟方法，如图6所示。
采用数值仿真模拟的方法可以对尺寸动态拟合及强度进行校核，通过施加边界条件和载荷，模拟真实的齿轮作业情况。不过受到技术限制，有限元仿真在许多拖拉机厂并没有普及，因此可以采用远程协同设计的方法。通过远程系统校核，可以得到校核后的齿轮模型，如图7所示。
图5 重型拖拉机示意图
图6 齿轮啮合施加载荷和边界效果图
图7 校核后的齿轮建模
模型校核完成即表示拖拉机配件的尺寸设计已经完成，可以采用快速制造的方法制造出齿轮，然后对其进行相关实验，以缩短实验周期。远程协同快速制造平台如图8所示。
图8 远程协同快速制造平台示意图
制造平台主要包括喷嘴、料丝、远程CAD模型和可升降平台等。快速制造平台属于高技术含量的服务平台，一般拖拉机企业能够熟练操作平台的人很少，在使用过程中也可以通过远程协作的方式来完成，通过远程Web操作功能，实现远程协同制造。为了验证该方法对拖拉机设计研发周期以及设计质量的作用，对采用该系统后的研发周期和返工量进行了统计，得到了如表1所示的结果。
表1 智能远程拖拉机数字化设计服务系统测试
由表1可以看出：采用智能远程拖拉机数字化设计服务系统可以有效缩短研发周期，减少返工量，对于现代拖拉机数字化设计制造具有重要的意义。
4 结论
随着现代机械数字化设计制造水平的不断提高，中小型企业的设计制造水平已经不能满足现代快速设计制造的需要，特别是中小型的拖拉机设计制造企业，其技术的革新直接决定了企业的命运。为了提高中小型拖拉机设计制造企业的产品设计效率、缩短研发周期、提高企业的竞争力，提出了一种基于武术多媒体教学系统的智能远程数字化设计制造辅助系统。该系统采用远程CAD成型和PDM快速制造系统，实现了拖拉机零部件的快速设计和制造。为了验证平台的可靠性，对平台进行了实验研究。结果表明：采用该平台可以有效缩短研发周期，减少返工量，为中小型拖拉机设计制造企业的研究提供了一种新的方法。
