三维动态仿真在工业设计的应用

一、前言

本次研究的主要意义在于：基于Pro/ENGINEER软件的参数化设计、基于特征建模以及单一数据库（全相关性）的特性，将Pro/ENGINEER软件中的三维动态仿真应用到工业设计过程中，以最全面的状态展示产品，并检测出所设计的产品是否存在干涉现象，以便设计师在工业设计过程中就能及时发现问题并进行修改，提高设计师的设计效率，降低设计成本。且该软件参数化设计的特征，使工业设计师与结构设计师、模具设计师交接工作更为便利，缩短产品设计开发的周期、减少开发费用和成本，提高产品性能，从而获得最优化和创新的产品设计。

二、研究现状及意义

与发达国家相比，我国的工业设计仍然处于初级阶段。目前我国还是世界上的制造业大国。将工业设计看成是外观造型设计，这是以前我国很多企业的误区，因此他们还是使用模仿的手段，没有创新能力。中国制造到中国创造的进程中，工业设计是一个非常好的方法，它能让产品具有较强的核心竞争力。在“中国创造”这个概念中关键在于创新，这就要求企业自主研发新产品，要求企业自主设计新产品，而不是以往的照搬照抄、按图纸加工产品。企业生存发展的关键在于在进行产品创新的进程中怎样去提高企业的设计效率和产品的竞争力。在工业设计过程中，传统的三维动态仿真都建立在3dsMax或者FLASH等图形设计软件或造型软件基础之上。3dsMax是一种三维动画渲染和制作的软件，在影视、室内设计、建筑、游戏领域有广泛的应用。它的主要优点就是其可视性，表现起来非常直观和真实。FLASH是一种矢量类的动画制作软件，该软件中可以插入很丰富的图形、动画、声音、视频等。这种软件在网页上的动画中使用很广泛。以上软件都有一个不可避免的问题就是：使用这些软件建模仿真设计出的产品数据无法导出或方便修改，同时也无法查看产品各部件之间是否存在干涉或者运动轨迹是否合理。一些相关数据也无法直接用于机器生产，必须经过其他软件的转化。在转化过程中容易产生数据丢失或者产品破面等情况，这时设计人员必须花时间进行修补等。图形设计软件与工程设计软件之间的转换也增加了产品设计周期，产品设计的误差也无法缩小，无法满足市场日益提高的要求。三维动态仿真作为设计过程中的重要手段之一，不应仅仅重视其可视性，而更应重视其转化为实际生产时的一系列相关问题，否则设计只能停留在外观装饰的初级阶段。仿真的最终目的就是尽可能地反映现实的环境和状况，其中就包括了产品在实际情况下会遇到的一系列问题，例如干涉和运动轨迹等等。为了适应市场和行业的发展。三维动态仿真技术将朝着集成化、智能化、可视化和并行化的方向发展。（1）集成化。集成化可以从多个方面进行考虑，它也可以指产品设计的整个生命周期，如从产品前期的计划、构思，再到设计、组装、仿真，最后到测试和文档的生成等。而Pro/E的这种采用特征建模的技术便于产品数据在计算机内的传递和表达，使得集成化成为可能。（2）智能化。智能化其实就是专家系统，它结合人工智能，让仿真软件成为具有专家系统的软件。它能进行推理、优化、选择，从而做出最终决策。（3）可视化。由于仿真技术最重要的目的之一就是尽可能地反映现实环境和状况，因此图形界面越直观，用户越易于接受。随着计算机辅助设计在仿真分析功能上的加强，可视化技术也将越来越受到重视。（4）并行化。并行化要求在设计产品开始的时候就把产品的质量、产品的生产成本、制作周期等所有后期需要考虑的因素都考虑进去。这样可以提高产品的研发效率。并行化的趋势要求建立跨学科的、以人际关系合作为基础的合作开发新产品的模式。Pro/E在解决特征相关性的问题时是采用单一数据库的手段，而且它也是第一个使用参数化设计的工程方面的软件。Pro/E的这种基于特征的方式，能够将设计至生产的全过程形成一体化的数据而进行流程管理，还可以保持数据的安全性及可追溯性。这就是三维仿真技术发展中的集成化的体现，也就是本文的研究重点。例如在各大游乐园中的仿真飞行器，我们就可以利用Pro/E进行建模、装配进而仿真，从而解决其他动态仿真软件如3dsMax等难以精确计算平面位置变化的缺陷，诸如这类仿真飞行器都是史都华平台。1965年，Stewart先生提出一种平行式六轴机构，其中平台被建议用来作为飞行仿真器，因此又常被称为“史都华平台”。如图1是史都华平台的基本结构，图2是Pro/E装配好的模型，将该模型进行机构仿真后就可以精确计算平面位置的变化。

三、基于Pro/E实现工业设计中三维动态仿真的过程

（一）实体建模。进行三维动态仿真的第一步就是对产品各个模块进行实体建模，确定每个简单实体的形状特征以及它们之间的相对位置和表面连接方式，再根据每个简单实体特征的主次关系按照先主后次的顺序进行建模。每个简单实体特征建模的顺序和它的表面造型都直接影响到整个产品模型的可修改性、稳定性、可理解性等。因此在建模的时候应该用最少最简单的特征去表现每个部分。由于Pro/E中的参数化设计能够较好地保持工作的一致性，同时能增加工作中的灵活度，避免人为修改数据时产生的疏漏，因此在Pro/E中的实体建模阶段我们可以采用参数化设计。参数化设计（也叫尺寸驱动，Dimension-Driven）是采用预定义的办法建立图形的集合约束集，指定一组尺寸作为参数与集合约束集相联系，因此改变尺寸值就能改变图形。Pro/E系统最典型的特点是参数化，体现参数化除使用尺寸参数控制模型外，还在于根据尺寸建立数学关系式，使其保持始终相对的大小、位置或约束条件。（二）零件装配。要想成功制作出三维动态仿真，在进行实体建模后就需要进行零件的装配过程。零件的装配需要在产品的零件之间建立一定的约束，这样每个零件在产品中的相对位置就确定了。在进行零件装配时，需要选取一组或者一组以上的约束来限制零件，确定其相对位置。装配零部件的过程中，第一个零部件的选择非常重要，它应该是整个模型中最关键的基础零件，后装配的零件都要直接或者间接地参照该零件；同时在以后的工作中不会删除该零件。因为零件的装配也存在父子关系，先导入的零件叫做父零件，后装配的零件称为子零件。子零件可以单独删除，但是父零件一旦删除与之相关联的子零件也会被一并删除。因此第一个零件在以后的工作中不能被删除。（三）Pro/E机构运动仿真。在进行实体建模，并选择合适的装配方法进行组装之后就可以将零件进行机械仿真，以便设计者能够了解零件在真实状况下的运动情况，并进行验证分析，免去机械设计中模型制作的费用，缩短了产品开发的时间。在进行机构仿真之前，我们需要找出将来固定不动的零件，并用约束条件将其装配起来；再使用合适的接头连接的方式将其余的零件装配进来；接着进入“应用程序—机构”模块；接下来是手动测试元件是否能按预定的方式运动，以测试元件装配是否正确，如果元件不能按预定方式运动则回到组装环境下重新组装，如果测试无误则开始进行下一步；接着如果机构中含有齿轮副或者凸轮从动机构则开始设置齿轮副、凸轮从动机构，从而建立各零件间的关系，便于驱动；接着开始添加伺服电动机作为机构动力的源泉；再继续可以添加其他一些设置，例如弹簧、力等；最后进行分析与仿真，例如位置、运动学、动态等分析，并根据分析得到结果报告。简单来说，机构仿真设计的大致流程如图3所示。

四、总结

工业设计过程中不仅仅要考虑产品造型的美观性，更要考虑产品在批量生产及实际使用过程中可能会出现的一系列问题，如产品各模块之间的干涉情况、运动轨迹检测等。因此本文探索以Pro/E这种工程类建模软件为工具，将机构仿真设计引入工业设计过程，改变传统的机构仿真仅仅用于结构、模具设计过程，以便提高工业设计质量与设计师的工作效率，加强工业设计师与结构、模具设计师之间的沟通与交流。

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作者:张高美 单位:广东理工学院