虚拟现实技术在CAD_CAM中的应用.doc

虚拟现实技术在CAD/CAM中的应用虚拟现实(VR)是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。虚拟环境是由计算机生成的，通过视、听、触觉等作用，使用户产生身临其境感觉的交互式视景仿真。虚拟环境系统是由计算机图形学、图像处理与模式识别、智能接口、多传感器、语音处理与音像、网络、并行处理等技术和高性能计算机系统等不同功能、不同层次的子系统所构成的大型综合集成环境。虚拟现实技术是综合性极强的高新技术，在军事、医学、设计、艺术、娱乐等多个领域得到了广泛的应用。虚拟现实营造一个逼真的虚拟现实环境，需要大量的三维图形计算，一般需要超级计算机的支持。近几年，计算机的性能快速提高，已经能在微机上进行CAD/CAM的虚拟现实研究和应用。对身临境的真实感和对超越现实的虚拟性，以及建立个人能够沉浸其中，具有交互作用的多维信息系统的追求，推动了虚拟现实技术在CAD/CAM中的应用与发展。CAD/CAM的虚拟现实技术涉及CAD/CAM各个学科，已显示出它的实用性，技术潜力巨大，应用前景十分广阔。l传统的仿真与建模产品的建模和仿真，是虚拟现实技术在CAD/CAM的基本应用，CAD/CAM软件从线框造型、曲面造型发展到特征参数化实体造型，反映了制造领域对几何建模技术的需求。造型仿真是通过对系统模型的实验，研究一个存在的或设计中的系统，包括技术系统，如机械、汽车、机电、声学、热学等。CAD/cAM等工程领域应用仿真技术，可以降低系统的研制成本，提高系统实验、调试和训练过程的安全性。在CAD/CAM中计算机仿真已经应用于如下几个方面:(l)机构运动轨迹方式的仿真;(2)构件受力的有限元分析;(3)机器装配整体性能模拟;(4)工程构件破坏性实验分析。工程结构在各种荷载作用下的反应及其破坏特征和极限承载力是设计人员关心的重点技术参数。当结构形式特殊、荷载及材料特性复杂时，人们往往求助于模型试验来测定其受力性能。做小比例模型试验，难以完全反映结构的实际情况。若采用计算机仿真技术，则可以进行足尺寸的试验，方便地修改参数。有些结构难于进行直接试验，用计算机模拟仿真就更能体现出优越性，如汽车高速碰撞的检验试验，高速运动构件的失效分析等，只有采用一计算机模拟仿真，才能进行大量的分析实验。又如在高速荷载作用下，结构反应很快，人们在真实试验中只能观察到最终结果，而不能观察试验的全过程。如果采用计算机模拟仿真试验，则可观察其坡坏的全过程，便于研究破坏机理。对于长期的渐变过程则可在模拟中加快其变化速度，让研究人员清楚地看到全过程。2基于虚拟现实技术的仿真与建模传统的系统仿真技术很少研究人的感知模型的仿真，因而无法模拟人对外界环境的感知(听觉、视觉、触觉)。随着多媒体技术、计算机动画、传感器技术的发展，人们开始用计算机模拟外界环境对人的感官刺激。事实证明，人类对于图像、声音等感官信息的理解能力远远大于对数字和文字等抽象信息的理解能力。把虚拟现实技术引人系统模拟仿真的各个阶段，可使人沉浸其中，对所需解决的问题有清晰的认识，而不再局限于从屏幕上观察仿真的结果，从而使模型的建立和验证更加方便。虚拟现实技术主要体现在:计算机根据所建立的知识库和数据库，运用人工智能、模式识别等技术。通过三维动画制作和显示头盔进行该领域的视觉模拟，通过传感机制和触觉手套来进行该领域的触觉模拟，通过音响制作和音效卡进行声音模拟，通过机械控制和传动装置进行动感模拟。然后将人对这些感官刺激所作的动作反应反馈给主控机构，从而实时产生对新的感觉模型的模拟。CAD/CAM的建模(造型)是CAD/CAM的技术核心和基础。对CAD/CAM的整体技术水平及相关功能的发展至关重要。当今流行的商品化CAD/CAM系统主要基于2D平面或3D线架造型以及真3DNURBS曲面造型和参数化实体造型三种。CAD/CAM技术建立的多维信息感知模型，应用于仿真系统中，具有重大意义。虚拟现实技术在CAD/CAM中主要应用于以下几个方面:(l)运动仿真虚拟现实技术在构件运动仿真建模中的应用日益广泛。1993年，英国的ColtvirtualR亡ality公司开发了一个被称为vegas的演示设计模拟仿真系统。该系统是基于DisionIntemational的Supe，ape虚拟现实系统环境而开发的。该系统以三维动画的形式演示物体运动时受力变形情况，并可以方便地修改各种参数。应用该系统对地铁、高速公路、机器运转等典型物体的运动情况进行的模拟仿真，取得了良好的效果。该系统使用户具有沉浸感，让用户能够亲身体验物体运动的感受，可以根据用户的描述，研究高速运动时人们的心理表现。另外，还可以进行汽车碰撞的模拟演练，而不必采用真汽车进行类似实验。在研究物体运动的动态特性时，还可以利用虚拟现实建立风洞等其他仿真模型。(2)模拟制造过程生产制造过程是一项复杂的大型动态系统，它通常包括材料准备、工艺工装、加工、检测、热处理、装配等多道工序，而在这些工序中涉及的因素繁多，其间关系复杂，直接影响着生产的进程。模拟制造过程的目的是通过仿真手段，发现实际制造过程中存在的问题或可能出现的问题。虚拟现实技术模拟制造过程，关键是建立生产制造过程的合适模型，以达到模拟仿真的效果。例如，一般工程机械的FMS生产制造系统的模拟仿真模型是由运输子系统和加工中心子系统、刀具子系统构成的，模型按进程交互的仿真策略进行建立，模型与仿真程序保持紧密的对应关系。程序所要模仿的行为比较直观、清晰，程序流程直接与模型结构和系统状态相对应，通过人机接口(头盔、立体眼镜以及数据手套等)使决策者处于这一虚拟的环境之中，达到模拟生产制造过程和发现问题的目的。(3)机械部件及机器整体性能评价在机械行业，有利于提高工作质量、加快设计进度的CAD软件广泛使用，一般分为以绘图为主和以计算为主的两种系统。而作为性能评价用的CAD软件，在工程设计中应用得并不普遍。主要原因是性能评价软件通常都有一套自己的数据结构，需要更多的输入设备，在使用上较为复杂，不易为设计部门所普遍接受。利用虚拟现实技.术可对此进行改进。英国IES( Integrated Enviroment Solutions Ltd.)公司最近研制成功一个虚拟环境系统，用于评价设计中的和现役的工程构件性能，为CAD/CAM界提供了一个实用的性能评价模拟仿真系统。它可用于热电厂设备的设计、运行性能、价格和投资回收分析;进行各种气候和运行条件下的建筑物详细动态能耗分析;及初步设计、价格估算和可行性分析;以计算流体力学方法，求解在三维空间、动态、紊流条件下的物体的各种辐射传播特性，也可用于机械或自然通风以及送风口设计与计算;通过系统中的应用软件实现动画显示。3CAD/CAM虚拟现实系统分析CAD/CAM虚拟现实系统是一种集立体图形、自然交互等技术，以建造与客观世界高度逼真、虚拟的环境为主要内容进行模拟应用的系统。CAD/CAM虚拟现实系统的重要特性是具有一种身临其境的临场感。在微机上建立虚拟现实系统具有以下特点:(l)生动真实的计算机场景图像计算机场景的生动真实与否，依赖于计算机所存贮的图形效果。除了图形内容(如纹理、分辨率、模型类形)外，重要的在于图形的表现形式。三维图形的绘制还需要应用一些模型构造软件。(2)自然的人机交互CAD/CAM虚拟现实的一个重要特征是自然的人机交互，造成一种临场感觉，让操作者感到是在虚拟环境中进行动作。自然的人机交互在相当程度上依赖于交互设备。随着虚拟现实应用的深人，自然的人机交互已成为虚拟现实系统中的一个重要方面。(3)通用的图形软件平台在微机上建立CAD/CAM虚拟现实系统，必须选择最终构成整个系统的软件平台。目前大多数微机都用Windows95/NT操作系统，在VisualC十十内也提供了openGL、DirectDraw等图形API，由于openGL是由SGI、Mic拍soft等公司共同制订的三维图形API，OpenGL程序代码既可以在工作站上也可以在微机上编译运行，许多工业上应用的虚拟现实系统软件都是基于OPenGLS编制的。还有一些软件公司开发了在饰enGL之上的图形开发包，如W6rldTool-Kit、openGVS等。虽然这些图形开发包有一定的局限性，但使用这些图形开发包可以加快虚拟现实系统的开发进程。4微机CAD/CAM虚拟现实系统示例4.1硬件设备硬件设备以wintel(windows+Intel的CPu)作为基本设备，即Pentitlln系列主机，Micft的WindowsNT为操作系统，立体三维图形卡AGCProV作为图形处理引擎，鼠标或数据手套作为人机交互设备。这样的微机虚拟现实系统适用于以DICAM构件模型的三维立体观察和大多数虚拟现实应用，如军事上的三维立体地形观察、医学上器官组织的三维形态观察等。AGC一ProV是性能优异的三维立体图形加速器，能进行OpenGL硬件运算、纹理硬件运算、三维几何硬件运算，还配备了48MB的纹理内存，以实现120MHz下的逐行立体显示。配置了AGC一PrDV三维立体图形硬件的PC机完全可与高档工作站媲美。立体眼镜一般是AGc一PrOV中配套的国产立体眼镜或进口立体眼镜，数据手套可以是sthG伽e，鼠标、空间球及操纵杆则可采用通用性产品。计算机主机应尽量配高内存、大屏幕显示器，让计算机的运行环境相对优越。主机的性能高，由于软件的原因，整个系统的速度可能并不快，因此，对系统软件、应用软件应注意优化。4.2软件系统微机虚拟现实系统的软件系统以windowsNT4.0或WindowsNT5.0为操作系统，图形软件应用界面为OpenGL，再配以与各种硬件相应的SDK等。系统开发平台使用Visu吐e，*4.x或visu吐e、5.0。可以直接使用openGL开发整个虚拟现实系统软件。openGL非常灵活，使用图形开发包，在某些情况下还需要用饰enGL进行补充。5CAD/CAM虚拟现实技术的应用在机械行业应用CAD/CAM技术，可以缩短设计制造周期，提高设计质量，降低设计成本。一般工程机械设备都要经过设计、加工、检测、装配、试运行等阶段，目前计算机技术已经被广泛应用于各个阶段中。在CAD/CAM技术的应用方面，虚拟现实技术具有广阔的发展前景。5.1在设计规划中的应用对于任何一个工程项目，规划工作都十分重要。一般械工程设计规划需要考虚众多因素，例如，市场需求、材料性能、工作条件、工艺装备、技术条件、生产能力等有关的因素;以及气候、噪音、绿化等生活环境的因素等。对应于该阶段的CAD/CAM系统主要有两类:(l)规划信息的存储和查询系统。例如材料数据库系统、工艺工装信息系统、机械性能参数信息系统和CNC编程信息系统等。这一类系统多采用数据库系统的形式。现行数据库的一个缺陷在于数字化程度高，可视化程度低，这些数据表现形式是抽象的，可接受性差。例如，材料信息系统以材料的机械、物理、化学性能由传统的数字来表现，可读性一般;如果表现为三维动画的形式，则相对容易接受。而采用虚拟现实技术，在系统中输入材料的各项数据，则可以从不同的角度去观察，不但可以得到必要的数据，而且能够有更直观的感受，不必主观地想象材料在高温、受力等过程中所表现的实际情况。(2)规划的辅助表现集成系统。例如运动表现系统。目前，运动表现系统能够让用户产生一种身临其境的“人在画中游”的感觉，使规划将更加科学、合理、全面，而这种身临其境的感觉，是虚拟现实技术的优势所在。应用于运动表现的虚拟现实系统已经开始试用。5.2在工程设计过程中的应用(l)工程设计CAD的类型及缺陷一般工程设计都包含结构形式的选定、形状尺寸的假定、模型化、结构分析、验算、图面绘制、材料计算等过程。在工程中最早应用CAD技术的领域就是结构设计。目前对应于设计的以D系统可分为三类:第一类:对应于各个设计过程的系统。例如结构形式选择、结构分析、设计、绘图、材料计算等系统，其中每个程序都可以处理多种结构形式。第二类:集成化设计系统。这类系统的自动化程度一般较高，只需输人少量的数据，利用集成化系统设计即可完成设计的全过程。第三类:通用CAD系统，如AntoCAD、Mic、tation等。这类系统只提供基本的图形处理功能，可用来绘制各个工程领域的设计图纸。该类系统的作业效率一般较低，需要进行二次开发，以适用不同专业的需要。目前的以D系统大都建立在绘图支撑软件的基础上，绘图与分析计算是分开的。在绘图阶段单纯地绘图，计算机辅助设计是将设计人员的思想图形表现出来(特别是用于绘制施工图时)，而不是在全局上，从方案选择、具体设计、分析计算到施工图绘制等方面辅助设计的全过程。人们希望在设计人员的知识、经验及设想上，通过计算机的分析、计算、比较与判断，不仅将方案形象地表现出来，而且输出量化后的数据及结论，设计者再依据它修改方案。这就是绘图与结构计算一体化的思想。目前的集成化软件虽然已经向绘图与计算相结合的目标发展，实现了在建模后进行计算，建模所形成的数据可为后续的计算所利用。更进一步的作法是将两者结合起来，在建立模型的过程中，进行分析比较。目前此类软件的缺点是操作规定和限制多，过分强求树状结构，使操作繁杂。(2)虚拟现实在工程设计中的应用将虚拟现实技术应用于集成化以D系统中，能够较好地解决上述的问题，实现理想的绘图与结构计算一体化。如果把虚现实技术与目前集成化CAp系统的设计思想相结合，创建虚拟现实的集成化cAD系统，完成从设计、制造与结构方案的选择到最后结果的实现，必将大大提高设计效率和设计质量。设计师利用虚拟现实系统，在CAD过程中可以方便地建立和修改设计方案。便捷地从库中提取各种物件和材料、设备，像搭积木一样拼起一台虚拟的机器。该虚拟机器的大小可以和实际设计中的构件一样，色彩逼真，并且有材料的质感，设计师可以对其进行着色、修改，并可以在随时改变视角和光源的条件下从任何视点去观察这台机器，以便得出满意的方案。结构设计师可以利用已经建起的模型，选取结构方案，调整荷载和定义荷载，由系统自动进行结构分析。如果不能满意，则可修改参数或方案。设计中比较令人头痛的是运动部件、零件结构、振动等各方面的协调问题。目前采用的方法是各方分别设计，再一起讨论、协商修改，反复进行。如果采用虚拟现实的集成以D系统，则可以实现各方同时设计，在设计过程中遇见冲突，随时协调，直到满意为止。5.3在机械设计中的应用在机械设计方面，机械以D可以实现三维动画演示，但它无法实现操作者的虚拟实际操作。不能评价机械的适用性。机械的适用性包括两个方面:一方面是最大限度地发挥该机械的效能;另一方面是操作应该简单、适用。如果能设计出一个新的机型，却无法实现操作者的虚拟实际操作，那么该机型在实际操作中可能存在的间题就无法发现。第一个受虚拟现实技术影响的设计是1996年推出