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關鍵詞：計算機應用;裝配規劃;綜述;虛擬現實;軟計算;協同裝配
裝配是產品生命周期的重要環節，是實現產品功能的主要過程。寫作畢業論文裝配成本占產品制造成本40%～50%，裝配自動化一直是制造自動化中的瓶頸問題。裝配規劃是在給定產品與相關制造資源的完整描述前提下，得到產品詳細的裝配方案的過程，對指導產品可裝配性設計、提高產品裝配質量和降低裝配成本具有重要意義。產品的裝配規劃通常需要得到零部件的裝配序列、裝配路徑、使用的工裝夾具和裝配時間等內容[1]~[3]。
較早的傳統裝配規劃采用人工方式，工藝人員根據設計圖紙和技術文檔，通過分析產品裝配圖中零件的幾何形狀和位置關系，必要時再和設計人員進行討論，進一步明確設計者的真正意圖，利用自己的經驗和知識規劃出產品的裝配方案。這種方法工作量大、效率低，且難于保證裝配方案的經濟性。
隨著計算機集成制造CIMS和并行工程CE技術的發展和應用，一方面對裝配相關的設計技術提出了計算機化的要求，以提高和產品開發過程中其他環節的集成化程度。另一方面要求裝配方案的優化以降低成本和縮短規劃時間以加快產品開發進程。受“需求牽引”和“技術推動”兩方面的影響，80年代初，出現了對計算機輔助裝配規劃(ComputerAidedAssemblyPlanning，CAAP)技術的研究。到目前為止，CAAP經歷了幾個不同的發展階段，出現了4種代表性的方法，按照出現的時間順序及方法的特點，筆者將其歸結為經典裝配規劃方法、虛擬裝配規劃方法、裝配規劃軟計算方法和協同裝配規劃方法。
1經典裝配規劃方法
早期CAAP的研究側重于裝配序列的規劃，以產品CAD裝配模型為基礎，寫作碩士論文一般采用幾何推理的方法，通過產品裝配建模、裝配序列推理和表達以及裝配序列評價和選擇為產品面向裝配的設計和裝配工藝規劃提供指導和支持，其過程通常如圖1所示。
1.1產品裝配建模
產品裝配模型是裝配規劃的基礎，為裝配規劃提供裝配體和零部件的相關信息。常用的裝配信息表達模型可分為圖模型和矩陣模型。法國學者Bourjauct提出了聯系圖模型[4]，將零件之間的物理接觸關系定義為聯系即裝配關系，圖中的節點對應零件，邊表示所連接的零件間至少有一種裝配關系。關系模型[5]進一步區分了零件之間的接觸關系和聯接關系，圖中包含3種實體類型：零件、接觸和聯接，邊表達了實體間的關系。產品等級裝配模型[6]將裝配體看成具有層次結構性，即裝配體可以分解為子裝配體，子裝配體又可分解為下級子裝配體和零件的集合，以此表達產品的裝配組成。
矩陣比圖易于計算機表達和實現。Dini和Santochi[7]利用干涉矩陣、接觸矩陣和連接矩陣表達產品，干涉矩陣描述了零部件間沿坐標軸方向裝配時相互間的干涉情況，接觸矩陣描述了零部件間的物理接觸狀態，連接矩陣描述了零部件間的連接類型。為減少矩陣的數量，Huang[8]等把6個干涉矩陣合并為一個拆卸矩陣，集成的表達零部件間沿坐標軸方向的干涉情況。
1.2裝配序列推理和表達
基于聯系圖模型，Bourjauct采用人機交互“問答式”方法獲取裝配優先約束關系[4]，寫作醫學論文隨后DeFazio和Whitney[9]，Baldwin[10]等人的工作進一步較少了需要由用戶回答問題的數量，然后通過對裝配優約束關系進行推理得到聯絡建立優先關系的層次模型表達產品的裝配序列。
“割集”法是基于拆卸策略的裝配規劃中通常采用的圖論算法。HomemdeMell和Sanderson[5]通過對產品聯接圖進行縮并，利用“割集”算法對聯接圖進行循環分解，生成所有可能的子裝配體，直到不可再分。并提出了裝配序列的AND/OR圖表達方法，圖中的節點對應裝配過程中的子裝配體或零件，超弧表達將子裝配體或零件聯接在一起形成更大子裝配體的裝配操作。因為“割集”算法的計算復雜性為O(3N)(N為零件個數)，因此，對于復雜產品的裝配順序規劃存在指數爆炸問題，這是難以讓人接受的。
1.3裝配序列評價和選擇
裝配序列的選擇對裝配線設計、裝配成本、裝配設備選擇有很大影響，寫作職稱論文而評價是選擇的基礎。裝配序列的評價可分為定性和定量兩方面因素[11]~[13]，定性因素主要考慮的有裝配方向換向的頻度、子裝配體的穩定性和安全性、裝配操作任務間的并行性、子裝配體的結合性和模塊性、緊固件的裝配、零件的聚合等。定量因素主要考慮的有整個裝配時間(包括子裝配體的操作時間、運輸時間等)、整個裝配成本(包括勞動成本、夾緊和加工成本)、產品在裝配中再定位的次數、夾具的數目、操作者的數目、機器人手爪的數目、工作臺的數目等。
更多的經典裝配規劃方法研究文獻可以參見TexasA&M大學Wolter教授的“AssemblyPlanningBibliography”[14]，其中收集了自1980年起近15年經典裝配規劃方法的相關研究。經典方法一般表達出全部的序列解空間，這使它可能從中找出最優的裝配序列，但隨著產品中零件數量的增加，解空間的組合爆炸給序列的存儲、選優帶來極大困難；且序列的幾何推理方法不易融入人類的裝配知識，難免產生眾多幾何可行但工藝不可行的序列結果。
2虛擬裝配規劃方法
虛擬現實技術為裝配規劃的“人－機”協同工作提供了契機。虛擬裝配是指由操作者通過數據手套和三維立體顯示設備直接三維操作虛擬零部件來模擬裝配/拆卸過程，無需產品或支撐過程的物理實現，通過分析、先驗模型、可視化和數據表達等手段，利用計算機工具來安排或輔助與裝配有關的工程決策[15]。虛擬裝配過程中，人機可以充分發揮各自的優勢，即人通過直覺/裝配經驗和知識決定產品的裝配過程，但不能精確地判斷當前所有可能裝配的零件，也不太可能準確判定裝配某一零件后裝配體的穩定性等因素，而通過一定算法和規則實現的機器智能剛好彌補人的不足。虛擬裝配方法得到的不僅僅是零件的順序，還可以包括零件路徑、裝配工具、夾具和工作臺等信息。圖2為虛擬裝配規劃的工作步驟。
國外虛擬裝配規劃的研究以沉浸式虛擬裝配環境VADE[16],[17](VirtualAssemblyDesignEnvironment)為代表，寫作英語論文通過建立一個裝配規劃和評價的虛擬環境來探索運用虛擬現實技術進行設計、制造的潛在技術可能性，為機械系統裝配體的規劃、評價和驗證提供支持。在虛擬環境中，利用提取并導入的CAD系統產生的裝配約束信息引導裝配過程；通過引入了質量、慣性和加速度等物理屬性，基于物理特性進行裝配建模，逼真地模擬真實裝配環境；支持雙手的靈活裝配和操作；記錄虛擬裝配過程中產生的掃體積和路徑信息并可進行編輯；建立了工具/零件/人相互作用模型，支持裝配工具在虛擬裝配環境中的運用。
國內管強等[18]將虛擬現實技術與面向裝配設計的理論相結合，建立了一個虛擬環境下的面
向裝配設計系統（VirDFA）。萬華根等[19]建立了一個具有多通道界面的虛擬設計與虛擬裝配系統（VDVAS），通過直接三維操作和語音命令方便地對零件進行交互拆裝以建立零件的裝配順序和裝配路徑等裝配信息。在面向過程與歷史的虛擬設計與裝配環境（VIRDAS）中，張樹有等[20]通過識別裝配關系進行裝配運動的導航，實現虛擬拆卸/裝配順序規劃、虛擬裝配分析。從集成的觀點出發，姚珺等[21]提出面向產品設計全過程的虛擬裝配體系結構，從方案設計、結構設計和裝配工藝設計3個層次上分階段地對產品可裝配性進行分析與評價。田豐等[22]提出一個面向虛擬裝配的三維交互平臺（VAT），簡化了虛擬裝配應用系統的構造，便于應用的快速生成。
應用虛擬現實環境開展裝配規劃，提供了一種新的思路和工具。但是，虛擬環境的構建需要較大資金的軟硬件投入，另外，虛擬現實技術本身（如圖形的高速刷新）及其相關硬件技術（如力觸覺設備）的不成熟使得虛擬裝配的研究仍處于探索階段。
3裝配規劃軟計算方法
1994年，Zadeh教授將模糊邏輯與智能技術結合起來，提出了軟計算方法（softcomputing）[23]。軟計算以模糊邏輯、神經網絡和概率推理為基礎，不追求問題的精確解，以近似性和不確定性為主要特征，所得到的是精確或不精確問題的近似解。為避免組合爆炸同時又能得到較優的裝配規劃方案，近來，基于建模、表達和尋優一體化的裝配規劃軟計算方法得到廣泛關注。
3.1裝配規劃神經網絡方法
神經網絡是模擬人類形象思維的一種人工智能方法，它是由大量神經元廣泛互連而成的復雜網絡系統，寫作留學生論文單一神經元可以有許多輸入、輸出，神經元之間的相互作用通過連接的權值體現，神經元的輸出是其輸入的函數。若將優化計算問題的目標函數與網絡某種狀態函數(通常稱網絡能量函數)對應起來，網絡動態向能量函數極小值方向移動的過程就可視作優化問題的求解過程，穩態點則是優化問題的局部或全局最優解。
Hong和Cho[24]用于機器人裝配順序優化的Hopfiled神經網絡中，考慮裝配約束、子裝配體穩定性和裝配方向改變等因素建立網絡的能量方程，基于優先約束推理和專家系統提供的裝配成本驅動網絡的進化方程得到優化的序列。但由于神經網絡缺乏全局搜索能力，計算結果顯示，該方法容易產生不優化的裝配順序，且常常只能得到一個局部最優的裝配序列。另外，參數選擇和初始條件對網絡的靈敏度影響大；神經網絡在應用前須進行訓練，而訓練時要由專家提供較多可行的順序作為樣本。而樣本可能是針對某種類型的產品，對其它類型的產品則不一定適用，該方法的應用范圍窄。
3.2裝配規劃模擬退火算法
模擬退火算法源于固體退火思想，將一個優化問題比擬成一個熱力學系統，將目標函數比擬為系統的能量，將優化求解過程比擬成系統逐步降溫以達到最低能量狀態的退火過程，通過模擬固體的退火過程獲得優化問題的全局最優解。
Saeid等[25]利用模擬退火算法進行裝配序列規劃時，根據產品裝配模型獲得裝配優先關系，將裝配過程總裝配時間和重定向次數運用多屬性應用理論組合成單一目標函數，作為裝配序列優化的評價函數。Hong和Cho[26]將裝配約束和裝配過程的成本映射為裝配序列能量函數，利用模擬退火算法使裝配序列能量函數擾動地逐步減小，經過多次迭代，直到能量函數不再變化為止，最后得到具有最小裝配成本的裝配序列。作者將該方法應用到一個電子繼電器裝配體上，并將其性能與利用神經網絡[24]的裝配規劃方法進行了比較，結果顯示基于模擬退火的裝配序列優化方法可以產生較好的裝配序列并且在運算時間上優于人工神經網絡方法。
模擬退火算法具有較強的局部搜索能力，并能使搜索過程避免陷入局部最優，但模擬退火算法對整個搜索空間的狀況了解不多，不能使搜索過程進入最有希望的搜索區域，從而使得算法的運算效率不高。
3.3裝配規劃遺傳算法
在眾多軟計算方法中，遺傳算法得到了眾多研究者的重視。寫作工作總結遺傳算法是模仿生物自然選擇和遺傳機制的隨機搜索算法，它將問題的可能解組成種群，將每一個可能的解看作種群的個體，從一組隨機給定的初始種群開始，持續在整個種群空間內隨機搜索，按照一定的評估策略即適應度函數對每一個體進行評價，不斷通過復制、交叉、變異等遺傳算子的作用，使種群在適應度函數的約束下不斷進化，算法終止時得到最優/次最優的問題解。圖3為裝配規劃遺傳算法的一般流程。
裝配規劃遺傳算法的研究重點集中于設計裝配序列的基因編碼方式以包含更多的裝配過程信息、設計基因操作的形式和改進遺傳算法的局部搜索能力上。Lazzerini等[27]的分段編碼遺傳算法中，將染色體分為3段編碼，第1段表示參與裝配的零件編號，第2段表示零件的可行裝配方向，第3段表示裝配工具，從而使染色體包含了部分工藝信息。為了提高算法的性能，文中將裝配體分解為子裝配體進行裝配，減少了參加裝配序列規劃的零件數目；Guan等[28]采用基因團編碼方式，一個基因團表達一個零件的裝配操作，由被裝配零件號裝配元、裝配工具裝配元、裝配方向裝配元和裝配類型裝配元組成。在擴大采樣空間選擇下一代種群的基礎上，通過交叉和多層次變異實現裝配序列并行優化。廖小云和陳湘鳳[29]在裝配序列規劃遺傳算法中設計了復制、交叉、變異、剪貼和斷連5種遺傳算子尋找裝配序列優化解。在Smith等[30]的增強型遺傳算法中，選擇下一代個體并不完全依靠適應度，而是先把一定數量較優的個體復制到下一代，將適應度低但幾何可行的序列用于繼續產生序列，直到滿足下一代種群中序列個數的需求，從而使算法能跳出局部最優點，在全局范圍內搜索最優解。
理論上，找到全局最優裝配序列要求參加演化計算的種群規模要足夠大，迭代次數要無限
多，但在計算資源和時間限制下是達不到要求的。因此，遺傳算法求解裝配規劃問題的效率和結果依賴于初始種群規模及其質量、遺傳算子及其操作概率等因素。
4協同裝配規劃方法
裝配體作為實現產品功能的載體，零部件可能由不同的企業設計，零部件和產品可能在不同的裝配工廠完成裝配過程，因此需要設計團隊的協同工作和決策以保證裝配質量和降低裝配成本。計算機和網絡技術的快速發展縮短了異地人員在時間和空間上的距離，為實時的“人－機－人”協同裝配工作提供了可能。
Wisconsin-Madison大學[31]提出網絡環境下的電子化裝配（e-Assembly），探討在Internet/Intranet上利用3D模型進行協同虛擬裝配和拆卸的方法論和工具，擬實現的關鍵技術包括3D交互可視化、協同裝配/拆卸/維護/回收等。目前已開發了Motive3D系統，利用Synthesizer模塊可以交互/自動進行產品的裝配建模和規劃，Visualizer模塊為用戶在Web平臺上提供裝配序列規劃結果的可視化仿真，但缺少交互修改、調整功能。在ATS項目[32]實施中，為了向異地的開發人員展示裝配設計和裝配規劃結果，嘗試利用VRML作為可視化工具，一方面供設計團隊瀏覽零部件設計，另外將裝配模型用文本編輯軟件進行編輯，生成裝配序列的VRML仿真文件，供異地的設計團隊實時進行評價和提出修改意見。但手工編輯文件不但花費的時間長達一周，而且每次設計修改后都必須重新編輯；同時，仿真文件僅具有瀏覽功能，不能進行交互修改。
Web環境下的協同裝配規劃方法[33]采用協同工作環境下的裝配建模、裝配規劃任務分配和裝配序列合成等技術，通過對復雜產品裝配規劃問題的分解，即降低了單機規劃工作模式的復雜度，又便于集中不同地域多專家的裝配知識和經驗進行裝配規劃方案的協同決策。面向協同廣義裝配[34]通過確定裝配子任務編碼方法、裝配人員評價指數和制定協同裝配協議，以VRML為產品模型載體實現協同裝配系統。在裝配知識和規則的支撐下，支持局域網內多用戶實施產品預裝配、驗證零部件可裝配性，相關的裝配人員能夠協同討論裝配方案。Web環境下3D交互裝配可視化仿真結構是一個符合開放技術標準的可視化裝配系統[35]，它基于VRML-Java實現裝配場景的動態生成、裝配控制、碰撞檢測以及裝配過程的動畫回放等功能，目前完成了基于“堆疊”思路的裝配驗證方式。但該系統屬于單用戶系統，不能支持多用戶的實時協同裝配工作。
5結論與展望
CAAP的研究在理論上取得了一定的成果，在工業界也得到了一定的應用，但相對而言還很少，這說明該技術距離工業實用還存在較大差距。裝配規劃是一個經驗和知識密集型的工作，同時又與具體行業和產品有緊密的關系。經典裝配規劃方法的精確推理在保證序列的幾何可行性方面具有優勢，而軟計算技術能夠將人的模糊知識融入規劃過程中，使得結果具有更好的工藝可行性，兩者的適當結合將有利于模仿人類裝配專家的實際裝配規劃過程，從而得到合理的裝配方案。
跨地域、跨國家的網絡化、協同化產品設計和制造新模式的形成使產品裝配成為一個需要協同工作和決策的問題。隨著虛擬現實技術和網絡技術的進一步發展，建立基于網絡的協同裝配決策平臺和虛擬環境，支持異地多人員協同裝配方案決策將是新形勢下裝配規劃研究的新趨勢。
參考文獻
[1]蘇強,林志航.計算機輔助裝配順序規劃研究綜述[J].機械科學與技術,1999,18(6):1006~1012.
[2]石淼,唐朔飛,李明樹.裝配序列規劃研究綜述[J].計算機研究與發展,1994,31(6):30~34.
[3]牛新文,丁漢,熊有倫.計算機輔助裝配順序規劃研究綜述[J].中國機械工程,2001,12(12):1440~1443.
關鍵詞：虛擬裝配；虛擬裝配環境；虛擬裝配應用系統
中圖分類號：TP311文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2011)18-4420-03
Survey and Analysis of Virtual Assembly
YU Hai-xia, WANG Jia-qi
(Department of Computer Scienct, Anhui Vocational and Technical College of Industry and Trade, Huainan 232007, China)
Abstract: The research progress of Virtual Assembly (VA) in recent years was summarized and analyzed in this paper. According to different functions and objectives, VA can be classified as four aspects. Virtual assembly technology was summarized and analyzed from three aspects: virtual assembly environment, virtual assembly key technologies, and virtual assembly application systems. Aiming at the shortcomings of traditional virtual assembly environment, the two new virtual environment systems were studied. The key technologies of virtual assembly systems, their researches and applications were summarized, and some important technologies including assembly modeling in virtual environment, constraint-based positioning and assembly process planning were studied comprehensively. Four typical virtual assembly application systems arising in recent years were introduced. At last, technological shortcomings and application obstacles for VA are pointed out.
Key words: virtual assembly; virtual assembly environment; virtual assembly application system
1 概述
虛擬裝配是近些年來被廣泛研究的新興技術，是虛擬現實技術在制造業的典型應用，也是虛擬制造技術研究的重要方向之一。它從產品設計裝配的角度出發，綜合利用虛擬現實技術、計算機建模與仿真技術、計算機輔助設計技術等，建立一個具有聽覺、視覺、觸覺的多模式虛擬環境，設計者可在虛擬環境中交互式地進行產品設計、裝配操作和規劃、檢驗和評價產品的裝配性能，并制定合理的裝配方案。
虛擬裝配技術可以降低復雜產品的開發難度，縮短開發周期，降低成本，對實現產品的并行開發，提高裝配質量和效率具有重要的意義。虛擬裝配可以應用于航空航天、汽車、船舶、工程機械、教育等領域。
2 虛擬裝配的研究概況
1995年，美國華盛頓州立大學和美國國家標準與技術研究院聯合，最早開始了對虛擬裝配技術的研究，并開發了虛擬裝配設計環境VADE（Virtual Assembly Design Environment）。VADE在裝配領域的成功應用，引發了各個國家的高校和研究機構對虛擬裝配的研究。20世紀90年代末，國內也開始對虛擬裝配技術進行研究，已經取得許多研究成果。虛擬裝配技術的研究大致可分為三個階段：虛擬裝配理論的提出和完善階段，虛擬裝配原型系統的研發階段，虛擬裝配技術在工業上的應用研究階段。目前，國外已經開始了第三階段的研究應用，國內也開始由第二階段向第三階段過渡。
根據實現功能和目的不同，可以將虛擬裝配分為四種類型[1]。
1）以產品設計為中心的虛擬裝配。
2）以裝配工藝規劃為中心的虛擬裝配。
3）以制造系統規劃為中心的虛擬裝配。
4）以虛擬原型為中心的虛擬裝配。
3 虛擬裝配的研究內容
虛擬裝配的研究內容主要有：虛擬環境的研究、虛擬裝配關鍵技術研究和虛擬裝配應用系統的研究[2]。
3.1 虛擬環境的研究
虛擬環境是虛擬裝配的前提，良好的虛擬環境能使虛擬裝配與實際裝配過程更接近，為生產實踐提供更可靠的指導。傳統的虛擬環境可分為四種。
1）桌面式系統
桌面式系統使用普通計算機產生三維虛擬場景，用戶通過顯示器觀看虛擬場景，需要佩戴立體眼鏡才可以看到三維立體圖像。這種場景系統造價低、簡單方便，不足之處是沉浸感差。
2）頭盔式系統
頭盔式系統利用頭盔顯示器和數據手套等交互設備把用戶與外界環境分隔開來，從而使用戶真正成為系統的一個參與者，沉浸感比較強。但頭盔式顯示器存在約束感較強，分辨率偏低等問題，長時間易引起疲勞。
3）CAVE系統
CAVE系統的主體是一個房間，房間的周圍均由大屏幕組成，高分辨率的投影儀將圖像投影到這些屏幕上，用戶通過立體眼鏡便能看到立體圖像。CAVE系統實現了大視角、全景、立體且支持多人共享的一個虛擬環境，但其造價太高，參與者被限制在一個有限的小空間內，不能大距離行走。
4）大屏幕投影系統
將多臺投影儀拼接起來形成一個邏輯上統一的大屏幕，實現大面積、高分辨率的顯示，優點是可以產生大視角、高亮度和高分辨率的立體圖像，可使多人沉浸場景之中，具有很強的沉浸感。缺點是成本高，技術難度大，許多關鍵問題需要解決。
以上各種虛擬環境都存在一個共同的問題是，操作者被限制在一個有限的空間內，行動上受到很大的限制，而現實中，尤其是大型產品的裝配中，操作產品并不能移動，往往要求操作人員要有足夠的活動空間。為了解決這個問題，很多研究機構提出一些新型的虛擬裝配環境，如英國Warwick大學研制的Cybersphere系統[3]。Cybersphere系統采用半透明的球體作為顯示裝置，放置在可以自由旋轉的支架上，操作者處于球體內部，可以自由行走。計算機根據操作者的肢體動作產生不斷變化的圖像，并通過投影系統顯示在球體表面，操作者通過立體眼鏡看到立體圖像。這種方式實現了操作者在虛擬環境中的自由行走。
哈爾濱工業大學也設計了一種可實現操作者自由行走的新型虛擬裝配環境系統[3]，如圖1所示，該系統也采用球形幕作為顯示裝置，操作者在一個專門設計的全方位反行走機構上做直線行走或者轉向。操作者頭部、手部與雙腳分別裝有3-D位置跟蹤器，計算機系統根據接收到的3-D位置跟蹤器信號，控制全方位反行走機構的運動，并生成不斷變化的三維圖像，通過投影系統顯示到球形幕上。操作者通過佩戴立體眼鏡、數據手套與虛擬環境交互從而生成沉浸感較強的虛擬環境，為大型復雜產品的裝配設計、規劃和訓練提供高逼真度的仿真平臺。
3.2 虛擬裝配關鍵技術的研究
虛擬裝配涉及到的關鍵技術很多，各種技術的研究情況及應用情況如表1所示。本文只對其中幾個重要的關鍵技術進行論述。
1）裝配建模技術
目前，虛擬裝配中零部件模型的建立和虛擬裝配應用系統的開發主要還是基于CAD系統實現。這種虛擬裝配系統易于實現，零件和裝配體的建模、裝配仿真可在一個系統下進行，操作簡單，但真實感和可靠性受到限制，主要用于產品的設計階段。
基于虛擬現實軟件開發的虛擬裝配系統，需要將CAD零部件模型及其相關信息轉換后導入到虛擬環境，實現交互操作。目前已經取得一定的研究成果，美國的VADE從Pro/Engineer系統中提取產品結構樹信息、裝配約束信息以及零部件幾何信息，實現CAD系統和虛擬裝配系統的自動轉換；新加坡南洋理工大學開發了基于CAD緊密連接的虛擬裝配環境；哈爾濱工業大學通過模型轉換實現了從SolidWorks、Pro/Engineer系統到虛擬裝配系統的輸入。
2）約束定位技術
由于虛擬環境缺乏現實環境中存在的各種物理約束和感知能力，虛擬裝配過程中零件之間主要依靠幾何約束進行精確定位。華盛頓州立大學的S.Jayaram等[4]首先提出約束定位的思想，通過零部件受約束運動以及約束求解，來實現虛擬裝配過程中待裝配零件的精確定位。英國Heriot-Watt大學Richard等[5]提出近似捕捉(proximity snapping)和碰撞捕捉(collision snapping)的方法來解決虛擬環境中零部件的精確定位。英國Salford大學虛擬環境中心的Fernando等[6]研究了基于幾何約束的零件精確定位和三維操作，開發了幾何約束管理器，用來支持虛擬環境下裝配和維修任務。浙江大學劉振宇、譚建榮等[7]在語義識別的基礎上，提出了基于語義引導的幾何約束識別方法，通過語義和約束識別來捕捉虛擬裝配過程中用戶的操作意圖，從而提高了約束識別速度和準確性。
3）工藝規劃技術
設計人員根據經驗知識在虛擬環境中人機交互式對產品的三維模型進行試裝，規劃零部件裝配順序，記錄并分析裝配路徑，選擇工裝夾具并確定裝配操作方法，最終得到經濟、合理、實用的裝配方案。加拿大Yuan等[8]提出了虛擬環境中交互式裝配序列規劃的方法。浙江大學的萬華根等人[9]在基于虛擬現實的CAD系統中提出用戶引導的拆卸方法，基于“可拆即可裝”的原理，將拆卸順序和拆卸路徑進行反演，即可得到產品的裝配順序和裝配路徑。
3.3 虛擬裝配應用系統的研究
從1995年美國州立大學研制出第一個虛擬裝配系統VADE起，世界各國陸續研制出了多種典型的虛擬裝配應用系統，分別應用于不同的工業領域。本文只對幾個典型的系統進行介紹。
1）CHDP(Cable Harness Design and Planning)系統
CHDP系統是英國Heriot-Watt大學在2002年開發出來的。它是在早期開發的虛擬裝配規劃系統UVAVU[10] (Unbelievable Vehicle for Assembly Virtual Units)的基礎上提出的，主要針對現代產品設計過程中存在的管路和線纜裝配的難題。該系統充分利用了虛擬現實人機交互的特點，設計者在虛擬環境中可以充分發揮已有的裝配經驗和知識，根據周圍環境進行快速、直觀地布線。
2）V-REALISM系統
V-REALISM[11]系統是新加坡南洋理工大學2003年開發的基于CAD的桌面式虛擬環境系統，可用于虛擬裝配、拆卸與維修。該系統充分體現了可視化、交互性和自由導航三個特點；系統包括三個基本功能：提供優化的裝配/拆卸序列；提供三維虛擬環境進行操作和導航；將智能裝配/拆卸序列規劃算法和虛擬現實技術集成到一起。
3）基于虛擬原型的裝配驗證環境VPAVE
2003年，美國紐約州立大學開發了基于虛擬原型的裝配驗證環境VPAVE[12] (Virtual Prototype Assembly Validation Environment)。實際生產過程中，零部件在加工過程會引起變形或受機床刀具與夾具的磨損，引起零件最后的尺寸和形狀誤差。而在傳統的面向裝配設計系統中，很少考慮到零件的尺寸誤差，導致最后加工出來的零件裝配不上或裝配性能不能滿足要求。VPAVE系統就是基于上述不足而提出的。VPAVE系統中采用虛擬原型，通過提取實際加工過程影響參數，建立對裝配零件形狀精度和尺寸精度的影響模型，利用有限元軟件分析零件的受力、變形及殘余應力情況，在虛擬環境下進行可裝配性分析和評價。
4）PAA系統。
2005年，意大利Bologna大學利用增強現實技術開發了基于CAD的裝配規劃與驗證系統PAA(Personal Active Assistant)[13]。PAA實現了CAD裝配系統和增強現實系統之間集成，從而提高工程設計模型和真實物理模型之間的集成。PAA系統利用CAD工具來有效提高對象識別能力，生成優化裝配序列和產生裝配操作指令；另一方面，基于增強現實的裝配評價工具允許裝配設計人員和裝配操作人員之間的直接交互，指導操作人員的裝配。
4 存在問題
虛擬裝配在設計與制造領域的應用，具有重要的理論意義和實用價值。國內外研究也取得了很大的進展。但總體上看，虛擬裝配技術目前仍存在許多欠缺，一些關鍵技術還需要亟待解決。
1）缺乏規范化的共享開發平臺和統一的標準和規范。虛擬裝配系統還不能接受CAD系統的模型信息，實現與主流CAD系統的無縫集成。目前各的虛擬裝配系統，都是根據本單位的情況來定制CAD接口，實現信息轉換，在數據的提取和表達、信息的存儲和管理等方面沒有統一的標準和規范。
2）建模能力弱。目前的虛擬裝配系統都以理想的零件模型為基礎，沒有考慮具體的加工和裝配環境對零件形狀精度和尺寸誤差的影響，導致實際生產出來的零件裝配不上或裝配性能不滿足要求。
3）交互操作可靠性和靈活性差。由于基于碰撞檢測的交互操作是一個多輸入、大計算量的過程，輸入系統的靈敏性、碰撞檢測的計算效率等因素都影響交互操作的可靠性。
4）功能過于單一。虛擬裝配系統除了工藝規劃和裝配過程仿真外，許多輔助功能還沒能實現，如裝配力變形分析、工裝夾具的設計、裝配質量預測、裝配人員工效分析等功能。
5）開放性和集成能力弱。由于虛擬裝配系統開發的方法、環境差別較大，與其他系統集成和數據交換的能力弱，制約了虛擬裝配系統的開發及與現有其他系統的集成。
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關鍵詞：機床專用夾具；參數化；虛擬化裝配
1 機床專用夾具設計內容
機床專用夾具一般是由夾緊裝置、對刀裝置、定位裝置和夾具體等基本裝置組成，其內容主要包括：⑴設計夾具的定位機構。此過程主要包括了對夾具定位元件與機構的選擇、方案的確定和對定位誤差的計算等。定位元件的選擇則是包括定位元件的結構、形狀、尺寸及布置形式等；定位方案是指工件以內孔、以平面定位、以外圓柱表面進行定位，之后在根據不同的定位方式來進行定位誤差的計算。⑵設計夾具的夾緊裝置。這部分主要是由力源裝置、夾緊元件與夾緊機構、中間的傳力機構組成，包括夾具夾緊元件與機構的選擇、夾緊方案的確定以及計算夾緊力和切削力等。斜楔夾緊機構、螺旋夾緊機構、聯動夾緊機構等則是屬于對夾緊機構的選擇，根據切削力計算夾緊力的大小并且確定合理的夾緊方案。⑶設計夾具的對定機構。夾具對定機構的設計包括對刀裝置與元件、引導裝置與元件、分度裝置以及其相關的計算，如定向鍵、對刀塊、計算刀塊到定位元件位置的尺寸、分度裝置、計算分度誤差等。
⑷夾具總體裝配布置和其工藝的設計。
2 機床專用夾具設計時的常用步驟
（1）明確設計的要求和生產所需條件、認真調查并收集設計資料；（2）確定夾具所用的結構方案、并且繪制夾具所需要的總圖；（3）對夾具精度的校核和繪制夾具零件的工作圖；（4）夾具設計時其質量的評估。
3 機床專用夾具的對象裝配
機床專用夾具裝配時的的對象模型是由機床專用夾具的裝配對象和另一個對象之間的組合，因為根據大量的實例研究來看，無論是機床專用夾具的零件的裝配還是部件的裝配，都是以一種裝配模型為基礎的。機床專用夾具的對象裝配之間的原則是指裝配對象之間互相存在的約束關系。這種關系都是由裝配對象以及幾何特征和裝配幾何特征之間的裝配來進行約束的。根據人們研究的模型來看，組成裝配幾何特征的裝配元素根據幾何特點可以分為平面、曲面、直線、曲線、點等；通過對它的特點分析，幾何特征的元素主要為面元素，其中包括有平面、錐面、柱面、球面等。不僅這樣，對裝配幾何特征來說，它的排列方式不是沒有規則可言的，它的排列還存在著尺寸的約束。
4 機床專用夾具的裝配過程
自上而下的裝配過程是非常符合復雜裝配的一種方法，它的設計步驟為：⑴確定設計目標。⑵提供設計時所需要的模型。⑶開始對部件進行設計。從設計好的實體模型中可以看出，這種自上而下的設計方法就是在建立各個零件間的關系，并且在每個零件設計好之后自動的進行裝配。這種自上而下的設計技術是在參數化特征造型后，CAD技術再次重要突破。
5 機床專用夾具設計實例
本節以壓泵上體的零件圖為例子，加工液壓泵上體部分的三個階梯孔，根據其工藝規程在2nT_階梯孔之前，部件的頂面與底面、兩個8H7的孔和兩個奎8mm TL都已加工好。而本工序加工時所需的要求有：三孔軸線與底面垂直度，四小孔和中間階梯孔的位置要求以及三個階梯孔的距離是254-O.1mm。后兩項要注公差，加工的要求較低，試設計車床專用夾具。
首先要確定定位方案和設計定位裝置。工階梯孔的加工工序的基準和限位基準為都分度滑盤的上表面。根據基準垂合的原理，分度滑盤的上表面應該為定位基準。分度滑盤的上表面用來限制XY方向轉動和Z方向移動這三個自由度的。第二確定夾緊的方案和設計其夾緊裝置。車床夾具的夾緊裝置必須安全又可靠。夾緊時力作用點和方向應按|以下要求進行選擇：主要的夾緊力的方向應朝向主要定位基準，作用點靠近支承面的幾何中心；夾緊力方向應利于減少夾緊力，盡量和工件的主要定位基面垂直，和切削力、重力的方向是一致的；夾緊力的方向和作用點應作用于工件剛性較好的方向和部位。第三就要確定夾具與機床的連接方式。對于徑向尺寸大的夾具，一般是通過車床主軸軸頸和過渡盤進行連接的。之后裝配在過渡盤的凸緣上，然后再用螺釘進行緊固。最后進行分度裝置設計。
6 結語
機床夾具在機械加工中直接影響著其質量，生產的效率和生產成本。這對一個企業來說也是一種影響。企業在長期機床夾具的生產中會積累一定的生產經驗領用這些來提高家具生產的效率。本文就簡單的對機床專用夾具參數化虛擬裝配進行了討論，討論了零件與部件之間的連接關系、零件的設計信息和在Pro/E系統中機床專用夾具怎樣進行虛擬裝配等。
通過對機床夾具的了解，我們知道了利用CAD平臺上機床虛擬裝配技術可以快捷的實現夾具的裝配過程，這樣的方法不僅節省了很多時間和裝配人員的體力，還不易出錯，這樣大大的提高了機床專用家具的生產效率。這對一個企業來說是不僅提高了生產能力、降低了成本，還提高了產品的質量。機床夾具參數化虛擬裝配的研究對我國也起著很大的作用。
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關 鍵 詞：榫卯結構 數字化仿真 有束腰凳
一、前言
傳統榫卯工藝是傳統文化中的瑰寶[1]，在現代家具設計中迫切需要對其進行深入學習與研究。但是由于榫卯工藝結構復雜，在教學中此類物理教具制作困難，不能進行批量的機械化生產。并且內部榫卯結構不能通過物理教具直接觀察到，學習者不能直觀的理解其結構，這造成學習榫卯結構的過程非常困難[2]。針對榫卯工藝在研究過程中存在的此類問題，本文提出引入數字化設計中的新方法、新技術，將數字化仿真設計與榫卯工藝相結合，以“有束腰方凳”為例，進行虛擬仿真設計。利用仿真技術對榫卯結構進行數字化模型的構建，并利用虛擬裝配技術對其進行裝配和構建。這樣避免了物理教具的批量制造，降低教學成本，提升了教學效率，為榫卯結構的教學研究提供了一條新的思路，本文主要研究的是通過仿真模擬技術對傳統榫卯工藝進行研究及其數據庫的建立。
二、數字化仿真構建方法
1、數字化仿真技術含義
數字化仿真技術是以虛擬現實和仿真技術為基礎，對產品的設計過程統一建模，在計算機上實現產品從設計、加工和裝配、檢驗、整個生命周期的模擬和仿真。這樣可以在產品的設計階段就模擬出產品及其性能和制造過程，以此來優化產品的設計質量和制造過程。與傳統的工業設計相比，數字化設計技術在設計方法、設計過程、設計質量和效率等各方面都發生了質的變化，數字化工業設計將主要包括數字化建模，數字化裝配，數字化評價，數字化制造，以及數字化信息交換等幾方面。
2、數字化仿真設計流程
在現實家具榫卯工藝研究的方法是：把已有的家具進行拆解，對拆解后的榫卯結構進行測量、記錄與學習。而在Pro/E系統中，學習研究榫卯結構的方法是：首先通過對榫卯家具進行拆解，并對其結構進行精細測量；然后通過數字化設計技術，并采用數字化樣機來代替原來的物理原型，在數字狀態下進行仿真分析，對原設計進行裝配重組。這樣不需要實物原型，就可以讓更多的設計人員在不同時間不同的地點在計算機上進行榫卯結構的學習和研究。
三、數字化仿真實例
首先是建模平臺的選取，考慮到數據格式的通用性、三維模型建設的便捷性，以及數據管理方式的先進性，最終選用了軟件Pro/E作為三維建模平臺。對結構件和零件用軟件Pro/E進行建模來更直觀的展示傳統結構，以此來系統闡述榫卯結構制圖和模型制作的現代工藝流程。由于凳子是明清家具中最基本的單品，其結構也是桌、案、幾等家具的本源。本文將具有榫卯結構的束腰凳進行拆解，并對拆解后的結構進行仿真模擬。
1、定義初步產品結構
在進行詳細設計之前要對產品進行初步結構分析：首先采用自頂向下設計方法規劃出束腰凳的整體造型結構關系，即產品結構包含了一系列的子裝配件，以及它們所繼承的設計意圖。產品結構由各層次裝配和元件清單組成，在定義設計意圖時，有許多子裝配是預先確定下來的：比如對本例束腰凳進行結構分析，可以看到本例凳子一共使用了攢邊打槽裝板、抱肩榫、格肩榫這三種榫卯裝配結構。
2、數字化樣機詳細設計
在明確了設計意圖并定義了“有束腰凳”產品基本結構和框架前提下，將圍繞設計意圖和基本框架展開零件和子裝配的詳細設計。首先是子裝配件的確定，通過對基本框架的研究分析得出產品共分為三個子裝配體：攢邊打槽裝板結構子裝配體、抱肩榫結構子裝配體、格肩榫子裝配體。當子裝配體確定下來，設計基準傳遞下去之后，可以進行單個的零件設計。
2.1凳面榫卯結構仿真
從拆解圖二可以看出，凳面采用的是攢邊打槽裝板連接方式。我們將攢邊打槽裝板連接方式定義為子裝配件，在子裝配件下進行板心及邊框的詳細設計。趲邊打槽裝板的裝配結構是首先將板心裝納在四根邊框之中，然后將裝板的邊框裝配起來[3]。這種裝配結構的優點在于邊框伸縮性不大，使得整個家具的結構不至由于面板的脹縮而受影響，起到了穩定堅實的作用。
趲邊打槽裝板裝配結構定義完之后開始進行零部件的詳細設計，由圖四可以看出此裝配零部件由凳面的帶榫頭的兩根大邊和兩條帶榫眼的抹頭組成。這四根木框兩根長而出榫的叫“大邊”，兩根短而鑿眼的叫“抹頭”。經過以上分析，在Pro/E環境中建立這四根帶有榫卯結構的木框零部件。
2.2腿足的抱肩榫結構仿真
從圖三可以看出，凳面與腿足及其束腰采用的是抱肩榫連接方式，將抱肩榫連接方式定義為子裝配件，抱肩榫是束腰家具的腿足與束腰、牙條相結合時使用的榫卯結構。首先通過測繪獲得各種數據為基礎，在獲得詳細的數據基礎上，通過三維仿真建模技術，對抱肩榫結構進行子裝配件的建立。之后在子裝配件下進行牙條與腿足的詳細設計。通過對三維仿真模型的拆解可以看出來，抱肩榫子裝配件的詳細結構是在腿足上挖出肩，將牙條插掛在上面來固定四方的框架。同時掛銷進一步定位橫材和豎材，將面受到的壓力均勻傳遞到四足上，腿足上端的長短榫通過抹頭的插接固定了承重面。
2.3.腳檔的格肩榫模型仿真
通過下圖對束腰凳的拆解可以看出，數字化模型中腳檔與腿足的連接方式為格肩榫，將格肩榫裝配方式定義為子裝配體，然后分析其詳細零部件。本實例束腰凳的腿足是方形豎材，此家具用的是大格肩榫結構，肩部為尖角，格肩部分和長方形的陽榫貼實在一起的，為不帶夾皮的格肩榫，又叫“實肩”。詳細零部件構成為：格肩榫榫頭在中間，兩邊為榫肩，格肩部分和長方形的陽榫貼實在一起的，為不帶夾皮的格肩榫，又叫“實肩”。 齊頭碰在形式上有透榫。
3、數字化樣機虛擬裝配
假如在榫卯結構的物理教具裝配演示過程中，需要將裝配的各個零部件拿到裝配現場進行裝配[4]。而在Pro/E虛擬系統中，只需要在計算機屏幕上裝配零部件，查看和分析零件的配合情況，這樣可減少對物理樣機的依賴。
具體的虛擬裝配的方法是：首先是裝配建模體系結構的建立，根據有束腰凳裝配給定的功能要求和設計約束，先確定產品的大致組成和形狀，確定各組成零部件之間的裝配關系和約束關系。然后再把束腰凳分解成若干個零部件，在總體裝配關系的約束下，同步根據裝配關系對這些零部件進行設計。
其次是裝配體層次關系的定義，束腰凳的裝配體分解成不同層次的子裝配體，子裝配體又可分解成若干子裝配體和各個零件。通常將零件、子裝配體、裝配體之間的這種層次關系直觀地表示成裝配樹，樹的根節點是裝配體，子節點是組成裝配體的各個零件，中間節點則是子裝配體。裝配樹的的關系體現了實際形成裝配體的裝配順序，同時也表達了裝配體、子裝配體及零件之間的父、子從屬關系。圖6是有束腰凳的仿真裝配結果。
四、 結語
傳統榫卯結構是我國寶貴的傳統工藝非物質文化遺產，同時明式家具榫卯結構工藝也是當今學習榫卯結構的難點，所以有必要對傳統榫卯結構進行三維數字模型的仿真研究，使學習和掌握榫卯結構的過程更快捷。通過三維模型的仿真研究和實踐，探索出一套學習榫卯工藝的學習方法，為當今家具設計提供有益的參考，同時也促進了明式家具的深入研究，有助于傳統文化的廣泛傳播和發展。
本文為天津市高等學校人文社會科學研究一般項目資助 課題號：20112303
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關鍵詞：工業設計，虛擬現實技術，計算機
0.前 言
新世紀以來，隨著計算機圖像學，人工智能、計算機網絡、信息處理、機械設計和制造等技術的告訴發展，虛擬現實技術在工業實際中的應用越來越多，已經成為工業設計各個階段不可缺少的工具。虛擬現實技術的廣發應用是現代工業實際走向更全面的數字化，是設計部門與企業管理、工程設計與市場營銷等產品開發的主要部門之間的交流變得更加容易，不記打打縮短了企業產品開發的時間，而且也為其產品的宣傳、銷售贏得了先機，為企業在競爭中取勝添加了籌碼，加快了企業發展的步伐。
1.虛擬現實的定義
虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）是一種計算機界面技術。從本質上講，虛擬現實就是一種先進的計算機用戶接口，它通過給用戶同時提供諸如視覺、聽覺、觸覺等各種直觀、自然的實時感知交互工具，最大限度地方便用戶操作，提高整個系統的效率。根據VR應用的對象不同，VR的作用可以表現為不同的形式，如將設計概念或方案可視化和可操作化，以方便設計評價和優化；實現逼真的遙現場效果等。
2. 虛擬現實技術在工業設計各個階段中的應用
（1）虛擬現實技術在需求分析階段中的應用
通過結合虛擬現實技術的Web頁面進行市場調查，可以激發被訪問者的興趣，所得到的信息更豐富，更準確，并且有針對性，這樣在產品設計之前可以真正了解市場的需求情況。同時可以利用給予Web的虛擬設計環境把產品的特點和功能盡可能展示給用戶，并通過用戶的反饋信息獲得的個性化需求信息，這有助于設計出符合大批量定制原則的合理的產品結構。。
（2）虛擬現實技術在概念設計中的應用
在概念設計中運用虛擬現實技術，可以將體驗設計思想更好地融于其中，也就是更多關注產品使用者感受，而非產品本身。在不同的虛擬環境中，讓他們親自體驗修改模型的感受；利用觸摸屏來選擇產品的造型、色彩、裝飾風格等許多可選部件，在渲染和生成十分逼真的三維模型時，充分感受自己所喜愛的產品在虛擬環境中的“真實”情況。甚至還可以根據用戶的建議，邀請專家和部分用戶一起對模型提出修改意見，觀察設計和修改過程，直至大多數人滿意為止。
（3）虛擬現實技術在詳細設計中的應用
詳細設計是概念設計之后的一個重要階段，包括零件詳細設計、工藝詳細設計和可制造裝配性詳細分析等，其中可制造裝配性詳細分析尤為重要。。在進行復雜產品結構設計時，通過虛擬像是技術可以直觀地進行裝配分析，避免可能出現的干涉和其他不合理問題，及虛擬裝配。
（4）虛擬制造
虛擬現實技術為制造模擬帶來了真正的虛擬制造環境，通過虛擬知道可以發現制造中潛在的問題，進而在產品實際生產前就采取預防措施，達到產品一次性制造成功的目標，從而降低成本，縮短產品開發奏起，增強產品的競爭力。
虛擬制造系統基本上不消耗資源和能源，也不生產實際的產品，而是運用計算機迷你現實中產品進行產品設計、開發與制造過程，它的運用將會對未來制造業的發展產生極大的推動作用。。
（5）虛擬評價和測試
在虛擬工業設計中不可忽略的一環是虛擬產品進行評價和測試。虛擬評價技術主要是在方針的基礎上，對產品運行狀態與性能進行虛擬條件下的評價，從中獲得修改的依據，降低修改和生產的成本。
3.結束語
正如其它新興科學技術一樣，虛擬現實技術也是許多相關學科領域交叉、集成的產物。它的研究內容涉及到人工智能、計算機科學、電子學、傳感器、計算機圖形學、智能控制、心理學等。我們必須清醒地認識到，雖然這個領域的技術潛力是巨大的，應用前景也是很廣闊的，但仍存在著許多尚未解決的理論問題和尚未克服的技術障礙。客觀而論，目前虛擬現實技術所取得的成就，絕大部分還僅僅限于擴展了計算機的接口能力，僅僅是剛剛開始涉及到人的感知系統和肌肉系統與計算機的結合作用問題，還根本未涉及“人在實踐中得到的感覺信息是怎樣在人的大腦中存儲和加工處理成為人對客觀世界的認識”這一重要過程。只有當真正開始涉及并找到對這些問題的技術實現途徑時，人和信息處理系統間的隔閡才有可能被徹底的克服了。我們期待這有朝一日，虛擬現實系統成為一種對多維信息處理的強大系統，成為人進行思維和創造的助手和對人們已有的概念進行深化和獲取新概念的有力工具。
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關鍵詞：設計；網絡通信；虛擬校園
中圖分類號：TP391.9
1 虛擬校園總體設計
虛擬校園系統包括三維虛擬校園場景建模、虛擬漫游、虛擬教室和虛擬教學、虛擬數字圖書館、虛擬實驗室、行政管理系統等功能模塊。三維虛擬場景建模主要是利用三維建模軟件3DS Max對學校主要建筑、地形、景觀等進行建模，包括教學樓、實驗樓、圖書館、體育場館、行政樓、宿舍樓等主要標志建筑；虛擬漫游是利用三維游戲引擎Unity3D提供的角色控制組件、相機控制組件等結合C#代碼控制虛擬角色在虛擬校園場景模型里的行動來實現虛擬場景漫游。虛擬數字圖書館提供三維圖書館的虛擬現實環境，并實現了漫游圖書館的虛擬角色預定圖書館自習室座位的特色功能。行政管理信息系統為校園管理者提供可視化的管理解決方案，并對校園遠景規劃提供決策支持。本文的研究內容的特點主要有如下幾個方面：首先是在虛擬教學方面，詳細闡述如何利用強大的三維游戲引擎Unity，結合socket網絡通信，建立實時多人在線虛擬教室，使得用戶能遠程接受如同身臨其境般的虛擬教學，相比于傳統的遠程教育模式，本文設計的虛擬教學系統具有虛擬角色對應、多人實時在線音視頻交流互動、遠程提交批閱作業等沉浸式虛擬環境；其次，在虛擬實驗室設計上，特別是在基礎物理、化學、生物實驗方面，提供完全仿真過程的實驗系統，避免真實實驗過程中可能發生的有毒性、爆炸性等潛在安全風險，同時能省去實驗器材、實驗藥品等的花費；在機械的虛擬裝配方面，參照裝配流程，通過三維模型在虛擬空間的三維坐標的控制實現裝配過程，節約了機械零部件成本，同時能給予用戶裝配流程指導；再次，在虛擬校園系統的實現上，充分考慮到現在校園用戶對移動終端的使用頻繁度，利用Unity引擎強大的跨平臺特性，多平臺的虛擬校園系統，特別是支持移動終端的虛擬校園系統，使得用戶能通過訪問移動互聯網方便的使用本系統提供的豐富的功能，既方便用戶隨時學習和使用，也增強了學習和使用的趣味性和吸引力，對提高學生用戶的學習興趣有促進作用。本系統設計思路框圖如圖1。
圖1 虛擬校園系統功能圖
2 部分系統功能詳解
2.1 3D校園模型。為了逼真的表現虛擬校園系統所描繪的環境，可以給虛擬環境設置背景，加上地表與天空，建立的三維世界處于大地的中心，就如同自然界的大地和天空一樣，由于學校是小區域，而且實地地勢比較平坦，因而，本論文的地表模型建立為一個平面。在模型的構建中需要注意的是多邊形模型的優化，一個虛擬的校園系統還是比較大的，對模型充分的優化可以最大化減小最后網絡文件的大小，利于用戶瀏覽。空間背景和空間本身都是無限大的，但是空間背景可以理解為包圍在空間周圍的一個球狀殼體，稱為空間背景球體。整個空間背景可以分為兩個部分：天空和地面，兩者之間以地平線分隔。設置背景是通過設定Background節點的各域的參數來實現的，可分為兩種設定方式，一種是通過顏色插值模擬大地和天空；一種是構造背景的全景圖。在虛擬校園系統中采用了設置背景全景圖的方法，在天空模型的內表面，用紋理映射產生全天候天空背景。
2.2 虛擬教學。虛擬教學是利用虛擬現實技術來模擬教學過程，將教學過程真實的展現出來，它不僅能夠彌補院校硬件設施的不足，打破傳統的說教的教學模式，而且虛擬現實的強大的畫面感會很大程度的提高學生上課的積極性，尤其是在一些實際操作性非常強的專業上，如導游、旅游、自動化、機械、動漫等專業，可以通過動畫模擬的形式將理論知識呈現出來。不僅如此，本系統同時還可以對學校的宣傳起到積極的推動作用，方便想了解學校的用戶在電腦上就能身臨其境的獲得更多的校園信息，使任何用戶只需一步就能“踏進”校園參觀了解。
2.3 交互功能模塊。漫游是該虛擬校園系統的關鍵，人機交互部分的主要是利用鼠標或者鍵盤等計算機輸入、輸出設備控制有關設備的運行和理解，并執行通過人機交互設備傳來的有關的各種命令和要求。虛擬校園的最終用戶主要是學生、老師或者家長，所以其人機交互界面，必須以一般大眾（而非專家）為其用戶對象，以簡單直觀、方便快捷為目的。在本系統中主要的人機交互包括GUI界面設計和漫游設計。用戶通過瀏覽器可以直接打開軟件，進入使用界面，界面中可以呈現多種的漫游界面以供選擇，例如自動導航、手動導航燈。
基于虛擬校園的人機交互，它能使得用戶就像親身行走在校園之中。隨著天氣和時間的不同，校園中的光線等也隨之發生變化，對校園景貌進行環視、俯視、仰視，使人感覺更真實。同時，用戶能夠由遠及近的觀看校園中建筑物，熟悉校園環境。由于現在的虛擬校園都是從外觀進行游覽，下一階段的目標就是能夠讓用戶進入教室里體驗。在人機交互時，視點會隨著輸入設備的運動而發生變化，這個過程會導致視點進入地面下、飛出天空外和穿過建筑物或樹木、路燈等特征物，這樣就不夠完美，因此必須進行實時漫游的碰撞測試。通過Vega中的相交矢量控制視點與碰撞檢測目標的距離，減少了不必要的碰撞，提高系統性能和真實程度。
3 結束語
隨著計算機水平技術的不斷發展，虛擬現實技術已經被廣泛的應用到了各個領域中，與人們的生活、工作密不可分，其中虛擬校園是一個很重要的應用。它采用虛擬物體和實景拍攝影音結合的手法，借助一種新的三維引擎Unity3D生成三維虛擬校園漫游系統，使用用戶能遠程的通過單機或者網絡訪問該系統，以虛擬漫游的形式感受正好校園風貌。雖然現在虛擬校園技術在國內的應用還處于起步階段，但其發展前景不可估量。它現在正在不斷發展和完善，并且它對硬件設備的要求不高而且設備價格不斷降低，使得它逐漸受到越來越多教育工作者的重視和青睞，因此它會在教育培訓領域廣泛應用并發揮其重要作用。
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關鍵詞：虛擬制造技術；現代機械工程設計；機械制造；機械產品；機械設計
文獻標識碼：A中圖分類號：TH166文章編號：1009-2374（2016）05-0073-02
作者簡介：伊紀斌（1994-），男，山東淄博人，山東理工大學國防教育學院學生，研究方向：機械設計
隨著知識經濟和工業制造的快速發展，現代化的市場要求產品生產廠商要以最快的速度、最優的品質、最短的研發時間、最低的成本消耗和最佳的服務來滿足顧客的需求。傳統設計一般是在圖紙結合產品的特性和設計的具體要求進行的，在機械設計的過程中需要提前對設計中的設備裝配的干擾因素的不確定進行考慮，但是產品在裝配中的缺陷只有在產品開發的后期才能暴露出來或者在產品的試制階段和裝配中顯現出來。如果設計的零件已經開始投入生產了，那么損失就更加嚴重了。產品的質量在傳統的設計和制造方式上不能得到很好的保證，并且傳統設計的工藝比較粗糙、開發的效率低、花費時間比較長、耗費的資金比較大。在變化速度快、持續性發展和不可預測性市場中難以適應。因此，企業的生產活動需要具備高度的柔性和快速的反應，與此同時信息技術的飛速發展保證了機械制造的先進性，信息化的使用對于現代機械工程設計十分重要。
1虛擬機械制造技術
以往傳統的機械設計技術的設備條件比較差，設計技術性不強，傳統的設計觀念比較保守，設計的手段主要依靠的是粗略的計算和估算，主要是在較多的簡化和靜止化假設中完成機械工程的設計，傳統設計具有較大的隨意性，并且設計的關鍵過程還對設計者的經驗和設計習慣具有很大的依賴性。設計的過程很難實現合理、高效和準確。但是在現代化虛擬設計的相關技術可以很好地實現設計經驗依賴性強、設計過程靜態性和設計理念隨意性向現代化設計精確性、以數據知識工程和專家系統為保證的設計方式的發展，虛擬計算機技術需要對必要的信息進行檢索、分析和收集。最終找出最優的設計方案和數值運算的方式，當然也會對CAD技術和人工智能技術、數據庫技術等進行大量的應用。虛擬機械制造技術主要是在虛擬環境下對計算機的模型進行虛擬分析的一種計算機設計技術。該技術集成并綜合應用了綜合性的機械制造環境，主要包括了各種仿真、分析、應用等工具以及信息模型和控制工具等。虛擬制造需要經歷的主要階段有裝配產品的概念設計、動態仿真、回收利用。依靠虛擬制造技術，機械設計人員不需要將所有的零件設備生產制造出來，可以通過對零件模型的建立，隨后對零件進行虛擬裝配，并對各零件部位之間的裝配間隙進行干涉、對裝配的狀態實現檢查，對零件設計中的錯誤及時發現，如果零件不符合設計要求，可以依靠計算機技術方便及時更改模型，最后形成新的零部件設計圖和裝配圖，達到設計、裝配和制造檢驗的協調。
2虛擬制造技術的關鍵
虛擬制造技術包含了許多方面，主要有設計技術的提出、產品制造過程的抽取、原模型的建立、集成基礎結構、建模仿真等。下面就對虛擬制造技術中的關鍵技術進行詳細的介紹：
2.1虛擬技術中的建模技術
虛擬指的是在系統中將現實制造系統映射到虛擬環境下，主要涉及了RMS的模型化、形式化、計算機化的抽象描述和表示。VMS建模的主要內容有生產模型建立、產品模型建立、工藝模型建立的信息化體系結構的建立。生產模型中有靜態描述和動態描述兩種。靜態描述主要是關于對系統生產能力和生產特性。動態描述是在已經被得知的系統狀態和需求的性質上對產品的整個過程進行全面的預測。在制造過程中我們將種種實體對象總的稱之為產品模型。在產品的模型建立中需要對產品的明細、形狀特征等方面進行描述。對于VMS而言，要實現產品實施過程的全部繼承必須具備完整的產品模型。因此在虛擬制造中的產品模型不再是單一和靜止的，它可以運用抽象的技術實現各種模型面貌的提取。工藝模型主要指的是在制造過程中對產品的工藝參數和關于產品功能的各種因素進行聯系，最終實現對產品模型和生產模型之間相互作用的反映。
2.2虛擬制造技術中的仿真技術
仿真指的是通過計算機實現復雜現實系統的抽象化和簡潔化最終形成的系統模型，并且在仿真的基礎上對模型進行應用，最終得到相應的系統性性能分析。仿真主要以系統模型為主體的研究方法，它對實際的生產系統沒有直接的干擾作用，并且仿真系統可以對計算機的計算能力進行應用，實現在短時間內完成在實際工作中需要很長時間的工作，有效縮短了生產決策的時間，最大化地避免了對人力、物力和資金的投入以及浪費。計算機技術還有很好的仿真修復功能，最大化地保證了方案的最優。仿真技術過程的主要步驟有系統研究、數據收集、系統模型建立、仿真算法的確定、仿真模型的計算、仿真模型的運行、結果的輸出和分析。仿真在產品的制造過程主要被分為制造的仿真和加工的仿真。在系統產品的開發中主要涉及的是產品建模、設計交互行為仿真等。方便對設計結果的評價，及時進行反饋，降低產品設計中的錯誤。加工過程的仿真主要有切削、裝配、檢驗及焊接、壓力加工和鑄造等。以上兩種仿真過程是相對獨立的，兩者不能實現集成，而VM中應建立全面過程的統一仿真。
2.3虛擬制造中的虛擬現實技術
虛擬現實技術的目的是改善計算機的交互方式，提高計算機的可操作性，它是在對計算機圖形系統和多種顯示以及控制等接口設備的基礎上，以交互的三維環境為人提供沉浸體驗的技術。虛擬現實技術主要由圖形系統和多種接口設備組成，使人在虛擬環境中感受到真實的沉浸感覺，交互性計算機系統是虛擬現實系統的基礎。虛擬現實系統中有操作者、機器和人機接口。它幫助提升人和計算機間的和諧度，同時也是最有力的仿真工具。在VRS的作用下實現對真實世界的模擬。在用戶交互輸入以及輸出修改虛擬環境的條件下，使人達到身臨其境的沉浸感覺。VM的關鍵技術之一就是虛擬現實技術。
3機械虛擬樣機技術介紹
虛擬樣機技術在機械工程設計中被稱作機械系統動態仿真技術，它是20世紀80年代在計算機技術的快速發展中發展起來的一種計算機輔助技術。在計算機建立樣機模型后，對模型的多種動態性能進行具體的分析，最后對樣機方案實現改進。用數字化模型代替物理性的樣機。通過虛擬樣機技術的作用，簡化了機械產品的設計開發過程，有效縮短產品開發的時間，最大程度降低產品的開發成本和費用，實現產品質量和系統性能的提升，使設計產品實現最優化和最具創新性。綜合以上優勢，該技術一經出現就受到了眾多工業發達和高等院校及設計和生產企業的重視，許多著名的產品開發設計者都對該技術進行了引入并運用在自身產品的開發中，并且取得了極好的經濟和生產效益。在機械工程設計
中應用仿真技術對零件進行設計、生產工序等方面的選用以及工藝參數、加工工藝、裝配工藝等構件的運動性等均可以實現建模仿真。
4虛擬制造技術在機械工程中發揮的優勢
4.1強大的通用性和分析處理復雜問題的能力
虛擬樣機技術建立和發展的基礎是分析力學和多體運動力學，該技術的關鍵是對復雜機械系統進行自動建模。因此，大多數的虛擬樣機技術軟件主要運用的是帶約束乘子的微分代數混合方程。令每個構件都有六個自由度是它的核心，還要要求其對多余的自由度進行限制，實現其具有良好的通用性，達到適用性強的目的。與此同時，虛擬樣機技術還對機械系統的詳細環節進行考慮，具體指彈性、接觸和摩擦等因素。
4.2為機械系統建模帶來便利
傳統的機械系統建模中要先建立運動分析，隨后在運動分析的基礎上進行動力分析，這中間需要許多的圖形分析和公式推導。但是圖形的分析和公式的推導過程往往比較復雜，并且錯誤率高。同樣的建模過程中設計人員只需要將機械的構成方式和連接方法以及相應的物理參數實施輸入，其后的建模和求解只需要計算來完成就可以了，極大地幫助設計人員承擔了許多的設計難度。
4.3強大的后期處理能力
在傳統的分析方法上通常得出的是大量的數據，數據的理解還要依靠豐富的經驗和理論。但是運用虛擬樣機計算軟件為復雜性的數據提供了可視化技術，使得設計人員直觀地看到機械設計的性能和運動效果。
5結語
虛擬制造技術實現了現代工程機械工程設計領域中的設計、試制等一系列過程的直觀性。實現了在產品真正制造出來前，可以在虛擬的制造環境中生成產品的原型，更好地替代現實中的硬件產品，更方便地對設計產品的性能和可生產性進行評估，極大地縮短了產品的設計和生產周期，最大化地節約了產品開發的成本，保證產品的開發和設計可以適應市場的靈活性的變化。虛擬制造技術是現實技術和計算機仿真技術在機械制造中的綜合應用。在現代化計算機虛擬設計技術的幫助下實現對眾多產品的開發和設計，不僅不會造成實際物質的浪費，并且還能更直觀地了解產品生產的具體情況，打開了機械制造和設計的全新局面。
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關鍵詞：機械類專業；畢業設計；民族班；改革
畢業設計是學生在校學習期間最后一個實踐性教學環節，是學生學習、研究與實踐成果的全面總結，是學生綜合素質與工程能力培養的全面檢驗。其主要目的是培養學生綜合應用所學知識和技能解決工程實際問題的能力，進行創造性工作的基本訓練，培養學生獨立工作和團隊協作能力，是對學生學習成果的一次全面考驗。新疆是個多民族地區，少數民族的基礎教育比較薄弱，考入新疆大學的多數少數民族學生均來自邊緣地區。雖然在四年的學習過程中，嚴格地按照教學大綱和教學計劃完成教學內容，但是由于學生本身基礎較差、漢語接受能力有限，大部分學生對于系統性、實踐性較強的專業課程很難全部理解透徹，使學生在學習中總處于被動狀態。為加大民族班教學改革的力度，提高教學質量，在以往實踐性教學環節中所積累的經驗的基礎上，通過采取有效的改革措施，取得了較好的成果。
一、設計手段
機械制圖是機械工程專業最基本的工具，是表達設計思路和設計方案的語言。以往我們都是采用手工繪圖，其缺點是：繪圖速度慢、出錯率高、不易修改、圖面質量差。國家早就規定要甩掉圖板，利用計算機二維繪圖解決以上問題，但其設計思路仍然建立在手工繪圖的基礎上。機電產品的配合性和可裝配性是設計人員容易出現錯誤的地方，以往要到產品最后裝配時才能發現，導致零件的報廢和工期的延誤，造成巨大的經濟損失和信譽損失。采用3D平臺下的計算機輔助裝配技術可以在設計階段就進行驗證，確保設計的正確性，避免損失。三維設計方法與人的思維方式比較接近，較為直觀，可以大大地提高設計速度，并且可以進行裝配干涉檢驗、機構運動仿真及有限元計算、優化設計等。尤其對于空間想象力不高的學生來說，更是一種比較理想的設計方法。此外，三維設計后可以立即轉化為二維（平面）圖形，因此從三維到二維的整個過程不一定比直接畫二維圖要慢。我們從2000年（95級民族班）起，要求學生在畢業設計過程中盡量采用計算機繪圖，并在答辯中采用多媒體答辯，這在當時全校民、漢班級中是比較少見的。直到2004年，采用三維設計已經較普遍，這方面已經達到了內地同類大學的水平。
二、設計題目
選題是否合適，其難易程度直接決定學生畢業設計的質量。我們在近幾年的畢業設計選題上，淘汰了以前過時的老題目，而盡量選擇指導教師的科研課題和當前的生產實際相結合的題目，充分體現教學與科研、生產實際相結合的原則，培養學生綜合應用所學知識和技能解決工程實際問題的能力。如2001年機械制圖96-2班兩名學生參加了由指導教師主持的橫向課題“數控塑料切粘機的研制”，并以之作為畢業設計題目，完成了產品的設計、零件的加工到整機的調試全過程，獲得了難得的實踐經驗，并完成了整機的CAD繪圖工作。長期以來，機械強度分析與計算一直沿用材料力學、理論力學和彈性力學所提供的公式來進行。由于在計算過程中有許多的簡化條件，因而計算精度較低；在設計中，為了保證設備或構件的安全可靠性，常采用加大安全系數的方法，結果使結構尺寸加大，浪費材料，有時還會造成結構性能的降低。有限元分析技術是最重要的工程分析技術之一，它廣泛應用于彈塑性力學、斷裂力學、流體力學、熱傳導等領域。有限元法在產品結構設計中的應用，使機電產品設計產生革命性的變化，理論設計代替了經驗類比設計。以前由于其理論性較強，有限元法僅僅用在碩士論文中，但從2002年起，在本科班中嘗試應用有限元強度分析作為畢業論文題目。同時，由于我們所用的有限元分析軟件在Linux平臺上運行，所以學生必須掌握Linux操作系統，使學生在計算機方面也有了全方面的提高。
三、創新實踐
近幾年，我們在學生當中廣泛進行了課外學術活動和機械創新設計實踐，并把這些內容與學生的畢業設計相結合，獲得了可喜的成績。依布拉音、西克熱木等學生完成的“油罐車注油自動控制系統”項目在西北地區比賽中獲得一等獎，全國大賽中獲得三等獎。努爾比亞等學生完成的“上下樓梯搬運機器人”項目在西北地區比賽中獲得一等獎，全國大賽中獲得三等獎。通過這些設計大賽及幾年的教學改革實踐，學生不僅從設計中得到了鍛煉，學到了設計技能，而且在做設計時的動手機會多了，培養了他們科學的思維方法與創新能力，加深了學生對機械制造專業的認識，促進了課程設計、畢業設計質量的提高。要實現教育改革和建設的目標，關鍵是教師，教師不但要有高度的敬業精神和教學責任心，還要有較高的教學業務素質。為使青年教師提高工程素質，增加實踐經驗，鼓勵青年教師積極參與實際科研工作和實驗室建設，并對青年教師制定了嚴格的培養計劃。教師梯隊建設及青年教師培養有了明確的規劃，結合課程建設，個人業務素質提高較快。
四、結論
論文摘要：在《機械設計基礎》課程設計中采用UG（Unigraphics）軟件指導學生進行減速器的結構設計，可以增加學生的學習興趣，提高學生的空間想象能力。
《機械設計基礎》課程是機械類專業一門重要的技術基礎課程。課程設計是培養學生機械綜合設計能力、創新能力和工程意識的重要環節，是啟迪學生的創新思維、開拓學生創新潛能的重要手段，將為以后的專業課程設計和畢業設計奠定基礎，在教學計劃中具有承上啟下的重要作用。我院《機械設計基礎》課程設計選用的題目是傳動裝置中的減速器設計，在以前的課程設計中發現，由于學生空間想象能力不足，往往照葫蘆畫瓢，導致學生對自己設計的減速器結構似懂非懂，影響了設計質量。筆者結合自己對UG（Unigraphics）軟件技術的掌握，對教學中如何提高學生空間思維能力的問題進行了探索。
人們的認識過程建立在實踐活動中，從具體到抽象，從感性認識上升到理性認識，在此過程中，如果缺乏與之有關的感性認識作為基礎，理解起來很難。《機械設計基礎》課程是理論性和實踐性都很強的課程，內容比較抽象，減速器結構設計離不開空間想象，離不開對空間形體的分析和表達。根據心理學的觀點，空間想象能力是形象思維與抽象思維兩種思維活動的分析、綜合、加工處理，從而產生新形象的一種綜合性能力，主要來源于對空間形體的感性認識。課程設計能培養學生對空間形體的想象能力、分析能力和表達能力。這三種能力彼此關聯，相互促進。在教學中從學生的身心發展規律和學生實際出發培養學生空間想象能力的途徑有很多，利用UG軟件進行多媒體教學是非常有效的方法之一。
UG系統起源于美國麥道飛機公司。多年來，UG系統匯集了美國航空航天與汽車工業的專業經驗，發展成為世界一流的綜合性的設計、分析和制造一體化的集成系統。可以實現從產品的概念設計、結構設計、虛擬現實到靜力學及動力學強度分析，最后由CAM模塊實現計算機輔助加工制造，貫穿了產品的開發和制造全過程。UG技術提供的草圖功能、曲線曲面建模、基于特征的實體建模、虛擬裝配建模、機構運動仿真、分析等技術手段，給機構設計提供了極大的方便。相關技術手段的結合應用不僅能快速構建出相關的機構的抽象模型，也能把這種模型快速地映射于機構的裝配模型，還能對機構進行快速的運動分析仿真、運動干涉檢查及動力學分析等。
在課程設計之前，為了增強學生的感性認識，最好進行軸系結構測繪和減速器結構裝拆實驗，因為這兩個實驗有利于學生進一步掌握機械結構設計知識、了解結構設計的原則，建立軸系組成的基本概念。在課程設計開始時，學生往往不知從何下手，教師首先應該介紹一下設計總體過程。采用課件比較方便，然而也有很大的局限性，因為制作好的軟件不宜改動，教學內容的個性與教學過程的適宜性受到了限制，在課堂上不利于發揮教師的主觀能動性，不利于最大限度地融入和體現教師的設計思想、教學特色和個人風格。筆者采用UG軟件對零件直接進行三維建模和用UG建造好的虛擬模型進行教學，在課堂的動態教學中能夠隨機應變、按需造型以及修改模型，提高課堂教學質量。采用UG軟件建造的虛擬模型比以前采用實物模型來增強學生感性認識要好，因為實物模型由于體積和重量原因會造成攜帶、拆卸和解剖不便，且操作較為費時。而UG軟件創建的三維模型精度高、質感好、形象逼真、色彩豐富，利用UG的局部放大、平移和翻轉等工具，能夠在屏幕上觀察零件復雜形體的外形與內腔、相貫體中相貫線的變化等各個側面和局部細節特征；可以直觀地顯現整個零件的結構，裝配體中零件之間的連接關系，使教學中的知識難點更加清晰、生動、形象；也可以根據不斷變化的教學內容和不同的教學對象的需求，利用UG軟件方便地進行教學模型的修改與新建，滿足教學中對模型種類及數量的需要，并能顯著降低教學成本。
在介紹設計過程時，如果采用機械制圖方法將零件的三維實體利用投影法原理將其轉化到二維平面圖上，再通過二維視圖想象出三維形狀講解減速器結構設計，則學生理解這些傳統的二維平面圖知識需要有豐富的空間想象力。即使用一些軸測圖，也只能看到實體的部分表面，不能解決教學中向學生講解清楚空間幾何體的形體問題。
并且學生的認識始終停留在二維圖紙上，不能很好地了解結構設計對整機性能的影響以及單個零件與整機之間的關聯關系，不清楚自己設計的結構是否合理。筆者在教學中采用UG軟件教學，使學生看到零件的設計過程，讓學生看到教師在繪圖過程中的細節，并且使用UG對減速器各個零件進行裝配，使學生比較容易理解。如圖（軸上零件周向、徑向定位）所示，在講解對減速器軸上各個零件進行裝配時，介紹裝配基準，演示如何進行傳動件的周向和軸向固定；軸的支承、固定；軸承類型如何選擇，應考慮哪些因素，軸承如何裝配，間隙如何調整等問題；各零件之間的相互位置關系、零件的布置方案、裝拆順序；圖樣上的尺寸和公差標注及零件的結構工藝性應注意的問題等等。這樣，不僅能在較短時間內給學生提供正確的示范，培養學生的幾何構思能力，同時介紹了有關結構工藝知識，培養學生合理的設計思維，有利于學生理解減速器的工作原理、裝配關系、各零件的相對位置關系以及各零件的結構特點。這種視覺效果的刺激能增強學生的分析、認識和記憶能力，開拓學生的知識面，活躍課堂氣氛，提高學生的學習興趣，也能充分發揮計算機與教師的雙重作用。
軸上零件周向、徑向定位圖
三維設計是工業發展的趨勢，我院機械類專業學生獲得UG或PRO/E三維設計技能證書是學生的畢業條件之一，這樣的要求有利于提高學生實際工程設計能力，創新意識和就業的競爭能力。因為在課程設計之前，一些學生已經學習了UG或PRO/E軟件，在課程設計中應鼓勵學生采用三維設計。將三維設計融入課程設計，學生可以利用UG強大的參數化功能和裝配功能，完成各零件的設計和裝配。由于學生缺乏實際經驗，往往要對某些結構不夠合理的地方進行多次修改，采用UG軟件只需修改零件的某個參數的數值即可完成整體修改。而采用二維設計，結構變動較大時則不得不重新設計并花費很多時間進行繪圖。而采用三維設計，整個設計過程符合學生的認知規律，能使學生更加深入地理解設計的內涵，增強學生的設計想象力，啟迪學生的思維，引導學生實現探究性學習。三維設計能夠使學生直觀地看到自己的設計成果，增強學生的成就感。而且學生在完成三維設計后，利用UG的制圖轉換功能，可將使用實體建模功能創建的零件或裝配模型引用到工程圖模塊中，快速轉換為二維的工程圖，再進行尺寸標注、注釋等等，最終完成課程設計所要求的圖紙，從而提高學生的專業制圖識圖能力，加深學生對三維設計與二維工程圖之間關系的理解。
實踐表明，用UG軟件講授減速器的結構設計，可以激發學生的觀察力、想象力及邏輯聯想能力，能夠達到“教人以漁，則終身受用無窮”的效果。不過，雖然現代教學技術開闊了學生的視野，提高了學習的趣味性與教學效率，然而教學卻具有生成性，對課堂上出現的新問題，教師的板書和分析必不可少。因此，在教學實踐中應當將傳統教學和現代教學技術有機結合，不斷地研究新的教學方法，與時俱進，注意使各種教學手段相互穿插、補充，這樣才能提高學生的學習興趣，增強他們學習的主動性，實現教學效果的最優化。
參考文獻：
