虚拟仿真技术在制造业中的应用

科研训练调研报告虚拟仿真技术在制造业中的应用

虚拟仿真技术在制造业中的应用

计算机科学与技术0904班

惠苗壮

学号：0909091627

摘要：

虚拟制造是在高性能计算机及高速网络的支持下,采用计算机信息技术、仿真技术和虚拟现实技术,产生一个虚拟环境,对所要进行的产品设计和生产制造活动,进行全面的建模和仿真。本文介绍了虚拟仿真技术在国内外的发展及在制造业中的应用现状，并提出对该技术未来的希望。

关键字：虚拟仿真技术制造业模拟

1.介绍

仿真又称模拟,是利用模型方法来重现实际系统中发生的本质过程,并通过实验来研究已经存在的或正在设计中的系统。计算机仿真技术作为一门新兴的高技术,近年得到迅速的发展,其应用领域及作用越来越大,尤其在航空、航天、国防及其他大规模复杂系统的研制开发过程中,计算机仿真一直是不可缺少的工具,它在减少损失、节约经费、缩短开发周期、提高产品质量等方面发挥了巨大作用。

虚拟现实是一种由计算机和电子技术创造的新世界,通过多种传感设备,用户可

根据自身的感觉,对虚拟世界中的物体进行考察和操作,参与其中的事件,形成一个看

似真实的模拟环境,它是模拟仿真在高性能计算机系统和信息处理环境下的发展和技

术拓展。虚拟现实技术包括临境和拟实两个方面。

虚拟制造是在高性能计算机及高速网络的支持下,采用计算机信息技术、仿真技术和虚拟现实技术,产生一个虚拟环境,对

所要进行的产品设计和生产制造活动,进行就实际地模拟出其设计开发和制造全过程,并对性能进行全面模拟试验,预测产品的设计和制造合理性、产品性能和制造周期等,以期达到最佳,使整个产品的开发生产周期最短、成本最低、质量最佳。

当前虚拟仿真技术已经广泛应用于娱乐、教育、训练、医学、设计、制造、商业、科学视觉化、网路应用等各种领域。

2.虚拟仿真技术的发展现状

从1962年，Morton Heilig发明了实感全景仿真机开始。虚拟现实技术越来越受到大众的关注。以三个I，即Immersion沉浸感，Interaction交互性，Imagination思维构想性，作为虚拟现实技术最本质的特点，并融合了其它先进技术。国内外大量科学研究人员从事虚拟仿真技术的研究。

2.1国外发展状况

VR技术起源于美国，美国的研究水平基本上就代表国际VR发展的水平。以美国为例，目前美国在该领域的基础研究主要集

方面。美国宇航局(NASA)的Ames实验室研究主要集中在以下方面：将数据手套工程化，使其成为可用性较高的产品；在约翰逊空间中心完成空间站操纵的实时仿真；大量运用了面向座舱的飞行模拟技术；对哈勃太空望远镜的仿真。现在正致力于一个叫“虚拟行星索”(vPE)的试验计划。现在NASA己经建立了航空、卫星维护VR训练系统，空间站VR训练系统，并且已经建立了可供全国使用的VR教育系统。北卡罗来纳大学(UNC)的计算机系是进行VR研究最早的大学，他们主要研究分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。Loma lAnda大学医学中心的David Warner博士和他的研究小组成功地将计算机图形及VR的设备用于探讨与神经疾病相关的问题，首创了VR儿科治疗法。麻省理工学院(MIT)是研究人工智能、机器人和计算机图形学及动画的先锋，这些技术都是VR技术的基础，1985年M1T成立了媒体实验室，进行虚拟环境的正规研究。华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室(1ilT lab)，将VR研究引入了教育、设计、娱乐和制造领域。这些研究成果都表现了美国在虚拟仿真方面的发展水平。

2.2国内发展状况

我国VR技术研究起步较晚，与国外发达国家还有一定的差距，但现在已引起国家有关部门和科学家们的高度重视，并根据我国的国情，制定了开展VR技术的研究计划。九五规划、国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等都把VR列入了研究项目。我国军方对虚拟技术的发展关注较早，而且支持关注的力度也逐日加大。

国内一些重点院校，也积极投入到这一领域的研究工作中来，并且取得了丰硕的成果。北京航空航天大学计算机系：着重研究了虚拟环境中物体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出部分硬件，并提出有关算法及实现方法；实现了分布式虚拟环境网络设计，可以提供实时三维动态数据库、虚拟现实演示环境、用于飞行员训练的虚拟现实系统、虚拟现实应用系统的开发平台等。浙江大学CAD&CG国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法；哈尔滨工业大学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；清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临场感的方面进行了研究；另外西安交通大学，国防科技大学，装甲兵技术学院，中科院软件所，上海交通大学等高校也分别在不同领域，不同方面的虚拟技术研究工作中取得了不同的成果。

3.虚拟仿真技术在制造业应用开发的技术环境

计算机图形学、三维设计软件、计算机仿真技术、高性能计算机的快速发展以及制造企业三维设计体系的建立、完善,将有力促进虚拟仿真技术在各个领域的应用开发。

3.1 计算机图形学及三维设计软件的软件环境

计算机图形学是伴随着计算机及其外围设备而产生和发展起来的。它是近代计算机科学、电视及图像处理技术的发展汇合而产生的结果。在造船、航空航天、汽车、机械、地理信息等领域的广泛应用,推动了这门学科的不断发展,而不断解决应用中提出的各类新课题,又进一步充实和丰富了这门学科的内容。现已发展为对物体的模型和图像进行生成、存取和管理的新学科。

三维曲面建模出现于20 世纪70 年代,前后产生了实体造型技术、参数化造型技术、变量化造型技术等新技术革命。三维CAD 软件及三维设计的出现,使一般复杂的产品设计和数字建模成为可能,设计人员因而有机会在计算机上看到复杂的几何形状、轮廓和产品概念。在此基础上,还可进行零件干涉测试和交互检查,提高了设计的可视化能力,