产品虚拟设计技术概述

第七章产品虚拟设计技术虚拟现实概述虚拟现实硬件基础虚拟现实软件技术虚拟设计中的建模技术虚拟设计与虚拟制造计算机触觉与CAD第一节虚拟现实概述虚拟现实是当代信息科学的前沿研究领域，它综合运用计算机图形学，计算机视觉，心理学，传感器等多方面技术，在计算机中营造一个虚拟的环境，通过实时的，立体的三维图形显示、声音模拟、自然的人机交互界面来仿真现实世界中早已发生、正在发生或尚未发生的事件，并使用户产生身临其境的真实感觉。一、虚拟现实的概念二、虚拟现实技术的发展历史VirtualReality80年代中期1972年1965年1929年美国宇航局NASA的Ames研究中心利用液晶显示器和其他零部件开始研制低成本的虚拟现实设备NolanBushnell开发了一种电子游戏，允许通过电视屏幕操纵一个弹跳的乒乓球IvanSutherland设计了一种头戴式图形显示器EdwinLink设计了一种飞行模拟器三、虚拟现实的特征沉浸感自主性交互性计算机生成的虚拟世界能给人一种身临其境的感觉，如同进入了一个真实的客观世界在虚拟环境中，操作者能够对虚拟环境中的事物进行操作，并且操作的结果能被操作者所感知在虚拟环境中，对象的行为是自主的是由程序自动完成的虚拟现实的三I图Immersion(沉浸）Interaction（交互）Imagination(想象）BECDA交互作用（Interaction）视觉(VisualPerception)听觉(AcousticPerception)触觉(HapticPerception)嗅觉（OlfactoryPerception）四、虚拟现实的组成虚拟现实的组成工程应用：汽车制造业、飞行仿真、虚拟实验医学领域：外科手术、训练与预演教育培训领域：建筑工程学、考古学、导游培训等军事应用：步兵训练系统、作战仿真系统五、虚拟现实的应用领域六、虚拟现实技术的分类桌面虚拟现实：利用个人计算机和低级工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口。包括一切与之有关的具有自然模拟、逼真体验的技术与方法沉浸的虚拟现实：高级虚拟现实系统提供完全沉浸的体验，使用户有一种置身于虚拟境界之中的感觉。增强现实性的虚拟现实：利用增强现实性的虚拟现实来增强参与者对真实环境的感受，也就是增强现实中无法感知或不方便的感受。分布式虚拟现实：在分布式虚拟现实系统中，多个用户可通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作，以达到协同工作的目的。七、虚拟现实技术发展趋势动态环境建模技术VR技术的核心内容，其目的是获取实际环境的三维数据，根据需要建立相应的虚拟环境模型实时三维图形生成和显示技术在不降低图形的质量和复杂程度的前提下，如何提高刷新频率新型交互 设备的研制新型、便宜、优良的数据手套和数据服将成为未来研究的重要方向对模型的属性、方法和一般特点的描述通过语音识别技术转化成建模所需的数据智能化语音虚拟现实建模大型网络分布式应用将分散的虚拟现实系统通过网络联结，采用协议和数据库，形成一个在时空上互相耦合的虚拟、合成环境，参与者可自由地进行交互第二节虚拟现实硬件基础传感手套三维鼠标数据衣触觉与力反馈的装置虚拟现实硬件基础3D位置跟踪器立体显示设备3D声音生成器一、虚拟现实硬件基础几种常常见的的数据据手套套几种3D鼠标几种立立体显显示设设备立体眼眼镜立体投投影设设备三维显显示器器头盔式式显示示器视线位位置跟跟踪器器力反馈馈系统统空间交交互球球立体显显示器器二、虚虚拟现现实硬硬件系系统结结构人位置传传感器器头盔显显示器器立体声声耳机机数据手手套硬件层层位置信信息声音实实时生生成触觉实实时生生成图形实实时生生成与渲渲染软件层第三节虚虚拟现现实软件技技术语言类：如C＋＋、OpenGL、VRML、OGRE等1虚拟环境中中采用的软软件有四类类：2建模软件类类：如AutoCAD、Pro/Engineer、CATIA等3应用软件类类：指用户自己己的各种需求，，选择或者开发发的自用软件4通用的商用用工具软件包：：帮助用户建立立虚拟环境的通通用和基本软件件一、VRML概述VRML（VirtualRealityModelingLanguage)是描述虚拟拟环境中场场景的一种种标准，利利用它可以以在Internet上建立交互互式的三维维多媒体的的境界。VRML本质上是一一种用于造造型的脚本本语言，与与目前比较较成熟的造造型软件如如AutoCAD、3DMAX等相比，其其最大特色色是实时渲渲染。使用用已有的造造型软件可可以制作出出极为丰富富的三维效效果，但不不能实时渲渲染和实时时交互，只只能预渲染染后，以一一种旁观者者的身份观观看渲染效效果，而不不能以参与与者的身份份参与到虚虚拟环境中中。二、WTK概述WTK构造的虚拟拟世界可以以组合各种种具有真实实感特性与与行为的对对象。WTK支持20多种3D输入设备，，它还提供供了外设驱驱动程序开开发接口和和指南，有有利于用户户开发自己己的三维外外设。第四节虚虚拟设设计中的建建模技术虚拟设计中中的建模技技术有：几何建模基于特征的的建模基于特征的的参数化建建模几何建模模用计算算机及其图形形工具描描述几何物体体的形状状、设计几何何形体模模拟物体动态态处理过过程特征建模模将特征征技术引入产品品设计中中，用具有更高高一层次次的具有工程意意义的特特征体素来描述述零件。。基于特征征的参数数化建模将特征征造型技技术与参数化技技术有机机地结合起来，，实现对对多种设计方式式和设计计形式的支持。。第五章虚虚拟设计计与虚拟拟制造一、虚拟拟设计系系统的总总体结构构在产品并并行开发发模式下下，在产产品设计计阶段就就可以考考虑和模模拟产品品零部件件制造，，产品装装配及产产品的运运行维护护等产品品开发的的整个过过程，多多领域的的工程师师对产品品进行完完善，根根据对虚虚拟设计计系统功功能的描描叙，创创建基本本结构，，其中包包括：虚拟设计计环境系统的模模型处理理虚拟装配配运行过程程仿真产品开发发过程管管理虚拟设计计系统1、虚拟系系统机构构示意图图CAD软件装配仿真真模型处理理评价设计计开发管理理网络支持持虚拟环境境制造模拟拟运行仿真真2、各模块块的功用用和相互互之间的的关系产品开发发管理模模块为整个虚虚拟设计计过程提提供支持持。模型处理理模块实现虚拟拟设计系系统和CAD软件间的的数据转转换。在CAD软件环境境中建立虚虚拟设计计场景，，完成产产品建模模，提供模型的的交互操操作，对对模型在在场景中中的运动动作实时时的碰撞撞检测，并并且对模模型进行行数据的的提取和和保存。。在完成产产品设计计后，经经模型载载入虚拟设计计系统中，进行行装配操操作仿真真，产品品工作过过程交互互仿真，，产品的的多用户户评价，，检验所所设计的的产品的的可装配配性和可可操作性性，以及及产品的的制造成成本和生生周期。。1、虚拟设计系统统开发流程图图建模Solidworks二次开发后置处理VisualC++6.0和WTK9.0装配仿真运行仿真设计管理设计评价网络支持虚拟环境数据保存结束模型转换Solidworks环境2、系统的模型型处理虚拟产品开发发过程的特点点之一就是利利用存储在计计算机内部的的数字化模型型—虚拟产品来代代替实物模型型进行仿真，，分析，从而而提高产品在在时间、质量量、成本、服服务和环境等等多目标中的的决策水平，，达到全局优优化和一次性性开发成功的的目的。目前，产品开开发过程往往往是先在CAD系统完成零件件的设计建模模，然后在虚虚拟环境中进进行产品的装装配设计和分分析。大多数数虚拟设计系系统通过读取取CAD系统输出的多多边形面片模模型（通常为为三角面片模模型）获取零零件信息。3、虚拟设计中零零件信息表达达的三个要求求零件信息表达达与组织应具具有高效性，以实现系统统的实时交互互。零件信息表达达的完整性，既包含几何何信息，又包包含工程设计计信息，并满满足设计与分分析的精度要要求。便于CAD系统与虚拟设设计系统的数据转换及信信息集成。虚拟制造是以以虚拟现实技技术为基础的的、一种集成成的综合制造造环境，用于于加强一个企企业各层次的的决策和管理理。是一种“数字字样机”的反反复设计—加工—装配—评价，得到的的和传输的是是数据信息；；在实际制造造阶段才需要要投入原料、、人员、厂房房、设备，时时间短、成本本低，效率高高，风险小，，可以迅速对对市场的需求求做出反应。。1、虚拟制造（（VirtualManufacturing）三、虚拟制造造系统虚拟制造系统统是各制造功功能的虚拟集集成用户支持

工程分析材料选用

工艺计划

工装分析

快速原型信息描述

基本环境

仿真模型

虚拟制造软件件技术支持2、虚拟制造的的技术支持可视化

中介模型

基层集成组织结构

3、虚拟制造系系统的三个类类别用于在产品的开发设计过程中为设计研究人员提供有关产品的制造信息通过对生产过程的模拟仿真来经济、快捷的评价各种工艺方案、生产效率以及资源的供求状况通过对控制模型及生产过程的模拟仿真，帮助在整个生产周期进行优化处理以生产为中心以控制为中心以设计为中心4、虚拟设计与虚虚拟制造的关关系确定和修改其其他围绕产品品设计、生产产和管理的各各项活动规程程完善生产工艺艺利用虚拟现实实技术对产品品进行预先试试制发现问题、改改进设计产品投入生产一、虚拟环境境中装配设计计的关键技术术1、虚拟环境中中装配关系识识别虚拟环境中装装配设计的首首要任务是根根据设计者的的交互操作，，实时捕捉设设计者的装配配设计意图，，识别并建立立零件间的装装配关系。2、虚拟环境中中装配运动导导航3、虚拟环境中中装配序列编编辑通过将空间方方位传感器输输入的运动信信息投影到零零部件的可自自由运动方向向上，实现对对零部件的运运动引导。设计者在交互互进行虚拟装装配建模的同同时，系统自自动记录整个个虚拟装配建建模过程中所所产生的事件件、状态及装装配关系。第六节虚虚拟装配第七节计算算机触觉和CADDefinitionandbasicprinciplesofhapticsHardwaredevicesExamplesofhapticsapplicationsHapticrenderingSDKConcepts-HapticPerceptionHaptic,fromtheGreekαφή(Haphe),meansthesenseoftouchMorelooselydefinedintheVirtualRealitycommunity:informationacquisitionandobjectmanipulationthroughtouchmanualexplorationandmanipulationHapticPerceptionInvolvestouch(tactileperception)motoractionknowledgeofthepositionandmotionofthelimbsandjoints(kinaestheticperception)HapticPerceptionHapticinterfaces“Hapticinterfacesreferstointerfacesinvolvingthehumanhandandtomanualsensingandmanipulation.””(Durlachetal.,1994)Moregenerally,ahapticinterfaceprovidesameanstostimulatetheuser’sbodytosimulatethetouch,feel,etc.ofobjectsRenderforcesviaahapticdisplay(asgraphicsrendersimagesthroughavisualdisplay)Hapticinterface(Basdogan)ApplicationsofhapticsMedicineEntertainmentEducationIndustry(CAD/CAM)ApplicationsofhapticsMedicineEntertainmentEducationIndustry(CAD/CAM)HardwareHapticdevicesHavebothsensorsandactuatorsSimulateforcesthebodyshouldencounterinavirtualenvironment(VE)Allowausertofeel,touch,andmanipulateobjectsinaVEGenerateappropriatemechanicalimpedancesSimulaterelationbetweenforcesanddisplacementsoverdifferentlocationsontheskinattheappropriatetimesHapticdevicesUseractsbymoving/manipulatingthehapticdeviceHapticdevicetrackpositionandcontactforcesDisplayappropriatecontactforcespreventtheend-effectorfrominterpenetratingobjects.givessenseofsolidityallowforhapticperceptionofshapePHANTOMModelsDesktopOmniPremium1.56DOFPremium3.0withfingerstylus(Sensable)OthersCyberGraspHapticMASTERForceDimensionExamplesofhapticsapplicationsinCAD/CAMHapticsapplicationsinCAD/CAM(YHChen,ZYYang)ApplicationsHaptictechnologycancovernearlyalltheaspectsofCADGeometricmodelingReverseengineeringVirtualprototypingVirtualmanufacturingHaptic-basedgeometricmodelingMostimportantapplicationinCADCanbecategorizedwiththegeometricrepresentationsPolygonalmeshesVolumeNURBSpatchesandB-repmodelImplicitvolume,surfaceetc.Polygonalmeshes(inTouch)(MingC.Lin)FreeForm(Sensable)SamplemodelsofFreeForm(Sensable)SamplemodelsofFreeForm(Sensable)ProsandconsProQuick3DideavisualisationQuickdesignmodificationsOrganicformcreation3DTexturisationProsandconsConPrecision(duetomodelrepresentation)Dataexchange(duetomodelrepresentation)NotechnicaldrawingsEngineeringdetailingunavailableFiniteelementanalysisFilesize(duetomodelrepresentation)UseofFreeForminnewproductdevelopmentConceptdevelopmentSystem-leveldesignDetaildesign(B.Sener,I.Campbell)NURBSpatchesandB-repmodel(F.Dachile,H.Qin)NURBSpatches(cont’)(Z.GaoandI.Gibson)NURBSpatches(cont’)(Z.GaoandI.Gibson)NURBSpatches(cont’)(Z.GaoandI.Gibson)Implicitvolume,surface,pointsets,etc(XHGuo,J.HuaandH.Qin)ReverseengineeringVirtualCMMPointcloudsholefillingVirtualCMM(HKU)(ZYYang,YHChen)Holefilling(XJHe,YHChen)VirtualprototypingVirtualassembly(Boeing)Flexiblemulti-materialproductsimulation(Z.Gao,YHChen)HapticrenderingArchitectureofhapticapplicationsforCADWhatishapticrendering?TogeneratetheforceduetointeractioninvirtualenvirionmentNeedstorunat1000Hzorsurfacevibrates(demanding)Ahapticrenderingloopatleastincludes:……get_position(HIP);//positionand/ororientationoftheend-effectorcalculate_force(force);//user-definedfunctiontocalculateforcessend_force(force);//calculatejointtorquesandreflecttheforcebacktotheuserthroughthehapticdevice……CategoryofhapticrenderingalgorithmsPointtoobjects(3DOFfeedback)PolygonalmeshNURBSsurfacesImplicitsurfacesRaytoobjects(5DOFfeedback)Objecttoobject(6DOFfeedback)TwomajorissuesofhapticrenderingalgorithmsCollisiondetection:thedetectionofcollisionsbetweenthehapticprobeandvirtualobjectsCollisionresponse:theresponsetothedetectionofcollisionintermsofhowtheforcesreflectedtotheuser(Basdogan&Srinivasan2002)ForcemodelDampingspring(Hooke’sLaw)––common,simpleandeffectiveModelsaspringattachedtothetipoftheprobeandanchoredatapointonthesurfaceoftheobjecttouchedForcemagnitude:F=kxKasstiffnessconstant:ashighaspossibleforrigidobjectsDampingforbetterstability:F=kx-dvForcedirection:thelocalnormaltothesurfacethattheHIPcollideswithSCPHIPBasicsofCollisionDetectionAxisalignedboundingbox(AABB)Orientedboundingbox(OBB)BinarySpacePartitioning(BSP)AABBOBBBSP(Basdogan&Srinivasan2002)AABBHapticRenderingof3DPrimitivesvoidcalculate_force(Vector&force){floatX,Y,Z,distance;floatR=20.0;//HIP:tippointoftheend-effectorX=H