時(shí)間：2022-09-11 01:44:09
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇虛擬樣機(jī)技術(shù)論文，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
關(guān)鍵詞：破碎錘的組成；工作裝置傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法；CAX及軟件；多體動(dòng)力學(xué)理論
一、 液壓破碎錘概述
. 液壓破碎錘及其組成
車載液壓破碎錘可以高效地完成碎石、拆除、公路修補(bǔ)、凍土挖掘、二次破碎等艱苦工作，歐洲和美國的各種車載破碎錘紛紛面世，如Atlas Copco、Rammer、Montabert、Indeco等。.80年代，韓國的破碎錘也繼日本之后有了長足的進(jìn)步，1986年韓國水山重工推出了液壓破碎錘，韓國相繼出現(xiàn)了很多品牌。
破碎錘的沖擊能量的來源還是由以下3種方式提供：第一種由液壓油提供，例如Rammer和Montabert；第二種由氣壓提供，例如日本的破碎錘；第三種也是效果最好的，由液壓、氣壓混合提供，一般液壓占25％、氣壓占75％，如Atlas Copco公司設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的破碎錘。但所有的破碎錘活塞回到原位的力完全是由液壓提供。目前液壓破碎錘已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于公路再建、市政拆除、礦山、采石、隧道、水下作業(yè)等工程建設(shè)領(lǐng)域。
..本文所研究的液壓破碎錘是在單斗反鏟型液壓挖掘機(jī)上改裝的，將液壓挖掘機(jī)上的鏟斗改裝成液壓錘。因此總體結(jié)構(gòu)包括動(dòng)力裝置、工作裝置、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、操縱機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)、行走機(jī)構(gòu)和輔助設(shè)備等。常用的全回轉(zhuǎn)式液壓挖掘機(jī)的動(dòng)力裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)的主要部分、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、輔助設(shè)備和駕駛室等都安裝在可回轉(zhuǎn)的平臺上，通常稱為上部轉(zhuǎn)臺。因此又可將液壓破碎錘概括成工作裝置、上部轉(zhuǎn)臺和行走機(jī)構(gòu)等三部分。.
二、工作裝置設(shè)計(jì)方法
1． 工作裝置傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法
我國工程機(jī)械發(fā)展與國外相比相對較晚、較慢，技術(shù)水平整體較低。工作裝置的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在設(shè)計(jì)歷史中起到了主要作用。對于工作裝置的設(shè)計(jì)方面國內(nèi)外研究的情況大致是：
(1) 圖解設(shè)計(jì)法；(2) 基于平移性的作圖法；(3)解析法；(4) 綜合圖解設(shè)計(jì)法；(5) 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以上設(shè)計(jì)方法基本上遵循一般連桿機(jī)構(gòu)的位置綜合原則，側(cè)重考慮工作裝置的平移性。對它的工作裝置伸縮性與平移性，平移性與自動(dòng)放平性，動(dòng)力性與自動(dòng)放平性之間的矛盾關(guān)系未能綜合分析，只是滿足單個(gè)性能的要求，無法達(dá)到全局最優(yōu)。總之，這些方法都是基于二維平面上進(jìn)行的。對于工作裝置干涉問題、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)等問題不可能很好的解決，也不可能直觀的表現(xiàn)出來。
近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在工作裝置設(shè)計(jì)上出現(xiàn)了基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的工作裝置設(shè)計(jì)。例如吉林工業(yè)大學(xué)、大連理工大學(xué)和洛陽拖拉機(jī)廠等利用虛擬樣機(jī)技術(shù)不但研究了工作裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特性，而且對其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，但是它們不是對模型進(jìn)行了大量的簡化，就是只局限于對剛體情況下工作裝置虛擬樣機(jī)的研究。
本論文是在全面分析液壓破碎錘工作裝置的基礎(chǔ)上，建立工作裝置的虛擬樣機(jī)模型，在虛擬環(huán)境下模擬物理樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀況，快速分析各種設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)、參數(shù)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，幫助設(shè)計(jì)人員完成以前需經(jīng)數(shù)次物理樣機(jī)才能完成的實(shí)驗(yàn)研究。
2． CAX技術(shù)及其軟件
由文獻(xiàn)可知，CAX技術(shù)是虛擬樣機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)技術(shù)平臺。一般意義的CAX技術(shù)主要指CAD、CAPP、CAM、CAE、CAQ等，限于篇幅，本文主要闡述CAD/CAE技術(shù)及其軟件。
目前，工程設(shè)計(jì)中常用的CAD軟件有二維和三維軟件之分。其中三維造型軟件比較知名的有Pro/ENGINEER，UG，Solid works，I-DEAS，CATIA，CIMATRON等。各個(gè)三維CAD軟件當(dāng)前的最新版本是Pro/ENGINEER wildfire2.0，UG NX4.0，Solid works 2006，I-DEAS NX V11，CATIA V5，CIMATRON E6.0等等。
本文將采用Pro/ENGINEER wildfire軟件完成液壓破碎錘工作裝置的建模與裝配，建立工作裝置的虛擬樣機(jī)并進(jìn)行不同作業(yè)工況下的動(dòng)態(tài)模擬。
所謂CAE即Computer Aided Engineering（計(jì)算機(jī)輔助工程）是指工程設(shè)計(jì)中的分析計(jì)算與分析仿真，具體包括工程數(shù)值分析、結(jié)構(gòu)與過程優(yōu)化設(shè)計(jì)、強(qiáng)度與壽命評估、運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)仿真。工程數(shù)值分析用來分析確定產(chǎn)品的性能；結(jié)構(gòu)與過程優(yōu)化設(shè)計(jì)用來保證產(chǎn)品功能、工藝過程的基礎(chǔ)上，使產(chǎn)品、工藝過程的性能最優(yōu)；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與壽命評估用來評估產(chǎn)品的精度設(shè)計(jì)是否可行，可靠性如何以及使用壽命為多少；運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)仿真用來對CAD建模完成的虛擬樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和動(dòng)力學(xué)仿真。從過程化、實(shí)用化技術(shù)發(fā)展的角度看，CAE的核心技術(shù)為有限元技術(shù)與虛擬樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)。
目前工程實(shí)際中應(yīng)用較多的CAE軟件有ANSYS、MATLAB、ADAMS、ALGOR等。各個(gè)軟件的最新版本是ANSYS 8.0、MATLAB 8.5、ADAMS 2005、ALGOR V17等。
本文采用MSC.ADAMS軟件進(jìn)行液壓破碎錘工作裝置虛擬樣機(jī)的仿真研究。
3． 多體動(dòng)力學(xué)理論
多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)包括多剛體動(dòng)力學(xué)和多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，是研究多體系統(tǒng)（一般由若干柔性和剛性物體相互連接所組成）運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)[17]。
多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的核心問題是建模和求解問題，其系統(tǒng)研究開始于20世紀(jì)60年代。從60年代到80年代，側(cè)重于多剛體系統(tǒng)的研究，主要是研究多剛體系統(tǒng)的自動(dòng)建模和數(shù)值求解；到了80年代中期，多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究已經(jīng)取得一系列成果，尤其是建模理論趨于成熟，但更穩(wěn)定、更有效的數(shù)值求解方法仍然是研究的熱點(diǎn)；80年代之后，多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究更偏重于多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，這個(gè)領(lǐng)域也正式被稱為計(jì)算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，它至今仍然是力學(xué)研究中最有活力的分支之一，但已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過一般力學(xué)的涵義。多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的根本目的是應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析與仿真。
三、 液壓破碎錘工作裝置的研究體系
1． 液壓破碎錘工作裝置虛擬樣機(jī)的構(gòu)建流程
本文液壓破碎錘工作裝置虛擬樣機(jī)的建立主導(dǎo)思想是：根據(jù)液壓破碎錘工作裝置的試制圖紙，在Pro/ENGINEER中進(jìn)行三維實(shí)體建模，通過虛擬裝配，建立工作裝置的三維模型，然后添加適當(dāng)?shù)募s束以及驅(qū)動(dòng)，使之成為一個(gè)虛擬機(jī)構(gòu)。其構(gòu)建流程如圖2-1所示。
圖2-1虛擬樣機(jī)的構(gòu)建流程
2． 液壓破碎錘工作裝置的研究體系
通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，基于以設(shè)計(jì)為中心的先進(jìn)制造技術(shù)理論，可以得到，液壓破碎錘工作裝置的虛擬樣機(jī)研究是一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程。本文的研究內(nèi)容―液壓破碎錘工作裝置的虛擬樣機(jī)研究只是其中的一部分，只涉及到了工作裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)分析的前處理以及工作裝置虛擬裝配的部分內(nèi)容。
論文摘要:介紹了機(jī)械零部件結(jié)構(gòu)可靠性虛擬疲勞設(shè)計(jì)的軟件及疲勞壽命預(yù)測方法。根據(jù)斷裂力學(xué)理論和虛擬疲勞預(yù)測方法，利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件adams模擬42crmo硬齒面齒輪加工過程，分析了對應(yīng)的疲勞載荷譜，得到了齒輪應(yīng)力壽命s一n曲線。
1、引言
機(jī)械產(chǎn)品全壽命設(shè)計(jì)是衡量產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平先進(jìn)與否的重要指標(biāo)，現(xiàn)代設(shè)計(jì)過程迫切需要通過工程分析手段預(yù)測產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)可靠性。近年來研究人員試圖將虛擬設(shè)計(jì)思想更多地融人到復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)中，借助工程分析軟件對計(jì)算機(jī)中虛擬的產(chǎn)品樣機(jī)進(jìn)行應(yīng)力分布、疲勞壽命和可靠性設(shè)計(jì)等，大大提高了可靠性設(shè)計(jì)水平。
利用國外先進(jìn)有限元軟件豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用項(xiàng)目組成員進(jìn)行的42crmo硬齒面齒輪的彎曲疲勞可靠性試驗(yàn)及資料，提出該硬齒面齒輪的結(jié)構(gòu)可靠性虛擬疲勞設(shè)計(jì)方法，由虛擬零部件疲勞工作的情況快捷地得到應(yīng)力一壽命(s一n)曲線，推知其疲勞壽命大樣本，以供可靠性分析設(shè)計(jì)使用。
2、結(jié)構(gòu)可靠性虛擬疲勞設(shè)計(jì)方法
2.1結(jié)構(gòu)可靠性虛擬疲勞設(shè)計(jì)軟件
進(jìn)行產(chǎn)品零部件結(jié)構(gòu)可靠性虛擬疲勞設(shè)計(jì)首先需要構(gòu)造產(chǎn)品虛擬樣機(jī)，目前國內(nèi)外比較成熟實(shí)用的樣機(jī)幾何造型cad軟件有autocad, pro/e等，同時(shí)還有可以進(jìn)行各種系統(tǒng)仿真分析的多體運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)軟件adams, simpack等。
目前國際知名的通用有限元工程分析軟件大多可完成對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析、疲勞壽命測試及壽命概率分析的功能，目前見長的軟件有ansys,msc/fatigue, msc/nastran，考慮虛擬環(huán)境的cfx及fluent。近年來，樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)及疲勞分析技術(shù)正處于逐漸深人和系統(tǒng)化階段，但有許多重要內(nèi)容要填補(bǔ)，如虛擬環(huán)境的融入、幾何造型、動(dòng)力學(xué)、疲勞分析技術(shù)的集成及開放式。
2.2疲勞壽命預(yù)測方法
多年來人們發(fā)展了各種疲勞壽命預(yù)測方法，其中名義應(yīng)力壽命法(s-n法)、局部應(yīng)變法(e-n法)與基于斷裂力學(xué)理論的疲勞裂紋擴(kuò)展壽命方法，已成為三種經(jīng)典的疲勞壽命預(yù)測方法。
(1)名義應(yīng)力壽命法(s-n法)
名義應(yīng)力壽命法通常稱為總壽命法。該方法用于構(gòu)件總壽命的預(yù)測，是以材料或零部件的疲勞壽命曲線為基礎(chǔ)的。該方法可以考慮構(gòu)件表面加工和表面處理對其疲勞壽命的影響，也可以考慮構(gòu)件焊縫的疲勞壽命，適用于低應(yīng)力高周疲勞問題。
(2)局部應(yīng)變法(e-n法)
局部應(yīng)變壽命法通常稱為裂紋萌生法。該方法用于預(yù)測構(gòu)件的裂紋萌生壽命。它應(yīng)用了材料的“記憶特性”，計(jì)人了名義應(yīng)力無法計(jì)及的載荷循環(huán)順序的影響，使壽命估算結(jié)果更接近實(shí)際情況，適用于高應(yīng)變低周疲勞問題。
(3)疲勞裂紋擴(kuò)展壽命方法
基于斷裂力學(xué)理論的疲勞裂紋擴(kuò)展壽命方法主要用于預(yù)測構(gòu)件從裂紋產(chǎn)生到發(fā)生破壞的疲勞壽命。該方法結(jié)合模擬材料微觀結(jié)構(gòu)變形的數(shù)值方法，是數(shù)值模擬斷裂的主要發(fā)展方向之一。
3、在硬齒面齒輪彎曲疲勞試驗(yàn)中的應(yīng)用
根據(jù)項(xiàng)目要求對42crmo材質(zhì)的硬齒面齒輪進(jìn)行了彎曲疲勞可靠性全壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)在機(jī)械部機(jī)械科學(xué)研究院英國產(chǎn)instron1603型電磁諧振疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。采用4級應(yīng)力水平，即作4組不同應(yīng)力的輪齒全壽命大樣本試驗(yàn)，得到了硬齒面齒輪定壽命下的r-s-n曲線(見圖4中實(shí)線部分)。本文以此試驗(yàn)為研究基礎(chǔ)，進(jìn)行42crmo硬齒面齒輪的結(jié)構(gòu)可靠性虛擬疲勞設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，得到了虛擬試驗(yàn)的各應(yīng)力水平下疲勞壽命數(shù)據(jù)，即s-n曲線。
3.1三維幾何造型設(shè)計(jì)
三維cad軟件為構(gòu)造精準(zhǔn)的零部件虛擬幾何造型設(shè)計(jì)打下軟件基礎(chǔ)。42crmo硬齒面齒輪是斜齒圓柱齒輪按漸開線形成的，為從齒輪的造型機(jī)理開始就嚴(yán)格遵循漸開線齒面生成和加工機(jī)理，應(yīng)用三維虛擬造型軟件mdi公司的adams能在幾何形體上展成曲面和使曲面扭曲變形的功能，開發(fā)出以法平面標(biāo)準(zhǔn)漸開線齒形為基準(zhǔn)的斜齒模擬加工過程。
3.2疲勞載荷譜分析
載荷譜是有限壽命設(shè)計(jì)的依據(jù)之一。因此，掌握載荷譜的變化規(guī)律是進(jìn)行壽命設(shè)計(jì)的先決條件。通常，載荷譜是由現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集并經(jīng)數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析獲得。現(xiàn)場采集的載荷時(shí)間歷程具有很大的隨機(jī)性，并且因現(xiàn)場各種因素如開關(guān)信號、電磁干擾等影響，會(huì)造成原始信號記錄失真，出現(xiàn)偽信號。齒輪結(jié)構(gòu)所承受的疲勞載荷，實(shí)際上是一連續(xù)的隨機(jī)過程，借助動(dòng)力學(xué)分析軟件adams平臺，可直接給出機(jī)械構(gòu)件在整個(gè)裝置工作過程中的疲勞載荷譜f-t曲線(見圖2)，以此作為理論分析和結(jié)構(gòu)可靠性虛擬疲勞設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。
3.3有限元分析軟件中的應(yīng)力分析
建立一對輪齒的有限元模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型主要為六節(jié)點(diǎn)五面體單元，單元總數(shù)為63359個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為15213個(gè)。這樣有利于單元自動(dòng)生成，有利于提高計(jì)算精度。有限元計(jì)算中，齒輪材料的彈性模量為4. 6 x 107mpa，波松比為0.3。
由有限元法(fem)分析計(jì)算出隨機(jī)動(dòng)載荷譜下輪齒在嚙合過程中最大動(dòng)應(yīng)力齒輪的位置、數(shù)值及周期。
3.4基于斷裂力學(xué)的疲勞裂紋壽命預(yù)測
斷裂力學(xué)是在承認(rèn)裂紋存在的前提下進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算(即微裂紋形成忽略)，失效判據(jù)是裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸時(shí)發(fā)生疲勞斷裂，應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度可用以下關(guān)系表示
對裂紋半長a的積分求出裂紋擴(kuò)展的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，即疲勞壽命。計(jì)算n時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度因子幅}k、裂紋初始半長a1、裂紋半長極限值a2由式(1)計(jì)出。其中:c為與材料有關(guān)的系數(shù)，a為幾何效應(yīng)因子，山為復(fù)應(yīng)力變化范圍。
3.5虛擬試驗(yàn)結(jié)果分析
以實(shí)作齒輪試驗(yàn)的4級應(yīng)力水平作虛擬疲勞試驗(yàn)，求得各應(yīng)力水平下的疲勞壽命數(shù)據(jù)，這樣可用最小二乘法得出待試驗(yàn)材料齒輪的s一n曲線。
圖4虛線部分為42crmo材料齒輪采用上述虛擬技術(shù)所作的s一n曲線，試驗(yàn)中取5個(gè)壽命水平n= 0.5 x 1護(hù)，1.0 x 1護(hù)，1.5 x 1護(hù)，2.0 x 1護(hù)，2.5 x 1護(hù)的應(yīng)力分布。與圖4中實(shí)線部分的實(shí)作齒輪試驗(yàn)s一n曲線對比可知，虛擬試驗(yàn)得到的s一n曲線與實(shí)際齒輪高可靠度下的s一n曲線比較接近，有一定的參考價(jià)值。
4、結(jié)語
(1)采用全壽命成組試驗(yàn)法得到產(chǎn)品的全壽命概率分布依據(jù)的是大樣本試驗(yàn)，因此解決復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)使用期限內(nèi)無故障的全壽命設(shè)計(jì)具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和十分深遠(yuǎn)的應(yīng)用前景。全壽命設(shè)計(jì)已成為衡量一個(gè)國家機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平先進(jìn)與否的重要指標(biāo)，只有攻克使零部件全壽命試驗(yàn)與環(huán)境相容這一難題，才能更好地發(fā)揮全壽命設(shè)計(jì)對國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的促進(jìn)作用，迅速把我國的可靠性設(shè)計(jì)水平提高到主動(dòng)可靠性設(shè)計(jì)的國際前沿水平。
摘要：在機(jī)械設(shè)計(jì)中引入CAD技術(shù),可以解決機(jī)械企業(yè)中重復(fù)性設(shè)計(jì)多、信息資源利用率低的難題,縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì)；CAD技術(shù)
1CAD技術(shù)的發(fā)展
CAD(ComputerAidedDesign)是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的英文縮寫，是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形處理能力和數(shù)值計(jì)算能力，輔助工程技術(shù)人員進(jìn)行工程或產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與分析，達(dá)到理想的目的，并取得創(chuàng)新成果的一種技術(shù)。自1950年計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)誕生以來，已廣泛地應(yīng)用于機(jī)械、電子、建筑、化工、航空航天以及能源交通等領(lǐng)域，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率飛速地提高。現(xiàn)已將計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)（Com-puterAidedManufacturing，CAM）和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)（ProductDataManagement，PDM）及計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（ComputerItegratedmanufacturingsystem，CIMS）集于一體。
產(chǎn)品設(shè)計(jì)是決定產(chǎn)品命運(yùn)的研究，也是最重要的環(huán)節(jié)，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作決定著產(chǎn)品75%的成本。目前，CAD系統(tǒng)已由最初的僅具數(shù)值計(jì)算和圖形處理功能的CAD系統(tǒng)發(fā)展成為結(jié)合人工智能技術(shù)的智能CAD系統(tǒng)（ICAD）(IntelligentCAD)。21世紀(jì)，ICAD技術(shù)將具備新的特征和發(fā)展方向，以提高新時(shí)代制造業(yè)對市場變化和小批量、多品種要求的迅速響應(yīng)能力。
以智能CAD（ICAD）為代表的現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)、智能活動(dòng)是由設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)完成。這種系統(tǒng)能夠模擬某一領(lǐng)域內(nèi)專家設(shè)計(jì)的過程，采用單一知識領(lǐng)域的符號推理技術(shù)，解決單一領(lǐng)域內(nèi)的特定問題。該系統(tǒng)把人工智能技術(shù)和優(yōu)化、有限元、計(jì)算機(jī)繪圖等技術(shù)結(jié)合起來，盡可能多地使計(jì)算機(jī)參與方案決策、性能分析等常規(guī)設(shè)計(jì)過程，借助計(jì)算機(jī)的支持，設(shè)計(jì)效率有了大大地提高。
2三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的優(yōu)點(diǎn)
通過實(shí)際應(yīng)用三維CAD系統(tǒng)軟件,筆者體會(huì)到三維CAD系統(tǒng)軟件比二維CAD在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中具有更大的優(yōu)勢,具體表現(xiàn)在以下幾點(diǎn):
2.1零件設(shè)計(jì)更加方便
使用三維CAD系統(tǒng),可以裝配環(huán)境中設(shè)計(jì)新零件,也可以利用相鄰零件的位置及形狀來設(shè)計(jì)新零件,既方便又快捷,避免了單獨(dú)設(shè)計(jì)零件導(dǎo)致裝配的失敗。資源查找器中的零件回放還可以把零件造型的過程通過動(dòng)畫演示出來,使人一目了然。
2.2裝配零件更加直觀
在裝配過程中,資源查找器中的裝配路徑查找器記錄了零件之間的裝配關(guān)系,若裝配不正確即予以顯示,另外,零件還可以隱藏,在隱藏了外部零件的時(shí)候,可清楚地看到內(nèi)部的裝配結(jié)構(gòu)。整個(gè)機(jī)器裝配模型完成后還能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)演示,對于有一定運(yùn)動(dòng)行程要求的,可檢驗(yàn)行程是否達(dá)到要求,及時(shí)對設(shè)計(jì)進(jìn)行更改,避免了產(chǎn)品生產(chǎn)后才發(fā)現(xiàn)需要修改甚至報(bào)廢。
2.3縮短了機(jī)械設(shè)計(jì)周期
采用三維CAD技術(shù),機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)間縮短了近1/3,大幅度地提高了設(shè)計(jì)和生產(chǎn)效率。在用三維CAD系統(tǒng)進(jìn)行新機(jī)械的開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí),只需對其中部分零部件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和制造,而大部分零部件的設(shè)計(jì)都將繼承以往的信息,使機(jī)械設(shè)計(jì)的效率提高了3~5倍。同時(shí),三維CAD系統(tǒng)具有高度變型設(shè)計(jì)能力,能夠通過快速重構(gòu),得到一種全新的機(jī)械產(chǎn)品。
2.4提高機(jī)械產(chǎn)品的技術(shù)含量和質(zhì)量
由于機(jī)械產(chǎn)品與信息技術(shù)相融合,同時(shí)采用CADCIMS組織生產(chǎn),機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)有了新發(fā)展。三維CAD技術(shù)采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法,如優(yōu)化、有限元受力分析、產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)方針和優(yōu)化設(shè)計(jì)等,保證了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。同時(shí),大型企業(yè)數(shù)控加工手段完善,再采用CAD/CAPP/CAM進(jìn)行機(jī)械零件加工,一致性很好,保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。
3CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
3.1零件與裝配圖的實(shí)體生成
3.1.1零件的實(shí)體建模。CAD的三維建模方法有三種,即線框模型、表面模型和實(shí)體模型。在許多具有實(shí)體建模功能的CAD軟件中,都有一些基本體系。如在AutoCAD的三維實(shí)體造型模塊中,系統(tǒng)提供了六種基本體系,即立方體、球體、圓柱體、圓錐體、環(huán)狀體和楔形體。對簡單的零件,可通過對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,將其分解成若干基本體,對基本體進(jìn)行三維實(shí)體造型,之后再對其進(jìn)行交、并、差等布爾運(yùn)算,便可得出零件的三維實(shí)體模型。
對于有些復(fù)雜的零件,往往難以分解成若干個(gè)基本體,使組合或分解后產(chǎn)生的基本體過多,導(dǎo)致成型困難。所以,僅有基本體系還不能完全滿足機(jī)器零件三維實(shí)體造型的要求。為此,可在二維幾何元素構(gòu)造中先定義零件的截面輪廓,然后在三維實(shí)體造型中通過拉伸或旋轉(zhuǎn)得到新的“基本體”,進(jìn)而通過交、并、差等得到所需要零件的三維實(shí)體造型。
3.1.2實(shí)體裝配圖的生成。在零件實(shí)體構(gòu)造完成后,利用機(jī)器運(yùn)動(dòng)分析過程中的資料,在運(yùn)動(dòng)的某一位置,按各零件所在的坐標(biāo)進(jìn)行“裝配”,這一過程可用CAD軟件的三維編輯功能實(shí)現(xiàn)。
3.2模具CAD/CAM的集成制造
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,制造行業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)不斷提高,從普通機(jī)床到數(shù)控機(jī)床和加工中心,從人工設(shè)計(jì)和制圖到CAD/CAM/CAE,制造業(yè)正向數(shù)字化和計(jì)算機(jī)化方向發(fā)展。同時(shí),模具CAD/CAM技術(shù)、模具激光快速成型技術(shù)(RPM)等,幾乎覆蓋了整個(gè)現(xiàn)代制造技術(shù)。
一個(gè)完整的CAD/CAM軟件系統(tǒng)是由多個(gè)功能模塊組成的。如三維繪圖、圖形編輯、曲面造型、仿真模擬、數(shù)控加工、有限元分析、動(dòng)態(tài)顯示等。這些模塊應(yīng)以工程數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ),進(jìn)行統(tǒng)一管理,而實(shí)體造型是工程數(shù)據(jù)的主要來源之一。
3.3機(jī)械CAE軟件的應(yīng)用
機(jī)械CAE系統(tǒng)的主要功能是:工程數(shù)值分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、強(qiáng)度設(shè)計(jì)評價(jià)與壽命預(yù)估、動(dòng)力學(xué)/運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真等。CAD技術(shù)在解決造型問題后,才能由CAE解決設(shè)計(jì)的合理性、強(qiáng)度、剛度、壽命、材料、結(jié)構(gòu)合理性、運(yùn)動(dòng)特性、干涉、碰撞問題和動(dòng)態(tài)特性等。
4CAD前沿技術(shù)與發(fā)展趨勢
4.1圖形交互技術(shù)
CAD軟件是產(chǎn)品創(chuàng)新的工具,務(wù)求易學(xué)好用,得心應(yīng)手。一個(gè)友好的、智能化的工作環(huán)境可以開拓設(shè)計(jì)師的思路，解放大腦，讓他把精力集中到創(chuàng)造性的工作中。因此,智能化圖標(biāo)菜單、“拖放式”造型、動(dòng)態(tài)導(dǎo)航器等一系列人性化的功能，為設(shè)計(jì)師提供了方便。此外，筆輸入法草圖識別、語言識別和特征手勢建模等新技術(shù)也正在研究之中。
4.2智能CAD技術(shù)
CAD/CAM系統(tǒng)應(yīng)用逐步深入,逐漸提出智能化需求.設(shè)計(jì)是一個(gè)含有高度智能的人類創(chuàng)造性活動(dòng)。智能CAD/CAM是發(fā)展的必然方向。智能設(shè)計(jì)在運(yùn)用知識化、信息化的基礎(chǔ)上，建立基于知識的設(shè)計(jì)倉庫,及時(shí)準(zhǔn)確地向設(shè)計(jì)師提品開發(fā)所需的知識和幫助,智能地支持設(shè)計(jì)人員，同時(shí)捕獲和理解設(shè)計(jì)人員意圖、自動(dòng)檢測失誤，回答問題、提出建議方案等。并具有推理功能,使設(shè)計(jì)新手也能做出好的設(shè)計(jì)來,現(xiàn)代設(shè)計(jì)的核心是創(chuàng)新設(shè)計(jì),人們正試圖把創(chuàng)新技法和人工智能技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用到CAD技術(shù)中,用智能設(shè)計(jì)、智能制造系統(tǒng)去創(chuàng)造性指導(dǎo)解決新產(chǎn)品、新工程和新系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造,這樣才能使我們的產(chǎn)品、工程和系統(tǒng)有創(chuàng)造性。
4.3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在CAD中已開始應(yīng)用,設(shè)計(jì)人員在虛擬世界中創(chuàng)造新產(chǎn)品,可以從人機(jī)工程學(xué)角度檢查設(shè)計(jì)效果,可直接操作模擬對象,檢驗(yàn)操作是否舒適、方便,及早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)空間布局中的干涉和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的碰撞等問題,及早看到新產(chǎn)品的外形,從多方面評價(jià)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品.虛擬產(chǎn)品建模就是指建立產(chǎn)品虛擬原理或虛擬樣機(jī)的過程.虛擬制造用虛擬原型取代物理原型進(jìn)行加工、測試、仿真和分析,以評價(jià)其性能,可制造性、可裝配性、可維護(hù)性和成本、外觀等,基于虛擬樣機(jī)的試驗(yàn)仿真分析,可以在真實(shí)產(chǎn)品制造之前發(fā)現(xiàn)并解決問題,從而降低產(chǎn)品成本.虛擬制造、虛擬工廠、動(dòng)態(tài)企業(yè)聯(lián)盟將成為CAD技術(shù)在電子商務(wù)時(shí)代繼續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要方向.另外,隨著協(xié)同技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、概念設(shè)計(jì)面向產(chǎn)品的整個(gè)生命周期設(shè)計(jì)理論和技術(shù)的成熟和發(fā)展,利用基于網(wǎng)絡(luò)的CAD/CAPP/CAM/PDM/ERP集成技術(shù),實(shí)現(xiàn)真正的全數(shù)字化設(shè)計(jì)和制造,已成為機(jī)械設(shè)計(jì)制造業(yè)的發(fā)展趨勢。
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論文摘要：論述了基于虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式和虛擬環(huán)境的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)、人機(jī)工程分析、形態(tài)組構(gòu)、設(shè)計(jì)管理等產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用，認(rèn)為在 現(xiàn)代 工業(yè)設(shè)計(jì)中運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將極大地加快產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，降低產(chǎn)品開發(fā)的成本，對工業(yè)設(shè)計(jì)方法的創(chuàng)新有著巨大影響。
0 引言
虛擬現(xiàn)實(shí) vr (virtual reality)是一種高度逼真的模擬人在 自然 環(huán)境 中的視 、聽、動(dòng)等行為 的人機(jī)界面。 簡單地說，是一種可 以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的 計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是 20世紀(jì)末興起的一 門新的綜合性信息技術(shù) ，它融合了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù) 、人工智能、人機(jī)接口技術(shù) 、數(shù)字圖像處理 、 網(wǎng)絡(luò) 技術(shù) 、傳感器技術(shù)及高度并行的實(shí)時(shí)計(jì)算等技術(shù)，它不僅指那些戴著頭盔和手套的技術(shù)，而且還包括一切與之有關(guān)的具有 自然模擬、逼真體驗(yàn)的技術(shù)和方法 ，它的根本目標(biāo)就是達(dá)到真實(shí)體驗(yàn)和基于 自然技能的人機(jī)交互。
工業(yè)設(shè)計(jì)是建立在 科學(xué) 技術(shù)基礎(chǔ)之上 ，以賦予工業(yè)產(chǎn)品 藝術(shù) 性為目的的一項(xiàng)感性思維和理性思維相互融合的工作。工業(yè)設(shè)計(jì)的程序有具體的方法和整體的戰(zhàn)略進(jìn)行指導(dǎo)和支持，不同國家、不同時(shí)期面對不同的設(shè)計(jì)對象時(shí)，工業(yè)設(shè)計(jì)的程序與方法也是各不相同，大體上有以下幾種：創(chuàng)新設(shè)計(jì)法 、人機(jī)工程學(xué)法 、形態(tài)組構(gòu)法 、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 、caid方法 、價(jià)值工程與價(jià)值創(chuàng)新法、設(shè)計(jì)管理法等 。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入工業(yè)設(shè)計(jì)中，在設(shè)計(jì)的各個(gè)階段利用虛擬數(shù)字模型方便快速地進(jìn)行各種調(diào)查和試驗(yàn)，可以取得適用面更廣、更接近真實(shí)狀態(tài)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。同時(shí)，建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作將更具科學(xué)性和客觀性，給工業(yè)設(shè)計(jì)的方法論 以新的理念。
1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀
1．1 國外的研究情況
隨著虛擬技術(shù)的不斷成熟與 發(fā)展 ，一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)在很多領(lǐng)域 中應(yīng)用了虛擬設(shè)計(jì) ，也成立了許多與虛擬技術(shù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室、課題組，其中著名的有美 國貝卡羅來那大學(xué)(unc)的計(jì)算機(jī)系 ，其主要的研究課題是物理建模與仿真項(xiàng)目和建筑漫游項(xiàng) 目，此外還有美 國的密歇根大學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室，主要研究 vr在轎車車身設(shè)計(jì)中的應(yīng)用以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用。瑞士蘇黎士理工大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形實(shí)驗(yàn)室主要的研究課題包括動(dòng)畫與虛擬平臺、協(xié)同虛擬環(huán)境 (collaborative virturalenvironment)等。美國宇航局(nasa)的ames研究中心利用流行的液晶現(xiàn)實(shí)技術(shù)和其它零部件研制出了虛擬飛行器，彌補(bǔ)了飛行模擬器成本過高的不足。美國麥道飛機(jī)公司采用沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行新型號發(fā)動(dòng)機(jī)的輔助設(shè)計(jì)。
1．2 國內(nèi)的研究現(xiàn)狀
相對于國外虛擬設(shè)計(jì)的發(fā)展。國內(nèi)虛擬技術(shù)的研究和應(yīng)用還比較落后。自20世紀(jì) 80年代 vr技術(shù)開始起步以來，至今我國在 vr的基礎(chǔ)圖形技術(shù)領(lǐng)域 已經(jīng)具備了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前全國已有 34家科研機(jī)構(gòu)、高等院校和 企業(yè) 正在開展虛擬制造技術(shù)的研究、開發(fā)及初步的示范應(yīng)用工作 ，有 4家企業(yè)參與了這種新的探索，其主要的研究內(nèi)容包括：① 產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì)；② 熱加工工藝模擬；③加工過程、裝配過程的仿真；④ 虛擬軸機(jī)床和虛擬量儀的研制和開發(fā)；⑤虛擬企業(yè)。總體來看，我國虛擬制造技術(shù)的研究多數(shù) 是在原先的cad／cam 及仿真技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，而系統(tǒng) 、全面的虛擬制造技術(shù)的研究尚未開展，還很少能將成熟的虛擬技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際開發(fā)中，尤其在產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，虛擬技術(shù)還未發(fā)揮出它應(yīng)有的作用，應(yīng)用水平遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家。由此來看，我國重視產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平的提升，將虛擬技術(shù)應(yīng)用到設(shè)計(jì)領(lǐng)域已成為當(dāng)前國內(nèi)產(chǎn)品開發(fā)的重要環(huán)節(jié)。
2 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的工業(yè)設(shè)計(jì)方法
2．1 創(chuàng)新設(shè)計(jì)法
創(chuàng)新是工業(yè)設(shè)計(jì) 的靈魂所在。當(dāng)代社會(huì) 經(jīng)濟(jì) 條件下 ，市場產(chǎn)品沒有創(chuàng)新就猶如失去了靈魂，很難在競爭對手如林的市場上取得優(yōu)勝。在當(dāng)今全新 的經(jīng)濟(jì)背景下，設(shè)計(jì)創(chuàng)新將引導(dǎo)消費(fèi)、把握機(jī)遇，成為決定產(chǎn)品生命力的重要條件之一，以思維創(chuàng)新、行為創(chuàng)新、方式創(chuàng)新為核心的工業(yè)設(shè)計(jì)將在企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)過程中扮演著舉足輕重的角色。如圖 1、2所示 ，在傳統(tǒng) 的工業(yè)設(shè)計(jì)中，人們一直沿用著平面 圖來表達(dá)設(shè)計(jì)思想。即使應(yīng)用計(jì)算 機(jī)三維 軟件，最終也只能得到某個(gè)視角的立體效果圖，難以真實(shí)完整地表達(dá) 出設(shè)計(jì)者的意圖。而基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的工業(yè)設(shè)計(jì)方法將 以數(shù)字化的三維模型作為設(shè)計(jì)思想的載體，全面表達(dá)設(shè)計(jì)者的意圖。人們可以根據(jù)自己的需要任意放大、旋轉(zhuǎn)模型 ，主動(dòng)索取信息，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè) 計(jì)由 面表達(dá) 向體表達(dá) 的突破 ，使設(shè)計(jì)師有更充裕 的時(shí)間來考慮設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié) 問題這無疑對工業(yè)設(shè)計(jì)的方法創(chuàng)新帶來了革命性的沖擊如圖 3所示。
此外 ，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合，將可以構(gòu)建一個(gè)全新的開放式設(shè)計(jì)平臺，以三維數(shù)字化模型作為設(shè)計(jì)思想的載體 ，全面表達(dá)設(shè)計(jì)者的意圖。打破地域限制，實(shí)現(xiàn)用戶與設(shè)計(jì) 、開發(fā)人員的良好溝通和互動(dòng)。
2．2 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的產(chǎn)品人機(jī)工程分析
(1)人機(jī)工程學(xué)參數(shù)的采集與分析。傳統(tǒng)的人機(jī)工程學(xué)在參數(shù)的采集和分析中存在諸多問題：①采樣數(shù)量 、測量和數(shù)據(jù)分析的工作量均很大，且成本高 、周期長；②無法進(jìn)行動(dòng)態(tài)修訂；③缺乏對于企業(yè)具體產(chǎn)品的針對性；④參數(shù)多為二維模型。若在具體的采集和分析中使用三維掃描技術(shù) (獲取靜態(tài)三維數(shù)據(jù) )、 動(dòng)作捕捉技術(shù) (獲取動(dòng)作特征數(shù)據(jù))，即可生成虛擬被試三維動(dòng)態(tài)數(shù)字模型 。這些數(shù)字模型在被更新前一直可以 “活在”虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)平臺上，通過對虛擬被試三維動(dòng)態(tài)數(shù)字模型的關(guān)鍵點(diǎn)控制 ，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的不斷更新。 (2)虛擬人機(jī)工程設(shè)計(jì)與評價(jià) 。虛擬人機(jī)工程設(shè)計(jì)借助于虛擬樣機(jī) (virtual prototype)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì) ，故也稱其為虛擬人機(jī)工程學(xué)環(huán)境。設(shè)計(jì)人員和不同技術(shù)背景的人可以直觀地觀察到各種虛擬人體三維數(shù)字模型的實(shí)時(shí)情況，精確研究產(chǎn)品的人機(jī)工程學(xué)參數(shù) ，直接與設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行交互，并評價(jià)產(chǎn)品的性能。
在傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的人機(jī)系統(tǒng)中，人是操作者 ，機(jī)器只是被動(dòng)的反應(yīng) ，而在虛擬產(chǎn) 品設(shè)計(jì)的人機(jī)系統(tǒng)中，人成為主動(dòng)參與者 ，復(fù)雜系統(tǒng)中可能有許多參與者共同在以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的虛擬環(huán)境中協(xié)同工作。在基于人機(jī)工程的傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，人機(jī)分析和評價(jià)必須是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后的樣機(jī)模型中或者在試制的產(chǎn)品中進(jìn)行．而在基于人機(jī)工程的虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，人機(jī)設(shè)計(jì)分析評價(jià)又是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過程中可以同時(shí)進(jìn)行，也可與產(chǎn)品使用者進(jìn)行各種實(shí)時(shí)的交互。
如圖 4所示．基于人機(jī)工程的傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的人機(jī)評價(jià)是在樣品試制后才進(jìn)行，若人機(jī)評價(jià)結(jié)果達(dá)不到要求 ，就需要進(jìn)行重新設(shè)計(jì) 和樣 品試 制 ，再進(jìn)行人機(jī)評價(jià)，這樣反復(fù)循環(huán)指導(dǎo)方能達(dá)到要求，這種評價(jià)方式既浪費(fèi)時(shí)間又耗費(fèi)資源。而圖 5基于人機(jī)工程的虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)全過程采用協(xié) 同并行式，人機(jī)設(shè)計(jì) 、人機(jī)仿真和人機(jī)評價(jià)實(shí)現(xiàn)交互式。不需要樣品試制的過程 ，而且和虛擬加工 、虛擬制造形成并行 ，大大 的節(jié)省 了時(shí) 間和資原，也加快 企業(yè) 新產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)程。
2.3形態(tài)組構(gòu)法
有研究表明，“看”是人類五種感覺中最為重要的感覺，因此，形態(tài)與色彩在設(shè)計(jì)中占據(jù)著尤為關(guān)鍵的地位。嶄新符號的合理創(chuàng)造，依賴于深入觀察理解生活與 自然 形態(tài)，及隨后進(jìn)行的創(chuàng)造性抽象思維活動(dòng)。這里需要強(qiáng)調(diào)的是，通過對自然的學(xué)習(xí)、研究、分析，進(jìn)一步升華創(chuàng)造出富有生命力的形態(tài)這一過程，必須遵循 科學(xué) 的研究方法與程序[5]。圖2所示的電錘，其頭部造型形成了電錘強(qiáng)勁的沖擊力，而整體的外形設(shè)計(jì)不僅有傳統(tǒng)電錘的風(fēng)格，更有本款造型個(gè)性設(shè)計(jì)的明顯特征；錘前端典型的電錘圓鼓造型構(gòu)成了錘的共有特征，但也被賦予了更明確的時(shí)尚個(gè)性，線條形式隨錘體輕微向外彎曲，以至前端產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)感，海魚般的外形與原有造型相比更是有著大膽的突破，但那正體現(xiàn)了電錘靈活的運(yùn)動(dòng)特征。在采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行本產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師借助于freeform系統(tǒng)，依照科學(xué)的方法從虛擬立體的觀察和人機(jī)交互中不斷進(jìn)行深入分析研究，見圖6，找出形態(tài)變化的一般 規(guī)律 ，使其在固有的限定條件下自如地進(jìn)行聯(lián)想、抽象與創(chuàng)造，把思維與創(chuàng)造力帶入一個(gè)“美的自由王國”。
2.4設(shè)計(jì)管理法
設(shè)計(jì)管理常以并行工程為模式[7]，設(shè)計(jì)過程引入虛擬現(xiàn)實(shí)，將使參與產(chǎn)品開發(fā)的所有專業(yè)人員可采用并行工作模式系統(tǒng)地將市場需求、工藝制造水平、裝配、維修、產(chǎn)品推廣等來實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作。圖6所示的freeform建模系統(tǒng)即可以在設(shè)計(jì)過程中滿足直觀交流這一要求，設(shè)計(jì)師利用力反饋輸入設(shè)備進(jìn)行模型的塑造，也可在原來產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行不斷地修改，并在短時(shí)間內(nèi)完成新的概念模型。為了讓更多的專業(yè)人員參與到設(shè)計(jì)中，還可利用增強(qiáng)式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，在真實(shí)的環(huán)境中增加虛擬物體、裝飾、結(jié)構(gòu)部件，改變樣式，將信息與生產(chǎn)準(zhǔn)備階段的反饋信息相結(jié)合,選出最后方案。基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的設(shè)計(jì)管理能很好地遵循“賦予工作的喜悅”的理念,設(shè)計(jì)中注重理性因素的表達(dá)，使設(shè)計(jì)更加大膽地運(yùn)用前衛(wèi)個(gè)性的動(dòng)物外觀形態(tài)的處理手法，將產(chǎn)品的目標(biāo)市場牢牢抓住，本文電錘產(chǎn)品便是作者為無錫銳克電動(dòng)工具有限公司進(jìn)行設(shè)計(jì)的典型范例。目前電錘產(chǎn)品包括八個(gè)系列，在虛擬設(shè)計(jì)中能感悟到該品牌的每一款產(chǎn)品，設(shè)計(jì)集個(gè)性、高性能、完美美學(xué)和實(shí)用樂趣于一身，在虛擬使用電錘中感悟到高科技，感悟到電錘凸形腰線的形態(tài)美，及至高境界的精神美。
論文摘要：在機(jī)械設(shè)計(jì)中引入CAD技術(shù)，可以解決機(jī)械企業(yè)中重復(fù)性設(shè)計(jì)多、信息資源利用率低的難題，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景。
1 CAD技術(shù)的發(fā)展
CAD(Computer Aided Design)是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的英文縮寫，是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形處理能力和數(shù)值計(jì)算能力，輔助工程技術(shù)人員進(jìn)行工程或產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與分析，達(dá)到理想的目的，并取得創(chuàng)新成果的一種技術(shù)。自1950年計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)誕生以來，已廣泛地應(yīng)用于機(jī)械、電子、建筑、化工、航空航天以及能源交通等領(lǐng)域，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率飛速地提高。現(xiàn)已將計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)（Com-puter Aided Manufacturing，CAM）和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)（Product Data Management，PDM）及計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（Computer Itegrated manufacturing system，CIMS）集于一體。
產(chǎn)品設(shè)計(jì)是決定產(chǎn)品命運(yùn)的研究，也是最重要的環(huán)節(jié)，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作決定著產(chǎn)品75%的成本。目前，CAD系統(tǒng)已由最初的僅具數(shù)值計(jì)算和圖形處理功能的CAD系統(tǒng)發(fā)展成為結(jié)合人工智能技術(shù)的智能CAD系統(tǒng)（ICAD）(Intelligent CAD)。21世紀(jì)，ICAD技術(shù)將具備新的特征和發(fā)展方向，以提高新時(shí)代制造業(yè)對市場變化和小批量、多品種要求的迅速響應(yīng)能力。
以智能CAD（ICAD）為代表的現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)、智能活動(dòng)是由設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)完成。這種系統(tǒng)能夠模擬某一領(lǐng)域內(nèi)專家設(shè)計(jì)的過程，采用單一知識領(lǐng)域的符號推理技術(shù)，解決單一領(lǐng)域內(nèi)的特定問題。該系統(tǒng)把人工智能技術(shù)和優(yōu)化、有限元、計(jì)算機(jī)繪圖等技術(shù)結(jié)合起來，盡可能多地使計(jì)算機(jī)參與方案決策、性能分析等常規(guī)設(shè)計(jì)過程，借助計(jì)算機(jī)的支持，設(shè)計(jì)效率有了大大地提高。
2 三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的優(yōu)點(diǎn)
通過實(shí)際應(yīng)用三維CAD系統(tǒng)軟件，筆者體會(huì)到三維CAD系統(tǒng)軟件比二維CAD在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中具有更大的優(yōu)勢，具體表現(xiàn)在以下幾點(diǎn):
2.1 零件設(shè)計(jì)更加方便
使用三維CAD系統(tǒng)，可以裝配環(huán)境中設(shè)計(jì)新零件，也可以利用相鄰零件的位置及形狀來設(shè)計(jì)新零件，既方便又快捷，避免了單獨(dú)設(shè)計(jì)零件導(dǎo)致裝配的失敗。資源查找器中的零件回放還可以把零件造型的過程通過動(dòng)畫演示出來，使人一目了然。
2.2 裝配零件更加直觀
在裝配過程中，資源查找器中的裝配路徑查找器記錄了零件之間的裝配關(guān)系，若裝配不正確即予以顯示，另外，零件還可以隱藏，在隱藏了外部零件的時(shí)候，可清楚地看到內(nèi)部的裝配結(jié)構(gòu)。整個(gè)機(jī)器裝配模型完成后還能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)演示，對于有一定運(yùn)動(dòng)行程要求的，可檢驗(yàn)行程是否達(dá)到要求，及時(shí)對設(shè)計(jì)進(jìn)行更改，避免了產(chǎn)品生產(chǎn)后才發(fā)現(xiàn)需要修改甚至報(bào)廢。
2.3 縮短了機(jī)械設(shè)計(jì)周期
采用三維CAD技術(shù)，機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)間縮短了近1/3，大幅度地提高了設(shè)計(jì)和生產(chǎn)效率。在用三維CAD系統(tǒng)進(jìn)行新機(jī)械的開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，只需對其中部分零部件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和制造，而大部分零部件的設(shè)計(jì)都將繼承以往的信息，使機(jī)械設(shè)計(jì)的效率提高了3~5倍。同時(shí)，三維CAD系統(tǒng)具有高度變型設(shè)計(jì)能力，能夠通過快速重構(gòu)，得到一種全新的機(jī)械產(chǎn)品。
2.4 提高機(jī)械產(chǎn)品的技術(shù)含量和質(zhì)量
由于機(jī)械產(chǎn)品與信息技術(shù)相融合，同時(shí)采用CAD CIMS組織生產(chǎn)，機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)有了新發(fā)展。三維CAD技術(shù)采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，如優(yōu)化、有限元受力分析、產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)方針和優(yōu)化設(shè)計(jì)等，保證了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。同時(shí)，大型企業(yè)數(shù)控加工手段完善，再采用CAD/CAPP/CAM進(jìn)行機(jī)械零件加工，一致性很好，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。
3 CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
3.1 零件與裝配圖的實(shí)體生成
3.1.1 零件的實(shí)體建模。CAD的三維建模方法有三種，即線框模型、表面模型和實(shí)體模型。在許多具有實(shí)體建模功能的CAD軟件中，都有一些基本體系。如在AutoCAD的三維實(shí)體造型模塊中，系統(tǒng)提供了六種基本體系，即立方體、球體、圓柱體、圓錐體、環(huán)狀體和楔形體。對簡單的零件，可通過對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，將其分解成若干基本體，對基本體進(jìn)行三維實(shí)體造型，之后再對其進(jìn)行交、并、差等布爾運(yùn)算，便可得出零件的三維實(shí)體模型。
對于有些復(fù)雜的零件，往往難以分解成若干個(gè)基本體，使組合或分解后產(chǎn)生的基本體過多，導(dǎo)致成型困難。所以，僅有基本體系還不能完全滿足機(jī)器零件三維實(shí)體造型的要求。為此，可在二維幾何元素構(gòu)造中先定義零件的截面輪廓，然后在三維實(shí)體造型中通過拉伸或旋轉(zhuǎn)得到新的“基本體”，進(jìn)而通過交、并、差等得到所需要零件的三維實(shí)體造型。
3.1.2 實(shí)體裝配圖的生成。在零件實(shí)體構(gòu)造完成后，利用機(jī)器運(yùn)動(dòng)分析過程中的資料，在運(yùn)動(dòng)的某一位置，按各零件所在的坐標(biāo)進(jìn)行“裝配”，這一過程可用CAD軟件的三維編輯功能實(shí)現(xiàn)。
3.2 模具CAD/CAM的集成制造
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，制造行業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)不斷提高，從普通機(jī)床到數(shù)控機(jī)床和加工中心，從人工設(shè)計(jì)和制圖到CAD/CAM/CAE，制造業(yè)正向數(shù)字化和計(jì)算機(jī)化方向發(fā)展。同時(shí)，模具CAD/CAM技術(shù)、模具激光快速成型技術(shù)(RPM)等，幾乎覆蓋了整個(gè)現(xiàn)代制造技術(shù)。
一個(gè)完整的CAD/CAM軟件系統(tǒng)是由多個(gè)功能模塊組成的。如三維繪圖、圖形編輯、曲面造型、仿真模擬、數(shù)控加工、有限元分析、動(dòng)態(tài)顯示等。這些模塊應(yīng)以工程數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，進(jìn)行統(tǒng)一管理，而實(shí)體造型是工程數(shù)據(jù)的主要來源之一。
3.3 機(jī)械CAE軟件的應(yīng)用
機(jī)械CAE系統(tǒng)的主要功能是:工程數(shù)值分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、強(qiáng)度設(shè)計(jì)評價(jià)與壽命預(yù)估、動(dòng)力學(xué)/運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真等。CAD技術(shù)在解決造型問題后，才能由CAE解決設(shè)計(jì)的合理性、強(qiáng)度、剛度、壽命、材料、結(jié)構(gòu)合理性、運(yùn)動(dòng)特性、干涉、碰撞問題和動(dòng)態(tài)特性等。
4 CAD前沿技術(shù)與發(fā)展趨勢
4.1 圖形交互技術(shù)
CAD軟件是產(chǎn)品創(chuàng)新的工具，務(wù)求易學(xué)好用，得心應(yīng)手。一個(gè)友好的、智能化的工作環(huán)境可以開拓設(shè)計(jì)師的思路，解放大腦，讓他把精力集中到創(chuàng)造性的工作中。因此，智能化圖標(biāo)菜單、“拖放式”造型、動(dòng)態(tài)導(dǎo)航器等一系列人性化的功能，為設(shè)計(jì)師提供了方便。此外，筆輸入法草圖識別、語言識別和特征手勢建模等新技術(shù)也正在研究之中。
4.2 智能CAD技術(shù)
CAD/CAM系統(tǒng)應(yīng)用逐步深入，逐漸提出智能化需求.設(shè)計(jì)是一個(gè)含有高度智能的人類創(chuàng)造性活動(dòng)。智能CAD/CAM是發(fā)展的必然方向。智能設(shè)計(jì)在運(yùn)用知識化、信息化的基礎(chǔ)上，建立基于知識的設(shè)計(jì)倉庫，及時(shí)準(zhǔn)確地向設(shè)計(jì)師提品開發(fā)所需的知識和幫助，智能地支持設(shè)計(jì)人員，同時(shí)捕獲和理解設(shè)計(jì)人員意圖、自動(dòng)檢測失誤，回答問題、提出建議方案等。并具有推理功能，使設(shè)計(jì)新手也能做出好的設(shè)計(jì)來，現(xiàn)代設(shè)計(jì)的核心是創(chuàng)新設(shè)計(jì)，人們正試圖把創(chuàng)新技法和人工智能技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用到CAD技術(shù)中，用智能設(shè)計(jì)、智能制造系統(tǒng)去創(chuàng)造性指導(dǎo)解決新產(chǎn)品、新工程和新系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造，這樣才能使我們的產(chǎn)品、工程和系統(tǒng)有創(chuàng)造性。
4.3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在CAD中已開始應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員在虛擬世界中創(chuàng)造新產(chǎn)品，可以從人機(jī)工程學(xué)角度檢查設(shè)計(jì)效果，可直接操作模擬對象，檢驗(yàn)操作是否舒適、方便，及早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)空間布局中的干涉和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的碰撞等問題，及早看到新產(chǎn)品的外形，從多方面評價(jià)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品.虛擬產(chǎn)品建模就是指建立產(chǎn)品虛擬原理或虛擬樣機(jī)的過程.虛擬制造用虛擬原型取代物理原型進(jìn)行加工、測試、仿真和分析，以評價(jià)其性能，可制造性、可裝配性、可維護(hù)性和成本、外觀等，基于虛擬樣機(jī)的試驗(yàn)仿真分析，可以在真實(shí)產(chǎn)品制造之前發(fā)現(xiàn)并解決問題，從而降低產(chǎn)品成本.虛擬制造、虛擬工廠、動(dòng)態(tài)企業(yè)聯(lián)盟將成為CAD技術(shù)在電子商務(wù)時(shí)代繼續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要方向.另外，隨著協(xié)同技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、概念設(shè)計(jì)面向產(chǎn)品的整個(gè)生命周期設(shè)計(jì)理論和技術(shù)的成熟和發(fā)展，利用基于網(wǎng)絡(luò)的CAD/CAPP/CAM/PDM/ERP集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)真正的全數(shù)字化設(shè)計(jì)和制造，已成為機(jī)械設(shè)計(jì)制造業(yè)的發(fā)展趨勢。
參考文獻(xiàn)
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論文摘要：本文從專業(yè)人才需求出發(fā)，經(jīng)過崗位分析，進(jìn)行專業(yè)定位和人才培養(yǎng)模式選擇，之后論述了建筑行業(yè)內(nèi)應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)體系的構(gòu)建，實(shí)踐表明課程體系、實(shí)訓(xùn)環(huán)境、教學(xué)團(tuán)隊(duì)三個(gè)方面的建設(shè)對人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高至關(guān)重要。
一、引言
教職成[2011]9號文《教育部關(guān)于推進(jìn)中等和高等職業(yè)教育協(xié)調(diào)發(fā)展的指導(dǎo)意見》指出，要以科學(xué)定位為立足點(diǎn)，優(yōu)化職業(yè)教育層次結(jié)構(gòu)，構(gòu)建現(xiàn)代職業(yè)教育體系，樹立系統(tǒng)培養(yǎng)的理念，堅(jiān)持就業(yè)導(dǎo)向，明確人才培養(yǎng)規(guī)格、梯次和結(jié)構(gòu)，明確高等職業(yè)學(xué)校定位，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展，重點(diǎn)培養(yǎng)高端技能型人才。作為一所以建設(shè)類專業(yè)為主的高職院校，我院以服務(wù)區(qū)域經(jīng)濟(jì)和建設(shè)行業(yè)發(fā)展需求為己任，探索“依托行業(yè)，校企合作、工學(xué)結(jié)合”的人才培養(yǎng)模式，緊貼人才市場需求，鑄造建筑特色的專業(yè)品牌。作為廣東省第一大支柱產(chǎn)業(yè)，電子與信息技術(shù)產(chǎn)值連年提高，其中智能建筑電子產(chǎn)品市場需求旺盛，對樓宇智能化電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)、生產(chǎn)、維修、技術(shù)服務(wù)人才的培養(yǎng)提出需求。這就要求我們以“工學(xué)結(jié)合”理念為指導(dǎo)，面向行業(yè)就業(yè)，對社會(huì)人才需求進(jìn)行調(diào)研，科學(xué)定位專業(yè)人才培養(yǎng)規(guī)格，合理選擇人才培養(yǎng)模式，改革課程體系，配備實(shí)踐教學(xué)條件和教學(xué)團(tuán)隊(duì)，從而構(gòu)建適合建筑行業(yè)需要的應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)體系。
二、專業(yè)人才培養(yǎng)體系構(gòu)建的指導(dǎo)思想
專業(yè)人才培養(yǎng)體系的構(gòu)建需要從應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)人才市場調(diào)研出發(fā)，根據(jù)崗位定位人才培養(yǎng)目標(biāo)和規(guī)格，選擇合理的人才培養(yǎng)模式，從而為人才培養(yǎng)體系的構(gòu)建做好準(zhǔn)備。
1.專業(yè)定位。在建筑行業(yè)，一方面智能家居市場需求旺盛，產(chǎn)品蓬勃發(fā)展，另一方面工程應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品的技術(shù)性能尚處于開發(fā)改良階段，調(diào)研表明畢業(yè)生主要去向在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)、樣機(jī)制作、調(diào)試維修、生產(chǎn)線產(chǎn)品制程技術(shù)指導(dǎo)、質(zhì)量成本控制等崗位。依據(jù)“工學(xué)結(jié)合”關(guān)于職業(yè)教育能力目標(biāo)培養(yǎng)的理念，針對這些專業(yè)工作崗位，將其工作過程歸納出典型工作任務(wù)，主要包括：產(chǎn)品方案選擇、電路原理設(shè)計(jì)、控制編程、電子線路制作、調(diào)試、測試、文件編寫等。因此應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)方案規(guī)定要面向智能建筑電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)應(yīng)用第一線，培養(yǎng)從事產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維修和技術(shù)服務(wù)工作，具有扎實(shí)的電子電路基礎(chǔ)理論知識和分析能力，具有電子線路設(shè)計(jì)與產(chǎn)品制作工藝實(shí)踐能力，能夠勝任智能建筑電子產(chǎn)品的工程應(yīng)用、安裝調(diào)試、維修等工作的高素質(zhì)技能型專門人才。
2.人才培養(yǎng)模式。人才培養(yǎng)模式是為了實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)，在培養(yǎng)過程中采取的構(gòu)造樣式和運(yùn)行方式，包括專業(yè)設(shè)置、課程體系、教學(xué)設(shè)計(jì)和教育方法等方面。作為建筑行業(yè)的應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)，我們采用“411”模式，即第1～4學(xué)期完成支撐專業(yè)核心能力的理論基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)和各專項(xiàng)技能的訓(xùn)練，第5學(xué)期通過生產(chǎn)實(shí)習(xí)、智能建筑電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制作、專業(yè)證書考證訓(xùn)練等綜合課程形成專業(yè)能力、方法能力和社會(huì)能力；第6學(xué)期到企業(yè)頂崗實(shí)習(xí)，完成職業(yè)素養(yǎng)的全面形成。在人才培養(yǎng)的各個(gè)環(huán)節(jié)當(dāng)中，從實(shí)際工作崗位出發(fā)，理論知識夠用為度，重視理論前沿新知識的傳授和技術(shù)的拓展，實(shí)踐技能培養(yǎng)方面構(gòu)建虛擬真實(shí)的崗位工作環(huán)境，通過真實(shí)項(xiàng)目設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，運(yùn)用行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)方法，使得電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制作、維修、技術(shù)服務(wù)等能力逐步形成。
三、人才培養(yǎng)體系的構(gòu)建
明確專業(yè)定位和專業(yè)人才培養(yǎng)模式之后，我們重點(diǎn)從改革課程教學(xué)體系、設(shè)置實(shí)踐教學(xué)環(huán)境、教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)等方面構(gòu)建人才培養(yǎng)體系，完善應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)“工學(xué)結(jié)合”人才培養(yǎng)模式的內(nèi)涵。
1.課程教學(xué)體系的改革。根據(jù)專業(yè)設(shè)置，結(jié)合往屆畢業(yè)生頂崗實(shí)習(xí)反饋信息，以及各類電子設(shè)計(jì)大賽和技能競賽情況，我們認(rèn)為需要提高學(xué)生在電子產(chǎn)品裝配工藝、質(zhì)量檢測、成本控制方面的能力，加強(qiáng)PCB制造方面的動(dòng)手操作能力，了解SMT技術(shù)工藝，因此結(jié)合專業(yè)定位和企業(yè)崗位實(shí)際調(diào)研制訂課程體系改革重點(diǎn)：在專業(yè)課程中設(shè)置針對電路分析、設(shè)計(jì)、PCB繪圖、樣機(jī)制作、編程與調(diào)試、測試測量等技能的教學(xué)，以及積累電子產(chǎn)品工藝的設(shè)計(jì)和管理經(jīng)驗(yàn)，如電子產(chǎn)品表面貼裝（SMT）工藝、PCB制板等內(nèi)容。針對產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作過程中軟硬件設(shè)計(jì)、PCB繪圖、樣機(jī)制作、測試，將專業(yè)課程體系劃分為專業(yè)理論基礎(chǔ)知識課程、專業(yè)核心能力平臺課程、專業(yè)綜合能力形成課程和專業(yè)知識技能拓展課程，共26門專業(yè)課程，其中4門集中實(shí)訓(xùn)課，占總學(xué)時(shí)60%以上。包括電路基礎(chǔ)、模擬電路、數(shù)字電路、C語言程序設(shè)計(jì)、檢測與控制技術(shù)、單片機(jī)原理與接口技術(shù)等專業(yè)理論基礎(chǔ)知識課程，電子CAD、電子測量與仿真技術(shù)、單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)、電子基本技能實(shí)訓(xùn)、電子產(chǎn)品裝配工藝實(shí)訓(xùn)、電子線路應(yīng)用實(shí)訓(xùn)、單片機(jī)原理與接口實(shí)訓(xùn)等專業(yè)核心能力平臺課程，以及生產(chǎn)實(shí)習(xí)、智能建筑電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制作、專業(yè)證書考試訓(xùn)練、頂崗實(shí)習(xí)等專業(yè)綜合能力形成課程，在專業(yè)知識技能拓展方面開設(shè)電氣控制與PLC應(yīng)用、集成電路應(yīng)用、高頻電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、EDA技術(shù)、智能卡技術(shù)、VB程序設(shè)計(jì)、建筑設(shè)備智能控制等課程。在課程的微觀教學(xué)設(shè)計(jì)上，運(yùn)用行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)方法使學(xué)生在項(xiàng)目任務(wù)完成中形成能力，掌握知識。例如在《單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)》課程中從開發(fā)仿真到模仿真實(shí)產(chǎn)品項(xiàng)目開發(fā)，在電子產(chǎn)品開發(fā)的真實(shí)工作環(huán)境中學(xué)習(xí)單片機(jī)開發(fā)、測試工具設(shè)備、加工手段的選擇和運(yùn)用，在教學(xué)實(shí)施過程中模擬企業(yè)真實(shí)項(xiàng)目任務(wù)開發(fā)的組織形式將學(xué)生分組，為學(xué)生分配角色，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。
2.實(shí)踐教學(xué)環(huán)境構(gòu)建。為滿足教學(xué)體系中的實(shí)踐環(huán)節(jié)，配置專業(yè)實(shí)踐條件和環(huán)境，包括電子技術(shù)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)室、電子加工工藝實(shí)訓(xùn)室、電子創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)室和電子材料室。電子加工工藝實(shí)訓(xùn)室主要承擔(dān)表面貼裝（SMT）加工工藝實(shí)訓(xùn)、PCB線路板制作工藝實(shí)訓(xùn)和電子線路應(yīng)用實(shí)訓(xùn)。配備的設(shè)備有：數(shù)控電路板雕刻機(jī)、熱轉(zhuǎn)印線路板制作機(jī)、腐蝕機(jī)、沉銅器、手動(dòng)焊錫膏絲印機(jī)、真空吸筆、再流焊機(jī)、放大鏡和熱風(fēng)拆焊臺等加工與返修設(shè)備。通過實(shí)踐培養(yǎng)PCB板制作、SMT貼裝等工藝技能，另外可滿足教科研和學(xué)生課外興趣制作項(xiàng)目中的電路板加工。電子創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)室主要承擔(dān)單片機(jī)原理與接口實(shí)訓(xùn)、電子線路應(yīng)用實(shí)訓(xùn)、智能建筑電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制作，配備有計(jì)算機(jī)、單片機(jī)和FPGA實(shí)驗(yàn)箱、仿真軟件（Proteus），可使電子產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中的測控應(yīng)用電路設(shè)計(jì)和編程在計(jì)算機(jī)仿真軟件環(huán)境中得以驗(yàn)證，從而加速產(chǎn)品開發(fā)和節(jié)省材料成本。同時(shí)可支撐電子測量與仿真技術(shù)、電子CAD、單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)、檢測與控制技術(shù)、EDA技術(shù)、智能卡技術(shù)等課程。另外該實(shí)訓(xùn)室是教學(xué)科研項(xiàng)目設(shè)計(jì)、大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽、職業(yè)技能大賽、科技文化創(chuàng)新活動(dòng)、課外興趣制作的主要平臺。電子材料室主要支撐應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)開展的實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目，儲備電子元件材料，庫存系列阻值的電阻、電容、二三極管、IC芯片、及各種接插件等。實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建的主要特色是從人才培養(yǎng)模式出發(fā)，結(jié)合相關(guān)專業(yè)課程，以專業(yè)人才實(shí)際動(dòng)手能力的培養(yǎng)和工藝設(shè)計(jì)管理經(jīng)驗(yàn)的積累為目的，為教學(xué)提供實(shí)踐環(huán)境，注重在職業(yè)環(huán)境中培養(yǎng)學(xué)生道德素質(zhì)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)中完成角色的轉(zhuǎn)變，以工學(xué)結(jié)合的模式為學(xué)生搭建通向企業(yè)職場的橋梁。
3.教學(xué)團(tuán)隊(duì)的建設(shè)。教學(xué)團(tuán)隊(duì)的建設(shè)是專業(yè)內(nèi)涵建設(shè)的保證，是提升人才培養(yǎng)質(zhì)量的著力點(diǎn)。現(xiàn)階段職業(yè)教育的模式要求教學(xué)團(tuán)隊(duì)成員根據(jù)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展需要不斷地研究新情況，更新教育教學(xué)理念，整合教學(xué)資源，深化專業(yè)與課程改革，加強(qiáng)“雙師”素質(zhì)的養(yǎng)成。因而我們注重教學(xué)團(tuán)隊(duì)在知識結(jié)構(gòu)、工程項(xiàng)目實(shí)踐以及教科研等方面的進(jìn)修、培訓(xùn)、提高，為人才培養(yǎng)質(zhì)量打造優(yōu)質(zhì)教學(xué)團(tuán)隊(duì)。
以職業(yè)教育理念為指導(dǎo)，通過科學(xué)的調(diào)研和專業(yè)定位，合理地選擇專業(yè)人才培養(yǎng)模式，主要從課程體系、實(shí)訓(xùn)環(huán)境、教學(xué)團(tuán)隊(duì)三個(gè)方面構(gòu)建了適于建筑行業(yè)發(fā)展的應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)體系，該體系從崗位工作過程出發(fā)，全面培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)能力、方法能力和社會(huì)能力，在提高人才培養(yǎng)質(zhì)量方面收到良好的效果，例如學(xué)生在各類電子設(shè)計(jì)競賽中多次獲獎(jiǎng)，學(xué)生在職業(yè)資格證書考試中通過率達(dá)到96.61%，畢業(yè)生的就業(yè)率逐年提高，2010、2011兩年就業(yè)率均達(dá)到98%以上，畢業(yè)生受到用人單位的好評。
參考文獻(xiàn)
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1.同濟(jì)大學(xué)車輛工程領(lǐng)域全日制專業(yè)學(xué)位研究生校企聯(lián)合培養(yǎng)模式的探索
2.車輛工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系改革
3.全日制工程碩士培養(yǎng)模式的創(chuàng)新與實(shí)踐——以吉林大學(xué)車輛工程領(lǐng)域工程碩士培養(yǎng)為例
4.測繪工程本科專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系的構(gòu)建
5.專業(yè)認(rèn)證背景下的測繪工程專業(yè)課程體系優(yōu)化
6.SL機(jī)場測繪工程項(xiàng)目的進(jìn)度與質(zhì)量管理研究
7.測繪工程專業(yè)和測繪學(xué)
8.東莞市某公路測繪工程質(zhì)量管理控制
9.測繪工程專業(yè)“四維滲透式”實(shí)踐教學(xué)改革研究
10.基于測繪工程專業(yè)規(guī)范的應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式構(gòu)建
11.車輛工程專業(yè)模塊課實(shí)驗(yàn)教學(xué)整合與優(yōu)化
12.車輛工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系的構(gòu)建和思考
13.應(yīng)用型車輛工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案的研究
14.車輛工程應(yīng)用型本科大學(xué)生工程素質(zhì)培養(yǎng)模式的創(chuàng)新與實(shí)踐
15.基于閩臺合作辦學(xué)下應(yīng)用型本科院校車輛工程專業(yè)課程設(shè)置研究
16.混合動(dòng)力技術(shù)在車輛工程領(lǐng)域的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀
17.車輛工程實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)研究
18.車輛工程專業(yè)多層次開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建
19.國內(nèi)外大學(xué)車輛工程專業(yè)人才培養(yǎng)情況分析
20.車輛工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系改革與實(shí)踐
21.車輛工程培養(yǎng)模式初探
22.武漢軌道交通1號線二期工程車輛轉(zhuǎn)向架架修技術(shù)探討
23.關(guān)于混合動(dòng)力技術(shù)在車輛工程領(lǐng)域應(yīng)用的探討
24.工程車輛自動(dòng)變速系統(tǒng)模糊控制的相關(guān)分析 優(yōu)先出版
25.《農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程》在線投稿系統(tǒng)開通
26.工程車輛油氣懸掛系統(tǒng)防進(jìn)氣裝置研究 優(yōu)先出版
27.新能源在車輛工程中的運(yùn)用
28.基于“四輪驅(qū)動(dòng)”的車輛工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式研究
29.電子控制技術(shù)在車輛工程中的應(yīng)用分析
30.工程車輛自動(dòng)變速智能控制系統(tǒng)開發(fā)與試驗(yàn)研究
31.基于AMESim工程車輛變速器電液控制系統(tǒng)的仿真與試驗(yàn)研究
32.虛擬仿真軟件在新能源車輛工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用
33.車輛工程領(lǐng)域中混合動(dòng)力技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀分析
34.車輛工程專業(yè)核心基礎(chǔ)課程考評模式的研究和實(shí)踐
35.論行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)在車輛工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用
36.《農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程》在線投稿系統(tǒng)開通
37.《農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程》2016年總目次
38.基于ADAMS的工程車輛6擋變速器換擋過程仿真研究
39.電子信息技術(shù)在車輛工程上的應(yīng)用分析
40.環(huán)衛(wèi)工程車輛液壓制動(dòng)能量回收技術(shù) 優(yōu)先出版
41.車輛工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的必要性探討
42.車輛工程專業(yè)課程體系改革研究——以山東建筑大學(xué)為例
43.車輛工程實(shí)驗(yàn)室的開放式管理系統(tǒng)設(shè)計(jì) 優(yōu)先出版
44.車輛工程專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式研究——以三亞學(xué)院為例
45.基于畢業(yè)要求達(dá)成的車輛工程專業(yè)實(shí)踐課程體系反向設(shè)計(jì)
46.基于CDIO的車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)探索與實(shí)踐
47.《農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程》在線投稿系統(tǒng)即將開通
48.《農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程》2015年總目次
49.地鐵工程車輛的應(yīng)用維修管理
50.車輛工程類專業(yè)電工學(xué)教考模式的幾點(diǎn)思考
51.工程車輛駕駛室噪聲控制及聲品質(zhì)客觀評價(jià)
52.工程車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性研究
53.PLC在某型工程車輛模擬維修系統(tǒng)中的應(yīng)用
54.深圳地鐵1號線續(xù)建工程車輛ATC天線安裝支架優(yōu)化設(shè)計(jì)
55.車輛工程專業(yè)工程碩士英語教學(xué)存在問題及EPBEP教學(xué)方法的研究與應(yīng)用
56.工程車輛消聲器性能分析及優(yōu)化
57.《農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程》雜志聲明
58.《農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程》欄目索引
59.虛擬樣機(jī)技術(shù)在車輛工程專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用研究 優(yōu)先出版
60.車輛工程大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐基地建設(shè)與實(shí)踐
61.關(guān)于電子控制技術(shù)在車輛工程中的應(yīng)用分析
62.昆明地鐵首期工程車輛轉(zhuǎn)向架異響分析
63.交互式工程車輛虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)
64.車輛工程專業(yè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)與實(shí)踐
65.測繪工程監(jiān)理方法探討
66.階梯式創(chuàng)新實(shí)踐培養(yǎng)模式在車輛工程專業(yè)教學(xué)中的探索
67.基于Matlab/Simulink的工程車輛自動(dòng)變速器換擋規(guī)律研究 優(yōu)先出版
68.簡析工程車輛液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力性分析
69.基于51單片機(jī)對工程車輛閉鎖離合器的控制 優(yōu)先出版
70.電力工程車輛第三軌供電過無電區(qū)控制策略
71.工程車輛油氣懸架工作過程熱力學(xué)分析
72.車輛工程專業(yè)汽車結(jié)構(gòu)類課程教學(xué)模式改革探討 優(yōu)先出版
73.論工程車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的熱平衡計(jì)算
74.車輛工程核心課程先進(jìn)教學(xué)模式探索與實(shí)踐
75.關(guān)于電子控制技術(shù)在車輛工程中的應(yīng)用分析
76.工程車輛液壓混合動(dòng)力技術(shù)研究進(jìn)展
77.烏魯木齊市軌道交通1號線工程車輛制動(dòng)系統(tǒng)防寒設(shè)計(jì)
78.昆明市軌道交通3號線工程車輛制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
79.應(yīng)用型本科院校車輛工程專業(yè)課程設(shè)置的研究 優(yōu)先出版
80.我院車輛工程專業(yè)建設(shè)的思考與探索
81.碳纖維與工程車輛翻新輪胎復(fù)合強(qiáng)化模型及增強(qiáng)機(jī)理 優(yōu)先出版
82.《農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程》雜志聲明
83.基于遺傳算法的某工程車輛起步特性研究 優(yōu)先出版
84.鄭州市軌道交通2號線一期工程車輛主要部件選型
85.車輛工程類本科專業(yè)職教師資培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)
86.基于CDIO的車輛工程專業(yè)教學(xué)模式改革與實(shí)踐
87.協(xié)同創(chuàng)新模式下車輛工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式改革初探
88.基于效率換擋規(guī)律的工程車輛換擋品質(zhì)研究
89.車輛工程本科專業(yè)課程設(shè)計(jì)的改革與創(chuàng)新
90.工程車輛駕駛室座椅H點(diǎn)設(shè)計(jì)研究
91.淺談小波理論在車輛工程中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢
92.基于CFD與ε-NTU法的工程車輛散熱性能預(yù)估 優(yōu)先出版
93.駕駛實(shí)習(xí)——車輛工程專業(yè)必不可少的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)
94.車輛工程專業(yè)在應(yīng)用型本科開展實(shí)踐教學(xué)的研究 優(yōu)先出版
95.產(chǎn)教融合培養(yǎng)“企業(yè)預(yù)備隊(duì)”的實(shí)踐與思考——以車輛工程專業(yè)為例
96.與專業(yè)認(rèn)證相銜接的車輛工程專業(yè)人才培養(yǎng)體系改革探討
97.基于模糊可靠度的工程車輛傳動(dòng)軸可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)
98.Danfoss多功能閥在工程車輛中的應(yīng)用 .
99.電子控制技術(shù)在車輛工程中的應(yīng)用分析 .
在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，數(shù)控技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)，它集微電子、計(jì)算機(jī)、信息處理、自動(dòng)檢測、自動(dòng)控制等高新技術(shù)于一體，具有高精度、高效率、柔性自動(dòng)化等特點(diǎn)，對制造業(yè)實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。當(dāng)前，數(shù)控技術(shù)正在發(fā)生根本性變革，由專用型封閉式開環(huán)控制模式向通用型開放式實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。在集成化基礎(chǔ)上，數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了超薄型、超小型化；在智能化基礎(chǔ)上，綜合了計(jì)算機(jī)、多媒體、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多學(xué)科技術(shù)，數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高速、高精、高效控制，加工過程中可以自動(dòng)修正、調(diào)節(jié)與補(bǔ)償各項(xiàng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了在線診斷和智能化故障處理；在網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)上，CAD/CAM與數(shù)控系統(tǒng)集成為一體。論文百事通機(jī)床聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了中央集中控制的群控加工。
2智能化技術(shù)發(fā)展趨勢
2.1性能發(fā)展方向
(1)高速高精度高效化。
速度、精度和效率是機(jī)械制造技術(shù)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系統(tǒng)以及帶高分辨率絕對式檢測元件的交流數(shù)字伺服系統(tǒng)，同時(shí)采取了改善機(jī)床動(dòng)態(tài)、靜態(tài)特性等有效措施，機(jī)床的高速高精高效化已大大提高。
(2)柔性化。
包含兩方面：數(shù)控系統(tǒng)本身的柔性，數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，功能覆蓋面大。可裁剪性強(qiáng)，便于滿足不同用戶的需求；群拉系統(tǒng)的柔性，同一群控系統(tǒng)能依據(jù)不同生產(chǎn)流程的要求，使物料流和信息流自動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而最大限度地發(fā)揮群控系統(tǒng)的效能。
(3)工藝復(fù)合性和多軸化。
以減少工序、輔助時(shí)間為主要目的的復(fù)合加工。正朝著多軸、多系列控制功能方向發(fā)展。數(shù)控機(jī)床的工藝復(fù)合化是指工件在一臺機(jī)床上一次裝夾后，通過自動(dòng)換刀、旋轉(zhuǎn)主軸頭或轉(zhuǎn)臺等各種措施，完成多工序、多表面的復(fù)合加工。
(4)實(shí)時(shí)智能化。
早期的實(shí)時(shí)系統(tǒng)通常針對相對簡單的理想環(huán)境，其作用是如何調(diào)度任務(wù)，以確保任務(wù)在規(guī)定期限內(nèi)完成。而人工智能則試圖用計(jì)算模型實(shí)現(xiàn)人類的各種智能行為。科學(xué)技術(shù)發(fā)展到今天，實(shí)時(shí)系統(tǒng)和人工智能相互結(jié)合，人工智能正向著具有實(shí)時(shí)響應(yīng)的、更現(xiàn)實(shí)的領(lǐng)域發(fā)展，而實(shí)時(shí)系統(tǒng)也朝著具有智能行為的、更加復(fù)雜的應(yīng)用發(fā)展。由此產(chǎn)生了實(shí)時(shí)智能控制這一新的領(lǐng)域。
2.2功能發(fā)展方向
(1)用戶界面圖形化。
用戶界面是數(shù)控系統(tǒng)與使用者之間的對話接口。由于不同用戶對界面的要求不同，因而開發(fā)用戶界面的工作量極大，用戶界面成為計(jì)算機(jī)軟件研制中最困難的部分之一。當(dāng)前Internet、虛擬現(xiàn)實(shí)、科學(xué)計(jì)算可視化及多媒體等技術(shù)，也對用戶界面提出了更高要求。圖形用戶界面極大地方便了非專業(yè)用戶的使用。人們可以通過窗口和菜單進(jìn)行操作，便于藍(lán)圖編程和快速編程、三維彩色立體動(dòng)態(tài)圖形顯示、圖形模擬、圖形動(dòng)態(tài)跟蹤和仿真、不同方向的視圖和局部顯示比例縮放功能的實(shí)現(xiàn)。
(2)科學(xué)計(jì)算可視化。
科學(xué)計(jì)算可視化可用于高效處理數(shù)據(jù)和解釋數(shù)據(jù)，使信息交流不再局限于用文字和語育表達(dá)，而可以直接使用圖形、圖像、動(dòng)畫等可視信息。可視化技術(shù)與虛擬環(huán)境技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域，如無圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、虛擬樣機(jī)技術(shù)等，這對縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本具有重要意義。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，可視化技術(shù)可用于CAD/CAM，如自動(dòng)編程設(shè)計(jì)、參數(shù)自動(dòng)設(shè)定、刀具補(bǔ)償和刀具管理數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)處理和顯示以及加工過程的可視化仿真演示等。
(3)插補(bǔ)和補(bǔ)償方式多樣化。
多種插補(bǔ)方式如直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、圓柱插補(bǔ)、空間橢圓曲面插補(bǔ)、螺紋插補(bǔ)、極坐標(biāo)插補(bǔ)、2D+2螺旋插補(bǔ)、NANO插補(bǔ)、NURBS插補(bǔ)(非均勻有理B樣條插補(bǔ))、多項(xiàng)式插補(bǔ)等。多種補(bǔ)償功能如間隙補(bǔ)償、垂直度補(bǔ)償、象限誤差補(bǔ)償、螺距和測量系統(tǒng)誤差補(bǔ)償、與速度相關(guān)的前饋補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償、帶平滑接近和退出以及相反點(diǎn)計(jì)算的刀具半徑補(bǔ)償?shù)取?/p>
(4)內(nèi)裝高性能PLC。
數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)裝高性能PLC控制模塊，可直接用梯形圈或高級語言編程，具有直觀的在線調(diào)試和在線幫助功能，編程工具中包含用于車床銑床的標(biāo)準(zhǔn)PLC用戶程序?qū)崅?cè)，用戶可在標(biāo)準(zhǔn)PLC用戶程序基礎(chǔ)上進(jìn)行編輯修改，從而方便地建立自己的應(yīng)用程序。
(5)多媒體技術(shù)應(yīng)用。
多媒體技術(shù)集計(jì)算機(jī)、聲像和通信技術(shù)于一體，使計(jì)算機(jī)具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域。應(yīng)用多媒體技術(shù)可以做到信息處理綜合化、智能化，在實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)和生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備的故障診斷、生產(chǎn)過程參數(shù)監(jiān)測等方面有著重大的應(yīng)用價(jià)值。
2.3體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展
(1)集成化。
采用高度集成化CPU，RISC芯片和大規(guī)模可編程集成電路FPGA、EPLD、CPLD以及專用集成電路ASIC芯片，可提高數(shù)控系統(tǒng)的集成度和軟硬件運(yùn)行速度，應(yīng)用LED平板顯示技術(shù)，可提高顯示器性能。平板顯示器具有科技含量高、重量輕、體積小、功耗低、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)。可實(shí)現(xiàn)超大尺寸顯示。應(yīng)用先進(jìn)封裝和互連技術(shù)，將半導(dǎo)體和表面安裝技術(shù)融為一體。通過提高集成電路密度、減少互連長度和數(shù)量來降低產(chǎn)品價(jià)格，改進(jìn)性能，減小組件尺寸，掘高系統(tǒng)的可靠性。新晨
(2)模塊化
硬件模塊化易于實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的集成化和標(biāo)準(zhǔn)化，根據(jù)不同的功能需求，將基本模塊，如CPU、存儲器、位置伺服，PLC、輸入輸出接口、通訊等模塊，作成標(biāo)準(zhǔn)的系列化產(chǎn)品，通過積木方式進(jìn)行功能裁剪和模塊數(shù)量的增減，構(gòu)成不同檔次的數(shù)控系統(tǒng)。
(3)網(wǎng)絡(luò)化
機(jī)床聯(lián)網(wǎng)可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和無人化操作，通過機(jī)床聯(lián)網(wǎng)，可在任何一臺機(jī)床上對其它機(jī)床進(jìn)行編程、設(shè)定、操作、運(yùn)行。不同機(jī)床的畫面可同時(shí)顯示在每一臺機(jī)床的屏幕上。
關(guān)鍵詞：LiDAR；鐵路勘察設(shè)計(jì)，DEM；DLG
中圖分類號：TN958.98文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1007-9599 (2011) 03-0000-02
Airborne LIDAR Technology in Railway Survey and Design Application and Benefit Analysis
Han Zujie
(Railway Third Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Tianjin300142,China)
Abstract:Airborne laser radar technology (LiDAR) is a new remote sensing technology,because of its high precision and efficiency,in terms of rapid development of topographic mapping,currently nearly 20 sets of LiDAR systems.This paper studies LiDAR technology in railway engineering survey and design the content,products,and effects,on the basis of aerial photogrammetry and traditional methods are compared to prove LiDAR technology in the railway survey and design of the feasibility and superiority.
Keywords:LiDAR;Railway survey and design;DEM;DLG
一、引言
機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)（LiDAR）是一種全新的遙感技術(shù)，自上世紀(jì)90年代在德國首次出現(xiàn)商用樣機(jī)系統(tǒng)以來，因其高精度和高效率，在地形測繪方面得到快速發(fā)展。目前，全球已經(jīng)有幾十套商用系統(tǒng)在使用，主要實(shí)用系統(tǒng)有：Topscan、Optech、TopEye、Saab、Fli-map、TopoSys、HawkEye、Leica ALS50/60系列、Falcon等。
上世紀(jì)90年代中后期至今，美國、德國、加拿大、澳大利亞、瑞典和芬蘭等國家，先后成功應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了地形測量、森林資源調(diào)查與評估、三維城市建模等試驗(yàn)與工程實(shí)踐。特別是芬蘭和德國，已經(jīng)采用這項(xiàng)技術(shù)建立了全國或者大部分國土的DEM，達(dá)到了理想的效果。目前在國內(nèi)已經(jīng)有接近20套LiDAR設(shè)備，其中，北京星天地信息科技有限公司、山西亞太數(shù)字遙感新技術(shù)有限公司、廣西桂能信息工程有限公司、廣州建通測繪技術(shù)開發(fā)有限公司以及東方道邇公司等單位已經(jīng)先后開展了實(shí)驗(yàn)和工程飛行，主要用于生產(chǎn)數(shù)字高程模型（DEM）、正射影像（DOM），進(jìn)而制作線劃圖（DLG）等。本研究將使用LiDAR技術(shù)對鐵路勘察工程設(shè)計(jì)進(jìn)行研究與試驗(yàn)，介紹其主要產(chǎn)品及應(yīng)用并對經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行評價(jià)。
二、機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理
（一）機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)簡介
LiDAR系統(tǒng)是一種新型的綜合應(yīng)用激光測距儀、IMU、GPS的快速測量系統(tǒng)，可以直接測得地面物體各個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。機(jī)載的激光雷達(dá)系統(tǒng)通常還集成高分辨率數(shù)碼相機(jī)，用于獲取目標(biāo)影像。從功能上看，機(jī)載激光掃描系統(tǒng)是基于激光測距技術(shù)、GPS技術(shù)和慣性導(dǎo)航技術(shù)這三種技術(shù)集成的一個(gè)軟硬件系統(tǒng)，其主要目的是為了獲取高精度的數(shù)字表面模型（DSM）。
目前，LiDAR提供的直接數(shù)據(jù)產(chǎn)品為：點(diǎn)云數(shù)據(jù)，DSM，DEM，DOM。經(jīng)過后處理可以快速生成等高線、高程點(diǎn)、橫縱斷面圖，完成路線設(shè)計(jì)需要的專項(xiàng)測繪內(nèi)容（如架空管線的凈空、交叉角度測繪等），并提供工程設(shè)計(jì)模型和景觀設(shè)計(jì)模型等。
（二）LiDAR的主要系統(tǒng)構(gòu)成
主要系統(tǒng)構(gòu)成包括：
1.掃描儀組件：激光發(fā)射器、激光信號接收器、機(jī)械組件、掃描鏡及窗口、接口板。
2.設(shè)備支持系統(tǒng)：系統(tǒng)控制器、飛機(jī)位置及姿態(tài)測量系統(tǒng)、檢流控制器、激光電源、電源分配器、控制計(jì)算機(jī)、連接電纜。
3.附屬軟件：包括項(xiàng)目飛行設(shè)計(jì)及對記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理（濾波、分類等）處理。
4.控制/顯示器：激光發(fā)射指標(biāo)器、音頻告警器、電路熔斷器、系統(tǒng)診斷數(shù)據(jù)輸出、控制接口。
（三）主要工作原理
通過DGPS（或PPP）和IMU求得航機(jī)線上任意采樣時(shí)刻激光發(fā)射中心的空間坐標(biāo)和設(shè)備的空間姿態(tài)，內(nèi)插后能夠獲取任意時(shí)刻激光光束的姿態(tài)和發(fā)射中心的空間坐標(biāo)，通過激光測量激光發(fā)射中心到地面的距離，可以求得每一個(gè)激光腳點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)。另外，利用DGPS/IMU可以直接獲取每一張照片的外方位元素，可以快速制作DOM成果。最后將激光點(diǎn)數(shù)據(jù)和數(shù)碼影像進(jìn)行聯(lián)合處理得到高精度的正射影像和數(shù)字高程模型。
三、機(jī)載激光雷達(dá)的應(yīng)用
機(jī)載激光雷達(dá)能夠快速獲取數(shù)字地表模型（DSM），同時(shí)，配套的中畫幅數(shù)碼相機(jī)可以獲得同步的數(shù)碼相片，經(jīng)過加工處理可獲得數(shù)字高程模型、分類信息、航空相片的立體像對和正射影像圖。目前還沒有成熟的專業(yè)接口供鐵路勘察設(shè)計(jì)工程中使用機(jī)載激光雷達(dá)成果，因此，如何將機(jī)載激光雷達(dá)勘測成果與眾多設(shè)計(jì)專業(yè)手段無縫結(jié)合，從海量基礎(chǔ)信息中快速提取或檢索有用的信息為各專業(yè)設(shè)計(jì)所用，是機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于鐵路勘察設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
結(jié)合鐵路勘察設(shè)計(jì)特點(diǎn)和工程應(yīng)用實(shí)踐，一方面將機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)成果進(jìn)行加工，提供滿足專業(yè)應(yīng)用的專題成果，另一方面，改進(jìn)專業(yè)設(shè)計(jì)勘察設(shè)計(jì)流程，提出新的設(shè)計(jì)理念，以便更加有效地利用海量的基礎(chǔ)信息，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率。
利用機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)提供的高精度、高分辨率數(shù)字地面模型和正射影像圖，結(jié)合鐵路專業(yè)設(shè)計(jì)要求，主要生產(chǎn)以下幾種產(chǎn)品（見圖4）：
1.工點(diǎn)地形圖。它是針對鐵路設(shè)計(jì)的控制工點(diǎn)，在施工圖階段做的更加詳細(xì)的勘測工作，以保證設(shè)計(jì)資料的精度和準(zhǔn)確性。如：橋址地形、隧道進(jìn)出口等；
2.斷面圖。主要包括縱斷面和橫斷面，一般它們的精度高于地形圖的精度。主要用于保證設(shè)計(jì)線路的平順性和計(jì)算工程數(shù)量的準(zhǔn)確性；
3.數(shù)字正射影像地形圖。這是線劃圖的替代產(chǎn)品，通過將正射影像圖疊加等高線、專業(yè)調(diào)查的地質(zhì)界線、自然保護(hù)區(qū)等矢量信息，而形成的一種地形圖，它的信息量更加豐富，更加直觀；
4.專項(xiàng)測繪。針對特殊的專業(yè)需求而進(jìn)行的詳細(xì)勘測工作。如：水文斷面、涵軸測量、電線垂度等；
5.工程中的土石方自動(dòng)計(jì)算、坡度、坡向的計(jì)算等；
6.快速構(gòu)建三維虛擬場景，城市建模等。
此外，還可利用高分辨率的影像進(jìn)行專業(yè)調(diào)查、地質(zhì)判視等，便于指導(dǎo)外業(yè)工作，提高外業(yè)勘測的針對性和合理性。
四、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益和推廣應(yīng)用前景
（一）機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)與常規(guī)航測方法的經(jīng)濟(jì)比較
1.兩種技術(shù)手段外業(yè)控制測量的比較。LIDAR所需的外業(yè)控制點(diǎn)與常規(guī)航測外控的比較，以II級地形1：2000航測地形圖測繪（常規(guī)航測單航帶100km）為例。
（1）首級平面和高程控制網(wǎng)工作內(nèi)容和數(shù)量是基本相同的。
（2）LIDAR系統(tǒng)要求每5-7km測量一個(gè)平面和高程控制點(diǎn)，每30km測量一處高程校正區(qū)，這樣100km線路需要布設(shè)平高控制點(diǎn)17個(gè)，高程校正區(qū)3個(gè)。而常規(guī)航測方法，采用150mm焦距的航攝儀拍攝，需要75個(gè)平高控制點(diǎn)；采用210mm焦距的航攝儀拍攝，需要150個(gè)平高控制點(diǎn)。
（3）LIDAR系統(tǒng)不因地形等級的變化而改變外業(yè)平高控制點(diǎn)的數(shù)量（適當(dāng)?shù)膶挾龋绮淮笥?0km）。而常規(guī)航測方法會(huì)隨著寬度的增加而成倍增加外控點(diǎn)的數(shù)量。
2.橫斷面切繪的經(jīng)濟(jì)比較。以張?zhí)畦F路定測為例，相對于采用Lidar技術(shù)平均1000-1200個(gè)橫斷面/人天的工作效率，常規(guī)航測方法每人每天只能切繪300-400個(gè)橫斷面，可見工作效率提高了3-4倍，對企業(yè)發(fā)展帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
3.地形圖制作的經(jīng)濟(jì)比較。以II級地形1：2000地形圖測繪為例。
因?yàn)長IDAR具有高效生成DEM的優(yōu)勢，所以在生成等高線、高程點(diǎn)等具有高程信息的地形信息時(shí)具有更高的效率，在這個(gè)方面，采用Lidar技術(shù)平均效率為12-15平方公里/（人.天），常規(guī)航測方法每人每天只能測繪2-3平方公里；
航測方法在立體模型下獲取（除等高線、高程點(diǎn)之外）矢量信息具有更大的優(yōu)勢，而LIDAR則因其自身離散性獲取能力比較弱，適合于小面積的（除等高線、高程點(diǎn)之外）矢量信息獲取。
（二）成功案例及分析
經(jīng)過試驗(yàn)與實(shí)踐，LiDAR技術(shù)已成功用于多個(gè)鐵路項(xiàng)目的勘測設(shè)計(jì)項(xiàng)目，減少了內(nèi)業(yè)制圖的壓力，縮短了項(xiàng)目工期，在鐵路各專業(yè)使用中反映良好，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。以某工程為例，泛亞鐵路某段全長257Km，由于距離遙遠(yuǎn)，地處國外，而且鐵路過境區(qū)域存在大量地雷區(qū)域，給外業(yè)工作帶來極大不便。考慮到地理因素和方案局部變動(dòng)的因素，項(xiàng)目在實(shí)際操作中拋棄傳統(tǒng)外業(yè)測量加航測制圖的作業(yè)方式，直接采用機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)，一次性獲取鐵路過境區(qū)域長257km，寬4km的雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)和數(shù)碼影像數(shù)據(jù)，利用該數(shù)據(jù)圓滿完成了無外業(yè)控制測量情形的1：10000和1：2000的地形圖成圖任務(wù)，不僅避免了人力物力消耗和地雷區(qū)作業(yè)的危險(xiǎn)性，而且在內(nèi)業(yè)成圖中，大膽使用數(shù)字正射影像地形圖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的DLG，取得了制作者和使用者均滿意的雙贏局面。
（三）推廣應(yīng)用前景
機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)具有巨大的發(fā)展空間和潛力，作為一種新技術(shù)，還有許多發(fā)展空間，特別是在數(shù)據(jù)處理算法以及軟件和系統(tǒng)的開發(fā)等方面。隨著用戶數(shù)量的增加，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃絹碓綇V，特別是隨著激光技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，將促進(jìn)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的革新。在鐵三院于2009年率先在國內(nèi)將機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于鐵路勘察設(shè)計(jì)并取得巨大成功后，今年鐵一院、鐵二院、鐵四院都陸續(xù)定購了機(jī)載激光雷達(dá)并加大了人力投入，可見由于其精度高、成本低、周期短等特點(diǎn)在鐵路行業(yè)已經(jīng)被廣泛關(guān)注。鐵路行業(yè)之外，水利、公路、電力、農(nóng)林等行業(yè)也在積極開展相關(guān)的研究和應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)：
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摘要：建設(shè)數(shù)字礦山以成為21世紀(jì)礦山發(fā)展的潮流.本文介紹了我國數(shù)字礦山的建設(shè)現(xiàn)狀,對我國今后數(shù)字礦山的發(fā)展方向提出了建議。
關(guān)鍵詞：數(shù)字礦山發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展趨勢
1.數(shù)字礦山
1998年美國前副總統(tǒng)戈?duì)栐凇皵?shù)字地球——展望21世紀(jì)我們這顆行星”的演講中提出了數(shù)字地球這一概念.隨后,我國也提出了數(shù)字中國的概念.在此背景下,為了拓展礦山企業(yè)的生存與發(fā)展空間、促進(jìn)礦山企業(yè)組織結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、降低決策的風(fēng)險(xiǎn)性、提高企業(yè)快速反應(yīng)能力,提出了建設(shè)數(shù)字礦山的構(gòu)想.
數(shù)字礦山（Digital Mine）,又被稱為DM.目前,對于數(shù)字礦山這一概念還沒有一個(gè)統(tǒng)一的定義.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）吳立新教授認(rèn)為,DM是對真實(shí)礦山整體及其相關(guān)現(xiàn)象的統(tǒng)一認(rèn)識與數(shù)字化再現(xiàn),是一個(gè)硅質(zhì)礦山,是數(shù)字礦區(qū)和DC的一個(gè)重要組成部分,DM的核心是在統(tǒng)一的時(shí)間坐標(biāo)和空間框架下,科學(xué)合理地組織各類礦山信息,將海量異質(zhì)的礦山信息資源進(jìn)行全面、高效和有序的管理和整合.DM的任務(wù)是在礦業(yè)信息數(shù)據(jù)倉庫的基礎(chǔ)上,充分利用現(xiàn)代空間分析、數(shù)據(jù)采礦、知識挖掘、虛擬現(xiàn)實(shí)、可視化、網(wǎng)絡(luò)、多媒體和科學(xué)計(jì)算技術(shù),為礦產(chǎn)資源評估、礦山規(guī)劃、開拓設(shè)計(jì)、生產(chǎn)安全和決策管理進(jìn)行模擬、仿真和過程分析提供新的技術(shù)平臺和強(qiáng)大工具.而東北大學(xué)王青教授更為通俗的解釋是：以計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)為手段,把礦山的所有空間的和有用的屬性數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)數(shù)字化存儲、傳輸、表征和深加工,并應(yīng)用于各生產(chǎn)環(huán)節(jié)、管理和決策中.
對于數(shù)字礦山建設(shè),目前概括起來主要有以下5種觀點(diǎn)：1）數(shù)字地球觀點(diǎn)：認(rèn)為數(shù)字礦山是數(shù)字地球的分支,與數(shù)字城市、數(shù)字農(nóng)業(yè)等同類,強(qiáng)調(diào)數(shù)字地球的指導(dǎo)和GIS的作用.2）地質(zhì)模型觀點(diǎn)：認(rèn)為數(shù)字礦山是礦山地質(zhì)的數(shù)字化模型,強(qiáng)調(diào)對地質(zhì)實(shí)體的模型建立、模型的互動(dòng)性和地質(zhì)屬性的精細(xì)度.3）信息管理觀點(diǎn)：認(rèn)為數(shù)字礦山是企業(yè)的神經(jīng)系統(tǒng),數(shù)字礦山應(yīng)以MIS為主,強(qiáng)調(diào)信息流、業(yè)務(wù)流、知識管理、協(xié)同工作環(huán)境和決策支持.4）監(jiān)控系統(tǒng)觀點(diǎn)：認(rèn)為數(shù)字礦山應(yīng)以監(jiān)控系統(tǒng)為主,強(qiáng)調(diào)管控自動(dòng)化.5）工程應(yīng)用模式：認(rèn)為數(shù)字礦山是礦山專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)的集成體,強(qiáng)調(diào)應(yīng)用系統(tǒng)的整合、數(shù)據(jù)共享和整體實(shí)用性.而當(dāng)前,我國建設(shè)數(shù)字礦山,更能降低礦山勞動(dòng)強(qiáng)度,提高工作效率;化解礦山風(fēng)險(xiǎn)隱患,增強(qiáng)安全系數(shù);合理開發(fā)資源,減少資源浪費(fèi)和環(huán)境污染.
2.國際上數(shù)字礦山的發(fā)展動(dòng)態(tài)
數(shù)字礦山自提出以來就在發(fā)達(dá)國家引起了重視,并建立了長遠(yuǎn)計(jì)劃.
從20世紀(jì)90年代初開始,加拿大就開始研究遙控采礦技術(shù),目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)整個(gè)采礦過程的遙控操作,現(xiàn)已研制出樣機(jī)系統(tǒng).并且,加拿大計(jì)劃在2050年實(shí)現(xiàn)無人礦山的建設(shè),通過衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)礦山自動(dòng)控制、自動(dòng)破碎和自動(dòng)開采;芬蘭采礦業(yè)也宣布了智能化采礦的目標(biāo),組織成立了28個(gè)專題研究.瑞典也制定了面向礦山自動(dòng)化的“Grountecknik2000”戰(zhàn)略計(jì)劃.
在數(shù)字礦山的應(yīng)用軟件方面,澳大利亞的Maptek公司開發(fā)的Valcan軟件系統(tǒng)和Surpac MINE GROUP公司開發(fā)的Surpac軟件系統(tǒng)等都用著廣泛的應(yīng)用.
3.我國數(shù)字礦山的發(fā)展現(xiàn)狀
我國的礦山還處在礦山信息化（DC）的階段,信息化建設(shè)的總體水平不高.大多數(shù)礦山企業(yè)信息基礎(chǔ)設(shè)施落后,可共享的信息量少,信息流向無序且單一.這些都造成了礦山企業(yè)沒能形成信息化決策和礦業(yè)信息產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的規(guī)模優(yōu)勢,嚴(yán)重地影響了礦山企業(yè)的市場競爭與可持續(xù)發(fā)展的能力.我國礦山企業(yè)的信息化建設(shè)基本上處在3個(gè)層次.
（1）第1層次——無路無車
一部分企業(yè)經(jīng)營狀況較差,不能提供資金和技術(shù)支持;還有企業(yè),領(lǐng)導(dǎo)層觀念老化對礦山的信息化建設(shè).這都導(dǎo)致礦山企業(yè)沒有信息化的設(shè)備和人才.
（2） 第2層次——有路無車
部分企業(yè)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)較好,購置了大量先進(jìn)的信息化建設(shè)的設(shè)備,但對人才的培養(yǎng)和引進(jìn)力度不夠,沒有相關(guān)配套的專業(yè)軟件支持,雖然有先進(jìn)、齊全的設(shè)備做基礎(chǔ),但無法有效利用,導(dǎo)致礦山企業(yè)的信息化建設(shè)僅僅停留在表面工程.
（3） 第3層次——車貨不一
一些礦山企業(yè)對信息化建設(shè)進(jìn)行了較合理的投入,但由于對全局把握不夠,導(dǎo)致各子系統(tǒng)的信息化建設(shè)有很大提高,但整體效果不佳.
而較為理想的局面應(yīng)該是車貨統(tǒng)一,在各礦、局、省、全國按4種模式來組織礦業(yè)信息化建設(shè),并且要按照DE和DC的要求和規(guī)則逐步建立DM,這是礦山企業(yè)信息化建設(shè)的第4層次,也是面向21世紀(jì)的現(xiàn)代化礦山企業(yè)的努力方向.
4.我國數(shù)字礦山的發(fā)展趨勢
針對我國數(shù)字礦山建設(shè)布局不均衡的現(xiàn)狀,我國應(yīng)制定如下戰(zhàn)略對策：
( l )更新觀念,培訓(xùn)人才：加大宣傳力度,組織各類人才培訓(xùn),盡快進(jìn)行觀念更新,使企業(yè)決策者、管理者和廣大工程技術(shù)人員積極參與和協(xié)同配合DM建設(shè).(2)加大經(jīng)費(fèi)投入,組織科技攻關(guān):政府、企業(yè)要高度重視和聯(lián)合投入,通過設(shè)立持續(xù)穩(wěn)定的“數(shù)字礦山”資金來支持DM創(chuàng)新研究,組織層次不同、范圍不同的科研攻關(guān)與技術(shù)推廣.(3)形成優(yōu)勢合力,穩(wěn)步健康推進(jìn):有關(guān)高校、院所和礦山企業(yè)之間、不同高校和學(xué)科之間要優(yōu)勢互補(bǔ),加強(qiáng)合作,有計(jì)劃、有步驟地穩(wěn)步實(shí)施DM戰(zhàn)略,力爭實(shí)現(xiàn)我國礦業(yè)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)的跨越式發(fā)展,使我國的礦山和礦區(qū)逐步走上可持續(xù)發(fā)展之路.
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[關(guān)鍵詞] 管理創(chuàng)新；濱海高新區(qū)；調(diào)研；提升策略
[中圖分類號] G303 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A
1 引言
熊彼特[1]把“創(chuàng)新”的概念定義為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)要素和生產(chǎn)條件的一種新組合。此后國內(nèi)外學(xué)術(shù)界從不同的角度擴(kuò)展了創(chuàng)新理論的內(nèi)涵，從而衍生出技術(shù)創(chuàng)新、文化創(chuàng)新、產(chǎn)品創(chuàng)新、管理創(chuàng)新等相關(guān)概念。從創(chuàng)新的內(nèi)容來看創(chuàng)新理論主要包括“制度創(chuàng)新”、“技術(shù)創(chuàng)新”和“管理創(chuàng)新”三方面。目前國內(nèi)外有關(guān)創(chuàng)新理論的研究中以管理創(chuàng)新為主題的相關(guān)研究較少，如Business Source Premier Database中管理創(chuàng)新類論文占技術(shù)創(chuàng)新類論文的約2.3%，同樣在中文期刊數(shù)據(jù)庫中管理創(chuàng)新類論文占技術(shù)創(chuàng)新類論文的約23%[2]。企業(yè)生存和發(fā)展的關(guān)鍵已不再僅靠生產(chǎn)要素就能夠?qū)崿F(xiàn)，企業(yè)需要經(jīng)過不斷地創(chuàng)新管理手段、管理方法、管理制度、管理模式等，才能持續(xù)保持企業(yè)的強(qiáng)大生命力。一個(gè)企業(yè)的發(fā)展不僅靠先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備，管理制度的創(chuàng)新、管理流程的創(chuàng)新、管理方法的引進(jìn)等同樣成為關(guān)鍵。管理創(chuàng)新作為創(chuàng)新理論的重要部分，國內(nèi)外的學(xué)者對管理創(chuàng)新進(jìn)行了廣泛的研究。Birkinshaw（2006）[3]認(rèn)為管理創(chuàng)新是以實(shí)現(xiàn)企業(yè)組織目標(biāo)為目的的創(chuàng)新和實(shí)踐一種全新的管理方法、管理技能的過程。Hamel（2006）[4]認(rèn)為管理創(chuàng)新應(yīng)該明顯背離傳統(tǒng)的管理原則、管理流程和實(shí)踐以圖改變管理工作的方法。王晉源（2003年）[5]認(rèn)為管理創(chuàng)新是指企業(yè)家用新思想、新技術(shù)、新方法對企業(yè)管理戰(zhàn)略、組織、技術(shù)、文化管理的方略組合進(jìn)行重新設(shè)計(jì)、選擇、實(shí)施與評價(jià)，以促進(jìn)企業(yè)管理系統(tǒng)綜合效能不斷提高的過程。李子和（2003年）[6]認(rèn)為管理創(chuàng)新是指改進(jìn)現(xiàn)有管理制度和方法或引入新的管理制度和方法，為事業(yè)持續(xù)發(fā)展不斷注入新的動(dòng)力和活力。王銳蘭（2003）[7]認(rèn)為管理創(chuàng)新可以分成有效和無效兩種形式，在有效的管理創(chuàng)新取得成功以前必然存在資源的浪費(fèi)、人員的閑置和抱怨情緒等，但無效的管理創(chuàng)新是有效性的前提和保障，而且不可避免。張雙喜（2007年）[8]認(rèn)為管理創(chuàng)新是創(chuàng)新思想導(dǎo)引下的“作業(yè)創(chuàng)新”。芮明杰[9]認(rèn)為“管理創(chuàng)新是指創(chuàng)造一種新的更有效的資源整合范式，這種范式既可以是新的有效整合資源以達(dá)到企業(yè)目標(biāo)和責(zé)任的全過程式管理，也可以是新的具體資源整合及目標(biāo)制定等方面的細(xì)節(jié)管理”。
本文認(rèn)為管理創(chuàng)新存在于從產(chǎn)品市場調(diào)研到設(shè)計(jì)最后到售后服務(wù)全過程，以企業(yè)降低成本提高效率和競爭力為目的的對資源有效配置的創(chuàng)新性的變革。管理創(chuàng)新的過程涵蓋了產(chǎn)品全生命周期的每個(gè)階段，為了探尋管理創(chuàng)新的關(guān)鍵要素，我們在戰(zhàn)略管理、技術(shù)創(chuàng)新管理、決策管理、工藝設(shè)計(jì)、運(yùn)營管理、營銷服務(wù)六個(gè)過程對天津?yàn)I海高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)重點(diǎn)企業(yè)進(jìn)行調(diào)研。一方面了解高新區(qū)企業(yè)在管理創(chuàng)新中的成功經(jīng)驗(yàn)，另一方面探尋企業(yè)真正需求所在。為此我們希望通過此次調(diào)研更深層次地掌握高新技術(shù)企業(yè)在管理創(chuàng)新方面的需求，為幫助企業(yè)有針對性地引入或開發(fā)相應(yīng)的管理技術(shù)、方法和工具提供參考。
2 濱海高新區(qū)企業(yè)問卷調(diào)查與分析
濱海高新區(qū)的企業(yè)既有大型國際企業(yè)也有國內(nèi)外中小企業(yè)，處于起步階段或發(fā)展階段的中小企業(yè)內(nèi)部尚未形成完全規(guī)范和適合自身特點(diǎn)的快速發(fā)展的管理制度、管理文化、管理思想等，管理上的不斷創(chuàng)新是管理者們所面對的最大挑戰(zhàn)。我們課題開展方式依次為：首先，實(shí)地調(diào)研高新區(qū)企業(yè)管理創(chuàng)新現(xiàn)狀，主要采取與企業(yè)高層管理者交流座談的方式并輔以資料收集、問卷調(diào)查和企業(yè)現(xiàn)場實(shí)地考察；其次，在前期調(diào)研基礎(chǔ)上，對獲取的數(shù)據(jù)與資料進(jìn)行分析研究，總結(jié)提煉管理成功經(jīng)驗(yàn)、亮點(diǎn)，掌握企業(yè)管理需求；最后形成調(diào)研報(bào)告，提出針對性的管理創(chuàng)新技術(shù)、方法、工具；最后結(jié)合具體企業(yè)的需求，打造高新區(qū)管理創(chuàng)新示范性企業(yè)。
課題組在2011年4月份對企業(yè)管理創(chuàng)新現(xiàn)狀進(jìn)行了問卷調(diào)查。調(diào)查問卷從宏觀方面對接受調(diào)查企業(yè)的管理創(chuàng)新現(xiàn)狀、待解決的問題等，分別從圖1中的戰(zhàn)略管理、管理制度、組織結(jié)構(gòu)、財(cái)務(wù)管理、營銷、人力資源及生產(chǎn)管理等方面進(jìn)行設(shè)問調(diào)查。通過問卷各分項(xiàng)的統(tǒng)計(jì)分析，可以發(fā)現(xiàn)：
（1）在生產(chǎn)運(yùn)營管理上：有53.3%的企業(yè)生產(chǎn)管理技術(shù)對生產(chǎn)過程增效作用一般，而僅有12.5%的企業(yè)認(rèn)為良好的生產(chǎn)管理對產(chǎn)品和技術(shù)的創(chuàng)新起到很好促進(jìn)效用。其中只有一家企業(yè)引入精益生產(chǎn)，其余僅停留在知道精益生產(chǎn)的方法和技術(shù)層面上，高達(dá)20%的被調(diào)查企業(yè)表示不知道精益生產(chǎn)。
（2）在技術(shù)創(chuàng)新管理上，絕大多數(shù)企業(yè)在戰(zhàn)略管理中較重視技術(shù)創(chuàng)新，并注重技術(shù)與市場創(chuàng)新的整合。
（3）在戰(zhàn)略管理上，部分被調(diào)查企業(yè)管理戰(zhàn)略制定得不是很明確，有些企業(yè)雖然制定了明確的管理戰(zhàn)略，但最終實(shí)施效果不是很理想。
（4）在組織管理創(chuàng)新上，66.7%的被調(diào)查企業(yè)為了應(yīng)對環(huán)境變化會(huì)主動(dòng)采取組織結(jié)構(gòu)調(diào)整，這些特點(diǎn)正面反映出區(qū)內(nèi)企業(yè)正不斷探索適應(yīng)市場的組織結(jié)構(gòu)。但37.5%的企業(yè)表示公司治理和組織管理創(chuàng)新能力不足，制約了公司發(fā)展。
（5）在財(cái)務(wù)管理上，約75%的企業(yè)實(shí)施或正在實(shí)施全面財(cái)務(wù)預(yù)算；79.17%的企業(yè)實(shí)施或正在實(shí)施全過程財(cái)務(wù)控制，并有一定成效；66.7%的企業(yè)在成本控制方面較合理。
（6）在營銷管理上，58%以上的企業(yè)認(rèn)為自身營銷管理水平能夠適應(yīng)企業(yè)發(fā)展。
（7）在人力資源管理上，41.67%的企業(yè)感到缺乏專業(yè)管理人才，有20.83%的企業(yè)認(rèn)為急需進(jìn)行人才管理機(jī)制的創(chuàng)新。
（8）在企業(yè)信息化上，只有20%的企業(yè)已經(jīng)應(yīng)用MRPⅡ/ERP進(jìn)行資源管理。
3 濱海高新區(qū)重點(diǎn)企業(yè)調(diào)研與提升策略分析
在前期問卷調(diào)查的基礎(chǔ)上，2011年5月至7月，課題組深入到區(qū)內(nèi)11家企業(yè)，通過與企業(yè)高層座談和現(xiàn)場考察參觀等形式，圍繞企業(yè)基本情況（發(fā)展歷程、經(jīng)營方式及理念、組織架構(gòu)、主要產(chǎn)品、發(fā)展前景等）、管理現(xiàn)狀（行業(yè)特點(diǎn)、行業(yè)地位、管理基本情況等）、管理成功經(jīng)驗(yàn)、管理需求等關(guān)鍵環(huán)節(jié)開展企業(yè)實(shí)地調(diào)研分析工作。課題實(shí)地調(diào)研所選11家企業(yè)全部為生產(chǎn)制造類型。其中加工制造4家，數(shù)字設(shè)備制造4家，成套設(shè)備生產(chǎn)制造、藥品生產(chǎn)、新材料加工制造各1家。通過對被調(diào)研企業(yè)的綜合分析，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)前我國高新技術(shù)企業(yè)的共性特征：（1）企業(yè)主要依靠高新技術(shù)占領(lǐng)市場，每個(gè)企業(yè)都形成了一套適合所在行業(yè)及企業(yè)自身特點(diǎn)的獨(dú)特的企業(yè)經(jīng)營模式。（2）企業(yè)產(chǎn)品具有附加價(jià)值高、市場潛力大、發(fā)展速度快等特點(diǎn)，積累了許多獨(dú)特的管理成功經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，在市場份額和經(jīng)營規(guī)模不斷擴(kuò)大的情況下，對管理能力提升有較強(qiáng)要求。（3）企業(yè)為了保證產(chǎn)品高利潤，更關(guān)注新產(chǎn)品的快速研發(fā)、快速達(dá)產(chǎn)，以實(shí)現(xiàn)快速占領(lǐng)市場的目標(biāo)。但由于技術(shù)創(chuàng)新中更依賴于個(gè)人的聰明才智，給企業(yè)帶來競爭優(yōu)勢的同時(shí)，也由此造成企業(yè)對人的依賴性較強(qiáng)。（4）企業(yè)更多關(guān)注技術(shù)研發(fā)、市場份額，多數(shù)企業(yè)對運(yùn)營管理方面關(guān)注不夠，企業(yè)經(jīng)營流程化、標(biāo)準(zhǔn)化較弱。（5）重視用信息化手段提高管理效率，但總體應(yīng)用水平不高。
從企業(yè)對產(chǎn)品制造鏈上各個(gè)環(huán)節(jié)的關(guān)注情況看（如圖1所示），企業(yè)最為關(guān)心的是技術(shù)創(chuàng)新和生產(chǎn)運(yùn)行管理兩大關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其次就是戰(zhàn)略管理。生產(chǎn)運(yùn)行管理和戰(zhàn)略決策管理是一直以來管控一體化研究的核心內(nèi)容，而技術(shù)創(chuàng)新實(shí)際上也與管控一體化密切相關(guān)，技術(shù)創(chuàng)新的成果是管控一體化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的重要部分，同時(shí)也是管控一體化未來要納入管理控制范疇的首要內(nèi)容。僅就這11家企業(yè)而言，如果實(shí)施“管控一體化”必然能夠提升其管理能力與信息化水平。
經(jīng)過調(diào)研我們總結(jié)出11家企業(yè)對于管理創(chuàng)新的一系列的需求，如表1所示。
4 高新技術(shù)企業(yè)管理創(chuàng)新的提升策略研究
通過以上調(diào)研我們發(fā)現(xiàn)高新技術(shù)企業(yè)經(jīng)過快速發(fā)展，整體實(shí)力和管理水平都有較大提高，但伴隨著公司市場和經(jīng)營規(guī)模的擴(kuò)大，企業(yè)對管理能力的要求不斷提高，在管理提升方面的問題和需求也不斷出現(xiàn)。為了克服高新技術(shù)企業(yè)存在的管理創(chuàng)新的相關(guān)問題，我們應(yīng)該建立面向高新技術(shù)企業(yè)的全過程精益管理方法，即以企業(yè)信息化為基礎(chǔ)，以精益研發(fā)、精益設(shè)計(jì)、精益生產(chǎn)和知識管理為導(dǎo)向的提升策略（圖2），具體包括：
4.1 在高新技術(shù)企業(yè)引進(jìn)精益研發(fā)技術(shù)
精益研發(fā)是一種以精益為目標(biāo)、以質(zhì)量總線為統(tǒng)籌、以虛擬樣機(jī)為載體的研發(fā)方法，集成了技術(shù)創(chuàng)新、協(xié)同仿真以及立體質(zhì)量設(shè)計(jì)三大核心技術(shù)，在不顯著增加產(chǎn)品成本的前提下，提高產(chǎn)品的品質(zhì)和技術(shù)含量，從而提升產(chǎn)品的附加值，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的跨越式提升。從而鼓勵(lì)高新技術(shù)企業(yè)建立連續(xù)、均衡、柔性的精益研發(fā)流程。
4.2 在高新技術(shù)企業(yè)倡導(dǎo)精益設(shè)計(jì)技術(shù)
將精益思想應(yīng)用到工廠設(shè)計(jì)階段，融合價(jià)值工程、人因工程、并行工程等先進(jìn)的管理理念，強(qiáng)調(diào)在工廠布局、物流系統(tǒng)、工藝流程、信息系統(tǒng)等環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)階段導(dǎo)入精益理念，實(shí)現(xiàn)從源頭上消除企業(yè)的浪費(fèi)，避免僅從某一局部去改善已經(jīng)出現(xiàn)問題的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。精益設(shè)計(jì)的思想應(yīng)貫穿于產(chǎn)品的整個(gè)生命周期即產(chǎn)品的質(zhì)量保證從設(shè)計(jì)開始。
4.3 精益生產(chǎn)技術(shù)
精益生產(chǎn)方式是徹底地追求生產(chǎn)的合理性、高效性，能夠靈活地生產(chǎn)適應(yīng)各種需求的高質(zhì)量產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)和管理技術(shù)，其基本原理和諸多方法，對制造業(yè)具有積極的意義。精益生產(chǎn)的核心，即關(guān)于生產(chǎn)計(jì)劃和控制以及庫存管理的基本思想，對豐富和發(fā)展現(xiàn)代生產(chǎn)管理理論也具有重要作用。精益生產(chǎn)的體系建設(shè)應(yīng)該與營銷體系建設(shè)和供應(yīng)體系的建設(shè)相一致，進(jìn)行計(jì)劃與信息的實(shí)時(shí)交流。
4.4 企業(yè)信息化技術(shù)
企業(yè)信息化是一個(gè)系統(tǒng)工程：企業(yè)的信息化建設(shè)是一個(gè)人機(jī)合一的有層次的系統(tǒng)工程，包括企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)和員工理念的信息化；企業(yè)決策、組織管理信息化；企業(yè)經(jīng)營手段信息化；設(shè)計(jì)、加工應(yīng)用信息化。
5 結(jié)論
創(chuàng)新是企業(yè)生存的關(guān)鍵，企業(yè)管理水平直接決定著企業(yè)的效率，管理創(chuàng)新在企業(yè)創(chuàng)新中處于綜合統(tǒng)籌、指導(dǎo)協(xié)調(diào)的地位。濱海高新區(qū)成立以來區(qū)內(nèi)企業(yè)發(fā)展總體上健康良好，但與國外企業(yè)管理的實(shí)力相比差距依然較大。本文在對區(qū)內(nèi)11家企業(yè)進(jìn)行實(shí)地調(diào)研的基礎(chǔ)上總結(jié)出區(qū)內(nèi)企業(yè)管理創(chuàng)新的不足和進(jìn)行需求分析，從而為企業(yè)提升管理能力提供參考。本文從企業(yè)信息化技術(shù)、精益生產(chǎn)技術(shù)、精益設(shè)計(jì)技術(shù)、精益研發(fā)技術(shù)四個(gè)方面闡述高新技術(shù)企業(yè)發(fā)展管理創(chuàng)新的有效手段。我們愿意結(jié)合濱海新區(qū)企業(yè)的實(shí)際建立一種穩(wěn)定、高效的管理創(chuàng)新的發(fā)展路徑，為企業(yè)整體利益最大化提供參考。
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關(guān)鍵詞：輪式行走機(jī)構(gòu)；無人地面車輛；越障性能
中圖分類號：U461.5文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2013.04.03
越障性能是無人地面車輛的基本性能。車輛在越野過程中會(huì)遇到各種障礙，其中典型的障礙是垂直障礙。因此本文對6×6垂直特種無人地面車輛跨越垂直障礙的性能進(jìn)行分析研究。
對于普通車輛來說，在實(shí)際行駛過程中，如果垂直障礙高度超過車輪半徑的話，車輛是難以跨越的。然而，無人地面車輛由于其特有的輪式行走機(jī)構(gòu)（見第1節(jié)），能夠通過施加主動(dòng)力矩調(diào)節(jié)擺臂的扭轉(zhuǎn)角度，從而使車輪抬離地面，變相地增大車輪半徑，幫助其跨越障礙。
1 輪式行走機(jī)構(gòu)簡介
整個(gè)車輛系統(tǒng)[1]，如圖2所示[圖2（c）、（d）分別為圖2（a）、（b）擺臂處的放大圖]，由車廂1、車輪2以及位于兩者之間的行走機(jī)構(gòu)組成。用于驅(qū)動(dòng)擺臂的旋轉(zhuǎn)油缸3固定于車廂的內(nèi)側(cè)，每個(gè)旋轉(zhuǎn)油缸都可以單獨(dú)控制，以便將轉(zhuǎn)矩傳遞至相應(yīng)的擺臂4。轉(zhuǎn)矩傳遞路線為旋轉(zhuǎn)油缸3的傳動(dòng)軸―花鍵套筒5―星型套筒6―減振橡膠塊7―帶凹槽的擺臂4。橡膠塊7是緩沖減振的重要部件，在車輛受力的情況下，橡膠塊會(huì)受到擠壓變形，其力學(xué)特性將決定緩沖減振性能的好壞。擺臂的最大擺角靠設(shè)置于車廂外側(cè)的限位塊11來限制。擺臂的旋轉(zhuǎn)由專門設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)油缸來驅(qū)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)油缸可以實(shí)現(xiàn)約280°范圍的旋轉(zhuǎn)，即單向最大擺角約140°，這對越障十分有利，在一定程度上解決了輪式車輛越障性能受到的限制。該行走機(jī)構(gòu)的車輪選用輪轂電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。車輛越障分解過程如圖3所示。
2 越障模型[2-5]
在建立模型之前，首先作如下假定。
（1）各擺臂與車身鉸接點(diǎn)在同一直線上。
（2）水平地面和障礙接觸面的附著系數(shù)相同，且車輪為剛性輪，車輪及擺臂重量均不計(jì)。
為了便于表示，在越障過程中，設(shè)各輪所受地面法向力為Fi；各擺臂橡膠彈簧提供的反力矩為Ti；各擺臂施加的主動(dòng)力矩為；橡膠彈簧的角位移為Δθi；擺臂擺角為（i=1，2，3分別表示前輪、中間輪、后輪），障礙高度為h；地面附著系數(shù)為φ，車身傾斜角度為β。
下面根據(jù)不同擺臂回轉(zhuǎn)工況分別進(jìn)行分析研究，其中擺臂回轉(zhuǎn)工況A表示擺臂無施加主動(dòng)力矩的無人地面的越障工況，擺臂回轉(zhuǎn)工況B表示擺臂有施加主動(dòng)力矩的無人地面的越障工況。
2.1 擺臂回轉(zhuǎn)工況A的無人地面車輛越障模型
2.1.1 平衡狀態(tài)
無人地面車輛在水平路面只受重力作用時(shí)，其受力模型如圖4所示。設(shè)各擺臂平衡位置擺角為π/6（前擺臂向前擺，中間擺臂和后擺臂向后擺）。
由圖4可求得豎直方向（z方向）作用力平衡方程及對前輪輪心的力矩M平衡方程，即
另外，對各擺臂列力矩平衡方程，有
式中，k1、k2、k3分別為前擺臂、中間擺臂及后擺臂橡膠彈簧剛度，N?mm/rad。
由于橡膠彈簧的剛度是非線性的，為了便于計(jì)算，且考慮該車的實(shí)際行駛工況，并結(jié)合以上方程的約束，設(shè)定各擺臂橡膠彈簧等效剛度為
k1=9.346 9×106（N?mm/rad），
k2=1.024 1×107（N?mm/rad），
k3=7.664 9×106（N?mm/rad）。
已知該無人地面車輛的原始設(shè)計(jì)參數(shù)為
G=16 000 N，R=375.2 mm，L2=1 241.5 mm，
L3=2 490 mm，L=386.7 mm，a=1 245 mm。
代入式（1）和式（2），解得各輪所受地面反作用力為
F1=5 487.5 N，F(xiàn)2=6 012.5 N，F(xiàn)3=4 500 N。
以此求得擺臂橡膠彈簧的角位移為
（約0.14 rad）。
2.1.2 前輪越障
前輪越障受力模型如圖5所示。
由圖5可求得車輛行駛方向（x方向）、豎直方向（z方向）作用力及對前輪輪心的力矩M平衡方程式，如下：
式中，。
前輪越障時(shí)，車體與各擺臂的夾角將產(chǎn)生微小變化，由于中間輪和后輪在同一水平地面，且擺臂的壓縮方向相同，因此可近似地認(rèn)為
。
又有橡膠彈簧剛度、載荷與角位移的關(guān)系
。
通過以上方程，運(yùn)用MATLAB軟件[4]可得出前輪跨越垂直障礙的高度與車輪半徑的比值h/R跟地面附著系數(shù)φ、質(zhì)心到前擺臂與車身鉸接點(diǎn)水平距離a的關(guān)系。
（1）h/R與地面附著系數(shù)φ的關(guān)系如圖6所示。
由圖6可知，地面附著系數(shù)φ越大，車輛越障高度越大。當(dāng)?shù)孛娓街禂?shù)在0.2～0.5之間時(shí)，其對車輛越障能力的影響最為明顯。當(dāng)附著系數(shù)達(dá)到一定值時(shí)，前輪可跨越大于車輪半徑R的垂直障礙（在圖示給定參數(shù)的情況下，當(dāng)φ=0.5時(shí)，h ≈ R）。為了更好地優(yōu)化結(jié)構(gòu)，取φ=0.4。
（2）h/R與車輛質(zhì)心到前擺臂與車身鉸接點(diǎn)水平距離a的關(guān)系如圖7所示。
由圖7可看出，在其它條件不變的情況下，隨著質(zhì)心位置向后移動(dòng)，車輛越障高度越來越高。剛開始在距離前擺臂鉸接點(diǎn)0～500 mm范圍內(nèi)時(shí)，質(zhì)心位置對車輛越障能力影響較小，隨著距離越來越大，對越障能力的影響也越來越大，在距離1 000～2 000 mm時(shí)達(dá)到最大，隨后趨于平緩。
2.1.3 中間輪越障
中間輪越障受力模型如圖8所示。
由圖8可求得車輛行駛方向（x方向）、豎直方向（z方向）作用力的平衡方程及對后輪輪心的力矩M平衡方程，如下所示。
式中，；h0為質(zhì)心到擺臂鉸接點(diǎn)連線的
距離，mm。
當(dāng)中間輪越障時(shí)，車體與各擺臂夾角產(chǎn)生變化，由幾何關(guān)系得
。
又有橡膠彈簧剛度、載荷與角位移的關(guān)系：
通過以上方程，可得到中間輪越障時(shí)車輛垂直越障高度與地面附著系數(shù)φ的關(guān)系，如圖9所示。
由圖9可知，地面附著系數(shù)φ越大，車輛垂直越障高度值也越大。當(dāng)?shù)孛娓街禂?shù)在0.2～0.6之間時(shí)，其對車輛越障能力影響最為明顯，且當(dāng)附著系數(shù)達(dá)到一定值時(shí)，中間輪可跨越大于車輪半徑的垂直障礙（在圖示給定參數(shù)情況下，當(dāng)φ=0.55時(shí)，h ≈ R）。
2.1.4 后輪越障
后輪跨越垂直障礙的受力模型如圖10所示。
由圖可求得車輛行駛方向（x方向）、豎直方向（z方向）作用力的平衡方程及對后輪輪心的力矩M平衡方程，如下所示。
式中，。
當(dāng)后輪越障時(shí)，車體與各擺臂之間夾角產(chǎn)生變化，由幾何關(guān)系得
。
又有橡膠彈簧剛度、載荷與角位移的關(guān)系
通過以上方程，可得到后輪垂直越障高度與地面附著系數(shù)φ的關(guān)系如圖11所示。
由圖11可知，地面附著系數(shù)φ越大，垂直越障高度也越大。當(dāng)?shù)孛娓街禂?shù)在0.2～0.5之間時(shí)，其對車輛越障能力影響最為明顯，當(dāng)附著系數(shù)達(dá)到一定值時(shí)，車輛后輪可跨越大于半徑R 的垂直障礙（在圖示給定參數(shù)情況下，當(dāng)φ=0.55時(shí)，h ≈ R）。
綜合以上各圖的分析結(jié)果可知，在無主動(dòng)力矩的情況下，隨著地面附著系數(shù)φ由0增至1，前輪、中間輪及后輪越障高度都隨之增加。在相同附著系數(shù)條件下，車輛中間輪越障高度最大，后輪次之，前輪最小。因此，在一定地面附著系數(shù)的條件下，車輛前輪越障高度即是無人地面車輛整車越障高度。
2.2 擺臂回轉(zhuǎn)工況B的無人地面車輛越障模型
2.2.1 平衡狀態(tài)
無人地面車輛為實(shí)現(xiàn)前輪的抬起，必須讓中間擺臂向前擺動(dòng)，使車輛質(zhì)心位于中間輪輪心和后輪輪心之間，才能保持車體的平衡。在重力作用下必然導(dǎo)致擺臂橡膠彈簧發(fā)生扭轉(zhuǎn)，使中間擺臂和后擺臂與車體之間的夾角發(fā)生變化，造成車身向前傾斜，如圖12所示。
在的作用下，前輪抬起離地，假如此時(shí)中間擺臂和后擺臂都沒有施加主動(dòng)力矩，車輛在橡膠彈簧的作用支承下處于靜止平衡狀態(tài)。由圖12可求得豎直方向（z方向）作用力的平衡方程及對質(zhì)心的力矩M平衡方程，即
。
對中間輪和后輪擺臂列力矩平衡方程，有
。
又由幾何關(guān)系式有
。
聯(lián)立式（12）、（13），式（14）代入k2、k3解得
，，，。
由結(jié)果可知，前輪抬起離地后，中間車輪承擔(dān)82.3%的車身載荷，中間擺臂擺角為0.92 rad（約合52.7°）。后擺臂擺角為0.6 rad（約合34.4°），車身向前傾斜。因此，為保證車輛的行駛安全穩(wěn)定性，需在中間擺臂及后擺臂施加主動(dòng)力矩，使車體保持水平平衡狀態(tài)。
下面討論為使車體保持水平平衡狀態(tài)，并且中間和后擺臂處于平衡角度π/6，所需施加擺臂主動(dòng)力矩的大小。設(shè)中間擺臂和后擺臂施加的主動(dòng)力矩分別為和，則有
。
將兩擺臂彈簧剛度k2、k3以及式（14）中角位移Δθ2、Δθ3代入式（15），即可求得
=4 096 400 N?mm，=613 192 N?mm。
如圖13所示，在施加主動(dòng)力矩和以后，車身保持水平平衡姿態(tài)，擺臂橡膠彈簧不發(fā)生扭轉(zhuǎn)，沒有產(chǎn)生反力矩。
2.2.2 前輪越障
下面對前輪越障過程進(jìn)行研究，其受力分析如圖14所示。
由圖可求得車輛行駛方向（x方向）、豎直方向（z方向）作用力的平衡方程及對前輪輪心的力矩M平衡方程，如下所示。
式中，；h'為車輛越障時(shí)前輪抬起高度。
前輪越障時(shí)，車體與各擺臂之間夾角發(fā)生變化，由于中間輪和后輪在同一水平面，且擺臂的壓縮角度很小，因此可近似為
。
在主動(dòng)力矩作用下，前輪抬離地面高度為h'，則有關(guān)系式
。
且有橡膠彈簧剛度、載荷與角位移的關(guān)系
聯(lián)立式（16）、（17）、（18）、（19），將 k1、k2、k3及、、代入其中，即可得到在不同附著系數(shù)下，車輛越障高度與前輪抬起高度h'（前擺臂力矩）的關(guān)系，如圖15所示。
上文已介紹，該輪式行走機(jī)構(gòu)單向最大擺角為140°（ h' ≈ 631 mm），因此文章只研究前輪0～600 mm抬起量時(shí)車輛的越障能力。由圖15可以看出，隨著前輪抬起量的增加，無人地面車輛垂直越障高度呈現(xiàn)線性增長狀態(tài)。在附著系數(shù)較小的情況下，其對車輛越障能力的影響較大，隨著附著系數(shù)的不斷增大，越障高度的增幅也不斷減小。
比較圖6和圖15可知，不管附著系數(shù)φ為何值，當(dāng)前輪抬起量h'=0時(shí)，車輛的越障高度都比無擺臂主動(dòng)力矩的越障高度高，這一方面是由于無人地面車輛結(jié)構(gòu)上的變化（為了保持車體的穩(wěn)定，中間擺臂向前擺動(dòng)），另一方面是由于中間擺臂和后擺臂為了保持車身平衡所施加的主動(dòng)力矩、。
2.2.3 中間輪越障
由圖16所示的分析模型中可知，無人地面車輛在擺臂主動(dòng)力矩的作用下，各輪擺到圖示的相應(yīng)位置：前擺臂和后擺臂同時(shí)處于豎直狀態(tài)，中間輪擺到與車身底部相切于O點(diǎn)。假設(shè)此時(shí)車輛能夠成功跨越障礙，要使該障礙高度即是無人地面車輛在此附著系數(shù)下中間輪所能跨越的極限障礙高度，則需要滿足以下條件。
（1）中間輪與垂直障礙恰好能夠接觸，接觸點(diǎn)也為O點(diǎn)。
（2）后輪與地面之間沒有力的作用，地面給前輪和中間輪提供的摩擦力足以保持車輛的穩(wěn)定。
如果以上兩個(gè)條件得到滿足，下一時(shí)刻在中間擺臂主動(dòng)力矩的作用下，車體可緩慢抬起并向前運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)越障過程。下面先求出此時(shí)的垂直障礙高度h。
由圖17可求得車輛行駛方向（x方向）、豎直方向（z方向）作用力的平衡方程及對中間輪輪心的力矩M平衡方程，如下所示：
式中，LG為質(zhì)心G到中間輪輪心的距離，mm；
。
又由圖示幾何關(guān)系，有
。
為了研究的方便，將中間車輪單獨(dú)進(jìn)行受力分析，如圖16所示。則有
。
式中，h0為車輛質(zhì)心到擺臂鉸接點(diǎn)連線的距離。
聯(lián)立式（20）、（21）、（22），即可得到車輛越障高度與地面附著系數(shù)φ的關(guān)系，如圖18所示。
圖18中曲線分別對應(yīng)h0=100 mm、h0=200 mm以及h0=300 mm時(shí)，中間輪在不同附著系數(shù)下的極限越障高度。由圖可以看出，對于中間輪越障，地面附著系數(shù)越大，車輛越障高度越高，并且地面附著系數(shù)在較小的范圍（小于0.5）時(shí)，對車輛的越障性能影響較大。車輛質(zhì)心到擺臂鉸接點(diǎn)連線的距離h0越小，車輛越障高度越高。
2.2.4 后輪越障
如果前輪和中間輪已經(jīng)成功越上障礙，則通過擺臂主動(dòng)力矩的作用，前輪和中間輪豎起，車輛繼續(xù)向前行駛，后輪就可以輕松跨越障礙。
3 越障過程仿真研究
本研究對車輛虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行如下設(shè)計(jì)：車體與擺臂之間添加了線性彈簧，替代縱向擺臂式懸架行走機(jī)構(gòu)中扭轉(zhuǎn)彈簧的作用，車輪采用圓柱體代替，運(yùn)動(dòng)副采用旋轉(zhuǎn)副，車輪和地面之間的作用采用接觸力進(jìn)行處理，驅(qū)動(dòng)力為施加在車輪上的力矩。在ADAMS中的虛擬樣機(jī)模型如圖19所示。該車體模型的主要參數(shù)如下：車體長3 090 mm，寬1 527 mm，高1 013 mm，擺臂長386.7 mm，車輪半徑為375 mm。
3.1 擺臂回轉(zhuǎn)工況A的無人地面車輛
由于所建立的擺臂回轉(zhuǎn)工況A的無人地面車輛越障模型都為靜力學(xué)越障模型，因此無論是地面附著系數(shù)φ，還是質(zhì)心到前擺臂與車身鉸接點(diǎn)水平距離a，當(dāng)其達(dá)到一定值時(shí)車輛的越障高度將達(dá)到或超過車輪半徑，這在實(shí)際行駛過程中是難以實(shí)現(xiàn)的。因此下面將首先建立擺臂回轉(zhuǎn)工況A的無人地面車輛虛擬樣機(jī)越障模型進(jìn)行分析與仿真。
3.1.1 越障高度h=200 mm
（1）車體速度變化
圖20表明車輛在給定速度下能順利跨越高度為200 mm的障礙。在前輪碰觸障礙時(shí)，車體速度明顯下降，當(dāng)前輪越上障礙后，車體速度回歸正常。此時(shí)中間輪處于懸空狀態(tài)車體速度正常，當(dāng)其碰觸障礙時(shí)車體速度下降，在其越障過程中擺臂彈簧壓縮并迅速釋放（圖21），使車體（質(zhì)心）相對地面運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，與擺臂之間也產(chǎn)生相對速度。該相對速度的大小由彈簧的彈性系數(shù)決定，彈性系數(shù)越小，相對速度越大，因此表現(xiàn)在車體質(zhì)心速度出現(xiàn)較大波動(dòng)。同理，后輪碰觸障礙時(shí)，車體速度同樣出現(xiàn)波動(dòng)，當(dāng)其越上障礙后，車體速度趨于平穩(wěn)。
（2）車輪受力變化
圖22～24表明，在車輪碰觸障礙的瞬間，所受的沖擊力一般是最大的。對于前輪，當(dāng)其越上障礙后車輪出現(xiàn)一個(gè)懸空的瞬間（受力為0），但馬上在擺臂彈簧的作用下接觸地面并承擔(dān)車身的重量。在中間輪和后輪越障之前，它們都有一個(gè)懸空的過程。對于后輪，在前輪碰觸障礙時(shí)所受的沖擊力還要大于其車輪本身碰觸到障礙的瞬間所受沖擊力（圖24），這是因?yàn)樵谇拜喤鲇|障礙時(shí)，中間輪懸空，車體重量全部由前輪和后輪承擔(dān)，而在后輪碰觸障礙之前，車體重量已經(jīng)全部被前輪和中間輪所承擔(dān)，因此其所受沖擊力變小。
3.1.2 越障高度h=330 mm
（1）車體速度變化
圖25表明車輛在給定速度下可以成功跨越高度為330 mm的障礙。在前輪越障的過程中，車體速度出現(xiàn)短暫穩(wěn)定現(xiàn)象（如圖放大區(qū)域），這表明在越障過程中車輪已經(jīng)開始打滑了。因此，該障礙高度即為車輛前輪越障的極限高度。該結(jié)果與論文2.1節(jié)越障模型計(jì)算的高度值相差比較大，這是因?yàn)榍懊娌捎玫氖庆o力學(xué)分析，而車輛在實(shí)際越障行駛過程中，一般情況高于車輪半徑的障礙是難以跨越的。并且，由圖可以看出車輛在各輪越障過程中速度波動(dòng)明顯比跨越200 mm障礙時(shí)要大。
（2）車輪受力變化
由圖26～28可知，除后輪以外，在車輪碰觸障礙瞬間，所受的沖擊力一般是最大的。同樣，在越障過程中各輪所受地面沖擊力明顯大于跨越200 mm障礙時(shí)車輪所受沖擊力。
3.2 擺臂回轉(zhuǎn)工況B的無人地面車輛
圖29所示為無人地面車輛在擺臂主動(dòng)力矩作用下實(shí)現(xiàn)跨越高障礙的運(yùn)動(dòng)過程。
3.2.1 車體速度變化
無人地面車輛垂直越障高度為1 000 mm時(shí)，車體速度變化如圖30所示。
由圖30可以看出，車輛前輪抬起在給定速度下能夠順利跨越高度為1 000 mm的障礙。
3.2.2 車輪受力變化
從圖31～33可知，在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，中間輪所受地面垂向力的作用明顯比前輪和后輪要大（中間輪懸空期間除外），主要承擔(dān)了車體的重量。這是因?yàn)橹虚g輪離車體質(zhì)心距離小，作用力臂小，因此必須增大作用力才能保持車體平衡。
通過車體（質(zhì)心）速度變化圖和各輪受力圖可以看出，當(dāng)施加擺臂主動(dòng)力矩時(shí)，力矩變化速度越慢，對整車的平衡穩(wěn)定性影響越小。因此，在實(shí)際行駛越障過程中，為了提高車輛的穩(wěn)定性，擺臂主動(dòng)力矩應(yīng)盡可能緩慢施加，并降低車速。如果路況允許的話，當(dāng)前輪越上障礙后也可將車速降為0使其處于靜止?fàn)顟B(tài)，然后進(jìn)行車體姿態(tài)（各擺臂擺角）的調(diào)整，調(diào)整完成后再繼續(xù)驅(qū)動(dòng)車輛依次進(jìn)行中間輪和后輪的越障。并且，在給定設(shè)計(jì)參數(shù)條件下，該無人地面車輛在主動(dòng)力矩的作用下，可以跨越1 m的垂直障礙。
4 結(jié)論
（1）本文介紹了無人地面車輛輪式行走機(jī)構(gòu)，該懸架不僅具有緩沖減振功能，而且可以產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩對車輛越障性能的提高起到了重要作用。
（2）分析表明，在已知車體設(shè)計(jì)參數(shù)下，擺臂回轉(zhuǎn)工況A的無人地面車輛最大越障高度為330 mm，擺臂回轉(zhuǎn)工況B的無人地面車輛可以跨越1 m的垂直障礙，約為前者的3倍。
（3）結(jié)果表明，在車橋上施加主動(dòng)力矩可以大幅提高該樣車的越障性能，為無人地面車輛越障性能研究及車輛設(shè)計(jì)工作提供了重要的理論依據(jù)。
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