時間：2022-09-11 01:44:09
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，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篇虛擬樣機技術論文，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
關鍵詞：破碎錘的組成；工作裝置傳統設計方法；CAX及軟件；多體動力學理論
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、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步，1986年韓國水山重工推出了液壓破碎錘，韓國相繼出現了很多品牌。
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公司設計、生產的破碎錘。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被廣泛應用于公路再建、市政拆除、礦山、采石、隧道、水下作業等工程建設領域。
..本文所研究的液壓破碎錘是在單斗反鏟型液壓挖掘機上改裝的，將液壓挖掘機上的鏟斗改裝成液壓錘。因此總體結構包括動力裝置、工作裝置、回轉機構、操縱機構、傳動系統、行走機構和輔助設備等。常用的全回轉式液壓挖掘機的動力裝置、傳動系統的主要部分、回轉機構、輔助設備和駕駛室等都安裝在可回轉的平臺上，通常稱為上部轉臺。因此又可將液壓破碎錘概括成工作裝置、上部轉臺和行走機構等三部分。.
二、工作裝置設計方法
1． 工作裝置傳統設計方法
我國工程機械發展與國外相比相對較晚、較慢，技術水平整體較低。工作裝置的傳統設計方法在設計歷史中起到了主要作用。對于工作裝置的設計方面國內外研究的情況大致是：
(1) 圖解設計法；(2) 基于平移性的作圖法；(3)解析法；(4) 綜合圖解設計法；(5) 優化設計方法，以上設計方法基本上遵循一般連桿機構的位置綜合原則，側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，平移性與自動放平性，動力性與自動放平性之間的矛盾關系未能綜合分析，只是滿足單個性能的要求，無法達到全局最優。總之，這些方法都是基于二維平面上進行的。對于工作裝置干涉問題、運動學、動力學等問題不可能很好的解決，也不可能直觀的表現出來。
近年來隨著計算機技術的發展，在工作裝置設計上出現了基于虛擬樣機技術的工作裝置設計。例如吉林工業大學、大連理工大學和洛陽拖拉機廠等利用虛擬樣機技術不但研究了工作裝置的運動學、動力學特性，而且對其進行了優化設計，但是它們不是對模型進行了大量的簡化，就是只局限于對剛體情況下工作裝置虛擬樣機的研究。
本論文是在全面分析液壓破碎錘工作裝置的基礎上，建立工作裝置的虛擬樣機模型，在虛擬環境下模擬物理樣機的運動狀況，快速分析各種設計方案，進行輔助設計、參數化設計和優化設計，幫助設計人員完成以前需經數次物理樣機才能完成的實驗研究。
2． CAX技術及其軟件
由文獻可知，CAX技術是虛擬樣機技術的基礎技術平臺。一般意義的CAX技術主要指CAD、CAPP、CAM、CAE、CAQ等，限于篇幅，本文主要闡述CAD/CAE技術及其軟件。
目前，工程設計中常用的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。各個三維CAD軟件當前的最新版本是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并進行不同作業工況下的動態模擬。
所謂CAE即Computer Aided Engineering（計算機輔助工程）是指工程設計中的分析計算與分析仿真，具體包括工程數值分析、結構與過程優化設計、強度與壽命評估、運動及動力學仿真。工程數值分析用來分析確定產品的性能；結構與過程優化設計用來保證產品功能、工藝過程的基礎上，使產品、工藝過程的性能最優；結構強度與壽命評估用來評估產品的精度設計是否可行，可靠性如何以及使用壽命為多少；運動及動力學仿真用來對CAD建模完成的虛擬樣機進行運動學仿真和動力學仿真。從過程化、實用化技術發展的角度看，CAE的核心技術為有限元技術與虛擬樣機的運動及動力學仿真技術。
目前工程實際中應用較多的CAE軟件有ANSYS、MATLAB、ADAMS、ALGOR等。各個軟件的最新版本是ANSYS 8.0、MATLAB 8.5、ADAMS 2005、ALGOR V17等。
本文采用MSC.ADAMS軟件進行液壓破碎錘工作裝置虛擬樣機的仿真研究。
3． 多體動力學理論
多體系統動力學包括多剛體動力學和多柔體系統動力學，是研究多體系統（一般由若干柔性和剛性物體相互連接所組成）運動規律的科學[17]。
多體系統動力學的核心問題是建模和求解問題，其系統研究開始于20世紀60年代。從60年代到80年代，側重于多剛體系統的研究，主要是研究多剛體系統的自動建模和數值求解；到了80年代中期，多剛體系統動力學的研究已經取得一系列成果，尤其是建模理論趨于成熟，但更穩定、更有效的數值求解方法仍然是研究的熱點；80年代之后，多體系統動力學的研究更偏重于多柔體系統動力學，這個領域也正式被稱為計算多體系統動力學，它至今仍然是力學研究中最有活力的分支之一，但已經遠遠地超過一般力學的涵義。多體系統動力學的根本目的是應用計算機技術進行復雜機械系統的動力學分析與仿真。
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的構建流程
本文液壓破碎錘工作裝置虛擬樣機的建立主導思想是：根據液壓破碎錘工作裝置的試制圖紙，在Pro/ENGINEER中進行三維實體建模，通過虛擬裝配，建立工作裝置的三維模型，然后添加適當的約束以及驅動，使之成為一個虛擬機構。其構建流程如圖2-1所示。
圖2-1虛擬樣機的構建流程
2． 液壓破碎錘工作裝置的研究體系
通過查閱相關文獻，基于以設計為中心的先進制造技術理論，可以得到，液壓破碎錘工作裝置的虛擬樣機研究是一個龐大的系統工程。本文的研究內容―液壓破碎錘工作裝置的虛擬樣機研究只是其中的一部分，只涉及到了工作裝置的運動學分析、動力學分析、結構分析的前處理以及工作裝置虛擬裝配的部分內容。
論文摘要:介紹了機械零部件結構可靠性虛擬疲勞設計的軟件及疲勞壽命預測方法。根據斷裂力學理論和虛擬疲勞預測方法，利用系統動力學軟件adams模擬42crmo硬齒面齒輪加工過程，分析了對應的疲勞載荷譜，得到了齒輪應力壽命s一n曲線。
1、引言
機械產品全壽命設計是衡量產品設計水平先進與否的重要指標，現代設計過程迫切需要通過工程分析手段預測產品的結構可靠性。近年來研究人員試圖將虛擬設計思想更多地融人到復雜機械產品的結構可靠性設計中，借助工程分析軟件對計算機中虛擬的產品樣機進行應力分布、疲勞壽命和可靠性設計等，大大提高了可靠性設計水平。
利用國外先進有限元軟件豐富的試驗數據，應用項目組成員進行的42crmo硬齒面齒輪的彎曲疲勞可靠性試驗及資料，提出該硬齒面齒輪的結構可靠性虛擬疲勞設計方法，由虛擬零部件疲勞工作的情況快捷地得到應力一壽命(s一n)曲線，推知其疲勞壽命大樣本，以供可靠性分析設計使用。
2、結構可靠性虛擬疲勞設計方法
2.1結構可靠性虛擬疲勞設計軟件
進行產品零部件結構可靠性虛擬疲勞設計首先需要構造產品虛擬樣機，目前國內外比較成熟實用的樣機幾何造型cad軟件有autocad, pro/e等，同時還有可以進行各種系統仿真分析的多體運動學、動力學軟件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品結構進行應力分析、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，考慮虛擬環境的cfx及fluent。近年來，樣機的運動、動力學及疲勞分析技術正處于逐漸深人和系統化階段，但有許多重要內容要填補，如虛擬環境的融入、幾何造型、動力學、疲勞分析技術的集成及開放式。
2.2疲勞壽命預測方法
多年來人們發展了各種疲勞壽命預測方法，其中名義應力壽命法(s-n法)、局部應變法(e-n法)與基于斷裂力學理論的疲勞裂紋擴展壽命方法，已成為三種經典的疲勞壽命預測方法。
(1)名義應力壽命法(s-n法)
名義應力壽命法通常稱為總壽命法。該方法用于構件總壽命的預測，是以材料或零部件的疲勞壽命曲線為基礎的。該方法可以考慮構件表面加工和表面處理對其疲勞壽命的影響，也可以考慮構件焊縫的疲勞壽命，適用于低應力高周疲勞問題。
(2)局部應變法(e-n法)
局部應變壽命法通常稱為裂紋萌生法。該方法用于預測構件的裂紋萌生壽命。它應用了材料的“記憶特性”，計人了名義應力無法計及的載荷循環順序的影響，使壽命估算結果更接近實際情況，適用于高應變低周疲勞問題。
(3)疲勞裂紋擴展壽命方法
基于斷裂力學理論的疲勞裂紋擴展壽命方法主要用于預測構件從裂紋產生到發生破壞的疲勞壽命。該方法結合模擬材料微觀結構變形的數值方法，是數值模擬斷裂的主要發展方向之一。
3、在硬齒面齒輪彎曲疲勞試驗中的應用
根據項目要求對42crmo材質的硬齒面齒輪進行了彎曲疲勞可靠性全壽命試驗，試驗在機械部機械科學研究院英國產instron1603型電磁諧振疲勞試驗機上進行。采用4級應力水平，即作4組不同應力的輪齒全壽命大樣本試驗，得到了硬齒面齒輪定壽命下的r-s-n曲線(見圖4中實線部分)。本文以此試驗為研究基礎，進行42crmo硬齒面齒輪的結構可靠性虛擬疲勞設計和試驗，得到了虛擬試驗的各應力水平下疲勞壽命數據，即s-n曲線。
3.1三維幾何造型設計
三維cad軟件為構造精準的零部件虛擬幾何造型設計打下軟件基礎。42crmo硬齒面齒輪是斜齒圓柱齒輪按漸開線形成的，為從齒輪的造型機理開始就嚴格遵循漸開線齒面生成和加工機理，應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，開發出以法平面標準漸開線齒形為基準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計的依據之一。因此，掌握載荷譜的變化規律是進行壽命設計的先決條件。通常，載荷譜是由現場數據采集并經數據處理與統計分析獲得。現場采集的載荷時間歷程具有很大的隨機性，并且因現場各種因素如開關信號、電磁干擾等影響，會造成原始信號記錄失真，出現偽信號。齒輪結構所承受的疲勞載荷，實際上是一連續的隨機過程，借助動力學分析軟件adams平臺，可直接給出機械構件在整個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構可靠性虛擬疲勞設計的基礎。
3.3有限元分析軟件中的應力分析
建立一對輪齒的有限元模型并進行網格劃分，模型主要為六節點五面體單元，單元總數為63359個，節點總數為15213個。這樣有利于單元自動生成，有利于提高計算精度。有限元計算中，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)分析計算出隨機動載荷譜下輪齒在嚙合過程中最大動應力齒輪的位置、數值及周期。
3.4基于斷裂力學的疲勞裂紋壽命預測
斷裂力學是在承認裂紋存在的前提下進行疲勞強度計算(即微裂紋形成忽略)，失效判據是裂紋擴展到臨界尺寸時發生疲勞斷裂，應力強度因子幅度可用以下關系表示
對裂紋半長a的積分求出裂紋擴展的應力循環次數，即疲勞壽命。計算n時，應力強度因子幅}k、裂紋初始半長a1、裂紋半長極限值a2由式(1)計出。其中:c為與材料有關的系數，a為幾何效應因子，山為復應力變化范圍。
3.5虛擬試驗結果分析
以實作齒輪試驗的4級應力水平作虛擬疲勞試驗，求得各應力水平下的疲勞壽命數據，這樣可用最小二乘法得出待試驗材料齒輪的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所作的s一n曲線，試驗中取5個壽命水平n= 0.5 x 1護，1.0 x 1護，1.5 x 1護，2.0 x 1護，2.5 x 1護的應力分布。與圖4中實線部分的實作齒輪試驗s一n曲線對比可知，虛擬試驗得到的s一n曲線與實際齒輪高可靠度下的s一n曲線比較接近，有一定的參考價值。
4、結語
(1)采用全壽命成組試驗法得到產品的全壽命概率分布依據的是大樣本試驗，因此解決復雜機電系統使用期限內無故障的全壽命設計具有極高的經濟價值和十分深遠的應用前景。全壽命設計已成為衡量一個國家機電產品設計水平先進與否的重要指標，只有攻克使零部件全壽命試驗與環境相容這一難題，才能更好地發揮全壽命設計對國民經濟發展的促進作用，迅速把我國的可靠性設計水平提高到主動可靠性設計的國際前沿水平。
摘要：在機械設計中引入CAD技術,可以解決機械企業中重復性設計多、信息資源利用率低的難題,縮短產品開發周期,具有巨大的經濟效益和應用前景。
關鍵詞：機械設計；CAD技術
1CAD技術的發展
CAD(ComputerAidedDesign)是計算機輔助設計的英文縮寫，是利用計算機強大的圖形處理能力和數值計算能力，輔助工程技術人員進行工程或產品的設計與分析，達到理想的目的，并取得創新成果的一種技術。自1950年計算機輔助設計（CAD）技術誕生以來，已廣泛地應用于機械、電子、建筑、化工、航空航天以及能源交通等領域，產品的設計效率飛速地提高。現已將計算機輔助制造技術（Com-puterAidedManufacturing，CAM）和產品數據管理技術（ProductDataManagement，PDM）及計算機集成制造系統（ComputerItegratedmanufacturingsystem，CIMS）集于一體。
產品設計是決定產品命運的研究，也是最重要的環節，產品的設計工作決定著產品75%的成本。目前，CAD系統已由最初的僅具數值計算和圖形處理功能的CAD系統發展成為結合人工智能技術的智能CAD系統（ICAD）(IntelligentCAD)。21世紀，ICAD技術將具備新的特征和發展方向，以提高新時代制造業對市場變化和小批量、多品種要求的迅速響應能力。
以智能CAD（ICAD）為代表的現代設計技術、智能活動是由設計專家系統完成。這種系統能夠模擬某一領域內專家設計的過程，采用單一知識領域的符號推理技術，解決單一領域內的特定問題。該系統把人工智能技術和優化、有限元、計算機繪圖等技術結合起來，盡可能多地使計算機參與方案決策、性能分析等常規設計過程，借助計算機的支持，設計效率有了大大地提高。
2三維CAD技術在機械設計中的優點
通過實際應用三維CAD系統軟件,筆者體會到三維CAD系統軟件比二維CAD在機械設計過程中具有更大的優勢,具體表現在以下幾點:
2.1零件設計更加方便
使用三維CAD系統,可以裝配環境中設計新零件,也可以利用相鄰零件的位置及形狀來設計新零件,既方便又快捷,避免了單獨設計零件導致裝配的失敗。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候,可清楚地看到內部的裝配結構。整個機器裝配模型完成后還能進行運動演示,對于有一定運動行程要求的,可檢驗行程是否達到要求,及時對設計進行更改,避免了產品生產后才發現需要修改甚至報廢。
2.3縮短了機械設計周期
采用三維CAD技術,機械設計時間縮短了近1/3,大幅度地提高了設計和生產效率。在用三維CAD系統進行新機械的開發設計時,只需對其中部分零部件進行重新設計和制造,而大部分零部件的設計都將繼承以往的信息,使機械設計的效率提高了3~5倍。同時,三維CAD系統具有高度變型設計能力,能夠通過快速重構,得到一種全新的機械產品。
2.4提高機械產品的技術含量和質量
由于機械產品與信息技術相融合,同時采用CADCIMS組織生產,機械產品設計有了新發展。三維CAD技術采用先進的設計方法,如優化、有限元受力分析、產品的虛擬設計、運動方針和優化設計等,保證了產品的設計質量。同時,大型企業數控加工手段完善,再采用CAD/CAPP/CAM進行機械零件加工,一致性很好,保證了產品的質量。
3CAD技術在機械設計中的應用
3.1零件與裝配圖的實體生成
3.1.1零件的實體建模。CAD的三維建模方法有三種,即線框模型、表面模型和實體模型。在許多具有實體建模功能的CAD軟件中,都有一些基本體系。如在AutoCAD的三維實體造型模塊中,系統提供了六種基本體系,即立方體、球體、圓柱體、圓錐體、環狀體和楔形體。對簡單的零件,可通過對其進行結構分析,將其分解成若干基本體,對基本體進行三維實體造型,之后再對其進行交、并、差等布爾運算,便可得出零件的三維實體模型。
對于有些復雜的零件,往往難以分解成若干個基本體,使組合或分解后產生的基本體過多,導致成型困難。所以,僅有基本體系還不能完全滿足機器零件三維實體造型的要求。為此,可在二維幾何元素構造中先定義零件的截面輪廓,然后在三維實體造型中通過拉伸或旋轉得到新的“基本體”,進而通過交、并、差等得到所需要零件的三維實體造型。
3.1.2實體裝配圖的生成。在零件實體構造完成后,利用機器運動分析過程中的資料,在運動的某一位置,按各零件所在的坐標進行“裝配”,這一過程可用CAD軟件的三維編輯功能實現。
3.2模具CAD/CAM的集成制造
隨著科學技術的不斷發展,制造行業的生產技術不斷提高,從普通機床到數控機床和加工中心,從人工設計和制圖到CAD/CAM/CAE,制造業正向數字化和計算機化方向發展。同時,模具CAD/CAM技術、模具激光快速成型技術(RPM)等,幾乎覆蓋了整個現代制造技術。
一個完整的CAD/CAM軟件系統是由多個功能模塊組成的。如三維繪圖、圖形編輯、曲面造型、仿真模擬、數控加工、有限元分析、動態顯示等。這些模塊應以工程數據庫為基礎,進行統一管理,而實體造型是工程數據的主要來源之一。
3.3機械CAE軟件的應用
機械CAE系統的主要功能是:工程數值分析、結構優化設計、強度設計評價與壽命預估、動力學/運動學仿真等。CAD技術在解決造型問題后,才能由CAE解決設計的合理性、強度、剛度、壽命、材料、結構合理性、運動特性、干涉、碰撞問題和動態特性等。
4CAD前沿技術與發展趨勢
4.1圖形交互技術
CAD軟件是產品創新的工具,務求易學好用,得心應手。一個友好的、智能化的工作環境可以開拓設計師的思路，解放大腦，讓他把精力集中到創造性的工作中。因此,智能化圖標菜單、“拖放式”造型、動態導航器等一系列人性化的功能，為設計師提供了方便。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也正在研究之中。
4.2智能CAD技術
CAD/CAM系統應用逐步深入,逐漸提出智能化需求.設計是一個含有高度智能的人類創造性活動。智能CAD/CAM是發展的必然方向。智能設計在運用知識化、信息化的基礎上，建立基于知識的設計倉庫,及時準確地向設計師提品開發所需的知識和幫助,智能地支持設計人員，同時捕獲和理解設計人員意圖、自動檢測失誤，回答問題、提出建議方案等。并具有推理功能,使設計新手也能做出好的設計來,現代設計的核心是創新設計,人們正試圖把創新技法和人工智能技術相結合應用到CAD技術中,用智能設計、智能制造系統去創造性指導解決新產品、新工程和新系統的設計制造,這樣才能使我們的產品、工程和系統有創造性。
4.3虛擬現實技術
虛擬現實技術在CAD中已開始應用,設計人員在虛擬世界中創造新產品,可以從人機工程學角度檢查設計效果,可直接操作模擬對象,檢驗操作是否舒適、方便,及早發現產品結構空間布局中的干涉和運動機構的碰撞等問題,及早看到新產品的外形,從多方面評價所設計的產品.虛擬產品建模就是指建立產品虛擬原理或虛擬樣機的過程.虛擬制造用虛擬原型取代物理原型進行加工、測試、仿真和分析,以評價其性能,可制造性、可裝配性、可維護性和成本、外觀等,基于虛擬樣機的試驗仿真分析,可以在真實產品制造之前發現并解決問題,從而降低產品成本.虛擬制造、虛擬工廠、動態企業聯盟將成為CAD技術在電子商務時代繼續發展的一個重要方向.另外,隨著協同技術、網絡技術、概念設計面向產品的整個生命周期設計理論和技術的成熟和發展,利用基于網絡的CAD/CAPP/CAM/PDM/ERP集成技術,實現真正的全數字化設計和制造,已成為機械設計制造業的發展趨勢。
參考文獻
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論文摘要：論述了基于虛擬產品設計模式和虛擬環境的產品創新設計、人機工程分析、形態組構、設計管理等產品造型設計方法的應用，認為在 現代 工業設計中運用虛擬現實技術，將極大地加快產品設計周期，降低產品開發的成本，對工業設計方法的創新有著巨大影響。
0 引言
虛擬現實 vr (virtual reality)是一種高度逼真的模擬人在 自然 環境 中的視 、聽、動等行為 的人機界面。 簡單地說，是一種可 以創建和體驗虛擬世界的 計算 機系統。虛擬現實技術是 20世紀末興起的一 門新的綜合性信息技術 ，它融合了計算機圖形學、多媒體技術 、人工智能、人機接口技術 、數字圖像處理 、 網絡 技術 、傳感器技術及高度并行的實時計算等技術，它不僅指那些戴著頭盔和手套的技術，而且還包括一切與之有關的具有 自然模擬、逼真體驗的技術和方法 ，它的根本目標就是達到真實體驗和基于 自然技能的人機交互。
工業設計是建立在 科學 技術基礎之上 ，以賦予工業產品 藝術 性為目的的一項感性思維和理性思維相互融合的工作。工業設計的程序有具體的方法和整體的戰略進行指導和支持，不同國家、不同時期面對不同的設計對象時，工業設計的程序與方法也是各不相同，大體上有以下幾種：創新設計法 、人機工程學法 、形態組構法 、系統設計方法 、caid方法 、價值工程與價值創新法、設計管理法等 。將虛擬現實技術引入工業設計中，在設計的各個階段利用虛擬數字模型方便快速地進行各種調查和試驗，可以取得適用面更廣、更接近真實狀態的試驗數據。同時，建立在實驗基礎上的產品設計工作將更具科學性和客觀性，給工業設計的方法論 以新的理念。
1 虛擬現實技術在國內外研究的現狀
1．1 國外的研究情況
隨著虛擬技術的不斷成熟與 發展 ，一些發達國家已經在很多領域 中應用了虛擬設計 ，也成立了許多與虛擬技術相關的實驗室、課題組，其中著名的有美 國貝卡羅來那大學(unc)的計算機系 ，其主要的研究課題是物理建模與仿真項目和建筑漫游項 目，此外還有美 國的密歇根大學虛擬現實實驗室，主要研究 vr在轎車車身設計中的應用以及虛擬現實技術在產品開發中的應用。瑞士蘇黎士理工大學計算機圖形實驗室主要的研究課題包括動畫與虛擬平臺、協同虛擬環境 (collaborative virturalenvironment)等。美國宇航局(nasa)的ames研究中心利用流行的液晶現實技術和其它零部件研制出了虛擬飛行器，彌補了飛行模擬器成本過高的不足。美國麥道飛機公司采用沉浸式的虛擬現實系統進行新型號發動機的輔助設計。
1．2 國內的研究現狀
相對于國外虛擬設計的發展。國內虛擬技術的研究和應用還比較落后。自20世紀 80年代 vr技術開始起步以來，至今我國在 vr的基礎圖形技術領域 已經具備了堅實的基礎。據不完全統計，目前全國已有 34家科研機構、高等院校和 企業 正在開展虛擬制造技術的研究、開發及初步的示范應用工作 ，有 4家企業參與了這種新的探索，其主要的研究內容包括：① 產品的虛擬設計；② 熱加工工藝模擬；③加工過程、裝配過程的仿真；④ 虛擬軸機床和虛擬量儀的研制和開發；⑤虛擬企業。總體來看，我國虛擬制造技術的研究多數 是在原先的cad／cam 及仿真技術的基礎上進行，而系統 、全面的虛擬制造技術的研究尚未開展，還很少能將成熟的虛擬技術應用到實際開發中，尤其在產品的創新設計中，虛擬技術還未發揮出它應有的作用，應用水平遠落后于發達國家。由此來看，我國重視產品設計水平的提升，將虛擬技術應用到設計領域已成為當前國內產品開發的重要環節。
2 基于虛擬現實技術的工業設計方法
2．1 創新設計法
創新是工業設計 的靈魂所在。當代社會 經濟 條件下 ，市場產品沒有創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勝。在當今全新 的經濟背景下，設計創新將引導消費、把握機遇，成為決定產品生命力的重要條件之一，以思維創新、行為創新、方式創新為核心的工業設計將在企業產品開發過程中扮演著舉足輕重的角色。如圖 1、2所示 ，在傳統 的工業設計中，人們一直沿用著平面 圖來表達設計思想。即使應用計算 機三維 軟件，最終也只能得到某個視角的立體效果圖，難以真實完整地表達 出設計者的意圖。而基于虛擬現實技術的工業設計方法將 以數字化的三維模型作為設計思想的載體，全面表達設計者的意圖。人們可以根據自己的需要任意放大、旋轉模型 ，主動索取信息，從而實現工業設 計由 面表達 向體表達 的突破 ，使設計師有更充裕 的時間來考慮設計的細節 問題這無疑對工業設計的方法創新帶來了革命性的沖擊如圖 3所示。
此外 ，虛擬現實技術與網絡技術的結合，將可以構建一個全新的開放式設計平臺，以三維數字化模型作為設計思想的載體 ，全面表達設計者的意圖。打破地域限制，實現用戶與設計 、開發人員的良好溝通和互動。
2．2 基于虛擬現實技術的產品人機工程分析
(1)人機工程學參數的采集與分析。傳統的人機工程學在參數的采集和分析中存在諸多問題：①采樣數量 、測量和數據分析的工作量均很大，且成本高 、周期長；②無法進行動態修訂；③缺乏對于企業具體產品的針對性；④參數多為二維模型。若在具體的采集和分析中使用三維掃描技術 (獲取靜態三維數據 )、 動作捕捉技術 (獲取動作特征數據)，即可生成虛擬被試三維動態數字模型 。這些數字模型在被更新前一直可以 “活在”虛擬現實技術平臺上，通過對虛擬被試三維動態數字模型的關鍵點控制 ，實現實時數據的不斷更新。 (2)虛擬人機工程設計與評價 。虛擬人機工程設計借助于虛擬樣機 (virtual prototype)系統進行設計 ，故也稱其為虛擬人機工程學環境。設計人員和不同技術背景的人可以直觀地觀察到各種虛擬人體三維數字模型的實時情況，精確研究產品的人機工程學參數 ，直接與設計的產品進行交互，并評價產品的性能。
在傳統產品設計的人機系統中，人是操作者 ，機器只是被動的反應 ，而在虛擬產 品設計的人機系統中，人成為主動參與者 ，復雜系統中可能有許多參與者共同在以計算機網絡系統為基礎的虛擬環境中協同工作。在基于人機工程的傳統產品設計中，人機分析和評價必須是在產品設計完成后的樣機模型中或者在試制的產品中進行．而在基于人機工程的虛擬產品設計中，人機設計分析評價又是在產品設計的過程中可以同時進行，也可與產品使用者進行各種實時的交互。
如圖 4所示．基于人機工程的傳統產品設計的人機評價是在樣品試制后才進行，若人機評價結果達不到要求 ，就需要進行重新設計 和樣 品試 制 ，再進行人機評價，這樣反復循環指導方能達到要求，這種評價方式既浪費時間又耗費資源。而圖 5基于人機工程的虛擬產品設計全過程采用協 同并行式，人機設計 、人機仿真和人機評價實現交互式。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 的節省 了時 間和資原，也加快 企業 新產品的開發進程。
2.3形態組構法
有研究表明，“看”是人類五種感覺中最為重要的感覺，因此，形態與色彩在設計中占據著尤為關鍵的地位。嶄新符號的合理創造，依賴于深入觀察理解生活與 自然 形態，及隨后進行的創造性抽象思維活動。這里需要強調的是，通過對自然的學習、研究、分析，進一步升華創造出富有生命力的形態這一過程，必須遵循 科學 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勁的沖擊力，而整體的外形設計不僅有傳統電錘的風格，更有本款造型個性設計的明顯特征；錘前端典型的電錘圓鼓造型構成了錘的共有特征，但也被賦予了更明確的時尚個性，線條形式隨錘體輕微向外彎曲，以至前端產生運動感，海魚般的外形與原有造型相比更是有著大膽的突破，但那正體現了電錘靈活的運動特征。在采用虛擬現實技術進行本產品的造型設計時，設計師借助于freeform系統，依照科學的方法從虛擬立體的觀察和人機交互中不斷進行深入分析研究，見圖6，找出形態變化的一般 規律 ，使其在固有的限定條件下自如地進行聯想、抽象與創造，把思維與創造力帶入一個“美的自由王國”。
2.4設計管理法
設計管理常以并行工程為模式[7]，設計過程引入虛擬現實，將使參與產品開發的所有專業人員可采用并行工作模式系統地將市場需求、工藝制造水平、裝配、維修、產品推廣等來實現協同工作。圖6所示的freeform建模系統即可以在設計過程中滿足直觀交流這一要求，設計師利用力反饋輸入設備進行模型的塑造，也可在原來產品的基礎上進行不斷地修改，并在短時間內完成新的概念模型。為了讓更多的專業人員參與到設計中，還可利用增強式虛擬現實系統，在真實的環境中增加虛擬物體、裝飾、結構部件，改變樣式，將信息與生產準備階段的反饋信息相結合,選出最后方案。基于虛擬現實技術的設計管理能很好地遵循“賦予工作的喜悅”的理念,設計中注重理性因素的表達，使設計更加大膽地運用前衛個性的動物外觀形態的處理手法，將產品的目標市場牢牢抓住，本文電錘產品便是作者為無錫銳克電動工具有限公司進行設計的典型范例。目前電錘產品包括八個系列，在虛擬設計中能感悟到該品牌的每一款產品，設計集個性、高性能、完美美學和實用樂趣于一身，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美，及至高境界的精神美。
論文摘要：在機械設計中引入CAD技術，可以解決機械企業中重復性設計多、信息資源利用率低的難題，縮短產品開發周期，具有巨大的經濟效益和應用前景。
1 CAD技術的發展
CAD(Computer Aided Design)是計算機輔助設計的英文縮寫，是利用計算機強大的圖形處理能力和數值計算能力，輔助工程技術人員進行工程或產品的設計與分析，達到理想的目的，并取得創新成果的一種技術。自1950年計算機輔助設計（CAD）技術誕生以來，已廣泛地應用于機械、電子、建筑、化工、航空航天以及能源交通等領域，產品的設計效率飛速地提高。現已將計算機輔助制造技術（Com-puter Aided Manufacturing，CAM）和產品數據管理技術（Product Data Management，PDM）及計算機集成制造系統（Computer Itegrated manufacturing system，CIMS）集于一體。
產品設計是決定產品命運的研究，也是最重要的環節，產品的設計工作決定著產品75%的成本。目前，CAD系統已由最初的僅具數值計算和圖形處理功能的CAD系統發展成為結合人工智能技術的智能CAD系統（ICAD）(Intelligent CAD)。21世紀，ICAD技術將具備新的特征和發展方向，以提高新時代制造業對市場變化和小批量、多品種要求的迅速響應能力。
以智能CAD（ICAD）為代表的現代設計技術、智能活動是由設計專家系統完成。這種系統能夠模擬某一領域內專家設計的過程，采用單一知識領域的符號推理技術，解決單一領域內的特定問題。該系統把人工智能技術和優化、有限元、計算機繪圖等技術結合起來，盡可能多地使計算機參與方案決策、性能分析等常規設計過程，借助計算機的支持，設計效率有了大大地提高。
2 三維CAD技術在機械設計中的優點
通過實際應用三維CAD系統軟件，筆者體會到三維CAD系統軟件比二維CAD在機械設計過程中具有更大的優勢，具體表現在以下幾點:
2.1 零件設計更加方便
使用三維CAD系統，可以裝配環境中設計新零件，也可以利用相鄰零件的位置及形狀來設計新零件，既方便又快捷，避免了單獨設計零件導致裝配的失敗。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候，可清楚地看到內部的裝配結構。整個機器裝配模型完成后還能進行運動演示，對于有一定運動行程要求的，可檢驗行程是否達到要求，及時對設計進行更改，避免了產品生產后才發現需要修改甚至報廢。
2.3 縮短了機械設計周期
采用三維CAD技術，機械設計時間縮短了近1/3，大幅度地提高了設計和生產效率。在用三維CAD系統進行新機械的開發設計時，只需對其中部分零部件進行重新設計和制造，而大部分零部件的設計都將繼承以往的信息，使機械設計的效率提高了3~5倍。同時，三維CAD系統具有高度變型設計能力，能夠通過快速重構，得到一種全新的機械產品。
2.4 提高機械產品的技術含量和質量
由于機械產品與信息技術相融合，同時采用CAD CIMS組織生產，機械產品設計有了新發展。三維CAD技術采用先進的設計方法，如優化、有限元受力分析、產品的虛擬設計、運動方針和優化設計等，保證了產品的設計質量。同時，大型企業數控加工手段完善，再采用CAD/CAPP/CAM進行機械零件加工，一致性很好，保證了產品的質量。
3 CAD技術在機械設計中的應用
3.1 零件與裝配圖的實體生成
3.1.1 零件的實體建模。CAD的三維建模方法有三種，即線框模型、表面模型和實體模型。在許多具有實體建模功能的CAD軟件中，都有一些基本體系。如在AutoCAD的三維實體造型模塊中，系統提供了六種基本體系，即立方體、球體、圓柱體、圓錐體、環狀體和楔形體。對簡單的零件，可通過對其進行結構分析，將其分解成若干基本體，對基本體進行三維實體造型，之后再對其進行交、并、差等布爾運算，便可得出零件的三維實體模型。
對于有些復雜的零件，往往難以分解成若干個基本體，使組合或分解后產生的基本體過多，導致成型困難。所以，僅有基本體系還不能完全滿足機器零件三維實體造型的要求。為此，可在二維幾何元素構造中先定義零件的截面輪廓，然后在三維實體造型中通過拉伸或旋轉得到新的“基本體”，進而通過交、并、差等得到所需要零件的三維實體造型。
3.1.2 實體裝配圖的生成。在零件實體構造完成后，利用機器運動分析過程中的資料，在運動的某一位置，按各零件所在的坐標進行“裝配”，這一過程可用CAD軟件的三維編輯功能實現。
3.2 模具CAD/CAM的集成制造
隨著科學技術的不斷發展，制造行業的生產技術不斷提高，從普通機床到數控機床和加工中心，從人工設計和制圖到CAD/CAM/CAE，制造業正向數字化和計算機化方向發展。同時，模具CAD/CAM技術、模具激光快速成型技術(RPM)等，幾乎覆蓋了整個現代制造技術。
一個完整的CAD/CAM軟件系統是由多個功能模塊組成的。如三維繪圖、圖形編輯、曲面造型、仿真模擬、數控加工、有限元分析、動態顯示等。這些模塊應以工程數據庫為基礎，進行統一管理，而實體造型是工程數據的主要來源之一。
3.3 機械CAE軟件的應用
機械CAE系統的主要功能是:工程數值分析、結構優化設計、強度設計評價與壽命預估、動力學/運動學仿真等。CAD技術在解決造型問題后，才能由CAE解決設計的合理性、強度、剛度、壽命、材料、結構合理性、運動特性、干涉、碰撞問題和動態特性等。
4 CAD前沿技術與發展趨勢
4.1 圖形交互技術
CAD軟件是產品創新的工具，務求易學好用，得心應手。一個友好的、智能化的工作環境可以開拓設計師的思路，解放大腦，讓他把精力集中到創造性的工作中。因此，智能化圖標菜單、“拖放式”造型、動態導航器等一系列人性化的功能，為設計師提供了方便。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也正在研究之中。
4.2 智能CAD技術
CAD/CAM系統應用逐步深入，逐漸提出智能化需求.設計是一個含有高度智能的人類創造性活動。智能CAD/CAM是發展的必然方向。智能設計在運用知識化、信息化的基礎上，建立基于知識的設計倉庫，及時準確地向設計師提品開發所需的知識和幫助，智能地支持設計人員，同時捕獲和理解設計人員意圖、自動檢測失誤，回答問題、提出建議方案等。并具有推理功能，使設計新手也能做出好的設計來，現代設計的核心是創新設計，人們正試圖把創新技法和人工智能技術相結合應用到CAD技術中，用智能設計、智能制造系統去創造性指導解決新產品、新工程和新系統的設計制造，這樣才能使我們的產品、工程和系統有創造性。
4.3 虛擬現實技術
虛擬現實技術在CAD中已開始應用，設計人員在虛擬世界中創造新產品，可以從人機工程學角度檢查設計效果，可直接操作模擬對象，檢驗操作是否舒適、方便，及早發現產品結構空間布局中的干涉和運動機構的碰撞等問題，及早看到新產品的外形，從多方面評價所設計的產品.虛擬產品建模就是指建立產品虛擬原理或虛擬樣機的過程.虛擬制造用虛擬原型取代物理原型進行加工、測試、仿真和分析，以評價其性能，可制造性、可裝配性、可維護性和成本、外觀等，基于虛擬樣機的試驗仿真分析，可以在真實產品制造之前發現并解決問題，從而降低產品成本.虛擬制造、虛擬工廠、動態企業聯盟將成為CAD技術在電子商務時代繼續發展的一個重要方向.另外，隨著協同技術、網絡技術、概念設計面向產品的整個生命周期設計理論和技術的成熟和發展，利用基于網絡的CAD/CAPP/CAM/PDM/ERP集成技術，實現真正的全數字化設計和制造，已成為機械設計制造業的發展趨勢。
參考文獻
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論文摘要：本文從專業人才需求出發，經過崗位分析，進行專業定位和人才培養模式選擇，之后論述了建筑行業內應用電子技術專業人才培養體系的構建，實踐表明課程體系、實訓環境、教學團隊三個方面的建設對人才培養質量的提高至關重要。
一、引言
教職成[2011]9號文《教育部關于推進中等和高等職業教育協調發展的指導意見》指出，要以科學定位為立足點，優化職業教育層次結構，構建現代職業教育體系，樹立系統培養的理念，堅持就業導向，明確人才培養規格、梯次和結構，明確高等職業學校定位，促進學生全面發展，重點培養高端技能型人才。作為一所以建設類專業為主的高職院校，我院以服務區域經濟和建設行業發展需求為己任，探索“依托行業，校企合作、工學結合”的人才培養模式，緊貼人才市場需求，鑄造建筑特色的專業品牌。作為廣東省第一大支柱產業，電子與信息技術產值連年提高，其中智能建筑電子產品市場需求旺盛，對樓宇智能化電子產品設計開發、生產、維修、技術服務人才的培養提出需求。這就要求我們以“工學結合”理念為指導，面向行業就業，對社會人才需求進行調研，科學定位專業人才培養規格，合理選擇人才培養模式，改革課程體系，配備實踐教學條件和教學團隊，從而構建適合建筑行業需要的應用電子技術專業人才培養體系。
二、專業人才培養體系構建的指導思想
專業人才培養體系的構建需要從應用電子技術專業人才市場調研出發，根據崗位定位人才培養目標和規格，選擇合理的人才培養模式，從而為人才培養體系的構建做好準備。
1.專業定位。在建筑行業，一方面智能家居市場需求旺盛，產品蓬勃發展，另一方面工程應用領域產品的技術性能尚處于開發改良階段，調研表明畢業生主要去向在電子產品設計、樣機制作、調試維修、生產線產品制程技術指導、質量成本控制等崗位。依據“工學結合”關于職業教育能力目標培養的理念，針對這些專業工作崗位，將其工作過程歸納出典型工作任務，主要包括：產品方案選擇、電路原理設計、控制編程、電子線路制作、調試、測試、文件編寫等。因此應用電子技術專業人才培養方案規定要面向智能建筑電子產品設計與生產應用第一線，培養從事產品設計、生產、維修和技術服務工作，具有扎實的電子電路基礎理論知識和分析能力，具有電子線路設計與產品制作工藝實踐能力，能夠勝任智能建筑電子產品的工程應用、安裝調試、維修等工作的高素質技能型專門人才。
2.人才培養模式。人才培養模式是為了實現培養目標，在培養過程中采取的構造樣式和運行方式，包括專業設置、課程體系、教學設計和教育方法等方面。作為建筑行業的應用電子技術專業人才培養，我們采用“411”模式，即第1～4學期完成支撐專業核心能力的理論基礎知識的學習和各專項技能的訓練，第5學期通過生產實習、智能建筑電子產品設計與制作、專業證書考證訓練等綜合課程形成專業能力、方法能力和社會能力；第6學期到企業頂崗實習，完成職業素養的全面形成。在人才培養的各個環節當中，從實際工作崗位出發，理論知識夠用為度，重視理論前沿新知識的傳授和技術的拓展，實踐技能培養方面構建虛擬真實的崗位工作環境，通過真實項目設計教學內容，運用行動導向教學方法，使得電子產品的設計、制作、維修、技術服務等能力逐步形成。
三、人才培養體系的構建
明確專業定位和專業人才培養模式之后，我們重點從改革課程教學體系、設置實踐教學環境、教學團隊建設等方面構建人才培養體系，完善應用電子技術專業“工學結合”人才培養模式的內涵。
1.課程教學體系的改革。根據專業設置，結合往屆畢業生頂崗實習反饋信息，以及各類電子設計大賽和技能競賽情況，我們認為需要提高學生在電子產品裝配工藝、質量檢測、成本控制方面的能力，加強PCB制造方面的動手操作能力，了解SMT技術工藝，因此結合專業定位和企業崗位實際調研制訂課程體系改革重點：在專業課程中設置針對電路分析、設計、PCB繪圖、樣機制作、編程與調試、測試測量等技能的教學，以及積累電子產品工藝的設計和管理經驗，如電子產品表面貼裝（SMT）工藝、PCB制板等內容。針對產品設計工作過程中軟硬件設計、PCB繪圖、樣機制作、測試，將專業課程體系劃分為專業理論基礎知識課程、專業核心能力平臺課程、專業綜合能力形成課程和專業知識技能拓展課程，共26門專業課程，其中4門集中實訓課，占總學時60%以上。包括電路基礎、模擬電路、數字電路、C語言程序設計、檢測與控制技術、單片機原理與接口技術等專業理論基礎知識課程，電子CAD、電子測量與仿真技術、單片機應用設計、電子基本技能實訓、電子產品裝配工藝實訓、電子線路應用實訓、單片機原理與接口實訓等專業核心能力平臺課程，以及生產實習、智能建筑電子產品設計與制作、專業證書考試訓練、頂崗實習等專業綜合能力形成課程，在專業知識技能拓展方面開設電氣控制與PLC應用、集成電路應用、高頻電子技術、電力電子技術、EDA技術、智能卡技術、VB程序設計、建筑設備智能控制等課程。在課程的微觀教學設計上，運用行動導向教學方法使學生在項目任務完成中形成能力，掌握知識。例如在《單片機應用設計》課程中從開發仿真到模仿真實產品項目開發，在電子產品開發的真實工作環境中學習單片機開發、測試工具設備、加工手段的選擇和運用，在教學實施過程中模擬企業真實項目任務開發的組織形式將學生分組，為學生分配角色，培養團隊協作精神。
2.實踐教學環境構建。為滿足教學體系中的實踐環節，配置專業實踐條件和環境，包括電子技術應用實訓室、電子加工工藝實訓室、電子創新設計實訓室和電子材料室。電子加工工藝實訓室主要承擔表面貼裝（SMT）加工工藝實訓、PCB線路板制作工藝實訓和電子線路應用實訓。配備的設備有：數控電路板雕刻機、熱轉印線路板制作機、腐蝕機、沉銅器、手動焊錫膏絲印機、真空吸筆、再流焊機、放大鏡和熱風拆焊臺等加工與返修設備。通過實踐培養PCB板制作、SMT貼裝等工藝技能，另外可滿足教科研和學生課外興趣制作項目中的電路板加工。電子創新設計實訓室主要承擔單片機原理與接口實訓、電子線路應用實訓、智能建筑電子產品設計與制作，配備有計算機、單片機和FPGA實驗箱、仿真軟件（Proteus），可使電子產品創新設計過程中的測控應用電路設計和編程在計算機仿真軟件環境中得以驗證，從而加速產品開發和節省材料成本。同時可支撐電子測量與仿真技術、電子CAD、單片機應用設計、檢測與控制技術、EDA技術、智能卡技術等課程。另外該實訓室是教學科研項目設計、大學生電子設計競賽、職業技能大賽、科技文化創新活動、課外興趣制作的主要平臺。電子材料室主要支撐應用電子技術專業開展的實訓教學項目，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。實踐教學體系構建的主要特色是從人才培養模式出發，結合相關專業課程，以專業人才實際動手能力的培養和工藝設計管理經驗的積累為目的，為教學提供實踐環境，注重在職業環境中培養學生道德素質，使學生在學習中完成角色的轉變，以工學結合的模式為學生搭建通向企業職場的橋梁。
3.教學團隊的建設。教學團隊的建設是專業內涵建設的保證，是提升人才培養質量的著力點。現階段職業教育的模式要求教學團隊成員根據經濟建設和社會發展需要不斷地研究新情況，更新教育教學理念，整合教學資源，深化專業與課程改革，加強“雙師”素質的養成。因而我們注重教學團隊在知識結構、工程項目實踐以及教科研等方面的進修、培訓、提高，為人才培養質量打造優質教學團隊。
以職業教育理念為指導，通過科學的調研和專業定位，合理地選擇專業人才培養模式，主要從課程體系、實訓環境、教學團隊三個方面構建了適于建筑行業發展的應用電子技術專業人才培養體系，該體系從崗位工作過程出發，全面培養學生的專業能力、方法能力和社會能力，在提高人才培養質量方面收到良好的效果，例如學生在各類電子設計競賽中多次獲獎，學生在職業資格證書考試中通過率達到96.61%，畢業生的就業率逐年提高，2010、2011兩年就業率均達到98%以上，畢業生受到用人單位的好評。
參考文獻
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1.同濟大學車輛工程領域全日制專業學位研究生校企聯合培養模式的探索
2.車輛工程專業實踐教學體系改革
3.全日制工程碩士培養模式的創新與實踐——以吉林大學車輛工程領域工程碩士培養為例
4.測繪工程本科專業實踐教學體系的構建
5.專業認證背景下的測繪工程專業課程體系優化
6.SL機場測繪工程項目的進度與質量管理研究
7.測繪工程專業和測繪學
8.東莞市某公路測繪工程質量管理控制
9.測繪工程專業“四維滲透式”實踐教學改革研究
10.基于測繪工程專業規范的應用型創新人才培養模式構建
11.車輛工程專業模塊課實驗教學整合與優化
12.車輛工程專業實踐教學體系的構建和思考
13.應用型車輛工程專業人才培養方案的研究
14.車輛工程應用型本科大學生工程素質培養模式的創新與實踐
15.基于閩臺合作辦學下應用型本科院校車輛工程專業課程設置研究
16.混合動力技術在車輛工程領域的應用與研究現狀
17.車輛工程實驗課程教學研究
18.車輛工程專業多層次開放式實驗教學體系的構建
19.國內外大學車輛工程專業人才培養情況分析
20.車輛工程專業實驗教學體系改革與實踐
21.車輛工程培養模式初探
22.武漢軌道交通1號線二期工程車輛轉向架架修技術探討
23.關于混合動力技術在車輛工程領域應用的探討
24.工程車輛自動變速系統模糊控制的相關分析 優先出版
25.《農業裝備與車輛工程》在線投稿系統開通
26.工程車輛油氣懸掛系統防進氣裝置研究 優先出版
27.新能源在車輛工程中的運用
28.基于“四輪驅動”的車輛工程專業人才培養模式研究
29.電子控制技術在車輛工程中的應用分析
30.工程車輛自動變速智能控制系統開發與試驗研究
31.基于AMESim工程車輛變速器電液控制系統的仿真與試驗研究
32.虛擬仿真軟件在新能源車輛工程專業實驗教學中的應用
33.車輛工程領域中混合動力技術的應用現狀分析
34.車輛工程專業核心基礎課程考評模式的研究和實踐
35.論行動導向教學在車輛工程實驗教學中的應用
36.《農業裝備與車輛工程》在線投稿系統開通
37.《農業裝備與車輛工程》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.電子信息技術在車輛工程上的應用分析
40.環衛工程車輛液壓制動能量回收技術 優先出版
41.車輛工程專業虛擬仿真實驗教學中心建設的必要性探討
42.車輛工程專業課程體系改革研究——以山東建筑大學為例
43.車輛工程實驗室的開放式管理系統設計 優先出版
44.車輛工程專業應用型人才培養模式研究——以三亞學院為例
45.基于畢業要求達成的車輛工程專業實踐課程體系反向設計
46.基于CDIO的車輛工程專業畢業設計探索與實踐
47.《農業裝備與車輛工程》在線投稿系統即將開通
48.《農業裝備與車輛工程》2015年總目次
49.地鐵工程車輛的應用維修管理
50.車輛工程類專業電工學教考模式的幾點思考
51.工程車輛駕駛室噪聲控制及聲品質客觀評價
52.工程車輛轉向系統動態特性研究
53.PLC在某型工程車輛模擬維修系統中的應用
54.深圳地鐵1號線續建工程車輛ATC天線安裝支架優化設計
55.車輛工程專業工程碩士英語教學存在問題及EPBEP教學方法的研究與應用
56.工程車輛消聲器性能分析及優化
57.《農業裝備與車輛工程》雜志聲明
58.《農業裝備與車輛工程》欄目索引
59.虛擬樣機技術在車輛工程專業教學中的應用研究 優先出版
60.車輛工程大學生創新實踐基地建設與實踐
61.關于電子控制技術在車輛工程中的應用分析
62.昆明地鐵首期工程車輛轉向架異響分析
63.交互式工程車輛虛擬維修訓練系統設計
64.車輛工程專業教學團隊建設與實踐
65.測繪工程監理方法探討
66.階梯式創新實踐培養模式在車輛工程專業教學中的探索
67.基于Matlab/Simulink的工程車輛自動變速器換擋規律研究 優先出版
68.簡析工程車輛液力機械傳動系統的動力性分析
69.基于51單片機對工程車輛閉鎖離合器的控制 優先出版
70.電力工程車輛第三軌供電過無電區控制策略
71.工程車輛油氣懸架工作過程熱力學分析
72.車輛工程專業汽車結構類課程教學模式改革探討 優先出版
73.論工程車輛傳動系統的熱平衡計算
74.車輛工程核心課程先進教學模式探索與實踐
75.關于電子控制技術在車輛工程中的應用分析
76.工程車輛液壓混合動力技術研究進展
77.烏魯木齊市軌道交通1號線工程車輛制動系統防寒設計
78.昆明市軌道交通3號線工程車輛制動系統設計
79.應用型本科院校車輛工程專業課程設置的研究 優先出版
80.我院車輛工程專業建設的思考與探索
81.碳纖維與工程車輛翻新輪胎復合強化模型及增強機理 優先出版
82.《農業裝備與車輛工程》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職教師資培養標準研發
86.基于CDIO的車輛工程專業教學模式改革與實踐
87.協同創新模式下車輛工程專業人才培養模式改革初探
88.基于效率換擋規律的工程車輛換擋品質研究
89.車輛工程本科專業課程設計的改革與創新
90.工程車輛駕駛室座椅H點設計研究
91.淺談小波理論在車輛工程中的應用及發展趨勢
92.基于CFD與ε-NTU法的工程車輛散熱性能預估 優先出版
93.駕駛實習——車輛工程專業必不可少的實踐教學環節
94.車輛工程專業在應用型本科開展實踐教學的研究 優先出版
95.產教融合培養“企業預備隊”的實踐與思考——以車輛工程專業為例
96.與專業認證相銜接的車輛工程專業人才培養體系改革探討
97.基于模糊可靠度的工程車輛傳動軸可靠性優化設計
98.Danfoss多功能閥在工程車輛中的應用 .
99.電子控制技術在車輛工程中的應用分析 .
在現代制造系統中，數控技術是關鍵技術，它集微電子、計算機、信息處理、自動檢測、自動控制等高新技術于一體，具有高精度、高效率、柔性自動化等特點，對制造業實現柔性自動化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。當前，數控技術正在發生根本性變革，由專用型封閉式開環控制模式向通用型開放式實時動態全閉環控制模式發展。在集成化基礎上，數控系統實現了超薄型、超小型化；在智能化基礎上，綜合了計算機、多媒體、模糊控制、神經網絡等多學科技術，數控系統實現了高速、高精、高效控制，加工過程中可以自動修正、調節與補償各項參數，實現了在線診斷和智能化故障處理；在網絡化基礎上，CAD/CAM與數控系統集成為一體。論文百事通機床聯網，實現了中央集中控制的群控加工。
2智能化技術發展趨勢
2.1性能發展方向
(1)高速高精度高效化。
速度、精度和效率是機械制造技術的關鍵性能指標。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系統以及帶高分辨率絕對式檢測元件的交流數字伺服系統，同時采取了改善機床動態、靜態特性等有效措施，機床的高速高精高效化已大大提高。
(2)柔性化。
包含兩方面：數控系統本身的柔性，數控系統采用模塊化設計，功能覆蓋面大。可裁剪性強，便于滿足不同用戶的需求；群拉系統的柔性，同一群控系統能依據不同生產流程的要求，使物料流和信息流自動進行動態調整，從而最大限度地發揮群控系統的效能。
(3)工藝復合性和多軸化。
以減少工序、輔助時間為主要目的的復合加工。正朝著多軸、多系列控制功能方向發展。數控機床的工藝復合化是指工件在一臺機床上一次裝夾后，通過自動換刀、旋轉主軸頭或轉臺等各種措施，完成多工序、多表面的復合加工。
(4)實時智能化。
早期的實時系統通常針對相對簡單的理想環境，其作用是如何調度任務，以確保任務在規定期限內完成。而人工智能則試圖用計算模型實現人類的各種智能行為。科學技術發展到今天，實時系統和人工智能相互結合，人工智能正向著具有實時響應的、更現實的領域發展，而實時系統也朝著具有智能行為的、更加復雜的應用發展。由此產生了實時智能控制這一新的領域。
2.2功能發展方向
(1)用戶界面圖形化。
用戶界面是數控系統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，因而開發用戶界面的工作量極大，用戶界面成為計算機軟件研制中最困難的部分之一。當前Internet、虛擬現實、科學計算可視化及多媒體等技術，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用戶的使用。人們可以通過窗口和菜單進行操作，便于藍圖編程和快速編程、三維彩色立體動態圖形顯示、圖形模擬、圖形動態跟蹤和仿真、不同方向的視圖和局部顯示比例縮放功能的實現。
(2)科學計算可視化。
科學計算可視化可用于高效處理數據和解釋數據，使信息交流不再局限于用文字和語育表達，而可以直接使用圖形、圖像、動畫等可視信息。可視化技術與虛擬環境技術相結合，進一步拓寬了應用領域，如無圖紙設計、虛擬樣機技術等，這對縮短產品設計周期、提高產品質量、降低產品成本具有重要意義。在數控技術領域，可視化技術可用于CAD/CAM，如自動編程設計、參數自動設定、刀具補償和刀具管理數據的動態處理和顯示以及加工過程的可視化仿真演示等。
(3)插補和補償方式多樣化。
多種插補方式如直線插補、圓弧插補、圓柱插補、空間橢圓曲面插補、螺紋插補、極坐標插補、2D+2螺旋插補、NANO插補、NURBS插補(非均勻有理B樣條插補)、多項式插補等。多種補償功能如間隙補償、垂直度補償、象限誤差補償、螺距和測量系統誤差補償、與速度相關的前饋補償、溫度補償、帶平滑接近和退出以及相反點計算的刀具半徑補償等。
(4)內裝高性能PLC。
數控系統內裝高性能PLC控制模塊，可直接用梯形圈或高級語言編程，具有直觀的在線調試和在線幫助功能，編程工具中包含用于車床銑床的標準PLC用戶程序實側，用戶可在標準PLC用戶程序基礎上進行編輯修改，從而方便地建立自己的應用程序。
(5)多媒體技術應用。
多媒體技術集計算機、聲像和通信技術于一體，使計算機具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力。在數控技術領域。應用多媒體技術可以做到信息處理綜合化、智能化，在實時監控系統和生產現場設備的故障診斷、生產過程參數監測等方面有著重大的應用價值。
2.3體系結構的發展
(1)集成化。
采用高度集成化CPU，RISC芯片和大規模可編程集成電路FPGA、EPLD、CPLD以及專用集成電路ASIC芯片，可提高數控系統的集成度和軟硬件運行速度，應用LED平板顯示技術，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、便于攜帶等優點。可實現超大尺寸顯示。應用先進封裝和互連技術，將半導體和表面安裝技術融為一體。通過提高集成電路密度、減少互連長度和數量來降低產品價格，改進性能，減小組件尺寸，掘高系統的可靠性。新晨
(2)模塊化
硬件模塊化易于實現數控系統的集成化和標準化，根據不同的功能需求，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，作成標準的系列化產品，通過積木方式進行功能裁剪和模塊數量的增減，構成不同檔次的數控系統。
(3)網絡化
機床聯網可進行遠程控制和無人化操作，通過機床聯網，可在任何一臺機床上對其它機床進行編程、設定、操作、運行。不同機床的畫面可同時顯示在每一臺機床的屏幕上。
關鍵詞：LiDAR；鐵路勘察設計，DEM；DLG
中圖分類號：TN958.98文獻標識碼：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
機載激光雷達技術（LiDAR）是一種全新的遙感技術，自上世紀90年代在德國首次出現商用樣機系統以來，因其高精度和高效率，在地形測繪方面得到快速發展。目前，全球已經有幾十套商用系統在使用，主要實用系統有：Topscan、Optech、TopEye、Saab、Fli-map、TopoSys、HawkEye、Leica ALS50/60系列、Falcon等。
上世紀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，先后成功應用這項技術進行了地形測量、森林資源調查與評估、三維城市建模等試驗與工程實踐。特別是芬蘭和德國，已經采用這項技術建立了全國或者大部分國土的DEM，達到了理想的效果。目前在國內已經有接近20套LiDAR設備，其中，北京星天地信息科技有限公司、山西亞太數字遙感新技術有限公司、廣西桂能信息工程有限公司、廣州建通測繪技術開發有限公司以及東方道邇公司等單位已經先后開展了實驗和工程飛行，主要用于生產數字高程模型（DEM）、正射影像（DOM），進而制作線劃圖（DLG）等。本研究將使用LiDAR技術對鐵路勘察工程設計進行研究與試驗，介紹其主要產品及應用并對經濟效益進行評價。
二、機載激光雷達技術系統構成與工作原理
（一）機載激光雷達技術簡介
LiDAR系統是一種新型的綜合應用激光測距儀、IMU、GPS的快速測量系統，可以直接測得地面物體各個點的三維坐標。機載的激光雷達系統通常還集成高分辨率數碼相機，用于獲取目標影像。從功能上看，機載激光掃描系統是基于激光測距技術、GPS技術和慣性導航技術這三種技術集成的一個軟硬件系統，其主要目的是為了獲取高精度的數字表面模型（DSM）。
目前，LiDAR提供的直接數據產品為：點云數據，DSM，DEM，DOM。經過后處理可以快速生成等高線、高程點、橫縱斷面圖，完成路線設計需要的專項測繪內容（如架空管線的凈空、交叉角度測繪等），并提供工程設計模型和景觀設計模型等。
（二）LiDAR的主要系統構成
主要系統構成包括：
1.掃描儀組件：激光發射器、激光信號接收器、機械組件、掃描鏡及窗口、接口板。
2.設備支持系統：系統控制器、飛機位置及姿態測量系統、檢流控制器、激光電源、電源分配器、控制計算機、連接電纜。
3.附屬軟件：包括項目飛行設計及對記錄數據進行后處理（濾波、分類等）處理。
4.控制/顯示器：激光發射指標器、音頻告警器、電路熔斷器、系統診斷數據輸出、控制接口。
（三）主要工作原理
通過DGPS（或PPP）和IMU求得航機線上任意采樣時刻激光發射中心的空間坐標和設備的空間姿態，內插后能夠獲取任意時刻激光光束的姿態和發射中心的空間坐標，通過激光測量激光發射中心到地面的距離，可以求得每一個激光腳點的空間三維坐標。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。最后將激光點數據和數碼影像進行聯合處理得到高精度的正射影像和數字高程模型。
三、機載激光雷達的應用
機載激光雷達能夠快速獲取數字地表模型（DSM），同時，配套的中畫幅數碼相機可以獲得同步的數碼相片，經過加工處理可獲得數字高程模型、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接口供鐵路勘察設計工程中使用機載激光雷達成果，因此，如何將機載激光雷達勘測成果與眾多設計專業手段無縫結合，從海量基礎信息中快速提取或檢索有用的信息為各專業設計所用，是機載激光雷達技術應用于鐵路勘察設計的關鍵。
結合鐵路勘察設計特點和工程應用實踐，一方面將機載激光雷達技術成果進行加工，提供滿足專業應用的專題成果，另一方面，改進專業設計勘察設計流程，提出新的設計理念，以便更加有效地利用海量的基礎信息，提高設計質量和設計效率。
利用機載激光雷達技術提供的高精度、高分辨率數字地面模型和正射影像圖，結合鐵路專業設計要求，主要生產以下幾種產品（見圖4）：
1.工點地形圖。它是針對鐵路設計的控制工點，在施工圖階段做的更加詳細的勘測工作，以保證設計資料的精度和準確性。如：橋址地形、隧道進出口等；
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。主要用于保證設計線路的平順性和計算工程數量的準確性；
3.數字正射影像地形圖。這是線劃圖的替代產品，通過將正射影像圖疊加等高線、專業調查的地質界線、自然保護區等矢量信息，而形成的一種地形圖，它的信息量更加豐富，更加直觀；
4.專項測繪。針對特殊的專業需求而進行的詳細勘測工作。如：水文斷面、涵軸測量、電線垂度等；
5.工程中的土石方自動計算、坡度、坡向的計算等；
6.快速構建三維虛擬場景，城市建模等。
此外，還可利用高分辨率的影像進行專業調查、地質判視等，便于指導外業工作，提高外業勘測的針對性和合理性。
四、技術、經濟效益和推廣應用前景
（一）機載激光雷達測量技術與常規航測方法的經濟比較
1.兩種技術手段外業控制測量的比較。LIDAR所需的外業控制點與常規航測外控的比較，以II級地形1：2000航測地形圖測繪（常規航測單航帶100km）為例。
（1）首級平面和高程控制網工作內容和數量是基本相同的。
（2）LIDAR系統要求每5-7km測量一個平面和高程控制點，每30km測量一處高程校正區，這樣100km線路需要布設平高控制點17個，高程校正區3個。而常規航測方法，采用150mm焦距的航攝儀拍攝，需要75個平高控制點；采用210mm焦距的航攝儀拍攝，需要150個平高控制點。
（3）LIDAR系統不因地形等級的變化而改變外業平高控制點的數量（適當的寬度，如不大于10km）。而常規航測方法會隨著寬度的增加而成倍增加外控點的數量。
2.橫斷面切繪的經濟比較。以張唐鐵路定測為例，相對于采用Lidar技術平均1000-1200個橫斷面/人天的工作效率，常規航測方法每人每天只能切繪300-400個橫斷面，可見工作效率提高了3-4倍，對企業發展帶來了巨大的經濟效益。
3.地形圖制作的經濟比較。以II級地形1：2000地形圖測繪為例。
因為LIDAR具有高效生成DEM的優勢，所以在生成等高線、高程點等具有高程信息的地形信息時具有更高的效率，在這個方面，采用Lidar技術平均效率為12-15平方公里/（人.天），常規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、高程點之外）矢量信息具有更大的優勢，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、高程點之外）矢量信息獲取。
（二）成功案例及分析
經過試驗與實踐，LiDAR技術已成功用于多個鐵路項目的勘測設計項目，減少了內業制圖的壓力，縮短了項目工期，在鐵路各專業使用中反映良好，取得了顯著的經濟效益。以某工程為例，泛亞鐵路某段全長257Km，由于距離遙遠，地處國外，而且鐵路過境區域存在大量地雷區域，給外業工作帶來極大不便。考慮到地理因素和方案局部變動的因素，項目在實際操作中拋棄傳統外業測量加航測制圖的作業方式，直接采用機載激光雷達系統，一次性獲取鐵路過境區域長257km，寬4km的雷達點云數據和數碼影像數據，利用該數據圓滿完成了無外業控制測量情形的1：10000和1：2000的地形圖成圖任務，不僅避免了人力物力消耗和地雷區作業的危險性，而且在內業成圖中，大膽使用數字正射影像地形圖代替傳統的DLG，取得了制作者和使用者均滿意的雙贏局面。
（三）推廣應用前景
機載激光雷達測量技術具有巨大的發展空間和潛力，作為一種新技術，還有許多發展空間，特別是在數據處理算法以及軟件和系統的開發等方面。隨著用戶數量的增加，其應用領域將越來越廣，特別是隨著激光技術的進一步發展，將促進機載激光雷達技術的革新。在鐵三院于2009年率先在國內將機載激光雷達技術應用于鐵路勘察設計并取得巨大成功后，今年鐵一院、鐵二院、鐵四院都陸續定購了機載激光雷達并加大了人力投入，可見由于其精度高、成本低、周期短等特點在鐵路行業已經被廣泛關注。鐵路行業之外，水利、公路、電力、農林等行業也在積極開展相關的研究和應用。
參考文獻：
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[5]徐祖艦.機載激光雷達測量技術及工程應用實踐[M].武漢:武漢大學出版社,2009
摘要：建設數字礦山以成為21世紀礦山發展的潮流.本文介紹了我國數字礦山的建設現狀,對我國今后數字礦山的發展方向提出了建議。
關鍵詞：數字礦山發展現狀發展趨勢
1.數字礦山
1998年美國前副總統戈爾在“數字地球——展望21世紀我們這顆行星”的演講中提出了數字地球這一概念.隨后,我國也提出了數字中國的概念.在此背景下,為了拓展礦山企業的生存與發展空間、促進礦山企業組織結構的優化、降低決策的風險性、提高企業快速反應能力,提出了建設數字礦山的構想.
數字礦山（Digital Mine）,又被稱為DM.目前,對于數字礦山這一概念還沒有一個統一的定義.中國礦業大學（北京）吳立新教授認為,DM是對真實礦山整體及其相關現象的統一認識與數字化再現,是一個硅質礦山,是數字礦區和DC的一個重要組成部分,DM的核心是在統一的時間坐標和空間框架下,科學合理地組織各類礦山信息,將海量異質的礦山信息資源進行全面、高效和有序的管理和整合.DM的任務是在礦業信息數據倉庫的基礎上,充分利用現代空間分析、數據采礦、知識挖掘、虛擬現實、可視化、網絡、多媒體和科學計算技術,為礦產資源評估、礦山規劃、開拓設計、生產安全和決策管理進行模擬、仿真和過程分析提供新的技術平臺和強大工具.而東北大學王青教授更為通俗的解釋是：以計算機及其網絡為手段,把礦山的所有空間的和有用的屬性數據,實現數字化存儲、傳輸、表征和深加工,并應用于各生產環節、管理和決策中.
對于數字礦山建設,目前概括起來主要有以下5種觀點：1）數字地球觀點：認為數字礦山是數字地球的分支,與數字城市、數字農業等同類,強調數字地球的指導和GIS的作用.2）地質模型觀點：認為數字礦山是礦山地質的數字化模型,強調對地質實體的模型建立、模型的互動性和地質屬性的精細度.3）信息管理觀點：認為數字礦山是企業的神經系統,數字礦山應以MIS為主,強調信息流、業務流、知識管理、協同工作環境和決策支持.4）監控系統觀點：認為數字礦山應以監控系統為主,強調管控自動化.5）工程應用模式：認為數字礦山是礦山專業應用系統的集成體,強調應用系統的整合、數據共享和整體實用性.而當前,我國建設數字礦山,更能降低礦山勞動強度,提高工作效率;化解礦山風險隱患,增強安全系數;合理開發資源,減少資源浪費和環境污染.
2.國際上數字礦山的發展動態
數字礦山自提出以來就在發達國家引起了重視,并建立了長遠計劃.
從20世紀90年代初開始,加拿大就開始研究遙控采礦技術,目標是實現整個采礦過程的遙控操作,現已研制出樣機系統.并且,加拿大計劃在2050年實現無人礦山的建設,通過衛星實現礦山自動控制、自動破碎和自動開采;芬蘭采礦業也宣布了智能化采礦的目標,組織成立了28個專題研究.瑞典也制定了面向礦山自動化的“Grountecknik2000”戰略計劃.
在數字礦山的應用軟件方面,澳大利亞的Maptek公司開發的Valcan軟件系統和Surpac MINE GROUP公司開發的Surpac軟件系統等都用著廣泛的應用.
3.我國數字礦山的發展現狀
我國的礦山還處在礦山信息化（DC）的階段,信息化建設的總體水平不高.大多數礦山企業信息基礎設施落后,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沒能形成信息化決策和礦業信息產業化發展的規模優勢,嚴重地影響了礦山企業的市場競爭與可持續發展的能力.我國礦山企業的信息化建設基本上處在3個層次.
（1）第1層次——無路無車
一部分企業經營狀況較差,不能提供資金和技術支持;還有企業,領導層觀念老化對礦山的信息化建設.這都導致礦山企業沒有信息化的設備和人才.
（2） 第2層次——有路無車
部分企業經濟基礎較好,購置了大量先進的信息化建設的設備,但對人才的培養和引進力度不夠,沒有相關配套的專業軟件支持,雖然有先進、齊全的設備做基礎,但無法有效利用,導致礦山企業的信息化建設僅僅停留在表面工程.
（3） 第3層次——車貨不一
一些礦山企業對信息化建設進行了較合理的投入,但由于對全局把握不夠,導致各子系統的信息化建設有很大提高,但整體效果不佳.
而較為理想的局面應該是車貨統一,在各礦、局、省、全國按4種模式來組織礦業信息化建設,并且要按照DE和DC的要求和規則逐步建立DM,這是礦山企業信息化建設的第4層次,也是面向21世紀的現代化礦山企業的努力方向.
4.我國數字礦山的發展趨勢
針對我國數字礦山建設布局不均衡的現狀,我國應制定如下戰略對策：
( l )更新觀念,培訓人才：加大宣傳力度,組織各類人才培訓,盡快進行觀念更新,使企業決策者、管理者和廣大工程技術人員積極參與和協同配合DM建設.(2)加大經費投入,組織科技攻關:政府、企業要高度重視和聯合投入,通過設立持續穩定的“數字礦山”資金來支持DM創新研究,組織層次不同、范圍不同的科研攻關與技術推廣.(3)形成優勢合力,穩步健康推進:有關高校、院所和礦山企業之間、不同高校和學科之間要優勢互補,加強合作,有計劃、有步驟地穩步實施DM戰略,力爭實現我國礦業產業生產的跨越式發展,使我國的礦山和礦區逐步走上可持續發展之路.
參考文獻：
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[關鍵詞] 管理創新；濱海高新區；調研；提升策略
[中圖分類號] G303 [文獻標識碼] A
1 引言
熊彼特[1]把“創新”的概念定義為實現生產要素和生產條件的一種新組合。此后國內外學術界從不同的角度擴展了創新理論的內涵，從而衍生出技術創新、文化創新、產品創新、管理創新等相關概念。從創新的內容來看創新理論主要包括“制度創新”、“技術創新”和“管理創新”三方面。目前國內外有關創新理論的研究中以管理創新為主題的相關研究較少，如Business Source Premier Database中管理創新類論文占技術創新類論文的約2.3%，同樣在中文期刊數據庫中管理創新類論文占技術創新類論文的約23%[2]。企業生存和發展的關鍵已不再僅靠生產要素就能夠實現，企業需要經過不斷地創新管理手段、管理方法、管理制度、管理模式等，才能持續保持企業的強大生命力。一個企業的發展不僅靠先進的技術和設備，管理制度的創新、管理流程的創新、管理方法的引進等同樣成為關鍵。管理創新作為創新理論的重要部分，國內外的學者對管理創新進行了廣泛的研究。Birkinshaw（2006）[3]認為管理創新是以實現企業組織目標為目的的創新和實踐一種全新的管理方法、管理技能的過程。Hamel（2006）[4]認為管理創新應該明顯背離傳統的管理原則、管理流程和實踐以圖改變管理工作的方法。王晉源（2003年）[5]認為管理創新是指企業家用新思想、新技術、新方法對企業管理戰略、組織、技術、文化管理的方略組合進行重新設計、選擇、實施與評價，以促進企業管理系統綜合效能不斷提高的過程。李子和（2003年）[6]認為管理創新是指改進現有管理制度和方法或引入新的管理制度和方法，為事業持續發展不斷注入新的動力和活力。王銳蘭（2003）[7]認為管理創新可以分成有效和無效兩種形式，在有效的管理創新取得成功以前必然存在資源的浪費、人員的閑置和抱怨情緒等，但無效的管理創新是有效性的前提和保障，而且不可避免。張雙喜（2007年）[8]認為管理創新是創新思想導引下的“作業創新”。芮明杰[9]認為“管理創新是指創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到企業目標和責任的全過程式管理，也可以是新的具體資源整合及目標制定等方面的細節管理”。
本文認為管理創新存在于從產品市場調研到設計最后到售后服務全過程，以企業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新性的變革。管理創新的過程涵蓋了產品全生命周期的每個階段，為了探尋管理創新的關鍵要素，我們在戰略管理、技術創新管理、決策管理、工藝設計、運營管理、營銷服務六個過程對天津濱海高新技術產業開發區重點企業進行調研。一方面了解高新區企業在管理創新中的成功經驗，另一方面探尋企業真正需求所在。為此我們希望通過此次調研更深層次地掌握高新技術企業在管理創新方面的需求，為幫助企業有針對性地引入或開發相應的管理技術、方法和工具提供參考。
2 濱海高新區企業問卷調查與分析
濱海高新區的企業既有大型國際企業也有國內外中小企業，處于起步階段或發展階段的中小企業內部尚未形成完全規范和適合自身特點的快速發展的管理制度、管理文化、管理思想等，管理上的不斷創新是管理者們所面對的最大挑戰。我們課題開展方式依次為：首先，實地調研高新區企業管理創新現狀，主要采取與企業高層管理者交流座談的方式并輔以資料收集、問卷調查和企業現場實地考察；其次，在前期調研基礎上，對獲取的數據與資料進行分析研究，總結提煉管理成功經驗、亮點，掌握企業管理需求；最后形成調研報告，提出針對性的管理創新技術、方法、工具；最后結合具體企業的需求，打造高新區管理創新示范性企業。
課題組在2011年4月份對企業管理創新現狀進行了問卷調查。調查問卷從宏觀方面對接受調查企業的管理創新現狀、待解決的問題等，分別從圖1中的戰略管理、管理制度、組織結構、財務管理、營銷、人力資源及生產管理等方面進行設問調查。通過問卷各分項的統計分析，可以發現：
（1）在生產運營管理上：有53.3%的企業生產管理技術對生產過程增效作用一般，而僅有12.5%的企業認為良好的生產管理對產品和技術的創新起到很好促進效用。其中只有一家企業引入精益生產，其余僅停留在知道精益生產的方法和技術層面上，高達20%的被調查企業表示不知道精益生產。
（2）在技術創新管理上，絕大多數企業在戰略管理中較重視技術創新，并注重技術與市場創新的整合。
（3）在戰略管理上，部分被調查企業管理戰略制定得不是很明確，有些企業雖然制定了明確的管理戰略，但最終實施效果不是很理想。
（4）在組織管理創新上，66.7%的被調查企業為了應對環境變化會主動采取組織結構調整，這些特點正面反映出區內企業正不斷探索適應市場的組織結構。但37.5%的企業表示公司治理和組織管理創新能力不足，制約了公司發展。
（5）在財務管理上，約75%的企業實施或正在實施全面財務預算；79.17%的企業實施或正在實施全過程財務控制，并有一定成效；66.7%的企業在成本控制方面較合理。
（6）在營銷管理上，58%以上的企業認為自身營銷管理水平能夠適應企業發展。
（7）在人力資源管理上，41.67%的企業感到缺乏專業管理人才，有20.83%的企業認為急需進行人才管理機制的創新。
（8）在企業信息化上，只有20%的企業已經應用MRPⅡ/ERP進行資源管理。
3 濱海高新區重點企業調研與提升策略分析
在前期問卷調查的基礎上，2011年5月至7月，課題組深入到區內11家企業，通過與企業高層座談和現場考察參觀等形式，圍繞企業基本情況（發展歷程、經營方式及理念、組織架構、主要產品、發展前景等）、管理現狀（行業特點、行業地位、管理基本情況等）、管理成功經驗、管理需求等關鍵環節開展企業實地調研分析工作。課題實地調研所選11家企業全部為生產制造類型。其中加工制造4家，數字設備制造4家，成套設備生產制造、藥品生產、新材料加工制造各1家。通過對被調研企業的綜合分析，我們發現當前我國高新技術企業的共性特征：（1）企業主要依靠高新技術占領市場，每個企業都形成了一套適合所在行業及企業自身特點的獨特的企業經營模式。（2）企業產品具有附加價值高、市場潛力大、發展速度快等特點，積累了許多獨特的管理成功經驗。同時，在市場份額和經營規模不斷擴大的情況下，對管理能力提升有較強要求。（3）企業為了保證產品高利潤，更關注新產品的快速研發、快速達產，以實現快速占領市場的目標。但由于技術創新中更依賴于個人的聰明才智，給企業帶來競爭優勢的同時，也由此造成企業對人的依賴性較強。（4）企業更多關注技術研發、市場份額，多數企業對運營管理方面關注不夠，企業經營流程化、標準化較弱。（5）重視用信息化手段提高管理效率，但總體應用水平不高。
從企業對產品制造鏈上各個環節的關注情況看（如圖1所示），企業最為關心的是技術創新和生產運行管理兩大關鍵環節，其次就是戰略管理。生產運行管理和戰略決策管理是一直以來管控一體化研究的核心內容，而技術創新實際上也與管控一體化密切相關，技術創新的成果是管控一體化基礎數據庫的重要部分，同時也是管控一體化未來要納入管理控制范疇的首要內容。僅就這11家企業而言，如果實施“管控一體化”必然能夠提升其管理能力與信息化水平。
經過調研我們總結出11家企業對于管理創新的一系列的需求，如表1所示。
4 高新技術企業管理創新的提升策略研究
通過以上調研我們發現高新技術企業經過快速發展，整體實力和管理水平都有較大提高，但伴隨著公司市場和經營規模的擴大，企業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。為了克服高新技術企業存在的管理創新的相關問題，我們應該建立面向高新技術企業的全過程精益管理方法，即以企業信息化為基礎，以精益研發、精益設計、精益生產和知識管理為導向的提升策略（圖2），具體包括：
4.1 在高新技術企業引進精益研發技術
精益研發是一種以精益為目標、以質量總線為統籌、以虛擬樣機為載體的研發方法，集成了技術創新、協同仿真以及立體質量設計三大核心技術，在不顯著增加產品成本的前提下，提高產品的品質和技術含量，從而提升產品的附加值，實現產品質量的跨越式提升。從而鼓勵高新技術企業建立連續、均衡、柔性的精益研發流程。
4.2 在高新技術企業倡導精益設計技術
將精益思想應用到工廠設計階段，融合價值工程、人因工程、并行工程等先進的管理理念，強調在工廠布局、物流系統、工藝流程、信息系統等環節的設計階段導入精益理念，實現從源頭上消除企業的浪費，避免僅從某一局部去改善已經出現問題的生產環節。精益設計的思想應貫穿于產品的整個生命周期即產品的質量保證從設計開始。
4.3 精益生產技術
精益生產方式是徹底地追求生產的合理性、高效性，能夠靈活地生產適應各種需求的高質量產品的生產技術和管理技術，其基本原理和諸多方法，對制造業具有積極的意義。精益生產的核心，即關于生產計劃和控制以及庫存管理的基本思想，對豐富和發展現代生產管理理論也具有重要作用。精益生產的體系建設應該與營銷體系建設和供應體系的建設相一致，進行計劃與信息的實時交流。
4.4 企業信息化技術
企業信息化是一個系統工程：企業的信息化建設是一個人機合一的有層次的系統工程，包括企業領導和員工理念的信息化；企業決策、組織管理信息化；企業經營手段信息化；設計、加工應用信息化。
5 結論
創新是企業生存的關鍵，企業管理水平直接決定著企業的效率，管理創新在企業創新中處于綜合統籌、指導協調的地位。濱海高新區成立以來區內企業發展總體上健康良好，但與國外企業管理的實力相比差距依然較大。本文在對區內11家企業進行實地調研的基礎上總結出區內企業管理創新的不足和進行需求分析，從而為企業提升管理能力提供參考。本文從企業信息化技術、精益生產技術、精益設計技術、精益研發技術四個方面闡述高新技術企業發展管理創新的有效手段。我們愿意結合濱海新區企業的實際建立一種穩定、高效的管理創新的發展路徑，為企業整體利益最大化提供參考。
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關鍵詞：輪式行走機構；無人地面車輛；越障性能
中圖分類號：U461.5文獻標文獻標識碼：A文獻標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行分析研究。
對于普通車輛來說，在實際行駛過程中，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構（見第1節），能夠通過施加主動力矩調節擺臂的扭轉角度，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 輪式行走機構簡介
整個車輛系統[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構組成。用于驅動擺臂的旋轉油缸3固定于車廂的內側，每個旋轉油缸都可以單獨控制，以便將轉矩傳遞至相應的擺臂4。轉矩傳遞路線為旋轉油缸3的傳動軸―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，橡膠塊會受到擠壓變形，其力學特性將決定緩沖減振性能的好壞。擺臂的最大擺角靠設置于車廂外側的限位塊11來限制。擺臂的旋轉由專門設計的旋轉油缸來驅動，旋轉油缸可以實現約280°范圍的旋轉，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。該行走機構的車輪選用輪轂電機單獨驅動。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在同一直線上。
（2）水平地面和障礙接觸面的附著系數相同，且車輪為剛性輪，車輪及擺臂重量均不計。
為了便于表示，在越障過程中，設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；地面附著系數為φ，車身傾斜角度為β。
下面根據不同擺臂回轉工況分別進行分析研究，其中擺臂回轉工況A表示擺臂無施加主動力矩的無人地面的越障工況，擺臂回轉工況B表示擺臂有施加主動力矩的無人地面的越障工況。
2.1 擺臂回轉工況A的無人地面車輛越障模型
2.1.1 平衡狀態
無人地面車輛在水平路面只受重力作用時，其受力模型如圖4所示。設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，為了便于計算，且考慮該車的實際行駛工況，并結合以上方程的約束，設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計參數為
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，F2=6 012.5 N，F3=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，車體與各擺臂的夾角將產生微小變化，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，因此可近似地認為
。
又有橡膠彈簧剛度、載荷與角位移的關系
。
通過以上方程，運用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φ、質心到前擺臂與車身鉸接點水平距離a的關系。
（1）h/R與地面附著系數φ的關系如圖6所示。
由圖6可知，地面附著系數φ越大，車輛越障高度越大。當地面附著系數在0.2～0.5之間時，其對車輛越障能力的影響最為明顯。當附著系數達到一定值時，前輪可跨越大于車輪半徑R的垂直障礙（在圖示給定參數的情況下，當φ=0.5時，h ≈ R）。為了更好地優化結構，取φ=0.4。
（2）h/R與車輛質心到前擺臂與車身鉸接點水平距離a的關系如圖7所示。
由圖7可看出，在其它條件不變的情況下，隨著質心位置向后移動，車輛越障高度越來越高。剛開始在距離前擺臂鉸接點0～500 mm范圍內時，質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時達到最大，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為質心到擺臂鉸接點連線的
距離，mm。
當中間輪越障時，車體與各擺臂夾角產生變化，由幾何關系得
。
又有橡膠彈簧剛度、載荷與角位移的關系：
通過以上方程，可得到中間輪越障時車輛垂直越障高度與地面附著系數φ的關系，如圖9所示。
由圖9可知，地面附著系數φ越大，車輛垂直越障高度值也越大。當地面附著系數在0.2～0.6之間時，其對車輛越障能力影響最為明顯，且當附著系數達到一定值時，中間輪可跨越大于車輪半徑的垂直障礙（在圖示給定參數情況下，當φ=0.55時，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，。
當后輪越障時，車體與各擺臂之間夾角產生變化，由幾何關系得
。
又有橡膠彈簧剛度、載荷與角位移的關系
通過以上方程，可得到后輪垂直越障高度與地面附著系數φ的關系如圖11所示。
由圖11可知，地面附著系數φ越大，垂直越障高度也越大。當地面附著系數在0.2～0.5之間時，其對車輛越障能力影響最為明顯，當附著系數達到一定值時，車輛后輪可跨越大于半徑R 的垂直障礙（在圖示給定參數情況下，當φ=0.55時，h ≈ R）。
綜合以上各圖的分析結果可知，在無主動力矩的情況下，隨著地面附著系數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 擺臂回轉工況B的無人地面車輛越障模型
2.2.1 平衡狀態
無人地面車輛為實現前輪的抬起，必須讓中間擺臂向前擺動，使車輛質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致擺臂橡膠彈簧發生扭轉，使中間擺臂和后擺臂與車體之間的夾角發生變化，造成車身向前傾斜，如圖12所示。
在的作用下，前輪抬起離地，假如此時中間擺臂和后擺臂都沒有施加主動力矩，車輛在橡膠彈簧的作用支承下處于靜止平衡狀態。由圖12可求得豎直方向（z方向）作用力的平衡方程及對質心的力矩M平衡方程，即
。
對中間輪和后輪擺臂列力矩平衡方程，有
。
又由幾何關系式有
。
聯立式（12）、（13），式（14）代入k2、k3解得
，，，。
由結果可知，前輪抬起離地后，中間車輪承擔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定性，需在中間擺臂及后擺臂施加主動力矩，使車體保持水平平衡狀態。
下面討論為使車體保持水平平衡狀態，并且中間和后擺臂處于平衡角度π/6，所需施加擺臂主動力矩的大小。設中間擺臂和后擺臂施加的主動力矩分別為和，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，在施加主動力矩和以后，車身保持水平平衡姿態，擺臂橡膠彈簧不發生扭轉，沒有產生反力矩。
2.2.2 前輪越障
下面對前輪越障過程進行研究，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'為車輛越障時前輪抬起高度。
前輪越障時，車體與各擺臂之間夾角發生變化，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
。
在主動力矩作用下，前輪抬離地面高度為h'，則有關系式
。
且有橡膠彈簧剛度、載荷與角位移的關系
聯立式（16）、（17）、（18）、（19），將 k1、k2、k3及、、代入其中，即可得到在不同附著系數下，車輛越障高度與前輪抬起高度h'（前擺臂力矩）的關系，如圖15所示。
上文已介紹，該輪式行走機構單向最大擺角為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線性增長狀態。在附著系數較小的情況下，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φ為何值，當前輪抬起量h'=0時，車輛的越障高度都比無擺臂主動力矩的越障高度高，這一方面是由于無人地面車輛結構上的變化（為了保持車體的穩定，中間擺臂向前擺動），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力矩的作用下，各輪擺到圖示的相應位置：前擺臂和后擺臂同時處于豎直狀態，中間輪擺到與車身底部相切于O點。假設此時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，接觸點也為O點。
（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定。
如果以上兩個條件得到滿足，下一時刻在中間擺臂主動力矩的作用下，車體可緩慢抬起并向前運動，最終實現越障過程。下面先求出此時的垂直障礙高度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為質心G到中間輪輪心的距離，mm；
。
又由圖示幾何關系，有
。
為了研究的方便，將中間車輪單獨進行受力分析，如圖16所示。則有
。
式中，h0為車輛質心到擺臂鉸接點連線的距離。
聯立式（20）、（21）、（22），即可得到車輛越障高度與地面附著系數φ的關系，如圖18所示。
圖18中曲線分別對應h0=100 mm、h0=200 mm以及h0=300 mm時，中間輪在不同附著系數下的極限越障高度。由圖可以看出，對于中間輪越障，地面附著系數越大，車輛越障高度越高，并且地面附著系數在較小的范圍（小于0.5）時，對車輛的越障性能影響較大。車輛質心到擺臂鉸接點連線的距離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成功越上障礙，則通過擺臂主動力矩的作用，前輪和中間輪豎起，車輛繼續向前行駛，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模型進行如下設計：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構中扭轉彈簧的作用，車輪采用圓柱體代替，運動副采用旋轉副，車輪和地面之間的作用采用接觸力進行處理，驅動力為施加在車輪上的力矩。在ADAMS中的虛擬樣機模型如圖19所示。該車體模型的主要參數如下：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 擺臂回轉工況A的無人地面車輛
由于所建立的擺臂回轉工況A的無人地面車輛越障模型都為靜力學越障模型，因此無論是地面附著系數φ，還是質心到前擺臂與車身鉸接點水平距離a，當其達到一定值時車輛的越障高度將達到或超過車輪半徑，這在實際行駛過程中是難以實現的。因此下面將首先建立擺臂回轉工況A的無人地面車輛虛擬樣機越障模型進行分析與仿真。
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，車體速度明顯下降，當前輪越上障礙后，車體速度回歸正常。此時中間輪處于懸空狀態車體速度正常，當其碰觸障礙時車體速度下降，在其越障過程中擺臂彈簧壓縮并迅速釋放（圖21），使車體（質心）相對地面運動的同時，與擺臂之間也產生相對速度。該相對速度的大小由彈簧的彈性系數決定，彈性系數越小，相對速度越大，因此表現在車體質心速度出現較大波動。同理，后輪碰觸障礙時，車體速度同樣出現波動，當其越上障礙后，車體速度趨于平穩。
（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，當其越上障礙后車輪出現一個懸空的瞬間（受力為0），但馬上在擺臂彈簧的作用下接觸地面并承擔車身的重量。在中間輪和后輪越障之前，它們都有一個懸空的過程。對于后輪，在前輪碰觸障礙時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），這是因為在前輪碰觸障礙時，中間輪懸空，車體重量全部由前輪和后輪承擔，而在后輪碰觸障礙之前，車體重量已經全部被前輪和中間輪所承擔，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，車體速度出現短暫穩定現象（如圖放大區域），這表明在越障過程中車輪已經開始打滑了。因此，該障礙高度即為車輛前輪越障的極限高度。該結果與論文2.1節越障模型計算的高度值相差比較大，這是因為前面采用的是靜力學分析，而車輛在實際越障行駛過程中，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明顯比跨越200 mm障礙時要大。
（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障礙時車輪所受沖擊力。
3.2 擺臂回轉工況B的無人地面車輛
圖29所示為無人地面車輛在擺臂主動力矩作用下實現跨越高障礙的運動過程。
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，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，在整個運動過程中，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），主要承擔了車體的重量。這是因為中間輪離車體質心距離小，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（質心）速度變化圖和各輪受力圖可以看出，當施加擺臂主動力矩時，力矩變化速度越慢，對整車的平衡穩定性影響越小。因此，在實際行駛越障過程中，為了提高車輛的穩定性，擺臂主動力矩應盡可能緩慢施加，并降低車速。如果路況允許的話，當前輪越上障礙后也可將車速降為0使其處于靜止狀態，然后進行車體姿態（各擺臂擺角）的調整，調整完成后再繼續驅動車輛依次進行中間輪和后輪的越障。并且，在給定設計參數條件下，該無人地面車輛在主動力矩的作用下，可以跨越1 m的垂直障礙。
4 結論
（1）本文介紹了無人地面車輛輪式行走機構，該懸架不僅具有緩沖減振功能，而且可以產生扭轉力矩對車輛越障性能的提高起到了重要作用。
（2）分析表明，在已知車體設計參數下，擺臂回轉工況A的無人地面車輛最大越障高度為330 mm，擺臂回轉工況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）結果表明，在車橋上施加主動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計工作提供了重要的理論依據。
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