IC.IDO软件系统及功能描述

1. 系统 描述 法国 针对 协同可视化设计和沉浸式交互能力方面具有技术领先优势的解决方案。这一方案赋予数字样机更多功能特性，使其与真实的实物样机更近一步。 台软件 可以将来自多人或多个 设计 小组的海量设计模型数据可视化，以虚拟样机的形式 1:1 地展现 在客户、供应商及研发工程人员面前 ，快速实现人与模型的实时交互，将主要是借助于图纸和 字 样机来逐步完善产品研发 的设计 方式过渡到利用虚拟样机和虚拟 工程设计 来辅助产品设计的阶段。 虚拟平台可以充分利用现有的三维数据模型， 在 新产品 设计 的 早期阶段 即建立工程人员对产品的整体性认知，这意味着，在产品研发的同时即可对产品的可制造性进行分析，对制造过程中的人机工效进行仿真成为可能。这 不仅 能够 满足专业 工程技术人员 的要求，同时也 可以 让 缺少设计经验的工程师 在设计早期参与其中，从而大大的提高 设计制造协同能力，为采用微迭代的设计 评审机制作好了技术准备 。 2. 功能描述 视化虚拟平台软件通过虚拟现实技术，将满足设计、评审要求的物理属性赋予数字样机，符合设计验证、可制造性分析、维修维护性设计及虚拟评审的要求。 其主要功能特点为： 1 接近真实的虚拟现实环境 1） 1:1 比例的立体空间真实体验 传统桌面式 件的交互界面仅是对实际三维模型的平面表现方式，无法实现对产品空间感及实际尺寸体验等信息的真实表达，虚拟现实技术真正实现了将产品从视窗平面内“拉”出来，通过 1:1 的展示尺度立体的完全真实的进行呈现，彻底解决了人与 虚拟产品之间最后一个维度的障碍。 2） 主动式 的人机 交互 过程 早期虚拟现实技术一般仅着眼于产品及环境的渲染效果展示，仅注重光影、材质、贴图算法等已获得高清晰度、逼真的产品图形及三维动画。 本系统采用了最先进的虚拟现实技术，通过对沉浸式显示系统和空间交互设备的全面支持，实现了人与虚拟产品的真实交互过程，促进了人对产品信息的正确认知。主动式交互方式打破传统键盘、鼠标、屏幕的被动交互模式，使操作者可以以真实的操作方式、习惯的视角、习惯的动作与虚拟产品进行互动。 3） 注重 环境 的影响 传统 件普遍着眼于产品设计方案本身及其零部件的形状、位置、约 2 束关系等，而虚拟现实技术则更强调与产品有关的所有因素可能给产品带来的影响，如环境、流程、资源等。虚拟现实技术通过轻量化算法，可将所有与产品有关的模型、数据信息与产品融合在统一的环境中，通过交互操作对基于全信息环境的产品进行评定、分析、协调、展示、培训等具体应用。 对于诸多 巨大、复杂 的产品的评审及多专业、多学科综合协调过程，在传统的 环境中很难实现，甚至由于硬件及 图形算法 等限制，只能实现局部的分析计算功能，甚至 无法完成完整的总装模型， 想要实现良好的人机交互体验就更为困难 。 本系统采用了多种先进技术，良好的实现了 超大规模数据量的支撑能力 ，实现对于 巨大、复杂 产品的完整虚拟样机模型应用。在国内的实际应用过程中，如中航通用飞机有限责任公司 首次实现了整机虚拟样机数字模型的搭建，并基于完整的虚拟样机数字模型进行了多种应用。 由于虚拟样机与简单的用于浏览的轻量化模型不同，必须具备所有准确的几何信息，并还将包含如结构、材料等属性信息，因此不能采用传统的轻量化手段实现，否则虽能够实现模型的整体装配，但无法实现后续的综合应用需求。本 系统采用了专门的轻量化技术，在最大程度轻量化模型的同时保留了诸多原有模型的各类信息，实现了真正可用于后续应用（而不仅仅用于简单浏览）的大规模虚拟样机模型建造能力。 除独特的轻量化技术以外，由于 虚拟样机 模型后续应用处理的需要，系统还采用了很多先进的技术手段以保证对超大规模数据的复杂处理能力，如 大规模多线程技术 、 稳定的集群架构 技术、 可定制的渲染 技术等，最终实现了对于 大数据 3 的高性能实时运行 、分析、计算能力。 作易用性强 在协同、沟通、展示等应用中，系统的易用性至关重要，我们可以看到，目前虽然通过多种软件的组合及切换可以实现该系统的大多数功能，但由于必须掌握多种复杂软件才能达到类似的效果，而参与评审、讨论、协调、学习等工作的人员来自多个方面，很难要求大家同时熟练掌握多套复杂的软件系统。 可视化设计制造协同应用 系统将在实际 设计制造协同应用 各环节的功能聚集于一身，使使用者可以在统一的环境中实现多方协同应用的全部内容，避免了对多种软件同时掌握的苛刻要求，避免了频繁切换软件、多次数据模型转换等繁琐的工作。 同时，作为用于协同、展示、 沟通的系统而言，易用性是系统得以成功应用的必要保障，否则很难使各类用户均能够良好的掌握软件的使用，无法共同进行正常的工作。系统在设计之初就非常重视软件的易用性，通过对 可视化设计制造协同各环节应用需求的充分调研，并通过系统的分析，才最终确定了软件所必须包含的功能。在能够满足所有应用功能的前提下，实现了最大程度的操作方便性，系统将这些功能聚集在若干应用模块中，并提供了简洁的操作界面及良好的操作体验，能够使各方使用人员快速掌握软件功能的使用，通过很短的学习就可以熟练使用该系统投入工作。 使工作效率明显提升 本系统基于对超大规模数据量的支撑能力，为在虚拟环境中对整机进行全面分析计算提供了有效的性能保障。因此，本系统中能够针对若干在工程应用中遇到的以前很难处理的问题提供了解决方案。 例如：在 境中，一般对于复杂装配环境中的柔性管线的布置大多是通过先预先设计好柔性管线的路径及固定卡头位置，再进行柔性管线的性能分析，了解其是否能够满足要求，如存在问题（如最小弯曲半径超标等）则需要不断的调整设计、不断的分析验证才能最终确定设计方案。而采用本系统后，由于系统 4 能够支持在复杂装配环境中的大规模运算， 因此使柔性管线的动态性能分析成为可能。系统可支持随着柔性管线的布置过程，实时分析计算并展示其性能分析结果，通过不同颜色进行实时信息反馈，使设计者可以随时根据反馈信息对管线的布置及装夹方式进行调整，一次性完成设计过程。同时，系统也能够支持对于运动部件间的柔性管线变形情况进行可视化的实时分析显示，为工程设计人员提供更有价值的设计帮助信息。 再如：对于复杂装配环境中的可通过性分析，由于多物体实时干涉检查及处理对系统运算要求极高，因此一般 件仅能实现较少零部件环境下的实时动态分析能力。本系统提供了在复杂装配环 境下进行干涉动态反洗及处理的能力，在拖动零部件运动的过程中，如遇到干涉情况，系统可支持运动部件自动避让环境中其他诸多零件的能力，可智能计算其可通过的方式，并结合实时人机交互，验证其是否可顺利通过。这将为装配验证及工艺验证等提供有利的检查手段。 决了若干实际工程应用问题 本系统基于对超大规模数据量的支撑能力，为在虚拟环境中对整机进行全面分析计算提供了有效的性能保障。因此，本系统中能够针对若干在工程应用中遇到的以前很难处理的问题提供了解决方案。 例如：在 境中，一般对于复杂装 配环境中的柔性管线的布置大多是通过先预先设计好柔性管线的路径及固定卡头位置，再进行柔性管线的性能分析，了解其是否能够满足要求，如存在问题（如最小弯曲半径超标等）则需要不断的调整设计、不断的分析验证才能最终确定设计方案。而采用本系统后，由于系统能够支持在复杂装配环境中的大规模运算，因此使柔性管线的动态性能分析成为可能。系统可支持随着柔性管线的布置过程，实时分析计算并展示其性能分析结果，通过不同颜色进行实时信息反馈，使设计者可以随时根据反馈信息对管线的布置及装夹方式进行调整，一次性完成设计过程。同时，系统也能够 支持对于运动部件间的柔性管线变形情况进行可视化的实时分析显示，为工程设计人员提供更有价值的设计帮助信息。 再如：对于复杂装配环境中的可通过性分析，由于多物体实时干涉检查及处理对系统运算要求极高，因此一般 件仅能实现较少零部件环境下的实时 5 动态分析能力。本系统提供了在复杂装配环境下进行干涉动态反洗及处理的能力，在拖动零部件运动的过程中，如遇到干涉情况，系统可支持运动部件自动避让环境中其他诸多零件的能力，可智能计算其可通过的方式，并结合实时人机交互，验证其是否可顺利通过。这将为装配验证及工艺验证等提供有利的 检查手段。 首先，系统可以继承绝大多数 件的三维模型成果，可直接调用这些模型数据，并同时完成轻量化处理的过程，在系统中对分散的大部件进行最终的整机模型装配。系统也可导入在 型中的装配及运动过程轨迹，实现在整机模型环境下的装配及运动展示及动态干涉检查等功能。 同时，系统拥有良好的二次开发支持能力，可通过二次开发的方式实现与系统的集成应用，如将系统所生成的模型、报告、操作路径及动画等输出到相关系统中。 此外，国内大多数用户的应用一般集中在企业内部，当该技术普及以后，系统无需进行大规模的升级，即可实现多地域、多团队的集团级广域应用能力。 3. 软件 功能 模块 可视化设计制造协同平台系统是由驱动核心功能实现的 件及与支持功能实现的硬件外设共同组成的，软件采用了模块化架构，支持多线程技术，不仅可以驱动高性能图形卡的多种渲染器，同时可以通过自身模型实现包括模型导入、动态干涉检查、柔性部件实时分析、动画及渲染等复杂功能。 视化虚拟平台软件由以下模块组成： 6 统基础模块 作为软件运行的基本模块， 供图形用户界面（ 及对各运行硬件平台的支持，模块提供软件基本功能和显示优化功能。图形用户界面包括了模型结构树窗口及模型结构数管理和操作工具，支持查看模型属性，对模型进行分类管理。其功能主要体现为两方面： 系统资源和调用和管理 作为基于 作系统开发的软件，该模块可对运行操作系统的软、硬件资源进行调用和管理，提供对 32 位 /64 位操作系统的支持，对系统 存、显示设备的调用和管理。通过该模块可设置软件的缓存，管理软件运行日志，与 不同外设通讯，获取正确的交互指令。 对象区域（对象视图）菜单栏工具栏几何视图（渲染窗口）导航栏 信息栏当前激活模块的属性与功能带有筛选功能的结构视图 7 在沉浸式环境下，除管理主控计算机外，还负责对多通道、全高清立体沉浸式环境各渲染结点的从属集群计算机进行设置和管理，协调多通道显示设备的同步输出，对集群系统的网络通讯进行管理，查看集群任意节点的运行日志。 软件功能的管理 该模块提供软件运行基本功能和显示优化功能。支持多种基于硬件加速的图形渲染器，可对渲染器进行功能设定，并可在渲染器之间 切换。支持多种漫游模式，并可在漫游模式间切换。支持评审标识和输出文档管理功能，可对维修设计和人机工效评估过程进行剖切、标记、标注、测量，并以系统状态保存，支持定制文档版式，并可将评审和虚拟维修设计，以定制的版式输出为 档和 持模型数据在沉浸式系统中的虚拟操作，配合其他求解器，对操作过程中的物理性能、柔体性能进行仿真、验证。 能够动态管理海量数据模型，对海量数据进行显示优化处理，避免模型巨大对交互流畅性的影响及内存溢出等错误。 8 系统总体性能规划 1）可管理应用内存大小； 2）针对多种渲染器的支持； 3）快速选择或转换模型长度单位； 4）能够支持浮动 5）能够支持高达 16 倍的抗锯齿显示； 6）支持实时动态光影技术； 7）支持多层纹理贴图技术； 8）具备实时显示画面帧数、内存占用、显存占用等监测功能； 9）具备异地协同功能； 9 沉浸式环境功能规划 1）可自由切换计算机集群或单机运行软件； 2）在单机运行环境下能够支持多种显示方式，可自由选择主屏与扩展屏的3D 模式开启。 3）可设置中央服务器视野与沉浸式银幕视野同步、异步的切换。 4）具备多种导航模式：自由飞行模式，平 飞模式，步行模式以及抓取模式； 5）能够自由定义导航模式的速度与加速度； 6）具备主观察者视野随动功能； 7）可设置观察视野的最大、最小距离，以确保运行数据的流畅性； 8）可根据观察者的瞳距实时调节 3D 成像，以确保观察者的舒适度与 3D 影像的“出屏”感； 9）可方便快速校准沉浸式环境中的控制光标，确保操作的准确性； 10）可自定义沉浸式菜单大小； 11）可自定义控制光标的外形与指针长短； 12）在沉浸式交互环境中，支持自定义菜单及控制器按键定义； 具体实现功能规划 1）能够显示完整结构树，并以不同标示显示目录层级、节点。 2）具备文件内多种检索方式：名称、坐标范围、属性、材料名称等； 3）能够自定义分组，以方便归类不同节点所属目录。 4）可创建浏览状态，能够保存已进行的操作，包括观察者位置信息、不同对象属性定义、所加入的其他模块功能等； 5）能够任意加注标记，并且支持中文备注，显示坐标等； 10 6）测量功能：能够支持任意两点间测距，或自动测绘两个对象间最小距离。能够显示起点、终点坐标，以及三个维度的差值。 7）可建立或任意切换观察者观察点。 8）可在任意空间坐标内建立切面，并且具备连续剖切的实时性与准确性。 9）可建立多种环境光：包括自然光、点射光源、头顶光源等； 10）可设置不同日照时间、光线亮度、天气等； 11）可建立多种地貌设置，如城市、乡村、商业区等，并可设置区域面积、密度等； 12）具备显示对象属性：基本名称、材料名称、尺寸信息、子节点数量及构成几何的三角面片数量等； 13）能够自由定义对象属性：能否被剖视图、界面颜色定义、对象是否参与干涉检测以及定义能否被可视等属性。 14）在剖视状态下能够自动执行静态干涉检测，并以不同警示色加以提醒 ； 15）能够定义对象尺寸公差； 16）支持多种坐标系选择：绝对坐标系、本地坐标系、物体坐标系、质心坐标系以及自定义坐标系； 17）能够任意编辑改变对象大小； 18）在移动物体时，可参考坐标系中的点、线、面，作为基准进行捕捉； 19）支持步进式移动物体，并可选择相对或绝对的移动距离。 20）支持自定义对象材料属性，并可对材料颜色进行编辑与快速切换； 21）本软件提供额外的材质库，能够对物体进行逼真的渲染，包括：漆面材质、玻璃、木质、石材、皮革、水等； 22）能够支持从选择对象上快速获取材料信息，并且能够根据 材料反查所应用的对象； 11 23）支持自定义材质库或从外部导入材质库； 24）软件具备材质贴图功能，能够快速定义贴图坐标、方式等； 25）能够生成 式的电子报告； 26）具备截图功能； 理仿真 模块 该模块 件的物理仿真引擎，其内置的基于模型几何的边界算法和机构运动学求解器可实现模型物理属性的定义、编辑和取消，使数字样机具有更真实的物理属性。该模块摆脱了对第三方工具的依赖，具无需二次开发和代理编写。模块主要功能有： 动态干涉检查 模块基于几何的边界算法可真实的对模型交互过程中的动态干涉进行仿真。与静态干涉扫描简单叠加的所谓动态干涉检查不同，模块提供的干涉检查具有实时性，在路径预先未知的情况下即可对交互路径进行探索，无需预定义交互路径。此外，模块的干涉算法基于模型的几何边界，避免了叠加算法预定义干涉量误差导致的干涉性误判。再次，模块提供干涉响应机制，可通过可视（可缩放的红色箭头）、多媒体信号及交互外设反馈提示干涉。最后，在存在干涉的情况下，部件运动受干涉体的限制，无法穿透，避免了在仅依赖高亮提示的情况下，较隐蔽或较小干涉点对干涉性分析 造成的影响。 12 模型行为约束 模块支持对模型的行为进行约束。内置的部件行为引擎可定义数字模型单个部件的轴向位移约束条件、轴向转动约束条件及复合运动约束条件以及多部件的复合运动约束。行为约束可定义平移或旋转的运动范围，也可以定义在到达约束极限后的部件行为，从而使部件拥有更复杂的行为，以获得更真实的数字虚拟样机。 13 机构运动学 在支持单个部件行为约束的前提下，模块支持对链式机构进行机构运动学仿真。对链式机构终端进行交互操作时，可实时对机构中间环节的运动进行分析和评估，对机构各环节约束条件的设定、周边环境的动态干涉及在操作环境下的可用性进行检查，实现对大型工装工具的虚拟验证。 14 装配自动捕获 在虚拟交互过程中，当被操作部件到达最终位置附近，当距离小于设定的距离时，模块通过可视化边框提示装配所作是否可完成。如果该路径存在干涉部件，系统将以红色边框提示装配无法实现。如果该路径不存在任何干涉，系统将以绿色边框提示装配可完成，当交互设备 释放时，部件自动被捕获到最终位置。 15 具体实现功能规划 1）可自动检索已作物理仿真模块的对象； 2）可建立多个对象的链接约束，用来实现复杂的运动关系：如多连杆、机械手臂等机构； 3）能够使约束坐标可视化，用来方便检查定义对象； 4）可定义物体的 6 自由度约束，使对象获得真实的物理运动特征； 5）具备静态物理干涉检测功能，并以警示色加以表示； 6）在静态扫描区域中，可设立永久或临时显示干涉区域，便于审查干涉验证； 7）能够显示对象的公差边界； 8）系统能够识别干涉区域，并将干涉对象名称进行显示，同时还可将该 对象导出； 9）具备装配区域抓取功能，用以真实表现装配流程及装配后的状态； 10）在装配抓取功能中，能够以多种约束、位置关系于定义抓取区域范围； 11）装配完成后，可自动激活相关约束，用以真实表现物理运动特性，如：机械手臂在组装后，还应具备多自由度的运动。 12）动态干涉检测功能，遇干涉无法穿透； 13）在动态干涉检测过程中，将根据操作方向及加速度，以可变化的红色箭头提示； 14）当物体遇到干涉情况，将根据操作施力方向，使物体沿干涉表面运动，该功能可使模型更加真实的接近其应有的物理特性； 16 机工程 模块 软件内置的人机工程 块，提供近 50 种标准的人体正态分布数据库，可根据该数据库创建假人模型，对交互过程中的人机工效进行可视化显示。该模块支持对假人的性别、年龄、年代、正态分布百分位、采用的正态分布数据库等进行设定，同时可对假人的姿态进行交互式调整。此外，支持定制自有的假人模型。 该模块支持在沉浸式系统中，对可操作性、可维护性进行检验，分析操作舒适性，支持人体模型运动仿真。主要用途如下： 可视性和可达性分析 模块提供的假人具有 169 块骨骼，可通过交互设备对任一骨骼进行操作。可分别显示假人左、右手的可达范围半球，且半球与假人肢体随动。也支持分别显示假人左、右眼的阅读视锥、优化视锥和边界视锥，并支持捕获假人的视角。 17 舒适性分析 模块采用 人体舒适性标准，以可视化方式显示假人关节（如脊柱、肩关节、踝关节等）的舒适性信息。当关节显示为红色时，即对假人的舒适性发出警告，维修人员在该操作姿态下，舒适性极差，将对效率造成影响。 具体实现功能规划 1）具备丰富的人体模型库： 411 ， 250 ， 000 等； 2）能够快速定义人体性别、着装、体态等 ； 3）能够定义假人年龄、正态分布、出生年代等； 4）假人拥有人体能够运动的 168 块骨骼，能够真实表现人体运动机构； 5）假人支持自定义、导入、导出动作姿态； 6）能够以可视化的形式表现人体的可视、可触及区域的包络性分析； 18 7）能够单独显示人体骨骼姿态； 8）能够快速获并切换至得假人当前视野； 9）假人能够自动抓取并关联指定对象； 10）假人支持对关节约束的自定义； 11）能够支持对不同部位的自定义； 12）能够自定义人体密度； 13）能够支持主动输入外加负重，以对人体舒适度的影响； 14）可自定义舒适度范围； 15）可自定义人体不同的支撑点对舒适度的影响； 性仿真模块 柔体仿真引擎 将真实的材料属性赋予模型中的柔性管路和线缆，对复杂运动和复杂工况下的柔体材料安全和柔体干涉性进行分析验证。该引擎的求解器可定义线性柔性材料的杨氏模量、泊松比、材料密度、内 /外径以及温度 /长度变化参数，支持创建 /修改线缆和管路的布局和接头，可实现如下功能： 柔性布线 对产品中的柔体进行布线，除需要考虑柔体与实体的干涉、外部环境的影响外，还需要考虑重力场及柔体属性对布线、接头设 置的影响。柔体仿真引擎可通过 路转换、沿管路绘制等方式在虚拟现实环境生成柔体，也可通过交互外设创建柔体及接头。求解器可实时显示柔体的拉伸、弯、扭的安全性，通过不同颜色反应材料的安全情况，以获得安全且合理的柔体布局和长度，并将柔体输出为通用的三维数据模式。 19 柔体干涉检查 在狭窄空间对模型进行虚拟维修，可通过该模型的柔体干涉检查功能，对实体部件的可通过性进行试验，以验证布线的合理性。 20 柔体包络区域扫描 对于与结构震动部件相连的柔体，该模块可对柔体的包络区域进行扫描，以确保柔体的安全。通过创建或 捕获结构部件的部件行为，模型可对与部件相连的柔体进行包络区域扫描，最终生成包括范围几何，并可将该几何导出为通用的三维模型。 具体实现功能规划 1）建立柔性线缆功能； 2）具备自动扫描和辅助扫描模式； 3）可手动创建柔性线缆，并可插入固定节点以控制线缆的约束； 4）可将柔性线缆以多种中间数据格式导出，用于对原始数模的修改与验证； 21 5）能够以特殊的警示色表示线缆的事实状态，如：干涉区域，受最大弯曲应力区域、受最大扭矩区域、最大拉伸长度警示，最大扭力警示； 6）可自动终止将达到极限工况的线缆的操作，用于保护线缆 并获取临界数值； 7）可将线缆进行动态干涉检测定义，使干涉物体能够改变柔性线缆的形态； 8）可针对柔性线缆的活动区域进行包络性分析，并能够将该包络区进行导出； 9）支持快速导入、导出柔性线缆材料属性； 10）能够针对材料属性进行自定义，如 :杨氏模量、泊松比、材料密度等； 11）可单独设置柔性线缆的最小曲率半径、最大扭力、最大扭矩等特性； 12）可计算由温度对柔性线缆产生的形变影响； 13）在柔性线缆建立后，可实时改变线缆长度，用以充分评估布线方案； 14）可针对管线末端与物理模型进行关联运动定义； 15）可由创建关键点的方式，自动获取最佳布线方案； 16）可将柔性线缆定义为可塑型性管线，应用示例： 级渲染模块 染模块，提供多种光源（两种点光源、一种平行光源、日光光源和头顶光光源）、贴图材质及纹理特效。内置 混合等三种渲染求解器，配合渲染器支持的各种多采样点抗锯齿功能，可获得更逼真的模型展示效果，可用于模型外观设计和产品展示，可实现： 高分辨率的静态图片 模块提供对静态渲染的支持，可编辑光线跟踪和路径跟踪的参数，以获得高 22 质量、高分辨率的静态图片，分辨超过千万像素。 全高清的动态视频 模块提供对动态渲染的支持，可参渲染参数进行修改，获得全高清以及超高清的动态视频。 23 为动画 模块 为动画 及 编辑回放模块 支持记录和保存维修性仿真人机交互场景和过程数据。 模块以关键帧的形式保存并记录单个部件以及装配体的行为动画，支持对关键帧的编辑、修改以及翻转，支持多层次的复合运动。 支持行为路径的显示，并可将该路径导出为开源数据格式。 可将行为动画模块创建的素材按照时间的顺序，将单个动作进行编辑，生成设定的操作序列。模块支持多个视频轨及多种重复模式，可用于编辑复杂的动画。 模块支持状态（ 切换，可在动画播放过程中，通过切换不同的状态实现部件、柔体、假人的可视与隐藏。同时支持视角的切换，可在不同角度对同 24 一操作进行观察。 支持按照大场景立体演示的要求进行编辑调整，配合渲染模块对模型进行重新渲染，生