第7章产品的虚拟设计86

第七章产品虚拟设计技术虚拟现实概述虚拟现实硬件基础虚拟现实软件技术虚拟设计中的建模技术虚拟设计与虚拟制造计算机触觉与CAD第一节虚拟现实概述虚拟现实是当代信息科学的前沿研究领域，它综合运用计算机图形学，计算机视觉，心理学，传感器等多方面技术，在计算机中营造一个虚拟的环境，通过实时的，立体的三维图形显示、声音模拟、自然的人机交互界面来仿真现实世界中早已发生、正在发生或尚未发生的事件，并使用户产生身临其境的真实感觉。一、虚拟现实的概念二、虚拟现实技术的发展历史VirtualReality80年代中期1972年1965年1929年美国宇航局NASA的Ames研究中心利用液晶显示器和其他零部件开始研制低成本的虚拟现实设备NolanBushnell开发了一种电子游戏，允许通过电视屏幕操纵一个弹跳的乒乓球IvanSutherland设计了一种头戴式图形显示器EdwinLink设计了一种飞行模拟器三、虚拟现实的特征沉浸感自主性交互性计算机生成的虚拟世界能给人一种身临其境的感觉，如同进入了一个真实的客观世界在虚拟环境中，操作者能够对虚拟环境中的事物进行操作，并且操作的结果能被操作者所感知在虚拟环境中，对象的行为是自主的是由程序自动完成的虚拟现实的三I图Immersion(沉浸）Interaction（交互）Imagination(想象）BECDA交互作用（Interaction）视觉(VisualPerception)听觉(AcousticPerception)触觉(HapticPerception)嗅觉（OlfactoryPerception）四、虚拟现实的组成虚拟现实的组成工程应用：汽车制造业、飞行仿真、虚拟实验医学领域：外科手术、训练与预演教育培训领域：建筑工程学、考古学、导游培训等军事应用：步兵训练系统、作战仿真系统五、虚拟现实的应用领域六、虚拟现实技术的分类桌面虚拟现实：利用个人计算机和低级工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口。包括一切与之有关的具有自然模拟、逼真体验的技术与方法沉浸的虚拟现实：高级虚拟现实系统提供完全沉浸的体验，使用户有一种置身于虚拟境界之中的感觉。增强现实性的虚拟现实：利用增强现实性的虚拟现实来增强参与者对真实环境的感受，也就是增强现实中无法感知或不方便的感受。分布式虚拟现实：在分布式虚拟现实系统中，多个用户可通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作，以达到协同工作的目的。七、虚拟现实技术发展趋势动态环境建模技术VR技术的核心内容，其目的是获取实际环境的三维数据，根据需要建立相应的虚拟环境模型实时三维图形生成和显示技术在不降低图形的质量和复杂程度的前提下，如何提高刷新频率新型交互设备的研制新型、便宜、优良的数据手套和数据服将成为未来研究的重要方向对模型的属性、方法和一般特点的描述通过语音识别技术转化成建模所需的数据智能化语音虚拟现实建模大型网络分布式应用将分散的虚拟现实系统通过网络联结，采用协议和数据库，形成一个在时空上互相耦合的虚拟、合成环境，参与者可自由地进行交互第二节虚拟现实硬件基础传感手套三维鼠标数据衣触觉与力反馈的装置虚拟现实硬件基础3D位置跟踪器立体显示设备3D声音生成器一、虚拟现实硬件基础几种常见的数据手套几种3D鼠标几种立体显示设备立体眼镜立体投影设备三维显示器头盔式显示器视线位置跟踪器力反馈系统空间交互球立体显示器二、虚拟现实硬件系统结构人位置传感器头盔显示器立体声耳机数据手套硬件层位置信息声音实时生成触觉实时生成图形实时生成与渲染软件层第三节虚拟现实软件技术语言类：如C＋＋、OpenGL、VRML、OGRE等1虚拟环境中采用的软件有四类：2建模软件类：如AutoCAD、Pro/Engineer、CATIA等应用软件类：指用户自己的各种需求，选择或者开发的自用软件4通用的商用工具软件包：帮助用户建立虚拟环境的通用和基本软件一、VRML概述VRML（VirtualRealityModelingLanguage)是描述虚拟环境中场景的一种标准，利用它可以在Internet上建立交互式的三维多媒体的境界。VRML本质上是一种用于造型的脚本语言，与目前比较成熟的造型软件如AutoCAD、3DMAX等相比，其最大特色是实时渲染。使用已有的造型软件可以制作出极为丰富的三维效果，但不能实时渲染和实时交互，只能预渲染后，以一种旁观者的身份观看渲染效果，而不能以参与者的身份参与到虚拟环境中。二、WTK概述WTK（WorldToolKit）是由Sense8公司开发的一种虚拟现实系统高级跨平台开发环境。WTK提供一系列WTK函数，用户可以调用这些函数来构造虚拟世界。WTK提供超过1000个C语言写的函数库，使用户能够方便地应用面向对象的原理，很快地生成虚拟环境中的复杂场景，快速开发新的虚拟现实应用系统。一个函数调用能够代替成百上千行C代码，极大地缩短了开发时间。WTK构造的虚拟世界可以组合各种具有真实感特性与行为的对象。WTK支持20多种3D输入设备，它还提供了外设驱动程序开发接口和指南，有利于用户开发自己的三维外设。第四节虚拟设计中的建模技术虚拟设计中的建模技术有：几何建模基于特征的建模基于特征的参数化建模几何建模用计算机及其图形工具描述几何物体的形状、设计几何形体模拟物体动态处理过程特征建模将特征技术引入产品设计中，用具有更高一层次的具有工程意义的特征体素来描述零件。基于特征的参数化建模将特征造型技术与参数化技术有机地结合起来，实现对多种设计方式和设计形式的支持。第五章虚拟设计与虚拟制造一、虚拟设计系统的总体结构在产品并行开发模式下，在产品设计阶段就可以考虑和模拟产品零部件制造，产品装配及产品的运行维护等产品开发的整个过程，多领域的工程师对产品进行完善，根据对虚拟设计系统功能的描叙，创建基本结构，其中包括：虚拟设计环境系统的模型处理虚拟装配运行过程仿真产品开发过程管理虚拟设计系统1、虚拟系统机构示意图CAD软件装配仿真模型处理评价设计开发管理网络支持虚拟环境制造模拟运行仿真2、各模块的功用和相互之间的关系产品开发管理模块为整个虚拟设计过程提供支持。模型处理模块实现虚拟设计系统和CAD软件间的数据转换。在CAD软件环境中建立虚拟设计场景，完成产品建模，提供模型的交互操作，对模型在场景中的运动作实时的碰撞检测，并且对模型进行数据的提取和保存。在完成产品设计后，经模型载入虚拟设计系统中，进行装配操作仿真，产品工作过程交互仿真，产品的多用户评价，检验所设计的产品的可装配性和可操作性，以及产品的制造成本和生周期。1、虚拟设计系统开发流程图建模Solidworks二次开发后置处理VisualC++6.0和WTK9.0装配仿真运行仿真设计管理设计评价网络支持虚拟环境数据保存结束模型转换Solidworks环境2、系统的模型处理虚拟产品开发过程的特点之一就是利用存储在计算机内部的数字化模型—虚拟产品来代替实物模型进行仿真，分析，从而提高产品在时间、质量、成本、服务和环境等多目标中的决策水平，达到全局优化和一次性开发成功的目的。目前，产品开发过程往往是先在CAD系统完成零件的设计建模，然后在虚拟环境中进行产品的装配设计和分析。大多数虚拟设计系统通过读取CAD系统输出的多边形面片模型（通常为三角面片模型）获取零件信息。3、虚拟设计中零件信息表达的三个要求零件信息表达与组织应具有高效性，以实现系统的实时交互。零件信息表达的完整性，既包含几何信息，又包含工程设计信息，并满足设计与分析的精度要求。便于CAD系统与虚拟设计系统的数据转换及信息集成。虚拟制造是以虚拟现实技术为基础的、一种集成的综合制造环境，用于加强一个企业各层次的决策和管理。是一种“数字样机”的反复设计—加工—装配—评价，得到的和传输的是数据信息；在实际制造阶段才需要投入原料、人员、厂房、设备，时间短、成本低，效率高，风险小，可以迅速对市场的需求做出反应。1、虚拟制造（VirtualManufacturing）三、虚拟制造系统虚拟制造系统是各制造功能的虚拟集成用户支持工程分析材料选用工艺计划工装分析快速原型信息描述基本环境仿真模型虚拟制造软件技术支持2、虚拟制造的技术支持可视化中介模型基层集成组织结构3、虚拟制造系统的三个类别用于在产品的开发设计过程中为设计研究人员提供有关产品的制造信息通过对生产过程的模拟仿真来经济、快捷的评价各种工艺方案、生产效率以及资源的供求状况通过对控制模型及生产过程的模拟仿真，帮助在整个生产周期进行优化处理以生产为中心以控制为中心以设计为中心4、虚拟设计与虚拟制造的关系确定和修改其他围绕产品设计、生产和管理的各项活动规程完善生产工艺利用虚拟现实技术对产品进行预先试制发现问题、改进设计产品投入生产一、虚拟环境中装配设计的关键技术1、虚拟环境中装配关系识别虚拟环境中装配设计的首要任务是根据设计者的交互操作，实时捕捉设计者的装配设计意图，识别并建立零件间的装配关系。2、虚拟环境中装配运动导航3、虚拟环境中装配序列编辑通过将空间方位传感器输入的运动信息投影到零部件的可自由运动方向上，实现对零部件的运动引导。设计者在交互进行虚拟装配建模的同时，系统自动记录整个虚拟装配建模过程中所产生的事件、状态及装配关系。第六节虚拟装配第七节计算机触觉和CADDefinitionandbasicprinciplesofhapticsHardwaredevicesExamplesofhapticsapplicationsHapticrenderingSDKConcepts-HapticPerceptionHaptic,fromtheGreekαφή(Haphe),meansthesenseoftouchMorelooselydefinedintheVirtualRealitycommunity:informationacquisitionandobjectmanipulationthroughtouchmanualexplorationandmanipulationHapticPerceptionInvolvestouch(tactileperception)motoractionknowledgeofthepositionandmotionofthelimbsandjoints(kinaestheticperception)HapticPerceptionHapticinterfaces“Hapticinterfacesreferstointerfacesinvolvingthehumanhandandtomanualsensingandmanipulation.”(Durlachetal.,1994)Moregenerally,ahapticinterfaceprovidesameanstostimulatetheuser’sbodytosimulatethetouch,feel,etc.ofobjectsRenderforcesviaahapticdisplay(asgraphicsrendersimagesthroughavisualdisplay)Hapticinterface(Basdogan)ApplicationsofhapticsMedicineEntertainmentEducationIndustry(CAD/CAM)ApplicationsofhapticsMedicineEntertainmentEducationIndustry(CAD/CAM)HardwareHapticdevicesHavebothsensorsandactuatorsSimulateforcesthebodyshouldencounterinavirtualenvironment(VE)Allowausertofeel,touch,andmanipulateobjectsinaVEGenerateappropriatemechanicalimp