虚拟现实技术在计算机辅助设计中的运用

先进制造技术结课论文题目：虚拟现实技术在计算机辅助设计中的应用学校：班级：姓名：学号：指导老师：虚拟现实技术在计算机辅助设计中的应用摘要:在计算机辅助设计系统中引入虚拟现实技术进行设计是当前计算机辅助设计系统的发展趋势之一,可以为设计人员提供自然、逼真、多感知的设计环境,从而大大提高设计的效率和质量。本文简述了虚拟现实技术在计算机辅助设计中应用的产生背景、意义;介绍了目前研究的基本状况及其基本概念和基本内容;综述了当前的一些主要方法和关键技术。关键词:虚拟现实技术；计算机辅助设计；应用0引言随着实体曲面造型技术、特征技术以及计算机硬件设备的发展,CAD飞速发展。大量商品化的CAD软件走向各个领域。然而,与此不相匹配的是,直到今天,用户与CAD系统的交互手段几乎没有改变,还是采用标准的键盘/鼠标输入。用二维的界面来处理三维的造型环境,缺乏三维的交互设备,因而也就缺乏直观性。这样促使人们寻求新的方法来解决人扒交互问题。近年来VR技术的产生和发展,使得越来越多的人们采用VR的三维交互设备来改进CAD的人机交互界面,进而产生了基于VR的CAD研究领域。(1)VR技术简介VR是虚拟现实的简称,是指给人以身临其境的现实感觉的虚拟环境。一般是指由计算机生成的虚拟环境。通常VR由硬件设备和软件系统两部分组成。主要硬件设备有:头盔显示器;跟踪设备(如数据手套和衣服等);触觉器与运动反馈设备;三维鼠标、耳机、立体声设备等。主要的软件工具有图形开发系统、语言识别系统等。这些软件、硬件本身也在不断地改进完善过程中。(2)两类基于VR的CAD设计系统基于VR的CAD设计系统主要可分为两大类,一类是增强的显示系统,一类是VR-CAD设计系统。·增强的显示系统:在这种类型中,物体模型由现有的CAD系统生成。通过适当的变换处理,把物体模型输入到VR环境。一旦物体输入到VR环境,通过三维交互设备和显示设备对物体模型进行检查,对物体进行操作。·VR-CAD系统:这一类系统可使用户在VR环境下进行设计活动。这样的好处使得设计者在进行三维设计时突破传统二维设计界面。这类系统使用各种输入设备(如数据手套、三维导航设备等)给用户提供三维设计和交互界面。另外,还可用声音和手势进行交互输入。声音和手势输入形式是目前人机界面研究的一个重要部分。(3)VR在CAD中的应用是一个90年代出现的新领域。虽然许多国内外学者展开了不少研究工作。总体说来，研究工作还很初步。本文主要讨论VR在CAD中应用的几个方面的问题。1利用VR技术支持概念设计CAD系统的研究者们总是力图使CAD系统支持产品设计的全过程,尤其是支持产品的概念设计。有关研究表明,产品成本的60%-70%决定于概念设计阶段。然而传统的CAD系统支持概念设计方面是困难的。主要问题在于用户必须先确定产品的外形。几何尺寸等建立模型。而建模过程要做很多低级操作(如对点、线、面操作)。这样,一个非专业CAD人员是无法使用的。要建立一个产品模型,必须由设计师和CAD人员共同协调完成。为一支持产品的概念设计,大量学者进行长期的努力。草图设计、参数化设计、基于特征的产品设计等技术都为支持概念设计提供了条件。而利用VR技术使得真正意义上的支持概念设计的CAD系统的产生成为可能,利用VR技术支持产品的概念设计主要解决以下几个问题:(l)产品的设计模式产品的表示方式多种多样,其中常用的有两种:参数化设计和自由曲面设计。参数化设计主要用于生成立方体、圆柱体、球等标准几何形状。用户可以用高级命令通过确定参数来方便地生成。自由曲面可通过手的运动轨迹给出曲面的初步形状,而不用控制顶点方式来生成。(2)产品形状生成的交互方式用户生成一儿何形状可用两种方式:隐式的和显式的。例如:生成一个立方体。首先可发出声音命令“产生一个立方体”,然后说：“长这样、宽这样、高这样”。而在说“这样”的同时用两手比画出一个长度,以确定立方体的初始尺寸,这样一个立方体就生成了。这里并不需要用严格的尺寸,因在概念设计阶段并不需要严格的尺寸。这就是隐式生成。显式生成可如下进行,发出声音命令“产生一个立方体长为20mm，宽为10mm，高为5mm”。这时按照用户提供的尺寸生成长宽高分别为20mm、10mm、5mm的立方体。这样一种方式结合声音和手势来造型,既方便又清楚。对曲面造型更多地用隐式方式生成。(3)产品形状的修改参数化方式下,产品形状的修改和生成的方法差不多。可通过声音和手势加入一个孔、槽,拉长一物体等或重新确定尺寸。在自由曲面设计中修改工作要困难一些,修改时要提供一套高级的抽象手段。如用材料类型、表面特征、虚拟工具来完成修改工作。2虚拟环境下对物体的操作在CAD系统中,经常要对物体进行各种的操作,如在基于特征的设计中加入、修改及删除,在装配设计中采用多种装配方案。鉴于VR的身临其境的特性,可时物体进行直接操作。人们自然会利用VR的优点来进行设计。然而在具体对物体操作时,会发现各种各样的问题。一个简单的例子,假如要布置一个房间,要放许多椅子、桌子、灯具等。在VR下,可直接抓取物体,把它放在所需位置。但是,如果需在天花板上安装一盏灯,你虽可看到天花板,但又达不到。这就需要有相应的操作技术支持。又如放置椅子可以把椅子限制在地面上移动(二维运动)使得操作更精确。可见,在VR下对物体的操作有着它自己的特性。如果不充分了解这些特性,就很难在VR下对物体进行有效的操作。下面简述几种操作技术。(1)AAAD-远距离操作(Action-At-A-Distance)远距离操作时,可用一光速从手上(手套)发出选取一物体,然后移动手(把手运动映射到相应的物体运动)来操作物体。AAAD的一个限制是被选取的物体必须可见。所以当把AAAD和其他一些虚拟操作技术结合在一起将更为有效。同时AAAD是一个近似的操作手段(不能精确定位)。(2)视角模式视角模式是视点确定最直观的方法。在视角模式下,感兴趣的物体总是被限制在用户面前。物体的可见部分依用户的视线方向而定.抬头时看到物体的底部,低头时看到物体的顶部。这样可使用户快速自然地看到物体的各个侧面(只要稍微移动一下头)。在视角模式下,在视点确定的同时,用户的手可进行共他操作。视角模式对局部视点确定很有好二处,但它不是一个全局的导航技术。(3)菜单交互技术在VR下,可借用二维菜单技术方便地时物体操作,但它比二维菜单更加灵活,菜单可在三维世界里任意飘移。当然值得注意物体视线的问题。(4)约束物体操作目前在VR下对物体操作的主要缺陷是在交互操作时缺乏约束。这样,对物体的精确定位就很困难。在VR中对物体约束可分为两类:虚拟约束和物理约束。虚拟约束是在用户操作物体时忽略一些自由度,如对物体定位时,用户的手可在3个方向上任意移动,而物体被限制在一个平面上移动。物理约束是指在实际上用户操作物体时限制手的运动。3利用VR技术的虚拟装配虚拟装配简称VA,是VR在CAD中应用的一个重要领城。同时VA也是虚拟制造的关键部分。它可以这样来描述:利用计算机的工具,而不用建立一个产品的实际模型,通过分析、可视化、数据表示等技术帮助工程师进行装配关系的工程决策。但总的说来，虚拟装配技术目前并不十分成熟，在工业界的实用化程度不高，一些关键技术还需要亟待解决。因此，离在工业界的推广应用还有很长的距离，将来重点的发展方向主要体现在如下几方面。(1)CAD接口标准化。虚拟装配系统应能接受CAD系统的模型信息，实现与主流CAD系统的无缝集成。目前各单位开发的虚拟装配系统，都是根据自己的情况来定制CAD接口，实现信息转换，在数据的提取和表达、信息的存储和管理等方面没有统一的标准和规范。(2)虚拟装配/拆卸过程中人的合理性参与。人是产品装配/拆卸过程中的重要因素，充分发挥人的主观能动性、积极性和创造性，真正体现以人为中心的设计，是提高产品装配质量和效率的关键。人机工效等技术和虚拟装配技术的结合是现阶段研究的热点，可以解决自动化装配中不能解决的技术难题。(3)管路、线缆的布置与装配。在工业级复杂产品中（如飞机、船舶、火箭发动机等），由于空间狭小、结构紧凑，各种刚性管路和柔性电缆、线缆等交错缠杂在一起，给装配操作带来很大难度，成为影响产品装配质量的关键。现有虚拟装配系统缺乏这方面的有效工具，限制了在工业生产中的应用。(4)考虑加工和使用环境的装配过程建模。目前的虚拟装配系统都以理想的零件模型为基础，没有考虑具体的加工和装配环境对零件形状精度和尺寸误差的影响，导致实际生产出来的零件装配不上或装配性能不满足要求。例如，实际加工中由于机床、刀具和残余应力等因素的影响，零件的形状精度和设计尺寸并不完全一致，装配过程中由于环境温度、装配受力等因素，零件也会发生弹性变形，这些因素都会对产品装配精度和装配性能产生影响。4虚拟现实技术在汽车造型上的应用及其实例按传统汽车造型设计方式，汽车从产品设计到最后投产，不仅要经过几轮实车试装，以检验设计和工艺的合理性，而且要进行大量艰苦又费时耗力的野外试验，若利用虚拟现实技术，则可在计算机上虚拟各种汽车内外造型设计和试验。例如汽车造型的虚拟设计，制作传统的全尺寸汽车外形模型，需要用木头或钢铁制作模型骨架，用泡沫制作模型毛坯再用油泥制作模型的表面，并涂上预期的色彩，加上内饰件模型，用以最终确定各部位的线条，并检查整车的比例是否符合视觉习惯，决策层也通过审查全尺寸样车模型来最后确定该车型是否正式投入生产。该制作过程如果采用虚拟现实建模的外形设计，不但节省人力物力财力，还可提供多种方案，多种颜色，并可随着设计意图的不断修改，大大缩短造型周期，而且造型方案确定后，建模数据可直接用于车身结构设计、冲压模具设计等后续环节。车内外各个部件也可以利用虚拟现实的软件进行设计，包括座椅、转向盘、变速杆、指示柄、后视镜、挡风玻璃上的雨刷、手控制动器、车门手柄、汽车收音机以及车内空调器等。这些部件都可借助数据手套由用户重新确定。汽车外形的美观条件必须满足安全、人体工程学、生产工艺、装配、维修等方面的标准，设计过程要受到生产、时间以及经费等相互制约条件的限制，采用VR系统可以比CAD技术更好地适应这种要求。5结论虚拟现实技术的运用从根本上改变了人类的思维方式。现在,VR技术在CAD中的应用价值已被人们所认识。一些研究团体已开始把VR技术应用到CAD领域来。然而,VR技术在CAD中的大规模的使用尚待时日。它需要相关技术如实体造型、曲线/曲面造型、特征造型等的进一步成熟与发展,更需要相应硬件设备性能的提高和软件系统的开发。目前,利用VR技术支持CAD在工业界快速增长。VR技术因其独有的特性,必将有力地促进CAD的集成,大大加快CAD/CAM的发展。参考文献:[1]陈正鸣、吴玉光、范永法.虚拟现实在CAD/CAM中的应用.计算机工程.1999[2]包海涛.虚拟现实技术在汽车造型设计中的应用研究.北京汽车.2009[3]刘振宇,谭建荣,张树有.面向虚拟装配的产品层次式信息表达研究[J].计算机辅助设计与图形学学报(S1003-9775),2002,13(3):1-6.