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虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的產(chǎn)品設(shè)計和制造技術(shù)

   2012-06-29 轉(zhuǎn)載于網(wǎng)絡(luò)佚名3800
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擬制造技術(shù)是利用計算機技術(shù)對所要進行的生產(chǎn)和制造活動進行全面的建模和仿真,包括產(chǎn)品的設(shè)計、加工、裝配、物流、資源計劃和調(diào)

擬制造技術(shù)是利用計算機技術(shù)對所要進行的生產(chǎn)和制造活動進行全面的建模和仿真,包括產(chǎn)品的設(shè)計、加工、裝配、物流、資源計劃和調(diào)配、組織和管理等。在產(chǎn)品的設(shè)計階段就實時地模擬出產(chǎn)品的形狀和工作狀況、制造過程、檢查產(chǎn)品的可制造性和設(shè)計合理性、預(yù)測其制造周期和使用性能,以便及時修改設(shè)計,更有效地靈活組織生產(chǎn),縮短產(chǎn)品研制周期,獲得最佳的產(chǎn)品質(zhì)量和效益。

按虛擬制造技術(shù)的功能可分為:面向產(chǎn)品的虛擬制造技術(shù)和面向生產(chǎn)過程組織管理的虛擬制造技術(shù)。前者著重于產(chǎn)品的設(shè)計、制造、使用、檢驗及評價的建模與仿真,后者則著重于生產(chǎn)過程的計劃、組織管理、資源調(diào)度、物流、信息流等的建模與仿真。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是利用計算機技術(shù)建立一種逼真的虛擬環(huán)境,在這個環(huán)境中,人們的視覺、聽覺和觸覺等的感受象是在真實的環(huán)境中一樣,即有“身臨其境”的感覺,人們可以沉浸在這個環(huán)境中與環(huán)境進行實時交互。這就是它的所謂“沉浸性”、“實時性”和“主動的交互性”。在這個環(huán)境中,設(shè)計、制造和使用的產(chǎn)品,并不是實物,不消耗實際材料,也不需要機床等設(shè)備,他只是一種圖象和聲音的所謂“數(shù)字產(chǎn)品”而已。利用這種數(shù)字產(chǎn)品,可以進行產(chǎn)品的外觀審查和修改、裝配模擬和干涉檢查、機械的運動仿真、零件的加工模擬,乃至產(chǎn)品的工作性能模擬與評價,以便在產(chǎn)品的生命周期的上游設(shè)計階段就可以消除設(shè)計的缺陷、評價加工的可行性和合理性,預(yù)測產(chǎn)品的成本和使用性能,提出修改的措施和方法。虛擬現(xiàn)實技術(shù)為實施并行工程、敏捷制造,減少失誤和返工、縮短研制周期和提高產(chǎn)品質(zhì)量提供了一個最佳的環(huán)境??梢姡摂M現(xiàn)實技術(shù)與面向產(chǎn)品的虛擬制造技術(shù)的關(guān)系最為密切。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本要求

從人類獲取信息的方式看,視覺是最主要的,它占人們獲取的信息量的70%,其次是聽覺、觸覺和味覺。為了實現(xiàn)逼真的效果,滿足人的視覺和聽覺習(xí)慣,虛擬環(huán)境的圖象和聲響應(yīng)是三維立體的;為了達到實時性,圖象至少應(yīng)有60 120Hz的幀頻,還要隨時響應(yīng)人們的操縱信號,延遲不能超過0.1秒。因此,虛擬現(xiàn)實技術(shù)對計算機的計算處理速度和顯示器的要求很高,多數(shù)系統(tǒng)和高質(zhì)量的系統(tǒng)都是在工作站上開發(fā)的,并要配備高級圖形加速卡。但這兩年,微機性能大幅度提高,已經(jīng)在微機上實現(xiàn)了較高質(zhì)量的虛擬現(xiàn)實技術(shù)。成本降低和微機的普及性,將大大推動該技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。

人們通過視覺獲得外界物體的形狀、空間位置和速度,要通過人的靜態(tài)、動態(tài)和生理的立體深度線索來獲取。靜態(tài)深度線索主要是空間內(nèi)物體的位置、遮擋關(guān)系、大小和清晰度等,這在的三維造型的投影關(guān)系中已經(jīng)考慮進去了。物體運動產(chǎn)生的動感和位置變化,就要求計算機必須實時地計算和處理圖象,只有超出人的視覺暫留時間,一般不少于30幀/秒,才能獲得平滑穩(wěn)定的圖象,而不會出現(xiàn)閃爍。這就是目前的一般三維動畫所要求和應(yīng)達到的。但這樣的三維圖形和動畫在屏幕上是二維顯示的,就象用一只眼睛看物體,缺乏物體的深度感和立體感。實踐表明,人的雙目視差對物體的深度感起決定的作用。要達到自然的物體立體效果,就必須用“兩只眼睛”看物體。

在計算機虛擬環(huán)境中的圖象,就必須將人的兩只眼睛的圖象分開計算和處理,相應(yīng)地要求有分開的圖象顯示。目前常用的是頭盔式顯示器,在桌面虛擬環(huán)境中,是在普通顯示器上顯示雙圖象或交替顯示雙目圖象,再通過光閥眼鏡分離兩眼看到的圖象。因此,采用雙目圖象交替顯示時,顯示器的幀頻必須是普通顯示方式的兩倍以上。再考慮到光閥眼鏡的延遲,幀頻不少于80Hz才不出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。

雙目分開的圖象就要求計算機必須實時計算和處理80幀/秒以上的圖象。這個實時性要求是很高的,故多采用工作站作為主機。在微機上的游戲軟件中,以前的方法是采用很低的分辨率和二維圖象。隨著微機速度的提高,目前可以采用三維圖象,但分辨率仍很低。采用高檔圖形加速卡,可以大大加快計算速度,可以達到 32bit彩色、1600 x 1200分辨率、4M Triangles/s和100M pixel/s紋理,已經(jīng)使得微機平臺上的虛擬現(xiàn)實技術(shù)進入了實用階段。

在制造技術(shù)上,一般對聲響的要求較低。而在軍事實時對抗訓(xùn)練等虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中,空間立體聲效果是必須的了。

在桌面虛擬環(huán)境中,人機交互的操縱器主要是普通鼠標、6自由度鼠標、數(shù)據(jù)手套、操縱桿。數(shù)據(jù)服、大型投影屏幕等使用于更完善的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中。

根據(jù)不同的用途和需要,可配置不同的系統(tǒng),適當(dāng)?shù)某两疃鹊奶摂M環(huán)境才不會使系統(tǒng)過于復(fù)雜及成本、維護的負擔(dān)過重。例如,用于汽車外形造型設(shè)計的系統(tǒng),重點在顯示高質(zhì)量的立體圖象,而聽覺和觸覺的要求很低,用普通鼠標進行操縱即可,實時性也要求不高。再如,零件裝配模擬中,除了圖象外,可操縱性要求較高,可配備6自由度鼠標和數(shù)據(jù)手套等。在車輛、飛機模擬訓(xùn)練等虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中,要求有寬闊的視野、實時的操縱系統(tǒng)、逼真的聲響效果。不僅要快速響應(yīng)人們的操縱信號,還要實現(xiàn)人們對力、位移等的觸覺反饋的仿真。

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)首先在軍事、航天等高科技領(lǐng)域以及娛樂與漫游等方面獲得成功的應(yīng)用。例如:用于宇航員、飛行員訓(xùn)練的座艙系統(tǒng)、戰(zhàn)場實時演練系統(tǒng)(虛擬戰(zhàn)場)等。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在產(chǎn)品設(shè)計、制造過程中同樣具有重要的應(yīng)用,可大大提高產(chǎn)品的技術(shù)水平,例如:波音公司777飛機的設(shè)計、福特汽車外形設(shè)計與碰撞實驗、工廠和建筑物的漫游等。目前應(yīng)用效果最好是下面幾個方面:

產(chǎn)品的外形設(shè)計
例如:汽車外形造型設(shè)計是汽車的一個極為重要的方面,以前多采用泡沫塑料制作外形模型,要通過多次的評測和修改,費工費時。而采用虛擬現(xiàn)實建模的外形設(shè)計,可隨時修改、評測,方案確定后的建模數(shù)據(jù)可直接用于沖壓模具設(shè)計、仿真和加工,甚至用于廣告和宣傳。在其它產(chǎn)品(如:飛機、建筑和裝修、家用電器、化妝品包裝等)外形設(shè)計中,均有極大的優(yōu)勢。

產(chǎn)品的布局設(shè)計
在復(fù)雜產(chǎn)品的布局設(shè)計中,通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以直觀地進行設(shè)計,避免可能出現(xiàn)的干涉和其它不合理問題。例如,工廠和車間設(shè)計中的機器布置、管道鋪設(shè)、物流系統(tǒng)等,都需要該技術(shù)的支持。在復(fù)雜的管道系統(tǒng)、液壓集流塊設(shè)計中,設(shè)計者可以“進入”其中進行管道布置,檢查可能的干涉等錯誤。在汽車、飛機的內(nèi)部設(shè)計中,“直觀”是最有效的工具,虛擬現(xiàn)實技術(shù)可發(fā)揮不可替代的積極的作用。

機械產(chǎn)品的運動仿真
在產(chǎn)品設(shè)計階段中必須解決運動構(gòu)件在運動過程中的運動協(xié)調(diào)關(guān)系、運動范圍設(shè)計、可能的運動干涉檢查等。

產(chǎn)品裝配仿真
機械產(chǎn)品中有成千上萬的零件要裝配再一起,其配合設(shè)計、可裝配性是設(shè)計人員常常出現(xiàn)的錯誤,往往要到產(chǎn)品最后裝配時才能發(fā)現(xiàn),造成零件的報廢和工期的延誤,不能及時交貨造成巨大的經(jīng)濟損失和信譽損失。采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以在設(shè)計階段就進行驗證,保證設(shè)計的正確。

產(chǎn)品加工過程仿真
產(chǎn)品加工是個復(fù)雜的過程。產(chǎn)品設(shè)計的合理性、可加工性、加工方法和機床的選用、加工過程中可能出現(xiàn)的加工缺陷等,有時在設(shè)計時是不容易發(fā)現(xiàn)和確定的,必須經(jīng)過仿真和分析。例如,沖壓件的形狀或沖壓模具設(shè)計不合理,可能造成沖壓件的翹曲和破裂,造成廢品。鑄造件的形狀或模具、澆口設(shè)計不合理,容易產(chǎn)生鑄造缺陷,甚至報廢。機加工件的結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理,可能產(chǎn)生無法加工、或者加工精度無法保證、或者必須采用特種加工,增加了加工成本和加工周期。通過仿真,可以預(yù)先發(fā)現(xiàn)問題,采取修改設(shè)計或其他措施,保證工期和產(chǎn)品質(zhì)量。

虛擬樣機與產(chǎn)品工作性能評測
設(shè)計、重新制造等一系列的反復(fù)試制過程,許多不合理設(shè)計和錯誤設(shè)計只能等到制造、裝配過程中,甚至到樣機試驗時才能發(fā)現(xiàn)。產(chǎn)品的質(zhì)量和工作性能也只能當(dāng)產(chǎn)品生產(chǎn)出來后,通過試運轉(zhuǎn)才能判定。這時,多數(shù)問題是無法更改的,修改設(shè)計就意味著部分或全部的報廢和重新試制。因此常常要進行多次試制才能達到要求,試制周期長,費用高。而采用虛擬制造技術(shù),可以在設(shè)計階段就對設(shè)計的方案、結(jié)構(gòu)等進行仿真,解決大多數(shù)問題,提高一次試制成功率。采用虛擬現(xiàn)實技術(shù),可以方便、直觀地進行工作性能檢查。例如,美國的John Deere公司,采用該技術(shù),對新產(chǎn)品反鏟裝載機的三個技術(shù)方案進行建模仿真,結(jié)果否定了其中的兩個方案,節(jié)約了大量的研制經(jīng)費。如圖1所示是利用dVISE制作的虛擬裝載機模型。

產(chǎn)品廣告與漫游
用虛擬現(xiàn)實或三維動畫技術(shù)制作的產(chǎn)品廣告具有逼真的效果,不僅可顯示產(chǎn)品的外形,還可顯示產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、裝配和維修過程、使用方法、工作過程、工作性能等,尤其是利用網(wǎng)絡(luò)進行的產(chǎn)品介紹,廣告效果很好。例如,在internet網(wǎng)絡(luò)上某復(fù)印機的產(chǎn)品介紹和用戶使用說明,可在網(wǎng)上進行操作:復(fù)印、打開復(fù)印機側(cè)板顯示內(nèi)部結(jié)構(gòu),更換墨盒,清潔磁鼓,去除卡著的紙,關(guān)上側(cè)板等,生動、直觀。

漫游技術(shù)使人們能在城市、工廠、車間、機器內(nèi)部乃至圖紙和零部件之間進行漫游,直觀方便地獲取信息。

虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的產(chǎn)品制造技術(shù)

虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的產(chǎn)品設(shè)計、制造和評價,首先是進行產(chǎn)品的立體建模,然后將這個模型置于虛擬環(huán)境中實施控制和分析。由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)正在發(fā)展中,虛擬現(xiàn)實的環(huán)境軟件相對較成熟,如WTK、dVISE、VRT等,而用于機械設(shè)計、制造的仿真和控制的軟件功能比較分散,兩者之間的連接尚不成熟,是研究和開發(fā)的熱點。如機械運動仿真、薄板沖壓成型分析與仿真、零件加工和裝配仿真等。目前,基于特征的3D建模技術(shù)正逐漸進入實用并開始推廣應(yīng)用,為提供了堅實的基礎(chǔ)。但這些建模軟件不支持虛擬現(xiàn)實環(huán)境,必須進行轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理。

根據(jù)本單位的產(chǎn)品立體停車庫,建立了一套虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的參數(shù)設(shè)計系統(tǒng),其中包括:車庫布局設(shè)計、車庫類型選擇、車庫設(shè)計和車庫工作演示系統(tǒng),初步實現(xiàn)了參數(shù)化虛擬設(shè)計。該系統(tǒng)采用VC和OpenGL進行編程,其中的復(fù)雜模型采用AUTOCAD和3DS MAX進行建模。在這個虛擬設(shè)計軟件中,采用參數(shù)化建模,可以直觀地進行車庫的布局、設(shè)計、分析和運動模擬,效果較好。

機械產(chǎn)品有著自己的統(tǒng)一特征, 基于這些特征建立一套連接3D建模與虛擬環(huán)境的軟件,有利于該技術(shù)在制造領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。

面向產(chǎn)品的虛擬制造技術(shù)是以三維建模和仿真技術(shù)為基礎(chǔ),以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為支撐的全新的技術(shù),是CAD/CAM/CAE技術(shù)的更高級階段,近幾年發(fā)展迅速。

應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù),工程師可以利用實時的視覺圖象,更直觀、更方便地進行產(chǎn)品的設(shè)計、布局、仿真、分析、可制造性檢查、性能評價,快速、可靠地設(shè)計、制造出高質(zhì)量的產(chǎn)品,滿足市場競爭的需要。

 
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