專利名稱：基于集成機(jī)構(gòu)的三維虛擬空間的機(jī)械設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)械設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于集成機(jī)構(gòu)的三維虛 擬空間的機(jī)械設(shè)計方法，這種方法通過安裝在計算機(jī)中的三維虛擬機(jī)械設(shè)計系統(tǒng)來實現(xiàn)。
背景技術(shù)：
任何一種機(jī)械設(shè)計技術(shù)都是對設(shè)計者構(gòu)思形象的捕捉、顯示和表達(dá)。 設(shè)計者必須遵照機(jī)械設(shè)計原理，首先在大腦中構(gòu)思出若干基本機(jī)械機(jī)構(gòu)組成的、有相對確 定運動的三維機(jī)械形象；其次要將其中若干固定構(gòu)件、主動構(gòu)件與從動構(gòu)件以及連接它們 的若干運動副，在紙面上繪制成機(jī)械運動二維簡圖并且校核其自由度；第三要按國家標(biāo)準(zhǔn) 在圖紙上繪制該機(jī)械二維的零件圖；第四要繪制該機(jī)械二維的裝配圖；第五要按零件圖加 工出零構(gòu)件；第六要按裝配圖將零構(gòu)件組裝成機(jī)械；第七要對機(jī)械實施運行調(diào)試；最后要 返回平面圖紙進(jìn)行修改，——直至定型。在這個設(shè)計過程中，機(jī)械構(gòu)思與機(jī)械實現(xiàn)是三維 的，而設(shè)計圖樣要在平面圖紙上繪制成二維的。因為支撐視圖設(shè)計的西傳畫法幾何本身就 是研究投影幾何的規(guī)律教人們?nèi)绾螌⒖臻g形體以視圖形式科學(xué)而準(zhǔn)確地畫在紙面所在的 二維投影面上，同時又教人們?nèi)绾螐募埫嫒舾啥S的投影視圖想像成三維空間的形體。這 種制圖技術(shù)、特別是識圖技術(shù)，即按投影規(guī)律從三維到二維，又從二維返三維的形象思維， 困擾著不少的機(jī)械工人甚至機(jī)械設(shè)計人員，阻礙和制約著機(jī)械設(shè)計及其加工行業(yè)的快速發(fā) 展。實際上中國古代工匠并沒有像上述設(shè)計過程那樣繞圈，就是在紙上直接畫立體圖，但所 畫立體圖不符合現(xiàn)代投影幾何規(guī)則，有點像國畫白描技法，其勾勒線條對空間立體的描繪 既不準(zhǔn)確，也不清晰。工程制圖也可以按投影幾何方法畫三維坐標(biāo)軸測圖，由于畫起來比較 麻煩，而且在立體圖上標(biāo)注尺寸又不夠清晰，因此在機(jī)械設(shè)計圖紙上很少采用。當(dāng)代計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是高效率、高精度的數(shù)字編碼以及縮解算法，支 持著數(shù)字圖像技術(shù)水平不斷提高，為高分辨率數(shù)字圖像在計算機(jī)上實時顯示、轉(zhuǎn)換、存儲等 功能，提供了可持續(xù)發(fā)展的先決條件。各種各樣的工具軟件，例如AutoCAD，CAXA，3DMAX、 MAYA等等，都是基于數(shù)字圖像技術(shù)所進(jìn)行的數(shù)字圖像的繪制、處理、分析、識別、構(gòu)建等過 程，其實質(zhì)是對二、三維數(shù)字圖像信號的各種運算。這些算法語言的程序，支持各樣線型在 計算機(jī)視頻勾畫零件輪廓，支持各級色調(diào)填充零件封閉輪廓的區(qū)域，或在二維坐標(biāo)平面勾 繪零件的視圖，或在三維坐標(biāo)空間勾繪零件的軸測圖，并加以消隱和渲染；有的可以將零件 的視圖、軸測圖連同坐標(biāo)一起移動、旋轉(zhuǎn)或尺度伸縮；如果將時間也作為圖像空間信號的另 一個變元，則零構(gòu)件及其整體機(jī)械的靜像可以變成移動或旋轉(zhuǎn)的動畫，以上這些數(shù)字圖像 繪制、處理、分析、識別、構(gòu)建等技術(shù)，為本發(fā)明——基于集成機(jī)構(gòu)的三維虛擬空間的機(jī)械設(shè) 計方法奠定了基礎(chǔ)。本發(fā)明提供的機(jī)械設(shè)計方法，通過安裝在計算機(jī)中的三維虛擬機(jī)械設(shè)計系統(tǒng)來實 現(xiàn)，能夠選擇原庫存的或用戶新設(shè)計的集成機(jī)構(gòu)單元，即三維基本機(jī)械機(jī)構(gòu)以及標(biāo)準(zhǔn)件、常 用件，在計算機(jī)視頻的三維坐標(biāo)體系中顯示，移動鼠標(biāo)則可搭建和組裝設(shè)計者腦中構(gòu)思的 三維整體機(jī)械，經(jīng)過機(jī)械自由度校核，按機(jī)械運行參數(shù)設(shè)計成三維動畫，達(dá)到虛擬仿真運行 的演示效果。本機(jī)械設(shè)計方法按人腦構(gòu)思的三維機(jī)械形象，直接在計算機(jī)三維虛擬空間中 立體顯現(xiàn)、集成捕捉、整體搭建、動態(tài)表達(dá)、動畫演示、逼真運行，對設(shè)計者來說是一種得心 應(yīng)手、方便快捷之法。經(jīng)檢索國內(nèi)有相似發(fā)明專利“一種數(shù)字化機(jī)械設(shè)計方法”(申請?zhí)?00610083816. 0)公開，該專利方法“基于先進(jìn)的CAD軟件平臺完成零部件三維建模；通過 虛擬裝配；形成數(shù)字樣機(jī)；通過對數(shù)字樣機(jī)的性能分析與優(yōu)化；實現(xiàn)縱向軸流聯(lián)合收割機(jī) 的機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，按照優(yōu)化后的數(shù)字樣機(jī)的三維建模進(jìn)行零件加工生產(chǎn)。”該專利首先要利 用計算機(jī)“把組成機(jī)械產(chǎn)品的各個零件分別進(jìn)行三維建?！保纭八鰴C(jī)械產(chǎn)品為聯(lián)合收 割機(jī)”，由“撥禾輪、……尾篩”等21個零部件組成。表明該專利首要步驟是將這些有確定 設(shè)計的所有零部件“分別進(jìn)行三維建?！保M(jìn)而“虛擬裝配”，經(jīng)過對裝配關(guān)系“不完全符合要 求的三維模型進(jìn)行修改”，“直至符合要求、形成數(shù)字樣機(jī)為止”。應(yīng)該指出，該專利基于確定 產(chǎn)品的所有零部件二維機(jī)械設(shè)計圖紙，進(jìn)行三維仿真的虛擬加工、裝配，或者說在計算機(jī)視 頻上繪制產(chǎn)品三維的零件圖、裝配圖，比起二維繪圖多了一維，實屬機(jī)械制圖方法而不是機(jī) 械設(shè)計方法。而本發(fā)明提供的基于集成機(jī)構(gòu)的三維虛擬空間的機(jī)械設(shè)計方法，沒有現(xiàn)成機(jī) 械產(chǎn)品及其零部件的設(shè)計圖紙可依，它應(yīng)用機(jī)械設(shè)計原理，依據(jù)設(shè)計者腦中構(gòu)思的三維機(jī) 械形象繪制三維虛擬圖像，直接進(jìn)行預(yù)想機(jī)械的造型組裝與運行仿真設(shè)計，并賦予真彩的 效果圖和動畫，不再經(jīng)過傳統(tǒng)平面圖紙上二維的運動簡圖設(shè)計和零件圖、裝配視圖繪制。特 別是把各類通用基本機(jī)械機(jī)構(gòu)視為集成機(jī)構(gòu)單元，由一個或多個三維基本機(jī)械機(jī)構(gòu)以及標(biāo) 準(zhǔn)件、常用件這樣的單元，整體搭建預(yù)期的三維機(jī)械，與很多CAD軟件繪制分立的三維零部 件之法有所不同。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對與時落后的傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計方法制約機(jī)械行業(yè)快速發(fā)展的 現(xiàn)狀，為解決傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計過程煩瑣、二維運動簡圖和視圖表達(dá)片面、機(jī)械繪圖和識圖思維 抽象，以及機(jī)械設(shè)計局限于紙上談兵等問題，提供一種基于集成機(jī)構(gòu)的三維虛擬空間的機(jī) 械設(shè)計方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是—種基于集成機(jī)構(gòu)的三維虛擬空間的機(jī)械設(shè)計方法，通過安裝在計算機(jī)中的三維 集成機(jī)械設(shè)計系統(tǒng)來實現(xiàn)，該系統(tǒng)基于計算機(jī)視頻的三維坐標(biāo)體系，設(shè)置有虛擬集成單元 空間、虛擬機(jī)械組裝空間和虛擬機(jī)械運行空間，該機(jī)械設(shè)計方法包括以下步驟①根據(jù)大腦構(gòu)思的三維整體機(jī)械形象，設(shè)計者在所述虛擬集成單元空間中，選擇 或創(chuàng)建組成三維整體機(jī)械的一個或多個稱之為集成機(jī)構(gòu)單元的三維基本機(jī)械機(jī)構(gòu)以及標(biāo) 準(zhǔn)件、常用件，并在此空間三維坐標(biāo)體系中多視角顯示和觀察其三維虛擬圖像；②在所述虛擬集成單元空間的三維坐標(biāo)體系中，對步驟①選擇或創(chuàng)建好的一個或 多個集成機(jī)構(gòu)單元的形狀、尺寸進(jìn)一步確認(rèn)或改造，對其中三維基本機(jī)械機(jī)構(gòu)的自由度加 以校核，或以動畫形式演示其運動狀態(tài)，直至符合三維基本機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計要求為止，并予 以確認(rèn)和保存；③將步驟②中已確認(rèn)符合設(shè)計要求的一個或多個集成機(jī)構(gòu)單元的虛擬圖像調(diào)入 虛擬機(jī)械組裝空間，在三維坐標(biāo)體系中調(diào)節(jié)其比例一致，彼此連接件之間的三維方位及相 對尺寸吻合，進(jìn)而搭建和組裝人腦構(gòu)思的三維整體機(jī)械，并多視角顯示和觀察其三維虛擬 圖像，對于不能滿足裝配要求的集成機(jī)構(gòu)單元三維虛擬圖像返回虛擬集成單元空間進(jìn)行其 相對尺寸改造，直至滿足三維整體機(jī)械的組裝要求為止，并予以確認(rèn)和保存；④將步驟③中組裝好的三維整體機(jī)械的三維虛擬圖像調(diào)入虛擬機(jī)械運行空間，校 核其機(jī)械自由度必須等于1，校核機(jī)械自由度等于0或大于1的三維整體機(jī)械的運動副構(gòu)件 須要返回該系統(tǒng)主界面，重新進(jìn)入虛擬集成單元空間再改造，機(jī)械自由度合格者按機(jī)械的運動副和自由度來設(shè)計三維動畫，達(dá)到虛擬仿真運行的演示效果，并觀察三維動畫是否符 合機(jī)械設(shè)計要求的運行參數(shù)，不合格者須調(diào)節(jié)三維動畫參數(shù)，直至滿足機(jī)械運行的設(shè)計要 求為止，并予以確認(rèn)和保存，最終得到所需三維整體機(jī)械的虛擬圖像。在所述虛擬機(jī)械運行空間、虛擬機(jī)械組裝空間和虛擬集成單元空間的三維坐標(biāo)體 系中，分別保存有用戶設(shè)計與確認(rèn)的三維整體機(jī)械和三維基本機(jī)械機(jī)構(gòu)以及標(biāo)準(zhǔn)件、常用 件的虛擬圖像，將所有這些三維虛擬圖像旋轉(zhuǎn)其三維坐標(biāo)體系聚縮某一維坐標(biāo)而得到其他 二維的基本視圖，或?qū)⑺羞@些三維虛擬圖像用平面切割而得到其三維或二維的剖切圖。本發(fā)明提供的上述基于集成機(jī)構(gòu)的三維虛擬空間的機(jī)械設(shè)計方法，與時俱進(jìn)，基 于當(dāng)代虛擬與現(xiàn)實的數(shù)字圖像技術(shù)和計算機(jī)繪圖工具快速運算和運行的特點，吸取多種三 維繪圖軟件開發(fā)的普通功能，形成了本發(fā)明方法的特色一是設(shè)計方法的整體性，二是是設(shè) 計方法的直觀性，三是設(shè)計方法的速效性。恰似現(xiàn)代集成電路代替?zhèn)鹘y(tǒng)分立元件電路、圖像 區(qū)域操作代替點操作的技術(shù)革命，因此快捷；就像兒童搭積木，邊想邊搭，邊搭邊想，因此直 觀；如同虛擬環(huán)境實現(xiàn)影視效果，其效果圖、仿真動畫使人在機(jī)械制造之前就預(yù)先看到逼真 的設(shè)計效果，因此速效。這些優(yōu)點決定了本發(fā)明的實用價值和推廣前景。缺點是用本發(fā)明 方法得到的三維設(shè)計構(gòu)圖，表達(dá)機(jī)械尺寸很難清晰，為適應(yīng)機(jī)械加工平面圖紙標(biāo)注尺寸的 老方法，本發(fā)明追加了由三維虛擬圖像(整體機(jī)械、基本機(jī)械機(jī)構(gòu)以及標(biāo)準(zhǔn)件、常用件圖像 等)聚縮一維轉(zhuǎn)變成其他二維的基本視圖，用平面切割得到其三維或二維的剖切圖，利用 本發(fā)明方法及其系統(tǒng)實現(xiàn)這種由三維到二維的逆向設(shè)計繪圖是十分便捷的。


圖1三維集成機(jī)械設(shè)計系統(tǒng)流程2平面四桿機(jī)構(gòu)的三維虛擬圖像圖3曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的三維虛擬圖像圖4凸輪機(jī)構(gòu)的三維虛擬圖像圖5雙曲柄機(jī)構(gòu)的三維虛擬圖像圖6齒輪傳動機(jī)構(gòu)的三維虛擬圖像圖7齒輪(換向)傳動機(jī)構(gòu)的三維虛擬圖像圖8齒輪系與減速器機(jī)構(gòu)的三維虛擬圖像圖9螺紋(傳動)機(jī)構(gòu)的三維虛擬圖像圖10鏈傳動機(jī)構(gòu)的三維虛擬圖像圖11蝸桿傳動機(jī)構(gòu)的三維虛擬圖像圖12間歇運動(棘輪)機(jī)構(gòu)的三維虛擬圖像圖13軸承機(jī)構(gòu)的三維虛擬圖像圖14a裝配尺寸不吻合的齒輪泵機(jī)械三維虛擬圖像圖14b對齒輪泵三維虛擬圖像中一個齒輪三維尺寸的調(diào)整圖14c經(jīng)過調(diào)整后一對齒輪可以嚙合圖14d滿足機(jī)械組裝要求的齒輪泵機(jī)械三維虛擬圖像圖15a設(shè)計方案不合理的小型壓力機(jī)三維虛擬圖像圖15b經(jīng)過改進(jìn)的小型壓力機(jī)設(shè)計方案圖16本發(fā)明方法設(shè)計的虎鉗三維虛擬圖像(四個視角方向)圖17本發(fā)明方法設(shè)計的千斤頂三維虛擬圖像(四個視角方向)
圖18本發(fā)明方法設(shè)計的減速器三維虛擬圖像(加剖切平面，四個視角方向)圖19本發(fā)明方法設(shè)計的簡易沖床三維虛擬圖像(四個視角方向)圖20a單杠內(nèi)燃機(jī)的運動簡20b本發(fā)明方法設(shè)計的單杠內(nèi)燃機(jī)的三維虛擬圖像(剖視)圖20c不同視角方向的單杠內(nèi)燃機(jī)三維動畫截圖(剖視)具體實施方式
本發(fā)明提供的機(jī)械設(shè)計方法及其三維集成機(jī)械設(shè)計系統(tǒng)，操作簡 捷、便于普及，具體操作步驟如下(1)在 Microsoft Windows XP Professional 版本 2002 Service Pack 2 操作系 統(tǒng)和Visual Basic 6. 0標(biāo)準(zhǔn)版語言開發(fā)環(huán)境下，啟動本發(fā)明提供的機(jī)械設(shè)計方法及其三維 集成機(jī)械設(shè)計系統(tǒng)的流程，按照圖1所述步驟打開三維集成機(jī)械設(shè)計系統(tǒng)的主界面，進(jìn)入 菜單欄目可以選擇其中的虛擬集成單元空間、虛擬機(jī)械組裝空間和虛擬機(jī)械運行空間。(2)根據(jù)設(shè)計人腦中構(gòu)思的三維機(jī)械形象，從系統(tǒng)主界面進(jìn)入虛擬集成單元機(jī)構(gòu) 空間子菜單，在其中庫存的十幾類基本機(jī)械機(jī)構(gòu)中選擇一種或多種，或者調(diào)出用戶設(shè)計保 存于此的集成機(jī)構(gòu)單元，并在該空間三維坐標(biāo)體系中多視角顯示觀察它的三維虛擬圖像； 確認(rèn)要組裝機(jī)械嗎？如是，則直接調(diào)用這些集成機(jī)構(gòu)單元于虛擬機(jī)械組裝空間進(jìn)行裝配； 否則，就要用戶依次確定要改造集成機(jī)構(gòu)單元嗎？要校核機(jī)構(gòu)自由度嗎？要設(shè)計集成機(jī) 構(gòu)動畫嗎？如要，就須依次三維改造集成機(jī)構(gòu)單元的形狀與尺寸，校核集成機(jī)構(gòu)自由度并 多視角顯示，設(shè)計集成機(jī)構(gòu)動畫并仿真演示；直至符合基本機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計要求為止，并予 以確認(rèn)和保存。(3)將上述無須改造或必須改造的一種或多種集成機(jī)構(gòu)單元的三維虛擬圖像，從 虛擬集成單元機(jī)構(gòu)空間或通過系統(tǒng)主界面調(diào)入虛擬機(jī)械組裝空間的三維坐標(biāo)體系，調(diào)節(jié)其 比例一致、彼此間連接件之間的三維方位一致，隨后須用戶依次確定用來組合的三維基本 機(jī)械機(jī)構(gòu)及其連接構(gòu)件之間相對尺寸合適嗎？如合適就可以搭建組裝人腦構(gòu)思的三維整 體機(jī)械，并多視角顯示和觀察其三維虛擬圖像；對相對尺寸不合適的三維基本機(jī)械機(jī)構(gòu)及 其連接構(gòu)件，須返回虛擬集成單元機(jī)構(gòu)空間進(jìn)行三維尺寸再改造；直至滿足三維整體機(jī)械 的組裝要求為止，并予以確認(rèn)和保存。(4)將上述滿足整體機(jī)械組裝的三維虛擬圖像通過主界面調(diào)入虛擬機(jī)械運行空 間，須用戶確認(rèn)機(jī)械自由度校核合適嗎？機(jī)械自由度校核結(jié)果必須等于1，合格者才可以 按機(jī)械運動副與自由度來進(jìn)一步設(shè)計并演示三維動畫；否則，校核機(jī)械自由度等于0或大 于1時，須要改善機(jī)械運動副使機(jī)械自由度等于1，可以通過系統(tǒng)主界面將相關(guān)集成機(jī)構(gòu)單 元重新調(diào)入虛擬集成單元機(jī)構(gòu)空間進(jìn)行再改造。接著須用戶確認(rèn)設(shè)計的三維動畫符合機(jī) 械運行條件嗎？如符合就可以進(jìn)行虛擬機(jī)械仿真運行演示，如不符合須按照機(jī)械運行參數(shù) 調(diào)節(jié)三維動畫參數(shù)，直至滿足機(jī)械運行的設(shè)計要求為止，并予以確認(rèn)和保存。(5)在上述虛擬集成單元空間、虛擬機(jī)械組裝空間和虛擬機(jī)械運行空間分別保存 有用戶選擇或改造的三維基本機(jī)械機(jī)構(gòu)以及標(biāo)準(zhǔn)件、常用件，有用戶成功組裝和正常運行 的三維整體機(jī)械的虛擬圖像。為在計算機(jī)視頻上進(jìn)一步繪制成傳統(tǒng)的工程圖樣如零件圖、 裝配圖，還須用戶依次確認(rèn)需要轉(zhuǎn)變成基本視圖嗎？需要剖切圖嗎？如需要，則須將所有 這些三維虛擬圖像在其三維坐標(biāo)體系中旋轉(zhuǎn)聚縮某一維坐標(biāo)而得到其他二維的基本視圖， 須將所有這些三維虛擬圖像用平面切割得到其三維或二維的剖切圖，如不需要可選擇退出ο—種基于集成機(jī)構(gòu)的三維虛擬空間的機(jī)械設(shè)計方法，其特征是該方法通過安裝 在計算機(jī)中的三維集成機(jī)械設(shè)計系統(tǒng)來實現(xiàn)，該系統(tǒng)基于計算機(jī)視頻的三維坐標(biāo)體系，設(shè) 置有虛擬集成單元空間、虛擬機(jī)械組裝空間和虛擬機(jī)械運行空間。這三個空間三維坐標(biāo)體 系中顯示的所有虛擬圖像，非傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計的二維裝配圖、零件圖或平面簡圖，是經(jīng)過勾 畫、消隱和渲染的仿真三維圖像，是能夠從不同視角方向(旋轉(zhuǎn)空間三維坐標(biāo)的方位)動態(tài) 顯示的三維圖像。所述虛擬集成單元空間預(yù)存有十幾類通用(或用戶新設(shè)計)的被本發(fā)明稱作“集 成機(jī)構(gòu)單元”的三維基本機(jī)械機(jī)構(gòu)以及標(biāo)準(zhǔn)件、常用件的三維虛擬圖像，其中所有三維虛擬 圖像的形狀、尺寸和位置非固定不變，是具有外形可以再造、尺寸可以伸縮、位置可以轉(zhuǎn)移 的三維可變圖像；所有三維虛擬圖像非靜止的三維效果圖，是遵照機(jī)構(gòu)運動副約束條件設(shè) 計的仿真運行的動畫，并可以通過調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)運動副約束參數(shù)改變其自由度；而且所有這些 可變、能動的三維基本機(jī)械機(jī)構(gòu)以及標(biāo)準(zhǔn)件、常用件的三維虛擬圖像，隨時可以單獨或者同 時被調(diào)用于虛擬機(jī)械組裝空間。虛擬集成單元空間預(yù)存的三維基本機(jī)械機(jī)構(gòu)主要包括平 面連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪傳動機(jī)構(gòu)，齒輪系與減速器、彈簧機(jī)構(gòu)、鏈傳動機(jī)構(gòu)、螺紋傳動 機(jī)構(gòu)、軸承機(jī)構(gòu)，間歇運動機(jī)構(gòu)、蝸桿傳動機(jī)構(gòu)、帶傳動機(jī)構(gòu)、軸榖聯(lián)接結(jié)構(gòu)、聯(lián)軸器和離合 器等十幾種通用三維基本機(jī)械機(jī)構(gòu)，圖2-圖13列舉了部分基本機(jī)械機(jī)構(gòu)的三維虛擬圖像。所述虛擬機(jī)械組裝空間，可以從虛擬單元機(jī)構(gòu)空間調(diào)用用戶選擇或設(shè)計的各類三 維基本機(jī)械機(jī)構(gòu)以及標(biāo)準(zhǔn)件、常用件的三維虛擬圖像，在其三維坐標(biāo)體系中調(diào)節(jié)彼此比例、 三維方位一致，搭建組裝設(shè)計者腦中構(gòu)思的三維整體機(jī)械，并多視角顯示和觀察其三維虛 擬圖像；如果用來組合的三維基本機(jī)械機(jī)構(gòu)及其連接構(gòu)件之間的相對尺寸不相吻合，可以 返回虛擬單元機(jī)構(gòu)空間加以改造，直至滿足三維整體機(jī)械的組裝要求為止。如圖14a所示 在虛擬機(jī)械組裝空間進(jìn)行裝配的齒輪泵機(jī)械三維虛擬圖像，其中一個齒輪尺寸顯然不合 適；圖14b所示該齒輪返回虛擬單元機(jī)構(gòu)空間再造的幾種三維虛擬圖像；圖14c所示該齒 輪經(jīng)過相對尺寸調(diào)整在虛擬機(jī)械組裝空間裝配已經(jīng)正常嚙合；圖14d與圖14a相對照，所示 在虛擬機(jī)械組裝空間組裝最終滿足要求的齒輪泵機(jī)械三維虛擬圖像。所述虛擬機(jī)械運行空間，可以從虛擬機(jī)械組裝空間調(diào)入滿足組裝要求的三維整體 機(jī)械的三維虛擬圖像，校核其機(jī)械自由度必須等于1，校核機(jī)械自由度等于0或大于1的 三維整體機(jī)械的運動副構(gòu)件須要通過該系統(tǒng)主界面，重新進(jìn)入虛擬集成單元空間再改造， 機(jī)械自由度合格者按機(jī)械的運動副和自由度來設(shè)計三維動畫，達(dá)到虛擬仿真運行的演示效 果，并觀察三維動畫是否符合機(jī)械設(shè)計要求的運行參數(shù)，不合者須調(diào)節(jié)三維動畫參數(shù)，直至 滿足機(jī)械運行的設(shè)計要求為止。如圖15a所示進(jìn)入虛擬機(jī)械運行空間小型壓力機(jī)的三維虛 擬圖像，其左邊在缸體內(nèi)來回移動的活塞是原動件，通過杠桿傳力到右邊缸體內(nèi)欲作垂直 運動的活塞是從動件，通過動畫制作演示因為右邊的活塞根本就不可能運動，校核其自由 度F，可知該機(jī)械自由度F不合要求F = 3n-2PL-PH = 3X4-2X6-0 = 0式中η為可動件數(shù)目，Pl為低副(移動、轉(zhuǎn)動副)數(shù)目，Ph為高副(齒輪、凸輪副) 數(shù)目，其中 n = 4，PL = 6，PH = 0;如圖15b所示該機(jī)構(gòu)返回虛擬單元機(jī)構(gòu)空間，在右邊杠桿上加裝一個移動兼轉(zhuǎn)動副，在虛擬機(jī)械運行空間通過動畫制作演示結(jié)果可行，校核其自由度F，可知該機(jī)構(gòu)右邊的 活塞可以做唯一確定的垂直運動F = 3n-2PL-PH = 3X5-2X7 = 1式中η為可動件數(shù)目，Pl為低副(移動、轉(zhuǎn)動副)數(shù)目，Ph為高副(齒輪、凸輪副) 數(shù)目，其中 n = 5，PL = 7，PH = 0。下面列舉幾個具體機(jī)械設(shè)計實施例，進(jìn)一步說明本發(fā)明所述的機(jī)械設(shè)計方法及其 設(shè)計系統(tǒng)的應(yīng)用。實施例1虎鉗的機(jī)械設(shè)計虎鉗的設(shè)計比較簡單，其中螺桿(主動件)在鉗身上螺孔的旋轉(zhuǎn)，帶動活動鉗身 (從動件)沿螺紋的軸向作漸進(jìn)，使活動鉗身的鉗口向固定在鉗身(機(jī)架)的另一半鉗口壓 緊。因此首先從本發(fā)明的三維集成機(jī)械設(shè)計系統(tǒng)的虛擬集成單元空間中選擇螺紋傳動機(jī)構(gòu) 的三維虛擬圖像(圖9)在螺孔的基礎(chǔ)上擴(kuò)展畫出帶有軸向滑軌的固定鉗身，在螺桿的漸 進(jìn)端擴(kuò)展畫出螺釘固定的帶有滑槽的活動鉗身；其次將以上改造過的螺紋傳動機(jī)構(gòu)統(tǒng)調(diào)入 到本發(fā)明三維集成機(jī)械設(shè)計系統(tǒng)的虛擬機(jī)械組裝空間中進(jìn)行螺紋機(jī)構(gòu)的匹配，得到不同視 角方向的虎鉗三維虛擬圖像(圖16)；最后將設(shè)計好的鉗口調(diào)入虛擬機(jī)械運行空間中實施 螺紋旋轉(zhuǎn)漸進(jìn)的動畫仿真設(shè)計，就再現(xiàn)了設(shè)計者的直觀構(gòu)思。實施例2千斤頂?shù)臋C(jī)械設(shè)計與虎鉗的設(shè)計過程類似，如圖17所示千斤頂是基于螺紋機(jī)構(gòu)擴(kuò)展的另外一種利 用本發(fā)明的三維集成機(jī)械設(shè)計系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計，從虛擬集成單元空間調(diào)來螺紋機(jī)構(gòu)的虛擬 構(gòu)圖(圖9)在視頻的虛擬機(jī)械組裝空間中，當(dāng)作旋轉(zhuǎn)起重螺桿(主動件)，一頭與底座(機(jī) 架)上的螺孔配合作軸向升降運動，另一頭通過螺釘與載物的頂蓋(從動件)固接；為了省 力，起重螺桿上開孔穿過旋轉(zhuǎn)桿，加長了力臂。由實施例1、2可以看出，本發(fā)明著眼于塊與塊的搭建和改造，設(shè)計者不必費力于 各種各樣的虛擬集成單元的設(shè)計，因為在虛擬單元機(jī)構(gòu)空間中存儲的各種各樣的三維基本 機(jī)械機(jī)構(gòu)的集成塊，還有大量的通用零件和常用構(gòu)件，已經(jīng)為設(shè)計者的構(gòu)思預(yù)先準(zhǔn)備好了 “積木以及積木組成通用結(jié)構(gòu)”的三維虛擬圖像。實施例3齒輪減速器的機(jī)械設(shè)計從本發(fā)明的三維集成機(jī)械設(shè)計系統(tǒng)的虛擬集成單元空間可以直接調(diào)用齒輪傳動 機(jī)構(gòu)的三維虛擬圖像(圖8)，關(guān)鍵是要根據(jù)齒輪轉(zhuǎn)速比確定嚙合齒輪的直徑，圖18所示利 用本發(fā)明設(shè)計的齒輪減速器。實施例4簡易沖床的機(jī)械設(shè)計設(shè)計者想利用勻速旋轉(zhuǎn)的凸輪(原動件)，致使接觸凸輪輪廓上的杠桿(從動件) 作垂直方向往復(fù)運動，向下產(chǎn)生沖壓力。因此需要從虛擬集成單元空間選擇凸輪機(jī)構(gòu)(圖 4)、杠桿機(jī)構(gòu)及彈簧構(gòu)件的三維虛擬圖像調(diào)入虛擬機(jī)械組裝空間；在虛擬機(jī)械組裝空間，發(fā) 現(xiàn)還需要返回虛擬集成單元空間設(shè)計一個在杠桿施力端用鉸鏈連接的垂直向下的沖壓桿 (從動件)及其沖壓座(機(jī)架)，設(shè)計固定杠桿的支點(機(jī)架)、固定凸輪的轉(zhuǎn)軸(機(jī)架)， 這些固定件都可以設(shè)計在一個整體床身(機(jī)架)上，最后完成了三維虛擬機(jī)械的組裝(圖 19)。在虛擬機(jī)械運行空間設(shè)計動畫，發(fā)現(xiàn)整個機(jī)械無法運動，在視頻三維空間直觀分析發(fā) 現(xiàn)杠桿施力端是圓弧軌跡的往復(fù)運動，而用鉸鏈與之連接的沖壓桿須要上下作垂直方向的運動(與床身圓柱孔配合)，路徑不一必然卡死，校核自由度為零F = 3n-2PL-PH = 3X3-2X4-1=0式中η為可動件數(shù)目，Pl為低副(移動、轉(zhuǎn)動副)數(shù)目，Ph為高副(齒輪、凸輪副) 數(shù)目，其中 n = 3，PL = 4，PH= 1 ；為解決這個問題，在杠桿施力端鉸鏈處增加一個移動副，即使圓弧軌跡的往復(fù)運 動改變?yōu)榇怪狈较虻倪\動，校核自由度為1，就滿足了設(shè)計要求F = 3n-2PL-PH = 3X4-2X5-1 = 1式中η為可動件數(shù)目，Pl為低副(移動、轉(zhuǎn)動副)數(shù)目，Ph為高副(齒輪、凸輪副) 數(shù)目，其中 n = 4，PL = 5，PH= 1?？梢钥闯霰景l(fā)明有利于設(shè)計者在視頻上直觀分析滿足“從動件須作唯一確定運 動”的要求，將抽象的自由度校核變得形象化。實施例5單杠內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械設(shè)計圖20a所示單杠內(nèi)燃機(jī)傳統(tǒng)的設(shè)計運動簡圖，它主要是由三種基本機(jī)構(gòu)組成的機(jī) 械，其中有機(jī)構(gòu)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)(活塞1為原動件，連桿2、曲柄3為從動件，汽缸8為機(jī)架)、 齒輪機(jī)構(gòu)(與曲柄固連的齒輪4為輸入構(gòu)件，齒輪5為從動件、汽缸8為機(jī)架)、凸輪機(jī)構(gòu) (與齒輪5固連的凸輪6為輸入件，汽閥頂桿7為從動件，汽缸8為機(jī)架)。圖20a所示運動簡圖不能直觀、形象和動態(tài)地體現(xiàn)設(shè)計者頭腦中構(gòu)思的單杠內(nèi)燃 機(jī)的運動形態(tài)。在計算機(jī)視頻上啟動本發(fā)明三維集成機(jī)械設(shè)計系統(tǒng)，從虛擬集成單元空間 調(diào)出曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)(圖3、圖6和圖4)，進(jìn)入虛擬機(jī)械組裝空間進(jìn)行 組裝，并注意在此空間設(shè)計制作一個統(tǒng)一的汽缸作為機(jī)架，最后進(jìn)入虛擬機(jī)械運行空間考 核機(jī)械自由度、設(shè)計運行動畫，就輕而易舉完成了單杠內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械設(shè)計。圖20b所示采用 本發(fā)明方法及其系統(tǒng)設(shè)計的單杠內(nèi)燃機(jī)三維虛擬機(jī)械的三維動畫截圖(剖視圖)，圖20c所 示不同視角方向的單杠內(nèi)燃機(jī)三維虛擬圖像(剖視圖)。其三維虛擬圖像以動畫形式進(jìn)行 演示，生動而清晰地再現(xiàn)了設(shè)計者腦中模糊的構(gòu)思。其自由度運算結(jié)果為F = 3n-2PL-PH = 3X5-2X6-2 = 1式中η為可動件(活塞、曲柄、連桿-齒輪、凸輪-齒輪、頂桿)數(shù)目，Pl為低副(轉(zhuǎn) 動副4，移動副2)數(shù)目，Ph為高副(凸輪、齒輪副各1)數(shù)目，其中η = 5，& = 6，Ph = 2。
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權(quán)利要求
一種基于集成機(jī)構(gòu)的三維虛擬空間的機(jī)械設(shè)計方法，其特征是該方法通過安裝在計算機(jī)中的三維集成機(jī)械設(shè)計系統(tǒng)來實現(xiàn)，該系統(tǒng)基于計算機(jī)視頻的三維坐標(biāo)體系，設(shè)置有虛擬集成單元空間、虛擬機(jī)械組裝空間和虛擬機(jī)械運行空間，該機(jī)械設(shè)計方法包括以下步驟①根據(jù)大腦構(gòu)思的三維整體機(jī)械形象，設(shè)計者在所述虛擬集成單元空間中，選擇或創(chuàng)建組成三維整體機(jī)械的一個或多個稱之為集成機(jī)構(gòu)單元的三維基本機(jī)械機(jī)構(gòu)以及標(biāo)準(zhǔn)件、常用件，并在此空間三維坐標(biāo)體系中多視角顯示和觀察其三維虛擬圖像；②在所述虛擬集成單元空間的三維坐標(biāo)體系中，對步驟①選擇或創(chuàng)建好的一個或多個集成機(jī)構(gòu)單元的形狀、尺寸進(jìn)一步確認(rèn)或改造，對其中三維基本機(jī)械機(jī)構(gòu)的自由度加以校核，或以動畫形式演示其運動狀態(tài)，直至符合三維基本機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計要求為止，并予以確認(rèn)和保存；③將步驟②中已確認(rèn)符合設(shè)計要求的一個或多個集成機(jī)構(gòu)單元的虛擬圖像調(diào)入虛擬機(jī)械組裝空間，在三維坐標(biāo)體系中調(diào)節(jié)其比例一致，彼此連接件之間的三維方位及相對尺寸吻合，進(jìn)而搭建和組裝人腦構(gòu)思的三維整體機(jī)械，并多視角顯示和觀察其三維虛擬圖像，對于不能滿足裝配要求的集成機(jī)構(gòu)單元三維虛擬圖像返回虛擬集成單元空間進(jìn)行其相對尺寸改造，直至滿足三維整體機(jī)械的組裝要求為止，并予以確認(rèn)和保存；④將步驟③中組裝好的三維整體機(jī)械的三維虛擬圖像調(diào)入虛擬機(jī)械運行空間，校核其機(jī)械自由度必須等于1，校核機(jī)械自由度等于0或大于1的三維整體機(jī)械的運動副構(gòu)件須要返回該系統(tǒng)主界面，重新進(jìn)入虛擬集成單元空間再改造，機(jī)械自由度合格者按機(jī)械的運動副和自由度來設(shè)計三維動畫，達(dá)到虛擬仿真運行的演示效果，并觀察三維動畫是否符合機(jī)械設(shè)計要求的運行參數(shù)，不合格者須調(diào)節(jié)三維動畫參數(shù)，直至滿足機(jī)械運行的設(shè)計要求為止，并予以確認(rèn)和保存，最終得到所需三維整體機(jī)械的虛擬圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于集成機(jī)構(gòu)的三維虛擬空間的機(jī)械設(shè)計方法，其特征是 在所述虛擬機(jī)械運行空間、虛擬機(jī)械組裝空間和虛擬集成單元空間的三維坐標(biāo)體系中，分 別保存有用戶設(shè)計與確認(rèn)的三維整體機(jī)械和三維基本機(jī)械機(jī)構(gòu)以及標(biāo)準(zhǔn)件、常用件的虛擬 圖像，將所有這些三維虛擬圖像旋轉(zhuǎn)其三維坐標(biāo)體系聚縮某一維坐標(biāo)而得到其他二維的基 本視圖，或?qū)⑺羞@些三維虛擬圖像用平面切割而得到其三維或二維的剖切圖。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于集成機(jī)構(gòu)的三維虛擬空間的機(jī)械設(shè)計方法，該方法通過安裝在計算機(jī)中的三維集成機(jī)械設(shè)計系統(tǒng)來實現(xiàn)。設(shè)計者依據(jù)大腦中構(gòu)思的三維整體機(jī)械形象，按照機(jī)械設(shè)計原理，能夠調(diào)用本系統(tǒng)虛擬集成單元空間庫存的集成機(jī)構(gòu)單元的三維虛擬圖像，在虛擬機(jī)械組裝空間進(jìn)行三維整體機(jī)械的搭建裝配，在虛擬機(jī)械運行空間實施所設(shè)計機(jī)械的虛擬仿真運行，其特點是立體顯現(xiàn)、集成捕捉、整體搭建、動態(tài)觀察、動畫演示、逼真運行，對設(shè)計者來說是一種得心應(yīng)手和方便快捷的設(shè)計方法，解決了傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計過程煩瑣、二維運動簡圖和視圖表達(dá)片面、機(jī)械繪圖和識圖思維抽象，以及機(jī)械設(shè)計局限于紙上談兵等問題。
文檔編號G06F17/50GK101901290SQ201010233070
公開日2010年12月1日 申請日期2010年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月22日
發(fā)明者劉生慧, 厲樹忠, 楊曉明 申請人:西北師范大學(xué)