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虛擬現實環境下的產品設計和制造技術

內容提要:本文論述了虛擬制造技術與虛擬現實技術的關系、虛擬現實技術的研究現狀以及在虛擬現實環境下產品設計和制造的應用,并開發了一套虛擬現實環境下的停車庫參數設計系統。 
1、引言 
虛擬制造技術是利用計算機技術對所要進行的生產和制造活動進行全面的建模和仿真,包括產品的設計、加工、裝配、物流、資源計劃和調配、組織和管理等。在產品的設計階段就實時地模擬出產品的形狀和工作狀況、制造過程、檢查產品的可制造性和設計合理性、預測其制造周期和使用性能,以便及時修改設計,更有效地靈活組織生產,縮短產品研制周期,獲得最佳的產品質量和效益。

按虛擬制造技術的功能可分為:面向產品的虛擬制造技術和面向生產過程組織管理的虛擬制造技術。前者著重于產品的設計、制造、使用、檢驗及評價的建模與仿真,后者則著重于生產過程的計劃、組織管理、資源調度、物流、信息流等的建模與仿真。 
虛擬現實技術是利用計算機技術建立一種逼真的虛擬環境,在這個環境中,人們的視覺、聽覺和觸覺等的感受象是在真實的環境中一樣,即有身臨其境的感覺,人們可以沉浸在這個環境中與環境進行實時交互。這就是它的所謂沉浸性、實時性主動的交互性。在這個環境中,設計、制造和使用的產品,并不是實物,不消耗實際材料,也不需要機床等設備,他只是一種圖象和聲音的所謂數字產品而已。利用這種數字產品,我們可以進行產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,乃至產品的工作性能模擬與評價,以便在產品的生命周期的上游 設計階段就可以消除設計的缺陷、評價加工的可行性和合理性,預測產品的成本和使用性能,提出修改的措施和方法。虛擬現實技術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品質量提供了一個最佳的環境?梢,虛擬現實技術與面向產品的虛擬制造技術的關系最為密切。 

虛擬現實技術是80年代才剛剛提出來的,隨著計算機技術的迅速發展,是在90年代得到人們的極大重視而獲得迅速發展、很快進入實用階段,尤其在軍事、娛樂方面首先獲得的成功應用是令人振奮的,F在的情況是,一方面,其軟、硬件技術的發展日新月異;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。 
在現有的條件和技術的基礎上,如何充分地發揮虛擬現實技術的作用,為我們的制造業作出有益的貢獻,是我們的責任。 
2、虛擬現實技術的基本要求 
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。為了實現逼真的效果,滿足人的視覺和聽覺習慣,虛擬環境的圖象和聲響應是三維立體的;為了達到實時性,圖象至少應有60 120Hz的幀頻,還要隨時響應人們的操縱信號,延遲不能超過0.1秒。因此,虛擬現實技術對計算機的計算處理速度和顯示器的要求很高,多數系統和高質量的系統都是在工作站上開發的,并要配備高級圖形加速卡。但這兩年,微機性能大幅度提高,已經在微機上實現了較高質量的虛擬現實技術。成本降低和微機的普及性,將大大推動該技術的應用與發展。 
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、動態和生理的立體深度線索來獲取。靜態深度線索主要是空間內物體的位置、遮擋關系、大小和清晰度等,這在我們的三維造型的投影關系中已經考慮進去了。物體運動產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/秒,才能獲得平滑穩定的圖象,而不會出現閃爍。這就是我們目前的一般三維動畫所要求和應達到的。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才不出現閃爍現象。 
雙目分開的圖象就要求計算機必須實時計算和處理80/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*1200分辨率、4M Triangles/s100M pixel/s紋理,已經使得微機平臺上的虛擬現實技術進入了實用階段。 
在制造技術上,一般對聲響的要求較低。而在軍事實時對抗訓練等虛擬現實系統中,空間立體聲效果是必須的了。 
在桌面虛擬環境中,人機交互的操縱器主要是普通鼠標、6自由度鼠標、數據手套、操縱桿。數據服、大型投影球幕等使用于更完善的虛擬現實系統中。 
虛擬現實系統的軟硬件價格是較高的。為此,根據不同的用途和需要,可配置不同的系統,適當的沉浸深度的虛擬環境才不會使系統過于復雜及成本、維護的負擔過重。例如,用于汽車外形造型設計的系統,重點在顯示高質量的立體圖象,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自由度鼠標和數據手套等。在車輛、飛機模擬訓練等虛擬現實系統中,要求有寬闊的視野、實時的操縱系統、逼真的聲響效果。不僅要快速響應人們的操縱信號,還要實現人們對力、位移等的觸覺反饋的仿真。 
3、虛擬現實系統的應用 
虛擬現實系統首先在軍事、航天等高科技領域以及娛樂與漫游等方面獲得成功的應用。例如:用于宇航員、飛行員訓練的座艙系統、戰場實時演練系統(虛擬戰場)等。虛擬現實系統在產品設計、制造過程中同樣具有重要的應用,可大大提高產品的技術水平,例如:波音公司777飛機的設計、福特汽車外形設計與碰撞實驗、工廠和建筑物的漫游等。目前應用效果最好是下面幾個方面: 
⑴.產品的外形設計: 
例如:汽車外形造型設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。而采用虛擬現實建模的外形設計,可隨時修改、評測,方案確定后的建模數據可直接用于沖壓模具設計、仿真和加工,甚至用于廣告和宣傳。在其它產品(如:飛機、建筑和裝修、家用電器、化妝品包裝等)外形設計中,均有極大的優勢。 
.產品的布局設計: 
在復雜產品的布局設計中,通過虛擬現實技術可以直觀地進行設計,避免可能出現的干涉和其它不合理問題。例如,工廠和車間設計中的機器布置、管道鋪設、物流系統等,都需要該技術的支持。在復雜的管道系統、液壓集流塊設計中,設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、飛機的內部設計中,直觀是最有效的工具,虛擬現實技術可發揮不可替代的積極的作用。 
⑶.機械產品的運動仿真: 
在產品設計階段中必須解決運動構件在運動過程中的運動協調關系、運動范圍設計、可能的運動干涉檢查等。 
⑷.產品裝配仿真: 
機械產品中有成千上萬的零件要裝配再一起,其配合設計、可裝配性是設計人員常常出現的錯誤,往往要到產品最后裝配時才能發現,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濟損失和信譽損失。采用虛擬現實技術可以在設計階段就進行驗證,保證設計的正確。 
⑸.產品加工過程仿真: 
產品加工是個復雜的過程。產品設計的合理性、可加工性、加工方法和機床的選用、加工過程中可能出現的加工缺陷等,有時在設計時是不容易發現和確定的,必須經過仿真和分析。例如,沖壓件的形狀或沖壓模具設計不合理,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、澆口設計不合理,容易產生鑄造缺陷,甚至報廢。機加工件的結構設計不合理,可能產生無法加工、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,可以預先發現問題,采取修改設計或其他措施,保證工期和產品質量。

設計、重新制造等一系列的反復試制過程,許多不合理設計和錯誤設計只能等到制造、裝配過程中,甚至到樣機試驗時才能發現。產品的質量和工作性能也只能當產品生產出來后,通過試運轉才能判定。這時,多數問題是無法更改的,修改設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,可以在設計階段就對設計的方案、結構等進行仿真,解決大多數問題,提高一次試制成功率。采用虛擬現實技術,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,對新產品 反鏟裝載機的三個技術方案進行建模仿真,結果否定了其中的兩個方案,節約了大量的研制經費。如圖1所示是利用dVISE制作的虛擬裝載機模型。 
⑺.產品廣告與漫游: 
用虛擬現實或三維動畫技術制作的產品廣告具有逼真的效果,不僅可顯示產品的外形,還可顯示產品的內部結構、裝配和維修過程、使用方法、工作過程、工作性能等,尤其是利用網絡進行的產品介紹,廣告效果很好。例如,在internet網絡上某復印機的產品介紹和用戶使用說明,可在網上進行操作:復印、打開復印機側板顯示內部結構,更換墨盒,清潔磁鼓,去除卡著的紙,關上側板等,生動、直觀。 
漫游技術使人們能在城市、工廠、車間、機器內部乃至圖紙和零部件之間進行漫游,直觀方便地獲取信息。 
4、虛擬現實環境下的產品制造技術 
虛擬現實環境下的產品設計、制造和評價,首先是進行產品的立體建模,然后將這個模型置于虛擬環境中實施控制和分析。由于虛擬現實技術正在發展中,虛擬現實的環境軟件相對較成熟,如WTK、dVISE、VRT等,而用于機械設計、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建模技術正逐漸進入實用并開始推廣應用,為我們提供了堅實的基礎。但這些建模軟件不支持虛擬現實環境,必須進行轉換和數據處理。

我們根據本單位的產品立體停車庫,建立了一套虛擬現實環境下的參數設計系統,其中包括:車庫布局設計、車庫類型選擇、車庫設計和車庫工作演示系統,初步實現了參數化虛擬設計。該系統采用VCOpenGL進行編程,其中的復雜模型采用AUTOCAD3DS MAX進行建模。在這個虛擬設計軟件中,采用參數化建模,可以直觀地進行車庫的布局、設計、分析和運動模擬,效果較好。如圖2所示。 

機械產品有著自己的統一特征, 基于這些特征建立一套連接3D建模與虛擬環境的軟件,有利于該技術在制造領域內的應用。 
5、結論 
面向產品的虛擬制造技術是以三維建模和仿真技術為基礎,以虛擬現實技術為支撐的全新的技術,是CAD/CAM/CAE技術的更高級階段,近幾年發展迅速。 
應用虛擬現實技術,工程師可以利用實時的視覺圖象,更直觀、更方便地進行產品的設計、布局、仿真、分析、可制造性檢查、性能評價,快速、可靠地設計、制造出高質量的產品,滿足市場競爭的需要。

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