虚拟设计概述

1、虚拟设计概述专业：机械制造及其自动化姓名：晓峰学号：1351362268摘要：虚拟设计是利用计算机应用技术在计算机中构造成创建一个虚 拟的、数字化的产品数字样机，代替部分或全部的物理样机，利用数 字样机来完成初期设计阶段需通过物理样机完成的各项试验的虚拟 考核。基于虚拟现实技术对产品进行不投入实物生产前的各项模拟现 实测试，仿真模拟，以保证产品在初期设计阶段的一次成功率。虚拟设计在制造业应用前景很广，它所创建的数字样品拥有和物理样 品相同的特性，而由于数字化使得修改，分析，优化更容易实现，以 及与各元素之间的交互性使产品设计更能适应具体要求，节约成本， 能实现敏捷制造，以及并行工程。虚拟设计符

2、合绿色设计的要求，是 可持续发展以及高科技技术发展的必然趋势。关键词：虚拟设计；数字化；虚拟现实技术；仿真模拟；交互性1虚拟设计的内容及产生背景虚拟设计(Virtual Design)是以计算机辅助设计为基础，利用虚拟现实技术 发展而来的一种新的设计手段。虚拟设计涉及众多学科和专业知识,广泛应用于 企业的生产与制造之中。本质上讲,虚拟设计是将产品从概念设计到投入使用的 全过程(产品的生命周期)在计算机上构造的虚拟环境中虚拟地实现，其目标不仅 是对产品的物质形态和制造过程进行模拟和可视化，而是对产品的性能，行为和 功能以及在产品实现的各个阶段中的实施方案进行预测、评价和优化。它是产品 开发的测试

3、床。虚拟设计是20世纪90年代发展起来的一个新的研究领域，它是计算机图形 学、人工智能、计算机网络、信息处理、机械设计与制造等技术综合发展的产物。 虚拟设计产生的背景是基于第三次计算机为代表的信息技术革命的发生，计算机 技术的发展为其创造条件。而且在世界范围内新的发展理念可持续发展的提出为探索新的设计方法诞生指明了方向。由于虚拟设计主张设计将从有形设计向无形 设计转变，从物质设计向非物质设计转变，从实物产品的设计向虚拟产品的设计 转变，这一主张对环境与可持续发展是非常有利的，进而对其产生发展起来推动 作用。2虚拟设计的特征2. 1虚拟现实(Virtual Reality简称VR)技术虚拟设计最

4、根本特征是利用了虚拟现实技术。虚拟现实技术是一种高度逼真 的模拟人在自然环境中的视听动等行为的人机界面技术，简单的说是一种可以创 建的体验虚拟世界的计算机系统。计算机所创造的三维虚拟环境能使参与者得以 全身心地置入该环境中，并通过专用设备(立体显示系统、头盔显示器、跟踪定位 器、3D鼠标)实现人类自然的对虚拟环境中实体的交互考察与操作。利用VR技 术可以建立虚拟的产品模型用于设计研究，并可作为虚拟产品让消费者试用，极 大缩短了产品开发的时间，降低新产品的风险。虚拟现实技术在不同领域的发展也推动虚拟设计的发展。21世纪虚拟现实 技术己在建筑设计、产品设计、航天航空飞行仿真、模拟军事演习等方面应用

5、并 取得神奇效用。以往的产品设计主要集中在产品的详细设计阶段，由于手段的限 制、资金的限制对概念设计投入不多。利用虚拟现实技术能够实现设计过程中任 一环节的交互考察与操作,且所见即所得，有助于设计师更加快速、形象具体的实 现和修改设计方案，减少不必要劳动，加强工业设计师与结构工程师资源共享,加 强设计师与业主以及使用者之间的交流,提高产品更新速度，降低市场风险，创造 更好经济效益。如美国波音公司777飞机的虚拟原型机，就是利用虚拟产品设计 技术设计的虚拟油泥模型:在对波音777飞机进行风洞试验时，也是完全在电脑 上进行的虚拟现实试验；美国福特汽车公司科隆研究中心设计部经理罗勃认为， 采用虚拟设

6、计技术,可使整个设计过程时间减少2/3。2.2虚拟设计的数字化虚拟设计本质的一个特征就是数字化。虚拟相对于现实而言的，顾名思 义，“虚拟设计”即“非物质设计是在计算机技术的支持下以数字形式取代了 传统的物质模型形式，具有低成本，易修改，交互性强等特点。虚拟设计按照系 统工程的设计思想，以先进设计理论和方法为指导，运用新技术、新观念进行的产 品开发设计。首先利用各种信息，在数字化系统平台里进行功能设计、结构设计、 形态设计、色彩设计、材质设计、人机设计等方面的产品造型方案设计；然后在 数字装配系统中实现数字化装配；进一步在综合评价系统中进行系统的分析评价， 最后将最终方案输出到加工设备加工出产品

7、，投放到市场之后再收集有关信息， 反馈到数字化设计平台，实现再设计。虚拟设计数字化以CAD为产品设计的主要手段，如Pro/Engineer、Unigraphies、Solidworks等都提供了产品设计的系统模块；利用网络和其他平台 相连接，设计师从一开始就必须考虑到产品生命周期的每一个环节，设计、制造、 使用、反馈等方面合理组织，及时解决出现的问题。2.3虚拟设计的交互性虚拟设计采用的交互模式使得设计更灵活，让设计与周围环境更容易实现交 互，能更好地满足设计要求，完善设计产品。一般概念中的互动设计是指设计师与计算机之间的互动，但在虚拟设计中， 互动模式的设计含义更加广泛。设计师与设计工具的互

8、动是设计最直接的交互。 设计师在设计过程中利用自身己有的知识、经验，充分发挥想象能力，而设计工具 （如计算机软件）则发挥计算机能力强、运行速度快、建模工具丰富、材质真实感 强等特点，共同合作，快速高效的完成设计任务。设计方案造型是否美观，结构是 否合理，在目前的生产水平和加工能力下制造是否可行，都可以运用专业软件对 产品模型（包括质量、密度、扭力等）进行数据分析与测量。市场调查人员和决策者与数字化模型之间的互动。这对产品的设计效益起到 很关键作用。市场调查人员需要判断设计方案是否满足市场需求，是否与人们的 消费趋向一致等。这既是产品开发是否成功的关键，也是决策者必须关注的问题； 同时设计方案是

9、否符合企业的经营理念和发展方向，生产成本是否符合要求等， 都可以对数字模型进行必要的分析、讨论，在产品投入大批量生产之前进行决策。消费者与数字模型之间的互动。按照目前做法,产品必须投入到市场后才知 道是否成功，如果不成功,给企业带来的损失是很大的。在基于数字化模型的虚拟 设计中，设计人员可通过VR等技术，将数字方案以虚拟的模型形式逼真的展现 在最终消费者面前，消费者借助VR浏览器在世界任何一个地方都能全方位的了 解产品的每一个细节，并借助一些工具向设计者提出自己的意见和看法，而产品 的开发不仅能够根据情况修正设计方案，而且还能了解产品的受欢迎程度，使产 品投到市场后的风险降到最小。2.4虚拟设

10、计的集成一体化虚拟设计的一体化特征也是其未来发展的总方向和强大优势。虚拟设计不同 于传统设计，它具有高度集成性，不再是普通计算机辅助设计的人机交互。虚拟 设计包含整个设计和制造模拟过程，包括概念设计，产品仿真模拟，虚拟工艺设 计，虚拟装配设计，虚拟布局设计，虚拟人机工程等。这种集成性有助于及时发 现产品开发过程中的各种问题，将多个环节联系起来，这对产品开发周期和效益 有很大的提升。3虚拟设计在产品开发中的应用虚拟设计在产品开发中有广泛意义，利用虚拟现实技术能实现虚拟产品设计、 虚拟制造，虚拟装配以及虚拟人机工程等。即在实际投入原材料于产品实现过程 之前，完成产品设计与制造过程的相关分析，以保证

11、制造实施的可行性。主要表 现在设计者可以用不同的交互手段在虚拟环境中对参数化的模型进行修改。虚拟 设计在产品开发的过程体现在以下几方面。3.1虚拟产品设计几年前,CAD技术为企业的产品开发过程提供了有力支持，在多数虚拟产品 设计过程中是使用软件组合来完成。如在复杂曲面的造型中，多采用RHINO、 Pro/E、CATIA等软件组合使用来完成虚拟产品设计模型，实质上并没有把设计 师从二维鼠标和键盘上解放出来，设计师也并没有真正的参与到虚拟设计中来， 并且限制了设计师的积极性和创造性地发挥。随着虚拟现实技术和多媒体技术的发展,不断提高的计算机操作的人机界面, 改善了虚拟产品设计中人与计算机的交互方式

12、。目前所采用的是将虚拟现实技术 引入CAD环境，这将便于模拟新产品开发中新产品的某些性能，又便于设计人员 对新产品的修改。设计人员先利用CAD系统建模，再转换到VR环境中，让设计 人员或客户来感知产品。设计人员也可利用VR-CAD系统,直接在虚拟环境中进 行设计和修改。例如在对汽车设计时，设计人员在具有全交互性的设计环境中， 利用头盔显示器、具有触觉反馈功能的数据手套、操纵杆、三维位置跟踪器等装 置,将触觉、视觉、听觉与虚拟概念产品相联,不仅可以进行虚拟的合作,产生一 种身历其境的感受还可以实时地对整个虚拟产品设计过程进行检查、评估，实地 解决设计中的决策问题,使设计思想得到综合。在交互性的虚

13、拟产品快速成型设 备上，设计人员对虚拟产品的设计模型直接设计，提高了设计人员的积极性与创 造性地发挥。有的企业在新产品开发时，建立了物理实验模型PMU(Physical Mock-up), 如油泥模型(Clay Modeling)等已逐步被计算机和仿真代替,在此基础上进行建模 和仿真设计，以达到产品设计方案的设计目的。虚拟产品也就是最初的数字设计 模型DMU(Digital Mock-up),虚拟产品设计的初级阶段的虚拟油泥建模(Virtual Clay Modeling),可以适应创造性设计过程所提出的直观要求，所设计的产品可以 得到精确的描述,物理模型可通过快速成型方法被迅速制作出来。2虚

14、拟装配设计虚拟装配设计(Virtual Assembly Design)是虚拟设计在新产品开发方面具 有较大影响的领域。虚拟装配采用计算机仿真与虚拟现实技术，通过仿真模型在 计算机上进行仿真装配，实现产品的工艺规划、加工制造、装配和调试，它是实际 的装配过程在计算机上的本质体现。过去的产品开发常需要花大量的时间、人力、物力来制作事物模型进行各种 装配实验研究，力求在产品的可行性、实用性、产品性能等方面进行综合测试分 析。现代设计要求设计人员在虚拟产品开发早期就应该考虑装配问题,在虚拟装 配的同时创建产品、分析装配精度，优化设计方案。虚拟装配的第一步是在CAD系统创建虚拟产品模型，然后进入并利用

15、虚拟 装配设计环境(Virtual Assembly Design Environment简称VADE)系统，开发人员 在VADE系统中开展工作,借助虚拟装配设计环境系统，设计人员可在虚拟环境 中使用各种工具对设计的机构进行装配检验，帮助设计人员及时发现装配缺陷， 全面掌握虚拟制造中的装配过程，尽可能早的发现产品开发过程中的设计、生产、 装配、工艺等问题。3虚拟人机工程设计人机工程学是一门多学科的交叉学科，研究的核心问题是不同的作业中人、 机器及环境三者间的协调。虚拟人机工程(Virtual Man-machine Engineering) 设计是借助虚拟人机工程系统，将它引进虚拟人机工程学评

16、价系统，设计人员可 以精确研究人机工程学参数，并在必要时可以修改虚拟部件的位置，重新设计整 个产品的构造。另外，它还允许不同技术背景的人直接与设计的产品进行交互评 价，满足不同用户的特殊要求。通过各学科知识的应用，指导工作器具、工作方 式和工作环境的设计和改造，使得作业在效率、安全、健康、舒适等几个方面的 特性得以提高。使得产品开发更人性更合理。虚拟人机工程在汽车、军事等领域应用广泛。美国航空实验室研究人员研制 了一个虚拟人机工程学评价系统。通过这个系统设计人员可以精确研究轿车内部 的人机工程学参数，实时修改轿车内部虚拟部件的位置，对整个轿车的内部构造 重新设计以达到最优化。这项技术为新产品开

17、发在人机工程学方面提供了新的方 法。可以不断利用该系统来验证假设，既减少了开发费用，又缩短了制造模型的时 间。4虚拟设计的发展现状和前景1国外发展状况以美国为首的西方工业国家成立了相应的虚拟制造研究机构，在1995年前 已基本完成应用基础技术的研究，并在航空、汽车等许多领域采用虚拟现实技术 制作数字化功能样机，实现了虚拟设计技术的工程应用。一些典型的虚拟设计技 术应用表明了虚拟设计技术在机械产品开发中的巨大发展潜力。美国波音777的设计，其整机设计、部件测试、整机装配以及各种环境下 的试飞均是在计算机上完成的，使其开发周期从过去的8年缩短到5年。Perot System Team 利用 Den

18、eb Robotics2 开发的 QUEST 及 IGRIP 设计 与实施了一条生产线，在所有设备订货之前，对生产线的运动学、动力学、加工 能力等方面进行了分析与比较，使生产线的实施周期从传统的24个月缩短到 9.5个月。日本的N.Abe等开发了机械零件可装配性验证和机器装配可视化系统，支 持设计者在虚拟环境中进行装配分析和性能评估，初学者在装配机器前可进行系 统的操作训练。Chrycler公司与IBM合作开发的虚拟制造环境用于其新型车的研制，在样 车生产之前，及时发现了其定位系统的控制及其他许多设计缺陷，缩短了产品研 制周期和成本。美国Sandia国家实验室研究开发了一个名为Archimed

19、es的用于生成、优 化和检查装配工艺的交互式装配规划系统。它允许用户定义工艺约束，自动生成 装配工艺并判断是否满足约束条件，还可以按照用户提供的指标优化装配工艺。德国BMW公司建立了 Virtual Process Week的体系，利用虚拟技术对汽 车装配流程的合理性进行测试。4.2国内发展状况我国对于虚拟现实技术的研究比较晚，但是发展迅速。从上世纪90年代中 期开始虚拟产品设计方法的理论和应用研究，尤其从1996年开始国家 863/CIMS专家组安排了虚拟产品开发的一系列重大关键技术攻关项目，在理论、 方法和实践上取得了一定的成果。北京航空航天大学计算机系是国内最早进行VR研究、最有权威的单

20、位之一, 他们首先进行了一些基础知识方面的研究，并着重研究了虚拟环境中物理特性的 表示与处理；在虚拟现实中的视觉接口方面开发了部分硬件，并提出了有关算法 及实现方法;实现了分布式虚拟环境网络设计,建立了网上虚拟现实研究论坛,可 以提供实时三维动态数据库，提供用于飞行训练的虚拟现实系统，提供开发虚拟 现实应用系统的开发平台，并将要实现与有关单位的远程连接.清华大学国家CIMS工程技术研究中心开发的虚拟装配支持系统 VASS (Virtual Assembly Support System)，该系统可在产品设计阶段进行装拆仿真， 生成对实际装配操作具有指导意义的装配工艺文件。VASS已在经纬纺机股

21、份有 限公司某新型剑杆织机的虚拟产品开发、徐工集团新型工程机械的产品开发中得 到应用。浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发的基于多通道的、集成的虚拟设 计与虚拟装配系统VDVAS，在该系统中，设计者可以通过直接三维操作和语音 命令直观方便地建立机械零件及其装配模型，并通过交互拆装获取零件的装配顺 序和装配路径等信息。VDVAS的一个重要特征在于，可通过对虚拟设计与虚拟 装配过程的集成，使设计者在一个集成的虚拟环境中修改零件几何参数。西北工业大学CAD/CAM国家重点实验室结合飞机产品的设计开发，在装 配建模、装配顺序与路径规划、装配操作仿真等方面进行了研究，以装配操作模 型为产品工艺信息集成

22、的载体，将产品装配环境和装配过程结合在一起，并分别基于SolidWorks和CATIA软件平台开发了装配仿真系统。哈尔滨工业大学计算机系已经成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图 像的合成，表情的合成和唇动的合成等技术问题，并正在研究人说话时头势和手 势动作，语音和语调的同步等。另外,西北工业大学CAD/CAM研究中心，上海交通大学图像处理及模式识 别研究所，长沙国防科技大学计算机研究所、华东船舶工业学院计算机系、安徽 大学电子工程与信息科学系等单位也进行了一些工作和尝试。3虚拟技术发展前景虚拟设计的发展前景主要体现在它的潜力以及社会需求方面。一个现代生产 企业成败的核心因素可以归纳为T、Q、

23、C、S 4大要素：T-新产品的开发周期 和产品上市时间；Q-产品质量；C-产品成本；S-为满足用户的需求而提供的增 值服务。鉴于工程信息技术的进步，人们提出了各种现代工程设计的新思想和新 方法，如敏捷制造、并行设计、协同设计、面向集成制造和分布式经营管理的设 计等。作为各种现代设计思想和方法的共用技术、软、硬件支撑环境和计算机仿 真与虚拟设计等均 具有广泛的社会需求；同时仿真与虚拟设计技术将使 CAD/CAM/CAE技术向更深入和更高级的阶段发展，逐渐过渡到取代传统的设 计系统。预计在不久仿真与虚拟设计技术将成为工程和产品设计的主要形式，并 会出现可以推广使用的成熟商品化系统，且仿真和虚拟设计

24、的原理将十分成熟， 其理论成果和软、硬件产品将在各个领域得到广泛应用。5总结世界资源短缺，环境问题严峻，新的设计理论必须走可持续发展道路。新环 境，新问题日益显现矛盾，实现绿色制造是解决现实问题的重要途径。虚拟设 计技术表现出来的强大优势满足时代需求，这是高科技技术发展的趋势，也是虚 拟设计将取代传统设计的趋势。这也将是一次重大技术革命。参考文献严隽琪.机械设计手册M.北京：机械工业出版社，第13篇：虚拟设计.2000.朱宁克，基于虚拟设计产品设计，2004年工业设计国际会议，2004. 11.曾理、张林金宣、肖田元，一个虚拟装配支持系统的实现J，系统仿真学报.2002, 14 (9).李永立

25、、张树有、刘振宇，VRML环境下基于语义的产品装配设计技术研究，计算机辅 助设计与图形学报，2003, 15(2)万华根、高曙明、彭群生，VDVAS： 一个集成的虚拟设计与虚拟装配系统，中国图象图 形学报，2002, 7(A)(1):27-35.李原、张涛、余剑峰、杨海成，基于操作模型的装配仿真技术与研究，机械科学与技术， 2000, 19 (3): 503-504, 507.刘宏增，浅谈“虚拟设计”，机械功能(冷加工)，1999(7):3-5.陈定方、罗亚波著，虚拟设计，北京：机械工业出版社，2002. 8. 顾成容、周骥平、魏孝斌，虚拟现实与CAD模型的对接探讨，中国制造业信息化， 200

26、6, 35 (7): 23-25, 28.敬兴久，虚拟装配系统及应用研究，电子科技大学硕士学位论文，2005.3.邓宁，虚拟现实系统VRP的开发与装配应用研究，湖南大学硕士学位论文，2005. 5. 61田启华，杜义贤,赵卫.虚拟环境中产品装配技术的研究J.现代机械.2004(02) 刘振宇，谭建荣.面向过程的虚拟环境中产品装配建模研究J.机械工程学报.2004(03)张庆功，陶云，熊昕.基于CAXA的活塞式空压机虚拟设计与运动仿真J.机械研究与 应用. 2007(02)刘检华，姚珺，宁汝新.虚拟装配工艺规划实现技术研究J.机械工程学报.2004(06)曾理，张林金宣，肖田元.一个虚拟装配支持

27、系统的实现J.系统仿真学报.2002(09)李彩霞，王彪.基于Solidworks的虚拟装配的研究J.机械管理开发.2005 (01)焦少辉，谭同德，王辉，张林车宣.基于Pro/Engineer的虚拟装配支持系统J.河南科 学. 2004(04)武美萍，廖文和.虚拟装配技术在兆瓦级风机研究开发中的应用J.华南理工大学学 报(自然科学版).2005 (08)陈明，战强，刘增波，牛海军.基于UG和ADAMS的BHG-1夹持器虚拟设计与仿真J.机械设计与制造.2007(01) 吴贵军，王藏柱.基于Solid Edge软件的虚拟装配及运动仿真J.重型机械科技. 2005 (04)德施普尔、克劳舍著宁汝新等译，虚拟产品开发技术，北京：机械工业出版社，2000.5.陈琪、徐林林、张沛，产品开发与虚拟设计制造技术，机电产品开发与2002(03)宫文飞、马勇，产品方案的虚拟设计初探，机械设计；2003,20(9):12-14.王志新、张华、黎永明，虚拟技术及其应用，上海理工大学学报;1998, 20(1):49-55. 黄成洋、侯力等，机械产品虚拟设计建模方法的研究，机电产品开发与创新， 2004, 17(1): 11-13.龚飘，虚拟现实技术若干关键问题的研究与VARE