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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) |
更新時間：2008-2-20 7:59:49
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編輯：映君
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虛擬制造技術(shù)是利用計算機(jī)技術(shù)對所要進(jìn)行的生產(chǎn)和制造活動進(jìn)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(jī)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(jìn)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(jī)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，我們可以進(jìn)行產(chǎn)品的外觀審查和修改、裝配模擬和干涉檢查、機(jī)械的運(yùn)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)為我們實施并行工程、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。可見，虛擬現(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)是80年代才剛剛提出來的，隨著計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，是在90年代得到人們的極大重視而獲得迅速發(fā)展、很快進(jìn)入實用階段，尤其在軍事、娛樂方面首先獲得的成功應(yīng)用是令人振奮的。現(xiàn)在的情況是，一方面，其軟、硬件技術(shù)的發(fā)展日新月異；另一方面，其軟、硬件的價格驚人地高，而價格下跌之快也十分驚人，還有些技術(shù)尚處于初級階段，并不能令人滿意，軟件功能也不能滿足需要。
在現(xiàn)有的條件和技術(shù)的基礎(chǔ)上，如何充分地發(fā)揮虛擬現(xiàn)實技術(shù)的作用，為我們的制造業(yè)作出有益的貢獻(xiàn)，是我們的責(zé)任。
1、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(dá)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(jī)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(jī)性能大幅度提高，已經(jīng)在微機(jī)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(jī)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，這在我們的三維造型的投影關(guān)系中已經(jīng)考慮進(jìn)去了。物體運(yùn)動產(chǎn)生的動感和位置變化，就要求計算機(jī)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。這就是我們目前的一般三維動畫所要求和應(yīng)達(dá)到的。但這樣的三維圖形和動畫在屏幕上是二維顯示的，就象我們用一只眼睛看物體，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(dá)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(jī)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，但較高高分辨率的頭盔式顯示器價格超過$50000。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(jī)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(jī)。在微機(jī)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(jī)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(dá)到 32bit彩色、1600*1200分辨率、4M Triangles/s和100M pixel/s紋理，已經(jīng)使得微機(jī)平臺上的虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)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(jī)交互的操縱器主要是普通鼠標(biāo)、6自由度鼠標(biāo)、數(shù)據(jù)手套、操縱桿。數(shù)據(jù)服、大型投影球幕等使用于更完善的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中。
虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的軟硬件價格是較高的。為此，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(hù)的負(fù)擔(dān)過重。例如，用于汽車外形造型設(shè)計的系統(tǒng)，重點(diǎn)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(biāo)進(jìn)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(biāo)和數(shù)據(jù)手套等。在車輛、飛機(jī)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。
2、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(jī)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：
(1) 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(fèi)工費(fèi)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(jī)、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。
(2) 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(jìn)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(jī)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(jìn)入”其中進(jìn)行管道布置，檢查可能的干涉等錯誤。在汽車、飛機(jī)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。
(3) 機(jī)械產(chǎn)品的運(yùn)動仿真
在產(chǎn)品設(shè)計階段中必須解決運(yùn)動構(gòu)件在運(yùn)動過程中的運(yùn)動協(xié)調(diào)關(guān)系、運(yùn)動范圍設(shè)計、可能的運(yùn)動干涉檢查等。
(4) 產(chǎn)品裝配仿真
機(jī)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(jì)損失和信譽(yù)損失。采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以在設(shè)計階段就進(jìn)行驗證，保證設(shè)計的正確。
(5) 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(jī)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(jī)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。
(6) 虛擬樣機(jī)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(jī)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(yùn)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(jìn)行多次試制才能達(dá)到要求，試制周期長，費(fèi)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(jìn)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(jìn)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(jī)的三個技術(shù)方案進(jìn)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(fèi)。如圖1所示是利用dVISE制作的虛擬裝載機(jī)模型。
(7) 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(jìn)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(jī)的產(chǎn)品介紹和用戶使用說明，可在網(wǎng)上進(jìn)行操作：復(fù)印、打開復(fù)印機(jī)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(jī)器內(nèi)部乃至圖紙和零部件之間進(jìn)行漫游，直觀方便地獲取信息。
3、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(jìn)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(jī)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(diǎn)。如機(jī)械運(yùn)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(jìn)入實用并開始推廣應(yīng)用，為我們提供了堅實的基礎(chǔ)。但這些建模軟件不支持虛擬現(xiàn)實環(huán)境，必須進(jìn)行轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理。
我們根據(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(jìn)行編程，其中的復(fù)雜模型采用AUTOCAD和3DS MAX進(jìn)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(jìn)行車庫的布局、設(shè)計、分析和運(yùn)動模擬，效果較好。
機(jī)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。
4、結(jié)論
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(jìn)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。
更多相關(guān)：
投影機(jī)
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文章來源：中國投影網(wǎng)
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