基于集成机构的三维虚拟空间的机械设计方法

具体实施方式  本发明提供的机械设计方法及其三维集成机械设计系统，操作简捷、便于普及，具体操作步骤如下：

(1)在Microsoft Windows XP Professional版本2002 Service Pack 2操作系统和Visual Basic 6.0标准版语言开发环境下，启动本发明提供的机械设计方法及其三维集成机械设计系统的流程，按照图1所述步骤：打开三维集成机械设计系统的主界面，进入菜单栏目可以选择其中的虚拟集成单元空间、虚拟机械组装空间和虚拟机械运行空间。

(2)根据设计人脑中构思的三维机械形象，从系统主界面进入虚拟集成单元机构空间子菜单，在其中库存的十几类基本机械机构中选择一种或多种，或者调出用户设计保存于此的集成机构单元，并在该空间三维坐标体系中多视角显示观察它的三维虚拟图像；确认要组装机械吗？如是，则直接调用这些集成机构单元于虚拟机械组装空间进行装配；否则，就要用户依次确定：要改造集成机构单元吗？要校核机构自由度吗？要设计集成机构动画吗？如要，就须依次三维改造集成机构单元的形状与尺寸，校核集成机构自由度并多视角显示，设计集成机构动画并仿真演示；直至符合基本机械机构的设计要求为止，并予以确认和保存。

(3)将上述无须改造或必须改造的一种或多种集成机构单元的三维虚拟图像，从虚拟集成单元机构空间或通过系统主界面调入虚拟机械组装空间的三维坐标体系，调节其比例一致、彼此间连接件之间的三维方位一致，随后须用户依次确定：用来组合的三维基本机械机构及其连接构件之间相对尺寸合适吗？如合适就可以搭建组装人脑构思的三维整体机械，并多视角显示和观察其三维虚拟图像；对相对尺寸不合适的三维基本机械机构及其连接构件，须返回虚拟集成单元机构空间进行三维尺寸再改造；直至满足三维整体机械的组装要求为止，并予以确认和保存。

(4)将上述满足整体机械组装的三维虚拟图像通过主界面调入虚拟机械运行空间，须用户确认：机械自由度校核合适吗？机械自由度校核结果必须等于1，合格者才可以按机械运动副与自由度来进一步设计并演示三维动画；否则，校核机械自由度等于0或大于1时，须要改善机械运动副使机械自由度等于1，可以通过系统主界面将相关集成机构单元重新调入虚拟集成单元机构空间进行再改造。接着须用户确认：设计的三维动画符合机械运行条件吗？如符合就可以进行虚拟机械仿真运行演示，如不符合须按照机械运行参数调节三维动画参数，直至满足机械运行的设计要求为止，并予以确认和保存。

(5)在上述虚拟集成单元空间、虚拟机械组装空间和虚拟机械运行空间分别保存有用户选择或改造的三维基本机械机构以及标准件、常用件，有用户成功组装和正常运行的三维整体机械的虚拟图像。为在计算机视频上进一步绘制成传统的工程图样如零件图、装配图，还须用户依次确认：需要转变成基本视图吗？需要剖切图吗？如需要，则须将所有这些三维虚拟图像在其三维坐标体系中旋转聚缩某一维坐标而得到其他二维的基本视图，须将所有这些三维虚拟图像用平面切割得到其三维或二维的剖切图，如不需要可选择退出。

一种基于集成机构的三维虚拟空间的机械设计方法，其特征是：该方法通过安装在计算机中的三维集成机械设计系统来实现，该系统基于计算机视频的三维坐标体系，设置有虚拟集成单元空间、虚拟机械组装空间和虚拟机械运行空间。这三个空间三维坐标体系中显示的所有虚拟图像，非传统机械设计的二维装配图、零件图或平面简图，是经过勾画、消隐和渲染的仿真三维图像，是能够从不同视角方向(旋转空间三维坐标的方位)动态显示的三维图像。

所述虚拟集成单元空间预存有十几类通用(或用户新设计)的被本发明称作“集成机构单元”的三维基本机械机构以及标准件、常用件的三维虚拟图像，其中所有三维虚拟图像的形状、尺寸和位置非固定不变，是具有外形可以再造、尺寸可以伸缩、位置可以转移的三维可变图像；所有三维虚拟图像非静止的三维效果图，是遵照机构运动副约束条件设计的仿真运行的动画，并可以通过调节机构运动副约束参数改变其自由度；而且所有这些可变、能动的三维基本机械机构以及标准件、常用件的三维虚拟图像，随时可以单独或者同时被调用于虚拟机械组装空间。虚拟集成单元空间预存的三维基本机械机构主要包括：平面连杆机构、凸轮机构、齿轮传动机构，齿轮系与减速器、弹簧机构、链传动机构、螺纹传动机构、轴承机构，间歇运动机构、蜗杆传动机构、带传动机构、轴榖联接结构、联轴器和离合器等十几种通用三维基本机械机构，图2-图13列举了部分基本机械机构的三维虚拟图像。

所述虚拟机械组装空间，可以从虚拟单元机构空间调用用户选择或设计的各类三维基本机械机构以及标准件、常用件的三维虚拟图像，在其三维坐标体系中调节彼此比例、三维方位一致，搭建组装设计者脑中构思的三维整体机械，并多视角显示和观察其三维虚拟图像；如果用来组合的三维基本机械机构及其连接构件之间的相对尺寸不相吻合，可以返回虚拟单元机构空间加以改造，直至满足三维整体机械的组装要求为止。如图14a所示在虚拟机械组装空间进行装配的齿轮泵机械三维虚拟图像，其中一个齿轮尺寸显然不合适；图14b所示该齿轮返回虚拟单元机构空间再造的几种三维虚拟图像；图14c所示该齿轮经过相对尺寸调整在虚拟机械组装空间装配已经正常啮合；图14d与图14a相对照，所示在虚拟机械组装空间组装最终满足要求的齿轮泵机械三维虚拟图像。

所述虚拟机械运行空间，可以从虚拟机械组装空间调入满足组装要求的三维整体机械的三维虚拟图像，校核其机械自由度必须等于1，校核机械自由度等于0或大于1的三维整体机械的运动副构件须要通过该系统主界面，重新进入虚拟集成单元空间再改造，机械自由度合格者按机械的运动副和自由度来设计三维动画，达到虚拟仿真运行的演示效果，并观察三维动画是否符合机械设计要求的运行参数，不合者须调节三维动画参数，直至满足机械运行的设计要求为止。如图15a所示进入虚拟机械运行空间小型压力机的三维虚拟图像，其左边在缸体内来回移动的活塞是原动件，通过杠杆传力到右边缸体内欲作垂直运动的活塞是从动件，通过动画制作演示因为右边的活塞根本就不可能运动，校核其自由度F，可知该机械自由度F不合要求：

F＝3n-2P_L-P_H＝3×4-2×6-0＝0

式中n为可动件数目，P_L为低副(移动、转动副)数目，P_H为高副(齿轮、凸轮副)数目，其中n＝4，P_L＝6，P_H＝0；

如图15b所示该机构返回虚拟单元机构空间，在右边杠杆上加装一个移动兼转动副，在虚拟机械运行空间通过动画制作演示结果可行，校核其自由度F，可知该机构右边的活塞可以做唯一确定的垂直运动：

F＝3n-2P_L-P_H＝3×5-2×7＝1

式中n为可动件数目，P_L为低副(移动、转动副)数目，P_H为高副(齿轮、凸轮副)数目，其中n＝5，P_L＝7，P_H＝0。

下面列举几个具体机械设计实施例，进一步说明本发明所述的机械设计方法及其设计系统的应用。

实施例1虎钳的机械设计

虎钳的设计比较简单，其中螺杆(主动件)在钳身上螺孔的旋转，带动活动钳身(从动件)沿螺纹的轴向作渐进，使活动钳身的钳口向固定在钳身(机架)的另一半钳口压紧。因此首先从本发明的三维集成机械设计系统的虚拟集成单元空间中选择螺纹传动机构的三维虚拟图像(图9)：在螺孔的基础上扩展画出带有轴向滑轨的固定钳身，在螺杆的渐进端扩展画出螺钉固定的带有滑槽的活动钳身；其次将以上改造过的螺纹传动机构统调入到本发明三维集成机械设计系统的虚拟机械组装空间中进行螺纹机构的匹配，得到不同视角方向的虎钳三维虚拟图像(图16)；最后将设计好的钳口调入虚拟机械运行空间中实施螺纹旋转渐进的动画仿真设计，就再现了设计者的直观构思。

实施例2千斤顶的机械设计

与虎钳的设计过程类似，如图17所示千斤顶是基于螺纹机构扩展的另外一种利用本发明的三维集成机械设计系统的机械设计，从虚拟集成单元空间调来螺纹机构的虚拟构图(图9)在视频的虚拟机械组装空间中，当作旋转起重螺杆(主动件)，一头与底座(机架)上的螺孔配合作轴向升降运动，另一头通过螺钉与载物的顶盖(从动件)固接；为了省力，起重螺杆上开孔穿过旋转杆，加长了力臂。

由实施例1、2可以看出，本发明着眼于块与块的搭建和改造，设计者不必费力于各种各样的虚拟集成单元的设计，因为在虚拟单元机构空间中存储的各种各样的三维基本机械机构的集成块，还有大量的通用零件和常用构件，已经为设计者的构思预先准备好了“积木以及积木组成通用结构”的三维虚拟图像。

实施例3齿轮减速器的机械设计

从本发明的三维集成机械设计系统的虚拟集成单元空间可以直接调用齿轮传动机构的三维虚拟图像(图8)，关键是要根据齿轮转速比确定啮合齿轮的直径，图18所示利用本发明设计的齿轮减速器。

实施例4简易冲床的机械设计

设计者想利用匀速旋转的凸轮(原动件)，致使接触凸轮轮廓上的杠杆(从动件)作垂直方向往复运动，向下产生冲压力。因此需要从虚拟集成单元空间选择凸轮机构(图4)、杠杆机构及弹簧构件的三维虚拟图像调入虚拟机械组装空间；在虚拟机械组装空间，发现还需要返回虚拟集成单元空间设计一个在杠杆施力端用铰链连接的垂直向下的冲压杆(从动件)及其冲压座(机架)，设计固定杠杆的支点(机架)、固定凸轮的转轴(机架)，这些固定件都可以设计在一个整体床身(机架)上，最后完成了三维虚拟机械的组装(图19)。在虚拟机械运行空间设计动画，发现整个机械无法运动，在视频三维空间直观分析发现杠杆施力端是圆弧轨迹的往复运动，而用铰链与之连接的冲压杆须要上下作垂直方向的运动(与床身圆柱孔配合)，路径不一必然卡死，校核自由度为零：

F＝3n-2P_L-P_H＝3×3-2×4-1＝0

式中n为可动件数目，P_L为低副(移动、转动副)数目，P_H为高副(齿轮、凸轮副)数目，其中n＝3，P_L＝4，P_H＝1；

为解决这个问题，在杠杆施力端铰链处增加一个移动副，即使圆弧轨迹的往复运动改变为垂直方向的运动，校核自由度为1，就满足了设计要求：

F＝3n-2P_L-P_H＝3×4-2×5-1＝1

式中n为可动件数目，P_L为低副(移动、转动副)数目，P_H为高副(齿轮、凸轮副)数目，其中n＝4，P_L＝5，P_H＝1。

可以看出本发明有利于设计者在视频上直观分析满足“从动件须作唯一确定运动”的要求，将抽象的自由度校核变得形象化。

实施例5单杠内燃机的机械设计

图20a所示单杠内燃机传统的设计运动简图，它主要是由三种基本机构组成的机械，其中有：机构曲柄滑块机构(活塞1为原动件，连杆2、曲柄3为从动件，汽缸8为机架)、齿轮机构(与曲柄固连的齿轮4为输入构件，齿轮5为从动件、汽缸8为机架)、凸轮机构(与齿轮5固连的凸轮6为输入件，汽阀顶杆7为从动件，汽缸8为机架)。

图20a所示运动简图不能直观、形象和动态地体现设计者头脑中构思的单杠内燃机的运动形态。在计算机视频上启动本发明三维集成机械设计系统，从虚拟集成单元空间调出曲柄滑块机构、齿轮机构和凸轮机构(图3、图6和图4)，进入虚拟机械组装空间进行组装，并注意在此空间设计制作一个统一的汽缸作为机架，最后进入虚拟机械运行空间考核机械自由度、设计运行动画，就轻而易举完成了单杠内燃机的机械设计。图20b所示采用本发明方法及其系统设计的单杠内燃机三维虚拟机械的三维动画截图(剖视图)，图20c所示不同视角方向的单杠内燃机三维虚拟图像(剖视图)。其三维虚拟图像以动画形式进行演示，生动而清晰地再现了设计者脑中模糊的构思。其自由度运算结果为：

F＝3n-2P_L-P_H＝3×5-2×6-2＝1

式中n为可动件(活塞、曲柄、连杆-齿轮、凸轮-齿轮、顶杆)数目，P_L为低副(转动副4，移动副2)数目，P_H为高副(凸轮、齿轮副各1)数目，其中n＝5，P_L＝6，P_H＝2。