綜述以設(shè)計(jì)為中心的虛擬制造技術(shù)

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1、綜述以設(shè)計(jì)為中心的虛擬制造技術(shù)設(shè)計(jì)與研究9綜述以設(shè)計(jì)為中心的虛擬制造技術(shù)秦成(海軍后勤技術(shù)裝備研究所,北京100072)摘要:本文討論了虛擬制造的相關(guān)概念,并從數(shù)字化樣機(jī)及虛擬功能樣機(jī)兩個(gè)層次對以設(shè)計(jì)為中心的虛擬制造技術(shù)進(jìn)行了綜述分析.關(guān)鍵詞:虛擬制造虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)字化樣機(jī)虛擬功能樣機(jī)1概論虛擬制造(VirtualManufacturing)是實(shí)際制造在計(jì)算機(jī)上的本質(zhì)實(shí)現(xiàn),即采用計(jì)算機(jī)建模與仿真技術(shù),在高性能計(jì)算機(jī)及高速網(wǎng)絡(luò)的支持下,在計(jì)算機(jī)上群組協(xié)同工作,通過三維模型及動畫或虛擬現(xiàn)實(shí),實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì),工藝規(guī)劃,加工制造,性能分析,質(zhì)量檢驗(yàn),以及

2、企業(yè)的各級過程管理與控制等產(chǎn)品制造的本質(zhì)過程,以增強(qiáng)制造過程各級的決策與控制能力….虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality)是一種計(jì)算機(jī)生成的動態(tài)的虛擬環(huán)境,形成一個(gè)具有視覺,聽覺,觸覺甚至味覺和嗅覺的逼真感觀世界,人通過適當(dāng)?shù)慕涌谥蒙砥渲?獲得一種仿佛置身于現(xiàn)實(shí)世界的臨境感,并通過各種虛擬設(shè)備如立體顯示系統(tǒng),聽覺系統(tǒng),觸覺與力反饋設(shè)備等,以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對象進(jìn)行交互(Interaction),產(chǎn)生沉浸(Immersion)感,對系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)想(Imagination).這三個(gè)"I"是虛擬現(xiàn)實(shí)的基本特征.虛擬制造也可看作是產(chǎn)品設(shè)計(jì),開

3、發(fā),制造過程采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)現(xiàn),通過對產(chǎn)品及其制造過程的仿真,使人沉浸在虛擬制造環(huán)境中,通過對"產(chǎn)品生命全程"的預(yù)演,加深人們對制造過程的準(zhǔn)確理解和直觀感受.虛擬制造按照與生產(chǎn)各個(gè)階段的關(guān)系可分成三類:以設(shè)計(jì)為中心的虛擬制造,以生產(chǎn)為中心的虛擬制造和以控制為中心的虛擬制造.以設(shè)計(jì)為中心的虛擬制造為設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境,以進(jìn)行產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì),虛擬裝配與干涉檢驗(yàn),以及虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)與性能評價(jià)等;因此,首先要建立產(chǎn)品的幾何模型,幾何模型與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對應(yīng),是后續(xù)一系列過程進(jìn)行的基礎(chǔ),然后要建立產(chǎn)品的分析模型,分析模型要求支持以保證和提高

4、產(chǎn)品性能為主旨的各種工程分析,如運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)分析,有限元分析以及與具體產(chǎn)品類型相關(guān)聯(lián)的特性分析等.目前,三維CAD技術(shù)已達(dá)到了一個(gè)非常高的水平,可以在計(jì)算機(jī)中構(gòu)建一個(gè)非常完整的產(chǎn)品模型,加上渲染和動畫功能,使產(chǎn)品模型變成一個(gè)形態(tài)逼真且具有動畫功能的仿真物體,通常稱之謂"產(chǎn)品數(shù)字化樣機(jī)".產(chǎn)品數(shù)字化樣機(jī)能提供制造和裝配用的二維圖紙和各種零部件的材料,尺寸,形位公差和裝配關(guān)系等信息.只有將物理功能做到數(shù)字化樣機(jī)上,并驗(yàn)證能滿足產(chǎn)品的實(shí)際功能后,才算完成了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)任務(wù).這種具有功能的數(shù)字化樣機(jī),我們把它稱為"數(shù)字化功能樣機(jī)或稱虛擬功能樣機(jī)".以

5、下主要從產(chǎn)品的數(shù)字化樣機(jī)及虛擬功能樣機(jī)設(shè)計(jì)兩個(gè)層次論述以設(shè)計(jì)為中心的虛擬制造技術(shù).2產(chǎn)品的數(shù)字化樣機(jī)設(shè)計(jì)2.1虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與CAD技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)過程中的有機(jī)結(jié)合,改善了虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)中人與計(jì)算機(jī)的交互方式,在沉浸式的虛擬環(huán)境中,設(shè)計(jì)者通過直接三維操作對產(chǎn)品模型進(jìn)行管理,以直觀自然的方式表達(dá)設(shè)計(jì)概念,并通過視覺,聽覺與觸覺等反饋,感知產(chǎn)品模型的幾何屬性,物理屬性與行為表現(xiàn).虛擬現(xiàn)實(shí)提供的沉浸感,交互性與實(shí)時(shí)性促進(jìn)了設(shè)計(jì)者直覺,想象力與創(chuàng)造力的充分發(fā)揮.產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì)要求建立一個(gè)較完善的虛擬現(xiàn)實(shí)軟硬件環(huán)境,在這個(gè)環(huán)境中,應(yīng)能實(shí)現(xiàn)概念設(shè)計(jì)

6、,三維建模以及各種仿真和檢驗(yàn)等功能.目前,產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì)主要有以下幾種方式,一種是設(shè)計(jì)人員先利用現(xiàn)有的CAD系統(tǒng)完成建模,再導(dǎo)入到VR環(huán)境中,讓設(shè)計(jì)人員或準(zhǔn)客戶來感知產(chǎn)品,然后再返回到CAD環(huán)境中進(jìn)行修改;另一種是設(shè)計(jì)人員可以利用VR—CAD系統(tǒng),直接在虛擬環(huán)境中進(jìn)行設(shè)計(jì)與修改;設(shè)計(jì)方案確定后的建模數(shù)據(jù)可直接用于沖壓模具設(shè)計(jì),仿真和加工,甚至用于廣告和宣傳.汽車行業(yè)中虛擬設(shè)計(jì)的應(yīng)用較廣泛,世界知名的汽車企業(yè)如美國通用公司,福特公司,德國寶馬公司等都建立了虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)中心.在虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境中,設(shè)計(jì)人員利用頭盔顯示器,具有觸覺反饋功能的數(shù)據(jù)手套,操

7、縱桿,三維位置跟蹤器等裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)交互,將視覺,聽覺,觸覺與虛擬概念產(chǎn)品模型相連,不僅可以實(shí)時(shí)地對整個(gè)虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程進(jìn)行檢查,評估,而且還可以進(jìn)行虛擬的合作,甚至通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)異地協(xié)作,解決設(shè)計(jì)中的決策問題,使設(shè)計(jì)思想得到綜合.此外還有虛擬油泥建模(VirtualClayModeling)的虛擬設(shè)計(jì)方式,就是通過建立產(chǎn)品的虛擬油泥模型以適應(yīng)創(chuàng)造性設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)者所提出的直觀要求,這一功能的原理來源于"陶塑"的思想,通過數(shù)據(jù)手套,用戶可指向模10現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備2008第2期總第183期型上需要改進(jìn)的地方,實(shí)時(shí)的碰撞跟蹤功能按照手部的運(yùn)動改變

8、模型的型狀,所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品可得到精確的描述,物理模型能通過快速原型方法被迅速的制作出來.例如,美國波音公司777飛機(jī)的虛擬原形機(jī),就是利用虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)對該產(chǎn)品進(jìn)行了全