第7章产品的虚拟设计

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 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 基于特征的建模 基于特征的参数化建模
基于特征的参数化建 特征建模将特征技术 模将特征造型技术与 引入产品设计中，用 参数化技术有机地结 具有更高一层次的具 合起来，实现对多种 有工程意义的特征体 设计方式和设计形式 素来描述零件。 的支持。
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
Imagination(想象）
Immersion(沉浸）
Interaction（交互）
四、虚拟现实的组成
视觉 (Visual Perception) B
交互作用 A （Interaction）
C
虚拟现实 的组成
D
听觉 (Acoustic Perception)
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 动程序开发接口和指南，有利于用户开发自己的三维外设。
二、虚拟现实技术的发展历史
80年代中期 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 1972年 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 1965年 Ivan Sutherland设计了一 种头戴式图形显示器
模型转换
后置处理
设计评价
数据保存 结束 网络支持
Visual C++6.0和 WTK9.0
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。
用户支持 工程分析 虚拟制造系统 是各制造功能 的虚拟集成 材料选用 工艺计划 工装分析 快速原型
2、虚拟制造的技术支持
虚拟制造软件技术支持
可视化 中介模型
信息描述
基本环境
基层集成 组织结构
仿真模型
3、虚拟制造系统的三个类别 以设计为中心 以生产为中心 以控制为中心 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
3D位置跟踪器 传感手套
三维鼠标 数据衣
一、虚拟现实硬件基础
虚拟现实 硬件基础
触觉与力反馈的装置 立体wenku.baidu.com示设备
3D声音生成器
几种常见的数据手套
几种3D鼠标
几种立体显示设备
头 盔 式 显 示 器
立 体 眼 镜
立 体 投 影 设 备
三 维 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
第六节
虚拟装配
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。
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
2、虚拟环境中装配运动导航
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。
七、虚拟现实技术发展趋势
动态环境 建模技术 智能化语 实时三维 新型交互 音虚拟现 图形生成和 显示技术 设备的研制 实建模 大型网络 分布式应用
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
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
Haptic Perception
Involves touch (tactile perception) motor action knowledge of the position and motion of the limbs and joints (kinaesthetic perception)
虚拟装配 运行过程仿真
产品开发过程管理
1、虚拟系统机构示意图
开发 管理
装配 仿真
运行 仿真
模型处理
CAD 软件
虚拟 环境
评价 设计 网络 支持
制造 模拟
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。
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 虚拟 设计 系统 系统的模型处理
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。
三、虚拟制造系统
1、虚拟制造（Virtual Manufacturing） 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。
E 嗅觉 （Olfactory Perception）
触觉 (Haptic Perception)
五、虚拟现实的应用领域
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
六、虚拟现实技术的分类
二、虚拟现实硬件系统结构
位置信息 软件层 声音实时生成 立体声耳机 位置传感器 头盔显示器 图形实时生 成与渲染
人
硬件层
数据手套
触觉实时生成
第三节
虚拟现实软件技术
虚拟环境中采用的软件有四类：
1
语言类： 如C＋＋、 OpenGL、 VRML、 OGRE 等
2
应用软件类： 建模软件类： 指用户自己的 如AutoCAD、 各种需求，选 Pro/Engineer、 择或者开发的 CATIA等 自用软件
Virtual Reality
1929年 Edwin Link设计了一种飞行 模拟器
三、虚拟现实的特征
沉浸感
交互性
自主性
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
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。
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
虚 拟 装 配
第一节
虚拟现实概述
一、虚拟现实的概念 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。
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。 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
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
4、虚拟设计与虚拟制造的关系 产品投入生产
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 发现问题、改进设计 利用虚拟现实技术对产 品进行预先试制
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
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
设计者在交互进行虚拟装配建 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。
3、虚拟环境中装配序列编辑
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
在完成产品设计后，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
建模 Solid works环境 Solid works 二次开发 装配仿真 运行仿真 虚拟环境 设计管理
Haptic Perception
Haptic interfaces
“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 user’s body to simulate the touch, feel, etc. of objects Render forces via a haptic display (as graphics renders images through a visual display)
Concepts - Haptic Perception
Haptic, from the Greek αφή (Haphe), means the sense of touch
More loosely defined in the Virtual Reality community: information acquisition and object manipulation through touch manual exploration and manipulation