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1、第17卷 第2期西 南 工 学 院 学 报Vol.17No.22002年6月JOURNALOFSOUTHWESTINSTITUTEOFTECHNOLOGYJun.2002文章编号:1007-8916(2002)02-0027-04机械设计中虚拟技术的应用研究122宋宏文 付 志 杜详兵(1.西南科技大学制造科学与工程学院 四川 绵阳 621002;2.中国空气动力研究与发展中心超高速气动研究所 四川 绵阳 621000)摘要:虚拟现实是一种新型的人机交互系统,是现代机械设计发展方向。本文在简要介绍虚拟现
2、实概念及在机械设计中应用的基础上,提出了一种基于VRML的虚拟装配设计系统实现方法。关键词:虚拟现实;建模;机械设计;VRML语言;虚拟装配 中图分类号:TP391.9文献标识码:A虚拟现实是20世纪90年代最重要的思想之一,是放大智慧的新工具,21世纪的计算机是VR计算机,当前虚拟现实在机械工程中的应用已经越来越广泛。机械设计的最终目的是设计出产品,即设计出一个装配体,传统的装配体设计是一个自底向上的设计过程,即先设计出各个零件,并制造出来,再把实实在在的零件装配起来,形成一个完整的装配体或机械设备
3、。这样,很容易出现装配体各部件的干涉及与设计目的不符等缺陷。虚拟设计就是为了克服这些缺陷而出现的。它不仅可以让设计师看到甚至“摸”到自己的设计成果,还能简化设计流程,缩短设计时间,而且方便随时修改。1 虚拟现实的概念及在机械设计中的应用1.1虚拟现实概念虚拟现实是采用计算机生成一个逼真的、具有视、听、触、嗅、味等多种感知的虚拟环境,置身于该环境中的人可以通过各种传感设备与这一虚构的现实进行交互作用,达到彼此交替更迭、融为一体的程度。这里所说的虚拟环境是指用计算机生成的具有表面色彩的立体图形,它可以是某种
4、特定现实世界的真实体现,也可以是构想的世界。虚拟显示技术有4个重要特征:即多感知性、存在感、交互性和自主性,但并不是任何一个虚拟现实系统都具有上述的所有特性。交互性、沉浸感和想象是3个最突出的特性,也是人们熟知的VR三“I”特性。1.2 虚拟现实技术在机械设计中的应用计算机辅助设计升级到具有交互效果的“虚拟设计”,虚拟现实技术是一种“富有价值的工具”,可以提升传统产业层次、挖掘其潜力。(1)建立虚拟模型将减少或者消除对昂贵的实际模型所需要的费用。一些复杂的系统工程如飞船、机器人的设计,需要投入巨大的资金
5、,若用VR技术建立仿真系统代替实物模型进行研究或样机设计,可以大大节约资金、人力和物力、优化系统设计。(2)进行性能和人机工程方面的研究时,将允许人直接参与操作模拟。在虚拟环境中所进行的虚拟制造过程,用户可通过方便的接口进行干预,从制造的角度考察设计,为设计的更改和优化提供制造方面的依据。(3)对装配、制造和维修等工作进行虚拟仿真模拟,可在设计过程的最初阶段发现可能存在的缺陷和问题,减少不必要的浪费。 收稿日期:2002-01-07©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDis
6、cCo.,Ltd.Allrightsreserved. 西 南 工 学 院 学 报 282002年第一个受虚幻现实影响的设计是1996年推出的反铲载机。美国卡特彼勒公司建筑机械产品部工程师贝特纳在《光谱》杂志上发表文章,阐述他们在理论上有三个看上去都是可行的不同设计,用他们开发的虚幻环境系统对这3个设计方案进行了先期效果的演示验证,结果发现其中两个设计在操纵反铲传动机时,会不时进入视野死角。如果不使用虚幻环境系统,只有在样机造出后才能发现。结果卡特彼勒
7、公司提前9个月选定了设计方案,并且节约了按其它两个较差设计方案试制样机所需的巨额费用。通过综合虚拟模型的虚拟结果工程分析将使结果更加有效。2 建模过程同仿真技术一样,虚拟世界的建模是开发VR应用的核心。首先从数字上定义基本过程,并配备已有的硬件资源。建立起设备零件的几何模型,在将之转换成能在计算机上实现和运行的仿真模型。第二步,开发对象数据库和优化模型,即建立对象的形状、外表、行为、限制模型并将对应的I/O工具映射到仿真的世界。虚拟现实技术的建模过程如图1所示。(1)几何建模:描述虚拟对象的形状和外表,
8、可通过照片扫描或图像绘图软件建立。(2)运动建模:表示虚拟对象在虚拟世界中的动态特性,有关对象位置变化、碰撞、伸缩、手抓握和表面变形等方面的特性就属于运动建模问题。(3)物理建模:反映对象的质量、重量、惯性、表面粗糙度、硬度和形状变化模式。如果建立了实体的物理模型,我们可用虚拟手握住这个实体,就能够真实地感受到该物体的重量、表面光滑程度等。(4)声音建模:根据听觉机理提供声音模拟。(5)模型分割:在不失真的条件下,减少模型的复杂度,提高显示
