牛头刨床机构的造型设计与运动仿真
1绪论
1.1 计算机仿真的介绍
1.1.1 计算机仿真的概述
借助高速、大存储量数字计算机及相关技术，对复杂真实系统的运行过程或状态进行数字化模拟的技术叫做计算机仿真（computer emulation）。计算机仿真是用计算机科学和技术的成果建立被仿真的系统的模型，并在某些实验条件下对模型进行动态实验的一门综合性技术。它具有高效、安全、受环境条件的约束较少、可改变时间比例尺等优点，已成为分析、设计、运行、评价、培训系统（尤其是复杂系统）的重要工具。仿真是对现实系统的某一层次抽象属性的模仿。人们利用这样的模型进行试验，从中得到所需的信息，然后帮助人们对现实世界的某一层次的问题做出决策。仿真是一个相对概念，任何逼真的仿真都只能是对真实系统某些属性的逼近。仿真是有层次的，既要针对所欲处理的客观系统的问题，又要针对提出处理者的需求层次，否则很难评价一个仿真系统的优劣
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计算机仿真是应用电子计算机对系统的结构、功能和行为以及参与系统控
制的人的思维过程和行为进行动态性比较逼真的模仿。它是一种描述性技术，是一种定量分析方法。通过建立某一过程和某一系统的模式，来描述该过程或该系统，然后用一系列有目的、有条件的计算机仿真实验来刻画系统的特征，从而得出数量指标，为决策者提供有关这一过程或系统得定量分析结果，作为决策的理论依据[4]。
仿真技术集成了当代科学技术中多种现代化顶尖手段，正在极大地扩展着人类的视野、时限和能力，在科学技术领域产生着日益重要的作用。依据计算机仿真技术所能达到的仿真效果，可以将其分为：数值仿真、可视化仿真和虚拟现实仿真。计算机仿真技术由数值仿真到可视化仿真、虚拟现实仿真的发展，使计算机仿真技术在精确高效的基础上更加形象、生动[5,6]。
仿真是对现实系统的某一层次抽象属性的模仿。人们利用这样的模型进行
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试验，从中得到所需的信息，然后帮助人们对现实世界的某一层次的问题做出决策。仿真是一个相对概念，任何逼真的仿真都只能是对真实系统某些属性的逼近。仿真是有层次的，既要针对所欲处理的客观系统的问题，又要针对提出处理者的需求层次，否则很难评价一个仿真系统的优劣[7,8]。
在机械方面的计算机仿真的运用主要体现在CAD上。
1.1.2 计算机仿真的国内现状
我国的计算机分析软件开发是一个薄弱环节，严重地制约了CAE技术的发展。在CAE分析软件开发方面，我国目前至少落后于美国等发达国家十年。计算机软件是高技术和高附加值的商品，目前的国际市场为美国等发达国家所垄断。仅以有限元计算分析软件为例，目前的世界年市场份额达5亿美元，并且以每年 15%的速度递增。相比之下，我国自己民族的软件工业还非常弱小，仅占有很少量的市场份额。作为一个国家，一个民族不能长期依赖于引进外国的技术和产品，因此我们必须加大力度开发自己的计算机分析软件，只有这样才能改变在技术上和经济上受制于人的局面[9]。
1.2 CAD/CAM技术的发展
1.2.1 CAD/CAM的基本概念
CAD/CAM（计算机辅助设计制造）技术产生于20世纪50年代后期发达国家的航空和军事工业中，随着计算机软件技术和计算机图形学技术的发展而迅速发展成长起来。1989年美国国家工程科学院将CAD/CAM技术评为（1964~1989年）十项最杰出的工程技术成就之一。CAD是英文Computer Aided Design 的缩写，及计算机辅助设计。但最开始是指Computer Aided Drafting （计算机辅助绘图）。随着计算机软、硬件技术的发展，人们逐渐认识到单纯的使用计算机绘图还不能称为计算机辅助设计，真正的设计是指整个产品的设计，包括产品的构思、功能设计、机构分析和加工制造等。二维工程设计只是产品设计中的一小部分。于是CAD的缩写由Computer Aided Drafting 改为Computer Aided Design，CAD也不是仅仅是辅助绘图，而是整个产品的辅助设计。CAD（Computer Aided Design，计算机辅助设计）利用计算机强大而又快速的数据处理和丰富而又灵活的图文处理功能，帮助设计人员完成繁杂的设计任
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务，提高工作效率和质量[10,11]。
1.2.2 CAD的发展历程
CAD技术经过40多年的发张，先后走过大型机、小型机、工作站、微机时代，现在已经取得了长足的进步。特别是随着可以在微机上运行的CAD/CAM软件的出现，CAD技术已经得到相当大的普及，远远超越了替代了手工图版的阶段。
目前国际国内商业化的CAD产品已经能够相当成熟，新一代的微机平台CAD软件充分汲取UNIX工作站软件的精华，诸如参数驱动、特征造型、二维与三维双向相关、STEP标准和动态图形显示等这些比较好的技术特点已经被微机平台软件全部吸收。
经过多年的推广，CAD产品已经广泛地应用于机械、电子、航天、化工、建筑等技术领域。应用CAD技术已经起到了提高企业的设计效率、优化设计方案、减轻技术人员的劳动强度、缩短设计周期以及加强设计的标准化等作用[12,13]。
1.2.3 CAD的现状
CAD技术在其初期阶段，仅仅被用于代替技术人员的手工画图，不能解决诸如生成复杂的投影线、漏标尺寸、漏画图线、机构的几何关系和运动关系的分析、设计的更新与修改以及设计工程管理等问题。为了解决这些问题，有人提出了二维参数化的概念。其目的是通过编制的计算机程序来认读二维工程图，让计算机来代替工程师。但是就目前的人工智能水平而言，困难是相当大的，甚至可以说是不可能的。因为对于复杂的工程图而言，一个视图内部的参数关系的建立已经比较繁琐，再加上几个视图之间的关联参数就更加困难了。当然，在一些设计参数比较规范的情况下，二维参数化也后一定的用武之地。但整体上其效果并不理想。因此使用三维立体设计解决上述问题就利索当然。目前的三维设计技术已经相当成熟。
20世纪末21世纪初的一个重大变革是全球市场的统一，它使市场竞争更加激烈，产品更新更快。在为数众多的CAD/CAM/CAE软件中，主流软件种类繁多，Pro/E，UG，SolidWorks 都是各种极品，其中Pro/E工业解决方案地位显赫，它是美国PTC公司的拳头产品，技术领先，在机械、电子、航空、航天、邮电、兵工、纺织等各行各业都有应用，是CAD/CAM/CAE 领域少有的顶尖人物[14]。
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1.3 Pro/ENGINEER 软件介绍
1.3.1 Pro/ENGINEER的历史
Pro/ENGINEER是美国参数技术公司（Parametric Technology Corporation，简称PTC）出品的三维设计软件，是一套有设计至生产全面覆盖的机械自动化软件。
1985年，PTC公司成立于美国波士顿，开始进行参数化建模软件的研究。1988年，V1.0的Pro/ENGINEER软件诞生。经过10余年的发展，Pro/ENGINEER已经成为三维建模软件的佼佼者。PTC公司提出单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念改变了机械CAD/CAE/CAM的传动概念，已经成为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准[15]。
Pro/ENGINEER只是PTC家族的成员之一，PTC家族的三大成员是： （1） Pro/ENGINEER （2） Pro/DESIGENER （3） Pro/MECHANICA.
1.3.2 Pro/ENGINEER模块简介
PTC的系列软件不但包括了在工业设计和机械封方面的多想功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。Pro/ENGINEER提供了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境。它的技术特点在于一下两个方面。
（1）参数化设计和特征功能
Pro/ENGINEER是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角。用户可以方便的修改模型，给工程设计者提供了设计上从未有过的简易和灵活。
（2）单一数据库
Pro/ENGINEER 建立在统一基层上的数据库上，而传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，是指工程中资料全部来自一个库，每一个独立用户都能同时为同一件产品造型而工作。换言之，在整个设计过程任何一处发生改动，子啊整个设计过程的相关环节上都有响应。例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具
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路径就会自动更新；组装工程图如果有变动，也完全同样反应在整个三维建模上。这种独特的数据结构与工程设计的完美组合，把一件产品的设计工作紧密结合起来，使得设计效率更高，成品质量更好，产品能更好地推向市场，价格也更便宜，市场竞争力大大增强。
Pro/ENGINEER的六大主要模块 （1）工业设计(CAID)模块
工业设计模块主要用于对产品进行几何设计，在零件未制造出来之前，观看和评价零件几何外形。而且Pro/ENGINEER后阶段的各个工作数据的产生都要依赖于实体建模所生产的数据。
主要包括：Pro/3DPAINT(3D建模)、Pro/ANIMATE(动画模拟)、Pro/DESIGNER(概念设计)、Pro/NETWORKANIMTOR(网络动画合成)、Pro/PERSPECTA-SKETCH(图片转三维模型)、Pro/PHOTORENDER(图片渲染)几个子模块。 （2）机械设计（CAD）块
机械设计模块是一个高效的三维机械设计工具，它可绘制形状相当复杂的零件。在实际中存在大量形状不规则的物体表面，如摩托车轮毂，这些称为自由曲面。随着人们生活水平的提高，对曲面产品的需求将会大大增加。用Pro/ENGINEER生成曲面非常方便，方法有：拉伸、旋转、放样、扫掠、网格、点阵等。由于生成曲面的方法较多，因此Pro/ENGINEER可以迅速建立复杂曲面。
机械设计模块既能作为高性能系统独立使用，又能与其他实体建模模块结合起来使用，它支持GB、ANSI/、SO和JIS等标准。包括：Pro/ASSEMBLY（实体装配）、Pro/CABLING（电路设计）、Pro/PIPING（弯管辅助）。Pro/PEPORT（应用数据图形显示）、Pro/SCAN-TOOLS(物理模型数据化)、Pro/SURFACE（曲面设计）、Pro/WELDING(焊接设计)。
（3）功能仿真（CAE）模块
功能仿真（CAE）模块主要进行有限元分析。机械零件的内部变化情况是难以知晓的，使用有限元仿真可以对零件内部的受力状态进行分析，在满足零件受力要求的基础上，便可充分优化零件的设计。
主要包括：Pro/PEM-POST（有限元分析）、Pro/MECHANICA CUSTOMLOADS（自定义载荷输入）、Pro/ MECHANICA EQUATIONS（第三方仿真程序连接）、Pro/ MECHANICA MOTION(指定环境下的装配体运动分析)、Pro/ MECHANICA THBRATION（热分析）、Pro/
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