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1、综述以设计为中心的虚拟制造技术设计与研究9综述以设计为中心的虚拟制造技术秦成(海军后勤技术装备研究所,北京100072)摘要:本文讨论了虚拟制造的相关概念,并从数字化样机及虚拟功能样机两个层次对以设计为中心的虚拟制造技术进行了综述分析.关键词:虚拟制造虚拟现实数字化样机虚拟功能样机1概论虚拟制造(VirtualManufacturing)是实际制造在计算机上的本质实现,即采用计算机建模与仿真技术,在高性能计算机及高速网络的支持下,在计算机上群组协同工作,通过三维模型及动画或虚拟现实,实现产品的设计,工艺规划,加工制造,性能分析,质量检验,以及
2、企业的各级过程管理与控制等产品制造的本质过程,以增强制造过程各级的决策与控制能力….虚拟现实(VirtualReality)是一种计算机生成的动态的虚拟环境,形成一个具有视觉,听觉,触觉甚至味觉和嗅觉的逼真感观世界,人通过适当的接口置身其中,获得一种仿佛置身于现实世界的临境感,并通过各种虚拟设备如立体显示系统,听觉系统,触觉与力反馈设备等,以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互(Interaction),产生沉浸(Immersion)感,对系统进行构想(Imagination).这三个"I"是虚拟现实的基本特征.虚拟制造也可看作是产品设计,开
3、发,制造过程采用虚拟现实技术的实现,通过对产品及其制造过程的仿真,使人沉浸在虚拟制造环境中,通过对"产品生命全程"的预演,加深人们对制造过程的准确理解和直观感受.虚拟制造按照与生产各个阶段的关系可分成三类:以设计为中心的虚拟制造,以生产为中心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟制造.以设计为中心的虚拟制造为设计者提供了一个虚拟设计环境,以进行产品的虚拟设计,虚拟装配与干涉检验,以及虚拟样机设计与性能评价等;因此,首先要建立产品的几何模型,几何模型与产品结构设计相对应,是后续一系列过程进行的基础,然后要建立产品的分析模型,分析模型要求支持以保证和提高
4、产品性能为主旨的各种工程分析,如运动学与动力学分析,有限元分析以及与具体产品类型相关联的特性分析等.目前,三维CAD技术已达到了一个非常高的水平,可以在计算机中构建一个非常完整的产品模型,加上渲染和动画功能,使产品模型变成一个形态逼真且具有动画功能的仿真物体,通常称之谓"产品数字化样机".产品数字化样机能提供制造和装配用的二维图纸和各种零部件的材料,尺寸,形位公差和装配关系等信息.只有将物理功能做到数字化样机上,并验证能满足产品的实际功能后,才算完成了产品的设计任务.这种具有功能的数字化样机,我们把它称为"数字化功能样机或称虚拟功能样机".以
5、下主要从产品的数字化样机及虚拟功能样机设计两个层次论述以设计为中心的虚拟制造技术.2产品的数字化样机设计2.1虚拟产品设计虚拟现实技术与CAD技术在产品开发过程中的有机结合,改善了虚拟产品设计中人与计算机的交互方式,在沉浸式的虚拟环境中,设计者通过直接三维操作对产品模型进行管理,以直观自然的方式表达设计概念,并通过视觉,听觉与触觉等反馈,感知产品模型的几何属性,物理属性与行为表现.虚拟现实提供的沉浸感,交互性与实时性促进了设计者直觉,想象力与创造力的充分发挥.产品的虚拟设计要求建立一个较完善的虚拟现实软硬件环境,在这个环境中,应能实现概念设计
6、,三维建模以及各种仿真和检验等功能.目前,产品的虚拟设计主要有以下几种方式,一种是设计人员先利用现有的CAD系统完成建模,再导入到VR环境中,让设计人员或准客户来感知产品,然后再返回到CAD环境中进行修改;另一种是设计人员可以利用VR—CAD系统,直接在虚拟环境中进行设计与修改;设计方案确定后的建模数据可直接用于冲压模具设计,仿真和加工,甚至用于广告和宣传.汽车行业中虚拟设计的应用较广泛,世界知名的汽车企业如美国通用公司,福特公司,德国宝马公司等都建立了虚拟现实设计中心.在虚拟设计环境中,设计人员利用头盔显示器,具有触觉反馈功能的数据手套,操
7、纵杆,三维位置跟踪器等装置进行设计交互,将视觉,听觉,触觉与虚拟概念产品模型相连,不仅可以实时地对整个虚拟产品设计过程进行检查,评估,而且还可以进行虚拟的合作,甚至通过网络实现异地协作,解决设计中的决策问题,使设计思想得到综合.此外还有虚拟油泥建模(VirtualClayModeling)的虚拟设计方式,就是通过建立产品的虚拟油泥模型以适应创造性设计过程中设计者所提出的直观要求,这一功能的原理来源于"陶塑"的思想,通过数据手套,用户可指向模10现代制造技术与装备2008第2期总第183期型上需要改进的地方,实时的碰撞跟踪功能按照手部的运动改变
8、模型的型状,所设计的产品可得到精确的描述,物理模型能通过快速原型方法被迅速的制作出来.例如,美国波音公司777飞机的虚拟原形机,就是利用虚拟产品设计对该产品进行了全
