虚拟设计与数字化样机33

166第五章虚拟设计与数字化样机第一节虚拟设计的概念与特点一、虚拟设计是以“虚拟现实”技术(VirtualReality)为基础，以机械产品为对象的设计手段。虚拟现实技术是基于自然方式的人机交互系统，利用计算机生成一个虚拟环境，并通过多种传感设备，使用户有身临其境的感觉。本质上讲，虚拟设计是将产品从概念设计直到投入生产的全过程（即产品的生命周期）在计算机构造的虚拟环境中虚拟地实现，虚拟设计不单单是对产品的物质形态和制造过程进行模拟和可视化，它包含了对产品的性能、行为、功能以及对产品实现的各个阶段中进行预测、评价和优化。数字化样机（virtualprototyping，VP）是一个完整的基于计算机的产品研制的集中信息载体,是根据产品设计或概念描述产生的在功能、行为以及感官(视觉、听觉、触觉等)特性方面与实际产品尽可能相似的可仿真数字模型，并对该模型进行评估和测试，从而获取关于候选的物理模型设计方案的特性。虚拟设计技术包括：工程分析、虚拟制样、网络化协同设计、虚拟装配及设计参数的交互式可视化等。虚拟设计的主要特征：1.沉浸性：集成三维图像、声音等多媒体技术，使用户身临其境感受产品的设计过程和性能，变成虚拟环境的一部分。2.简便性：自然的人机交互方式，所见即所得，用逼真的临场感，支持不同的用户背景支持并行工程，丰富设计理念，提供设计新方法和激发设计灵感。3.多信息通道：用户感受视觉、听觉、触觉和嗅觉等多种信息，发挥人的多种潜能，增加设计的成功性。4.多交互手段：摆脱传统的鼠标键盘输入方式，运用多种交互手段（数据手套、声音命令等），支持更多的设计行为（建模、仿真、评估、预测等）。5.实时性：实时的参与、交互和显示，把人在CAD环境下的活动提升到人机融为一体的积极参与的活动构成融入性的智能开发系统。167二、数字化样机数字化样机技术涉及多体系统运动学与动力学建模理论及技术实现,基于先进的建模技术、多领域仿真技术、信息管理技术、交互式用户界面技术和虚拟现实技术的综合应用技术。“数字化样机”对大多数人来讲是陌生的。数字化样机是现代集成制造系统虚拟生产和敏捷制造的基础，是应用三维数字化产品定义、数字化产品预装配、产品数据管理的关键技术，将产品的几何功能、性能等数据全面集成，实现对产品的虚拟设计、分析制造、使用和维护，并最终实现完整的数字化虚拟产品。数字化样机技术将传统的经验设计方法改为预测方法,具有无法比拟的优点:1.提供了一个全新的产品研发模式。数字化样机技术以在计算机上构造数字化产品为目标驱动,使得产品模型易于修改;通过可视化技术和虚拟现实技术,可以直观、方便、迅速地分析、比较多种设计方案,确定影响性能的敏感参数;模拟各种真实工况下数字化样机的性能如不满足要求即可进行修改,修改过程即数字产品模型再“制造”、再快速模拟分析过程,如此循环直至得到满足设计要求的数字化产品模型。2.更低的研发成本、更短的研发周期、更高的产品质量。不同于基于串行工程的传统物理样机技术,基于并行工程的数字化样机技术使得产品的设计可同时由不同学科的设计人员分工设计产品的不同部分;在产品的初步方案确定后同时进行性能分析,机构运动学和动力学仿真、有限元分析、数控仿真等工作,并根据各自的仿真分析结果提出改进措施。而且通过数字化样机可以完成无数物理样机无法进行(由于成本和时间不允许)的虚拟试验,从而无需制造物理样机就可获得产品级的优化设计方案。不仅缩短了开发周期,而且提高了设计效率、设计质量和一次开发的成功率。第二节国内外研究与应用现状一、国外现状虚拟产品开发的概念一经提出就受到企业界的广泛关注，一些企业立即着手局部性实施和应用。美国福特汽车公司采用网络并行设计技术设计制造的新型SS1型赛车从开始设计到上道测试仅用了9个月时间。如图5-1所示。168图5-1汽车新品开发图5-2数字飞机波音公司采用虚拟产品开发技术成功地研制出世界上第一架“无纸客机”—波音777双喷机型，接着又研制出新一代737客机；如图5-2所示。日本松下公司开发的虚拟厨房设备制造系统可以允许消费者在购买商品前，在虚拟的厨房环境中体验不同设备的功能，按自己的喜好评价、选择和重组这些设备，这些信息被存储并通过网络送至生产部门进行生产等。此外，还有用于开发新一代计算机芯片、对正在设计的轿车进行虚拟道路测试并评价轿车的道路适应性和驾驶169员视野，还有用于齿轮的并行设计和装配、机器人的训练、检测、人机工程分析、维修、安全性和维护性训练等许多工业领域。二、国内现状国家863高科技项目中亦安排有基于e-Works平台，建立分布式虚拟设计/制造平台，并在虚拟环境下考察和评价产品的研发工作。北京航空航天大学计算机系是国内最早进行VR研究、最有权威的单位之一,他们首先进行了一些基础知识方面的研究,并着重研究了虚拟环境中物理特性的表示与处理;在虚拟现实中的视觉接口方面开发了部分硬件,并提出了有关算法及实现方法;实现了分布式虚拟环境网络设计,建立了网上虚拟现实研究论坛,可以提供实时三维动态数据库,提供用于飞行训练的虚拟现实系统,提供开发虚拟现实应用系统的开发平台,并将要实现与有关单位的远程连接。图5-3虚拟建筑环境浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统,如图5-3所示。该系统采用了层面迭加的绘制技术和预消隐技术,实现了立体视觉,同时还提供了方便的交互工具,使整个系统的实时性技术和画面的真实感都达到了较高的水平。另外,他们还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法。哈尔滨工业大学计算机系已经成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成,表情的合成和唇动的合成等技术问题,并正在研究人说话时头势和手势动作,语音和语调的同步等。清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临场感等方面进行了研究,例如球面屏幕显示和图像随动、克服立体图闪烁的措施和深度感实验等方面都具有不少独特的方法。他们还针对室内环境水平特征丰富的特点,提出借助图像变换,使立体视觉图像中对应水平特征呈现形状一致性,以利于实现特征匹配,并获取三维结构的新颖算法。西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术———立体显示技术进170行了研究。他们在借鉴人类视觉特性的基础上提出了一种基于JPEG标准压缩编码新方案,并获得了较高的压缩比、信噪比以及解压速度,并且已经通过实验结果证明了这种方案的优越性。中国科技开发院威海分院主要研究虚拟现实中视觉接口技术,完成了虚拟现实中的体视图像对算法回显及软件接口。他们在硬件开发上已经完成了LCD红外立体眼镜,并且已经实现商品化。另外,西北工业大学CAD/CAM研究中心,上海交通大学图像处理及模式识别研究所,长沙国防科技大学计算机研究所、华东船舶工业学院计算机系、安徽大学电子工程与信息科学系等单位也进行了一些工作和尝试。如图5-4所示。图5-4数字样船中航第一飞机研究成功地采用了CATIAV5版本，进行了100%的全机外型、结构件和全机飞机系统的三维数字化定义和100%的数字化预装配，2000年底，我国第一架全数字化样机“飞豹”研制成功。利用数字化样机，在CATIA的后处理阶段，还可以进行整机的应力、流场以及鸟撞等一系列的仿真分析。如图5-5所示。图5-5飞豹――战机171第三节虚拟设计关键技术一、数字化样机的建模理论与方法基于知识的设计包括设计知识的获取、表达与应用；设计信息和知识的合理流向、转换与控制；设计知识的融合、管理与共享；从设计过程数据中挖掘设计知识。设计过程的规划、集成与优化。包括设计活动的预规划和实时动态规划、设计活动的并行运作以及设计过程冲突管理与协商处理。虚拟环境中的人机工程学。虚拟环境与设计过程相连。产生虚拟环境的工具集。包括一般需要的软件支持系统以及能接收各种高性能传感器信息。能生成立体的显示图形；能调用和互连各种数据库和CAD软件的各种系统。1.数字化样机的建立数字化样机的建立包括如下方面的研究：1)基于微机的虚拟环境体系结构计算机硬件发展的日新月异为基于微机的普及型虚拟环境体系结构的建立提供了物质基础。2)基于几何建模和图像相结合的建模方法和相关算法采用虚物实化、实物虚化、虚实结合、增强现实的方法既可以使模型的真实感强，又可以有效地减少模型的数据量，以满足实时交互性的要求。3)基于图像的虚拟现实关键技术图像建模具有模型简单、数据量小的优点，适合于微机环境的实时建模和浏览。如何建立快速图像压缩和解压缩算法，实现基于图像的机械产品模型的三维重建等是关键。2．具有物理属性的数字化样机的建立建立具有物理属性的数字化样机有着巨大的应用价值。如果用它来进行虚拟试验，既可以节省宝贵的产品开发时间，又可以节约试验费用。在某些情况下，试验的费用可能很大，甚至无法做试验。采用这种技术，设计人员将能设计出价格低廉、满足顾客各种各样需求的产品。3．分布式虚拟现实关键技术1）通过利用客户端的CPU卡和服务器端的密码机来完成加密和解密工作，防止未经授权的用户访问企业数据；2）建立基于网络的虚拟企业；3）研究不同设计方之间的标准数据交换格式；1724）实现机械产品网上交易和B2B电子商务，完成企业内部和外部的电子商务集成化。“基于网络的虚拟产品开发”主要包括：分布式虚拟设计/制造的体系结构、开发平台、总体设计；虚拟设计；虚拟分析；虚拟装配；虚拟加工技术；基于物理属性的虚拟实验研究；支持虚拟设计/制造的网络及数据库支撑环境。目前，基于网络的虚拟产品开发呈现出以下发展趋势：1.数字化虚拟环境下开发的产品是全数字化的产品；产品的开发过程、测试过程、检验过程、制造过程、销售过程等将告别现在的纸制介质，并与数字化产品信息紧密结合；数字化将是虚拟产品开发技术的重要发展方向，基于数字化虚拟产品技术的各个分支将得到全面的发展。2．集成化虚拟产品的集成建模技术、虚拟产品开发系统的集成化、虚拟产品设计、测试和制造的集成化等。3．智能化将人的知识和智能融入到虚拟产品开发技术中，使新产品开发过程实现自动化，将智能化的知识和的数字产品结合起来，使其具有自律、分布、智能、仿生和分形等特点。4．协同化分布式异地协同虚拟开发将是CAD支撑层的重要发展趋势。5．虚拟化虚拟化包括虚拟环境的建立，还包括虚拟环境下产品的表达、虚拟产品装配模型和虚拟产品模型分析，进而发展到虚拟制造(VM)和虚拟企业(VE)。先进的设计、制造技术应当实现：1．智能化传统的CAD、CAM在设计、制造过程中，对人类的辅助是很有限的。提高制造业对市场多变的适应能力和快速响应能力，就必须从设计到制造全过程提高计算机的辅助水平，使计算机在更大范围内、更高水平上帮助或部分替代人类，从而大大提高设计制造的自动化水平，进而提高设计质量和产品质量。2．网络化随着经济全球化的推进，制造业已经进入全球性竞争的时代，地理位置已不再成为一种障碍。竞争者可以在全球范围内制造和销售他们的产品。以计算机支持的协同工作技术(CSCW)的日益成熟为标志，使之逐步成为现实。3．集成化在产品制造的全过程中，只有将CAD/CAM/CAPP/CAE/PDM集成化，形成CIMS,才能实现产品制造全过程的计算机化。制造业才真正会发生根本性的变革。4．可视化虚拟现实技术的应用可以看作产品设计/制造的过程可视化的一个重要方面。173第四节虚拟环境一、虚拟环境的建立在人与计算机之间建立具有沉浸感和交互性的友好关系，就要求构成虚拟环境的计算机系统能适应人说惯用的信息获取形式和思维过程。人在与环境的交互过程中，利用肌体和器官对所接触的事物的各种感知和认知能力，以全方位的方式获取各种不同形式的信息。人获取信息并不只用听和读的方式，所获取得信息也不只限于文字或数字，还有图像和场景、声音和嗅觉、触觉和动感等。如图5-6所示。图5-6虚拟环境虚拟环境是一种合成系统，在这种计算机合成的环境中，用户可完全沉浸在幻境般的三维空间之中。为了建立这种环境，除了采用虚拟现实建模语言外，还需要各种视觉、听觉和触觉的人机交互装置，营造虚拟环境的沉浸感。能够形成具有沉浸感三维场景的虚拟环境硬件系统包括：可视