第7章产品的虚拟设计86.ppt

1、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,80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

2、他零部件开始研制低成本的 虚拟现实设备,Nolan Bushnell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,Ivan Sutherland设计了一种头戴式图形显示器,Edwin Link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,虚拟现实的三 I 图,交互作用 （Interaction）,视觉 (Visual Perception),听觉 (Acoustic Perception),触觉 (Haptic Perception),嗅觉 （Olfactory Perception）,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

3、,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。,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。,

4、七、虚拟现实技术发展趋势,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,几种常见的数据手套,几种3D鼠标,几种立体显示设备,立体眼镜,立体投影设备,三维显示器,头盔式显示器,视线位置跟踪器,力反馈系统,空间交互球,立体显示器,二、虚拟现实硬件系统结构,人,位置传感器,头盔显示器,立体声耳机,数据手套,硬件层,位置信息,声音实时生成,触觉实时生成,图形实时生 成与渲染,软件层,第三节 虚拟现实软件技术,语言类： 如C、 OpenGL、 VRML、 OGRE 等,虚拟环境中采用的软件

5、有四类：,2,建模软件类： 如AutoCAD、 Pro/Engineer、 CATIA等,应用软件类： 指用户自己的 各种需求，选 择或者开发的 自用软件,4,通用的商用工 具软件包：帮 助用户建立虚 拟环境的通用 和基本软件,一、VRML概述,VRML（Virtual Reality Modeling Language) 是描述虚拟环境中场景的一种标准，利用它可以在Internet上建立交互式的三维多媒体的境界。,VRML本质上是一种用于造型的脚本语言，与目前比较成熟的造型软件如AutoCAD、3D MAX等相比，其最大特色是实时渲染。使用已有的造型软件可以制作出极为丰富的三维效果，但不能实

6、时渲染和实时交互，只能预渲染后，以一种旁观者的身份观看渲染效果，而不能以参与者的身份参与到虚拟环境中。,二、WTK概述,WTK（World Tool Kit）是由Sense8公司开发的一种虚拟现实系统高级跨平台开发环境。WTK提供一系列WTK函数，用户可以调用这些函数来构造虚拟世界。WTK提供超过1000个C语言写的函数库，使用户能够方便地应用面向对象的原理，很快地生成虚拟环境中的复杂场景，快速开发新的虚拟现实应用系统。一个函数调用能够代替成百上千行C代码，极大地缩短了开发时间。,WTK构造的虚拟世界可以组合各种具有真实感特性与行为的对象。WTK支持20多种3D输入设备，它还提供了外设驱动程序

7、开发接口和指南，有利于用户开发自己的三维外设。,第四节 虚拟设计中的建模技术,虚拟设计中的建模技术有：,几何建模,基于特征的建模,基于特征的参数化建模,几何建模用计算机 及其图形工具描述 几何物体的形状、 设计几何形体模拟 物体动态处理过程,特征建模将特征技术 引入产品设计中，用 具有更高一层次的具 有工程意义的特征体 素来描述零件。,基于特征的参数化建 模将特征造型技术与 参数化技术有机地结 合起来，实现对多种 设计方式和设计形式 的支持。,第五章 虚拟设计与虚拟制造,一、虚拟设计系统的总体结构,在产品并行开发模式下，在产品设计阶段就可以考虑和模拟产品零部件制造，产品装配及产品的运行维护等产

8、品开发的整个过程，多领域的工程师对产品进行完善，根据对虚拟设计系统功能的描叙，创建基本结构，其中包括：,虚拟设计环境,系统的模型处理,虚拟装配,运行过程仿真,产品开发过程管理,虚拟设计系统,1、虚拟系统机构示意图,CAD软件,装配仿真,模型处理,评价设计,开发管理,网络支持,虚拟环境,制造模拟,运行仿真,2、各模块的功用和相互之间的关系,产品开发管理模块为整个虚拟设计过程提供支持。 模型处理模块实现虚拟设计系统和CAD软件间的数据转换。 在CAD软件环境中建立虚拟设计场景，完成产品建模，提 供模型的交互操作，对模型在场景中的运动作实时的碰撞 检测，并且对模型进行数据的提取和保存。 在完成产品设

9、计后，经模型载入虚拟设计系统中，进行装配操作仿真，产品工作过程交互仿真，产品的多用户评价，检验所设计的产品的可装配性和可操作性，以及产品的制造成本和生周期。,1、虚拟设计系统开发流程图,2、系统的模型处理,虚拟产品开发过程的特点之一就是利用存储在计算机内部的数字化模型虚拟产品来代替实物模型进行仿真，分析，从而提高产品在时间、质量、成本、服务和环境等多目标中的决策水平，达到全局优化和一次性开发成功的目的。 目前，产品开发过程往往是先在CAD系统完成零件的设计建模，然后在虚拟环境中进行产品的装配设计和分析。大多数虚拟设计系统通过读取CAD系统输出的多边形面片模型（通常为三角面片模型）获取零件信息。

10、,3、虚拟设计中零件信息表达的三个要求,零件信息表达与组织应具有高效性，以实现系统的实时交互。 零件信息表达的完整性，既包含几何信息，又包含工程设计信息，并满足设计与分析的精度要求。 便于CAD系统与虚拟设计系统的数据转换及信息集成。,虚拟制造是以虚拟现实技术为基础的、一种集成的综合制造环境，用于加强一个企业各层次的决策和管理。,是一种“数字样机”的反复设计加工装配评价，得到的和传输的是数据信息；在实际制造阶段才需要投入原料、人员、厂房、设备，时间短、成本低，效率高，风险小，可以迅速对市场的需求做出反应。,1、虚拟制造（Virtual Manufacturing）,三、虚拟制造系统,虚拟制造系

11、统是各制造功能的虚拟集成,虚拟制造软件技术支持,2、虚拟制造的技术支持,3、虚拟制造系统的三个类别,4、虚拟设计与虚拟制造的关系,确定和修改其他围绕产品设计、生产和管理的各项活动规程,完善生产工艺,利用虚拟现实技术对产品进行预先试制,发现问题、改进设计,一、虚拟环境中装配设计的关键技术,1、虚拟环境中装配关系识别,虚拟环境中装配设计的首要任务是根据设计者的交互操作，实时捕捉设计者的装配设计意图，识别并建立零件间的装配关系。,2、虚拟环境中装配运动导航,3、虚拟环境中装配序列编辑,通过将空间方位传感器输入的运动信息投影到零部件的可自由运动方向上，实现对零部件的运动引导。,设计者在交互进行虚拟装配

12、建模的同时，系统自动记录整个虚拟装配建模过程中所产生的事件、状态及装配关系。,第六节 虚拟装配,第七节 计算机触觉和CAD,Definition and basic principles of haptics Hardware devices Examples of haptics applications Haptic rendering SDK,Concepts - Haptic Perception,Haptic, from the Greek (Haphe), means the sense of touch More loosely defined in the Virtual Re

13、ality community: information acquisition and object manipulation through touch manual exploration and manipulation,Haptic Perception,Involves touch (tactile perception) motor action knowledge of the position and motion of the limbs and joints (kinaesthetic perception),Haptic Perception,Haptic interf

14、aces,“Haptic interfaces refers to interfaces involving the human hand and to manual sensing and manipulation.” (Durlach et al., 1994) More generally, a haptic interface provides a means to stimulate the users body to simulate the touch, feel, etc. of objects Render forces via a haptic display (as gr

15、aphics renders images through a visual display),Haptic interface,(Basdogan),Applications of haptics,Medicine Entertainment Education Industry (CAD/CAM),Applications of haptics,Medicine Entertainment Education Industry (CAD/CAM),Hardware,Haptic devices,Have both sensors and actuators Simulate forces

16、the body should encounter in a virtual environment (VE) Allow a user to feel, touch, and manipulate objects in a VE Generate appropriate mechanical impedances Simulate relation between forces and displacements over different locations on the skin at the appropriate times,Haptic devices,User acts by

17、moving/manipulating the haptic device Haptic device track position and contact forces Display appropriate contact forces prevent the end-effector from interpenetrating objects. gives sense of solidity allow for haptic perception of shape,PHANTOM Models,Desktop,Omni,Premium 1.5 6 DOF,Premium 3.0 with

18、 finger stylus,(Sensable),Others,CyberGrasp,HapticMASTER,Force Dimension,Examples of haptics applications in CAD/CAM,Haptics applications in CAD/CAM,(YH Chen, ZY Yang),Applications,Haptic technology can cover nearly all the aspects of CAD Geometric modeling Reverse engineering Virtual prototyping Vi

19、rtual manufacturing,Haptic-based geometric modeling,Most important application in CAD Can be categorized with the geometric representations Polygonal meshes Volume NURBS patches and B-rep model Implicit volume, surface etc.,Polygonal meshes (inTouch),(Ming C. Lin),FreeForm,(Sensable),Sample models o

20、f FreeForm,(Sensable),Sample models of FreeForm,(Sensable),Pros and cons,Pro Quick 3D idea visualisation Quick design modifications Organic form creation 3D Texturisation,Pros and cons,Con Precision (due to model representation) Data exchange (due to model representation) No technical drawings Engin

21、eering detailing unavailable Finite element analysis File size (due to model representation),Use of FreeForm in new product development,Concept development System-level design Detail design,(B. Sener, I. Campbell),NURBS patches and B-rep model,(F. Dachile, H. Qin),NURBS patches (cont),(Z. Gao and I.

22、 Gibson),NURBS patches (cont),(Z. Gao and I. Gibson),NURBS patches (cont),(Z. Gao and I. Gibson),Implicit volume, surface, point sets, etc,(XH Guo, J. Hua and H. Qin),Reverse engineering,Virtual CMM Point clouds hole filling,Virtual CMM (HKU),(ZY Yang, YH Chen),Hole filling,(XJ He, YH Chen),Virtual

23、prototyping,Virtual assembly (Boeing) Flexible multi-material product simulation (Z. Gao, YH Chen),Haptic rendering,Architecture of haptic applications for CAD,What is haptic rendering?,To generate the force due to interaction in virtual envirionment Needs to run at 1000 Hz or surface vibrates (demanding) A haptic rendering loop at least includes: get_position (HIP); / position and/or orientation of the end-effector calculate_force