三维造型和运动仿真与CAI课件开发
三维造型和运动仿真与CAI课件开发[20200210114227]
本文结合机械制造专业综合实训，进行典型产品三维造型和运动仿真以及CAI课件的制作。如今在计算机辅助下进行机械零件的设计、校核和系统运动仿真己经逐渐成为机械设计的发展方向。产品的拆装又具有一定复杂性，如何指导学生进行正确的拆装，保证拆装产品的完整并循环使用成为实验人员关注的焦点，CAI课件的制作将有效解决该问题。
通过对产品的工作原理和内部结构的分析，依据其结构及相关技术参数，进行零件拆装和测绘、工程图绘制、三维造型、典型零件的工艺制订和仿真加工等。重点进行了基于Solidworks环境的产品零件三维建模和虚拟装配，能将产品的运动更具体的展现在人们面前；对柴油机箱体进行数控加工，使用Mastercam进行箱体零件的自动编程，利用Vericut软件进行数控加工工艺系统仿真；制作爆炸视图、三维动画和运动仿真视频，使用VideoStudio视频编辑软件进行文字及音效编辑，并整理为CAI课件直观展示产品的拆装过程及运动，指导操作者进行产品的拆装。
关键词： 三维造型；Mastercam数控编程；工艺系统仿真；视频编辑；CAI课件
第一章 绪论 1
1.1 引言 1查看完整论文请+Q: 351916072
1.2 国内外研究现状 2
1.3 课题的内容和实用价值 3
第二章 总体方案设计 4
2.1 课件开发的功能分析 4
2.2 开发平台的选择原则 5
2.3 平台体系结构 6
2.4 网络平台构建 8
2.4.1 平台功能 8
2.4.2 课件特点 10
第三章 基于Solidworks的三维建模 11
3.1 产品的基本概念与分类 11
3.1.1 了解产品的基本概念 11
3.1.2 产品的分类 12
3.1.3了解产品总体构造 12
3.2 产品的基本工作原理 18
3.2.1 内燃机的热能转变为机械能 18
3.2.2 单缸四冲程柴油机工作原理 18
3.3 Solidworks常用功能描述 20
3.4 柴油机水泵拆装 22
3.4.1 气缸套 22
3.4.2 曲柄连杆机构 23
3.4.3 配气机构与进排气系统 26
3.4.4 冷却系统 27
3.4.5 曲轴 27
3.5 SolidWorks零件建模 29
3.5.1 建模综述 29
3.5.2 典型产品的建模 31
3.5.3 零件的装配 32
3.6 Solidworks运动仿真 34
3.6.1 爆炸图制作 34
3.6.2 添加运动 38
3.7 视频录制 39
第四章 典型零件的数控加工 42
4.1 工艺规程设计 42
4.1.1 工艺及工序卡片 43
4.2 Mastercam辅助编程 44
4.2.1 Mastercam设置 44
4.2.2 Mastercam生成刀具路径及验证 44
4.2.3 Mastercam出NC程序并手动修改 45
4.3 数控系统仿真 46
4.3.1 毛坯设计 46
4.3.2 夹具设计 47
4.3.3 夹具安装 48
4.3.4 G-代码偏置 48
4.3.5 仿真加工 49
4.4 视频录制 51
第五章 CAI课件制作 52
5.1 视频制作 52
5.2 课件制作 54
结论与展望 56
致 谢 57
参 考 文 献 58
1.1 引言
随着相关科学与技术的发展，尤其是计算机科学应用技术的发展，进一步推动了设计方法及技术手段的现代化。典型产品三维造型和运动仿真实际上是多种技术的融合，它的发展与产品设计方法学、可视化技术、仿真技术、决策理论、装配和制造技术以及装配和制造设备的发展等紧密相关。通过对产品关键技术的分析讨论，提出了以SolidWorks创建的虚拟环境中实现虚拟拆装的方法，并根据这些方法实现了基于SolidWorks产品的虚拟拆装以及仿真，还可配合使用Mastercam进行数控程序的编制（简单操作使用手动编写更简单、快速），最后可将写完的程序导入Vericut（自己创建机床）调试后进行仿真加工。本次主要涉及柴油机的开发设计与其他工业设计一样，为了降低成本，缩短研发周期，人们在不断的探索和完善一种新的设计方法，即在虚拟环境中进行设计、制造，在虚拟环境中进行装配。在实验室中，通过对虚拟拆装过程和关键技术的分析，提出在以SolidWorks创建的虚拟环境中实现虚拟拆装的方法。从而对虚拟拆装平台有所掌握，和灵活的运用。
随着全球制造业市场的竞争不断加剧，哪家企业能以最短的时间、最低的成本、最高的质量、高效率地完成产品研发和生产便是最终的赢家！
近些年来，随着计算机技术的发展，计算机图形处理能力日益增强，以计算机为主要工具的仿真技术也迅速发展起来，并很快应用于工程领域。在计算机辅助下进行机械零件的设计、校核，并进行系统运动仿真己经逐渐成为机械设计的发展方向。
在传统的设计与制造过程中，首先是方案设计及论证，然后进行产品设计。在设计完成后，为了验证设计，通常要制造样机进行试验，有时这些试验甚至是破坏性的。当通过试验发现缺陷时，又要回头修改设计并再用样机验证。只有通过周而复始的设计一试验一设计过程，产品才能达到要求的性能。这一过程是冗长的，尤其对于结构复杂的系统，设计周期无法缩短，更不用谈对市场的灵活反应了。在大多数情况下，工程师往往为了保证产品按时投放市场而中断这一过程，使产品在上市时便有先天不足的毛病。在市场竞争的背景下，基于实际样机上的设计验证过程严重地制约了产品的质量的提高、成本的降低和对市场的占有。随着经济贸易的全球化，要想在竞争日趋激烈的市场上取胜，缩短开发周期，提高产品质量，降低成本以及对市场的灵活反应都已成为竞争者们所追求的运营方式，谁早推出产品，谁就占有市场。然而，传统的设计与制造方式却无法满足这些要求。
计算机运动仿真作为计算机仿真技术的一个重要分支，它汇集了计算机图形学、多媒体技术、实时计算技术、人机接口技术等多项关键技术。作为一门新兴的高技术，己经成为工程技术领域计算机应用的重要方向。尤其在航天、国防及其它大规模复杂系统的研制开发过程中，计算机运动仿真己经成为不可缺少的工具。借助于这项技术，工程师们可以在计算机上建立机械系统的虚拟模型，伴之以三维可视化处理，模拟其在现实环境下系统的运动和动力特性，并根据仿真的结果来精化和优化系统的设计。计算机运动仿真技术已经越来越成为人们代替或部分代替样机制作、工艺试验，以获取所需数据结果并最终完成对产品的性能测试及验证的有力技术手段。
1.2 国内外研究现状
随着三维CAD软件技术的日益成熟，市场的日益扩大，制造企业普遍认识到应用三维CAD软件是传统产业技术改造的必由之路。目前市场上主流的三维CAD软件如：UG(EDS公司)、Pro/E(PTC公司)、CATIA（IBM/Dassault公司）、SolidWorks等，其功能涵盖了三维造型、装配、分析仿真、虚拟制造和产品数据管理等方面，形成了三维CAD技术的高端应用市场，国内外的汽车、航天航空、造船和机床等行业均已全面采用上述三维CAD软件进行产品的设计和制造，国内如：西飞、航天三院、上汽、长安汽车、昆明机床厂、哈尔滨汽轮机厂、广西玉柴股份有限公司等也都采用了上述软件辅助设计生产。
计算机仿真技术是一项涉及多个学科领域的前沿技术，发达国家于20世纪80年代提出了相关概念，这项技术在过去的10年里获得了迅速发展并达到实用阶段。和一些先进国家相比，我国在这个领域还有一定差距，但已经引起了国家有关部门和科学家们的重视，九五规划、国家自然科学基金、国家高技术产业规划都把虚拟现实技术VR列入了研究项目。国内一些高校和研究部门在紧跟国际先进技术的同时，也积极投入到了这一领域当中，并且取得了一定的研究成果。
哈尔滨工业大学机械系在机构的三维运动仿真方面进行了不少研究，他们使用OpenGL开发的机构三维仿真软件成功地模拟出了一些常用机构的运动状态，并在此基础上加入了一些计算机辅助设计和分析的功能。该校计算机系成功地摹拟出了人的脸部动作，如表情的合成和唇动的合成。
浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发出了一套桌面虚拟建筑环境实时漫游系统，实现了立体视觉，同时提供的交互工具使系统的真实感达到了较高的水平。
北京航空航天大学计算机系着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示和处理，在虚拟现实的视觉接口方面开发出了部分软硬件，提供了用于飞行员训练的虚拟现实系统。
西安理工大学机械与精密仪器学院在基于Solid Works的二次开发方面也做了不少工作，开发了连杆机构和弧面分度凸轮的运动仿真软件。
综合国内外的研究现状，为了实现构件的造型和运动仿真，采用的方法归纳起来可分为三类：
(1)开发专业的运动软件，这种方法可以进行多种机构的运动仿真和运动学、动力学分析。这种方法的开发工作量大，开发周期长，开发的费用也很高，主要由专业的软件开发商来完成，具有代表性的软件有ADAMS。
(2)利用具有真实感的应用软件进行三维实体造型和运动仿真，通常使用的软件是OpenGL和3DS, OpenGL是Open Graphics Lib的缩写，它独立于硬件，独立于操作系统，包含有100多个图形函数，开发者可以通过这些函数建立三维模型。由于OpenGL包含的图形函数的数量和功能有限，目前尚不适合构造比较复杂的机械零件，应用于运动仿真领域的也仅限于简单机构;3DS是目前世界上应用最广泛的三维建模，动画，渲染软件，被广泛地应用于电视及娱乐业中，该软件功能强大，使用方便，但是造型结束后实体的形状和尺寸都不能被实时或交互更改，如果用于运动仿真就显得柔性不足。
(3)针对成熟软件的二次开发方法。这些成熟的软件包括AutoCAD(二维)、UG, Pro/E, Solid Works(三维)等，其中AutoCAD二次开发多用于平面图形，很少应用与三维实体造型，其余几种软件本身就是工程软件，对机械零件的造型能力很强，其二次开发的接口也比较成熟，开发具有很大的灵活性，二次开发的产品很多己经进入工程使用阶段。
本文结合机械制造专业综合实训，进行典型产品三维造型和运动仿真以及CAI课件的制作。如今在计算机辅助下进行机械零件的设计、校核和系统运动仿真己经逐渐成为机械设计的发展方向。产品的拆装又具有一定复杂性，如何指导学生进行正确的拆装，保证拆装产品的完整并循环使用成为实验人员关注的焦点，CAI课件的制作将有效解决该问题。
通过对产品的工作原理和内部结构的分析，依据其结构及相关技术参数，进行零件拆装和测绘、工程图绘制、三维造型、典型零件的工艺制订和仿真加工等。重点进行了基于Solidworks环境的产品零件三维建模和虚拟装配，能将产品的运动更具体的展现在人们面前；对柴油机箱体进行数控加工，使用Mastercam进行箱体零件的自动编程，利用Vericut软件进行数控加工工艺系统仿真；制作爆炸视图、三维动画和运动仿真视频，使用VideoStudio视频编辑软件进行文字及音效编辑，并整理为CAI课件直观展示产品的拆装过程及运动，指导操作者进行产品的拆装。
关键词： 三维造型；Mastercam数控编程；工艺系统仿真；视频编辑；CAI课件
第一章 绪论 1
1.1 引言 1查看完整论文请+Q: 351916072
1.2 国内外研究现状 2
1.3 课题的内容和实用价值 3
第二章 总体方案设计 4
2.1 课件开发的功能分析 4
2.2 开发平台的选择原则 5
2.3 平台体系结构 6
2.4 网络平台构建 8
2.4.1 平台功能 8
2.4.2 课件特点 10
第三章 基于Solidworks的三维建模 11
3.1 产品的基本概念与分类 11
3.1.1 了解产品的基本概念 11
3.1.2 产品的分类 12
3.1.3了解产品总体构造 12
3.2 产品的基本工作原理 18
3.2.1 内燃机的热能转变为机械能 18
3.2.2 单缸四冲程柴油机工作原理 18
3.3 Solidworks常用功能描述 20
3.4 柴油机水泵拆装 22
3.4.1 气缸套 22
3.4.2 曲柄连杆机构 23
3.4.3 配气机构与进排气系统 26
3.4.4 冷却系统 27
3.4.5 曲轴 27
3.5 SolidWorks零件建模 29
3.5.1 建模综述 29
3.5.2 典型产品的建模 31
3.5.3 零件的装配 32
3.6 Solidworks运动仿真 34
3.6.1 爆炸图制作 34
3.6.2 添加运动 38
3.7 视频录制 39
第四章 典型零件的数控加工 42
4.1 工艺规程设计 42
4.1.1 工艺及工序卡片 43
4.2 Mastercam辅助编程 44
4.2.1 Mastercam设置 44
4.2.2 Mastercam生成刀具路径及验证 44
4.2.3 Mastercam出NC程序并手动修改 45
4.3 数控系统仿真 46
4.3.1 毛坯设计 46
4.3.2 夹具设计 47
4.3.3 夹具安装 48
4.3.4 G-代码偏置 48
4.3.5 仿真加工 49
4.4 视频录制 51
第五章 CAI课件制作 52
5.1 视频制作 52
5.2 课件制作 54
结论与展望 56
致 谢 57
参 考 文 献 58
1.1 引言
随着相关科学与技术的发展，尤其是计算机科学应用技术的发展，进一步推动了设计方法及技术手段的现代化。典型产品三维造型和运动仿真实际上是多种技术的融合，它的发展与产品设计方法学、可视化技术、仿真技术、决策理论、装配和制造技术以及装配和制造设备的发展等紧密相关。通过对产品关键技术的分析讨论，提出了以SolidWorks创建的虚拟环境中实现虚拟拆装的方法，并根据这些方法实现了基于SolidWorks产品的虚拟拆装以及仿真，还可配合使用Mastercam进行数控程序的编制（简单操作使用手动编写更简单、快速），最后可将写完的程序导入Vericut（自己创建机床）调试后进行仿真加工。本次主要涉及柴油机的开发设计与其他工业设计一样，为了降低成本，缩短研发周期，人们在不断的探索和完善一种新的设计方法，即在虚拟环境中进行设计、制造，在虚拟环境中进行装配。在实验室中，通过对虚拟拆装过程和关键技术的分析，提出在以SolidWorks创建的虚拟环境中实现虚拟拆装的方法。从而对虚拟拆装平台有所掌握，和灵活的运用。
随着全球制造业市场的竞争不断加剧，哪家企业能以最短的时间、最低的成本、最高的质量、高效率地完成产品研发和生产便是最终的赢家！
近些年来，随着计算机技术的发展，计算机图形处理能力日益增强，以计算机为主要工具的仿真技术也迅速发展起来，并很快应用于工程领域。在计算机辅助下进行机械零件的设计、校核，并进行系统运动仿真己经逐渐成为机械设计的发展方向。
在传统的设计与制造过程中，首先是方案设计及论证，然后进行产品设计。在设计完成后，为了验证设计，通常要制造样机进行试验，有时这些试验甚至是破坏性的。当通过试验发现缺陷时，又要回头修改设计并再用样机验证。只有通过周而复始的设计一试验一设计过程，产品才能达到要求的性能。这一过程是冗长的，尤其对于结构复杂的系统，设计周期无法缩短，更不用谈对市场的灵活反应了。在大多数情况下，工程师往往为了保证产品按时投放市场而中断这一过程，使产品在上市时便有先天不足的毛病。在市场竞争的背景下，基于实际样机上的设计验证过程严重地制约了产品的质量的提高、成本的降低和对市场的占有。随着经济贸易的全球化，要想在竞争日趋激烈的市场上取胜，缩短开发周期，提高产品质量，降低成本以及对市场的灵活反应都已成为竞争者们所追求的运营方式，谁早推出产品，谁就占有市场。然而，传统的设计与制造方式却无法满足这些要求。
计算机运动仿真作为计算机仿真技术的一个重要分支，它汇集了计算机图形学、多媒体技术、实时计算技术、人机接口技术等多项关键技术。作为一门新兴的高技术，己经成为工程技术领域计算机应用的重要方向。尤其在航天、国防及其它大规模复杂系统的研制开发过程中，计算机运动仿真己经成为不可缺少的工具。借助于这项技术，工程师们可以在计算机上建立机械系统的虚拟模型，伴之以三维可视化处理，模拟其在现实环境下系统的运动和动力特性，并根据仿真的结果来精化和优化系统的设计。计算机运动仿真技术已经越来越成为人们代替或部分代替样机制作、工艺试验，以获取所需数据结果并最终完成对产品的性能测试及验证的有力技术手段。
1.2 国内外研究现状
随着三维CAD软件技术的日益成熟，市场的日益扩大，制造企业普遍认识到应用三维CAD软件是传统产业技术改造的必由之路。目前市场上主流的三维CAD软件如：UG(EDS公司)、Pro/E(PTC公司)、CATIA（IBM/Dassault公司）、SolidWorks等，其功能涵盖了三维造型、装配、分析仿真、虚拟制造和产品数据管理等方面，形成了三维CAD技术的高端应用市场，国内外的汽车、航天航空、造船和机床等行业均已全面采用上述三维CAD软件进行产品的设计和制造，国内如：西飞、航天三院、上汽、长安汽车、昆明机床厂、哈尔滨汽轮机厂、广西玉柴股份有限公司等也都采用了上述软件辅助设计生产。
计算机仿真技术是一项涉及多个学科领域的前沿技术，发达国家于20世纪80年代提出了相关概念，这项技术在过去的10年里获得了迅速发展并达到实用阶段。和一些先进国家相比，我国在这个领域还有一定差距，但已经引起了国家有关部门和科学家们的重视，九五规划、国家自然科学基金、国家高技术产业规划都把虚拟现实技术VR列入了研究项目。国内一些高校和研究部门在紧跟国际先进技术的同时，也积极投入到了这一领域当中，并且取得了一定的研究成果。
哈尔滨工业大学机械系在机构的三维运动仿真方面进行了不少研究，他们使用OpenGL开发的机构三维仿真软件成功地模拟出了一些常用机构的运动状态，并在此基础上加入了一些计算机辅助设计和分析的功能。该校计算机系成功地摹拟出了人的脸部动作，如表情的合成和唇动的合成。
浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发出了一套桌面虚拟建筑环境实时漫游系统，实现了立体视觉，同时提供的交互工具使系统的真实感达到了较高的水平。
北京航空航天大学计算机系着重研究了虚拟环境中物体物理特性的表示和处理，在虚拟现实的视觉接口方面开发出了部分软硬件，提供了用于飞行员训练的虚拟现实系统。
西安理工大学机械与精密仪器学院在基于Solid Works的二次开发方面也做了不少工作，开发了连杆机构和弧面分度凸轮的运动仿真软件。
综合国内外的研究现状，为了实现构件的造型和运动仿真，采用的方法归纳起来可分为三类：
(1)开发专业的运动软件，这种方法可以进行多种机构的运动仿真和运动学、动力学分析。这种方法的开发工作量大，开发周期长，开发的费用也很高，主要由专业的软件开发商来完成，具有代表性的软件有ADAMS。
(2)利用具有真实感的应用软件进行三维实体造型和运动仿真，通常使用的软件是OpenGL和3DS, OpenGL是Open Graphics Lib的缩写，它独立于硬件，独立于操作系统，包含有100多个图形函数，开发者可以通过这些函数建立三维模型。由于OpenGL包含的图形函数的数量和功能有限，目前尚不适合构造比较复杂的机械零件，应用于运动仿真领域的也仅限于简单机构;3DS是目前世界上应用最广泛的三维建模，动画，渲染软件，被广泛地应用于电视及娱乐业中，该软件功能强大，使用方便，但是造型结束后实体的形状和尺寸都不能被实时或交互更改，如果用于运动仿真就显得柔性不足。
(3)针对成熟软件的二次开发方法。这些成熟的软件包括AutoCAD(二维)、UG, Pro/E, Solid Works(三维)等，其中AutoCAD二次开发多用于平面图形，很少应用与三维实体造型，其余几种软件本身就是工程软件，对机械零件的造型能力很强，其二次开发的接口也比较成熟，开发具有很大的灵活性，二次开发的产品很多己经进入工程使用阶段。
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