欢迎来到优发表,发表咨询:400-888-9411 订阅咨询:400-888-1571股权代码(211862)

SCI投稿辅导 SCI发表咨询

期刊大全 杂志订阅 SCI期刊 SCI发表 期刊投稿 出版社 公文范文 精品范文

虚拟装配技术论文(合集7篇)

时间:2023-03-28 15:05:00
虚拟装配技术论文

虚拟装配技术论文第1篇

关键词 虚拟装配;机械设计;自动装配

中图分类号TH122 文献标识码A 文章编号 1674-6708(2012)67-0199-02

在进行工业产品或机械设计时,在装配工业产品前对产品的安装方法和操作过程进行仿真模拟,可以有效的提高实际的装配工作的效率。设计人员需要在机械设计时,需要考虑产品是否方便维护、以及产品各个部件的配合性以及产品的装配性。而这些方面的问题通常根据具体情况和条件的不同,在产品设计和生产的前期阶段不容易发现, 而等到产品设计的后期阶段或者进行生产或者使用时,往往才会逐渐的暴露出来,这样不但影响了生产效率,还提高了生产周期和废品率,导致了生产成本增加。如果在生产设计时使用虚拟技术,可以在产品的设计的同时对装配工作进行虚拟仿真,因此在产品生产的前期就可以发现产品设计时的缺陷,并且对实际安装时的方法和具体情况进行了解,对安装时可能碰到的问题提前做出准备。虚拟装配设计系统是CAD/CAM技术在实际生产中进行中的重要应用,同时也是虚拟仿真领域中的重要发展项目。

1 虚拟装配设计系统的应用特点和分类

目前市面上使用的虚拟装配系统主要分为两类:第一类虚拟装配设计系统是由JayaramS的团队研究开发,另一类这种虚拟装配系统是由GuptaR的团队以多模式虚拟环境技术为基础开发的。

虚拟装配设计系统在工作时,需要根据CAD系统的相关软件对产品进行分析,并且进行产品建模;接着,虚拟装配设计系统通过使用预处理子系统对模型进行处理,例如模型的漫反射、材质纹理等,以及模型相关部件的几何数据、物理信息和装配信息等;最后虚拟装配设计系统会计算出产品种所有零件和部件的安装位置、安装方向,以及各个零件的公差、零件集以及各个组件的装配约束等。因此,设计人员在进行设计时就可以对虚拟仿真的情况进行参考。当使用沉浸式的装配工作后,设计人员可以进行产品的装配设计。在模拟装配时,设计人员可以根据需求和具体条件对装配轨迹进行选择、修改和生成等操作,或者重新进行装配模拟。设计人员还可以使用系统提供的碰撞检测警告功能对产品进行公差以及干涉方面的操作,虚拟装配设计系统生产的装配轨迹信息、干涉信息以及产品安装步骤信息等会被CAD系统直接读取和应用。在使用以多模式虚拟环境技术为基础的装配设计分析方法时,主要特点为:该方法与传统的装配方法不同,而是分析和评价产品的装配方法,并根据分析和评价的结果选择适合的方法。首先在虚拟装配设计系统中进行统一的产品建模,使环境中“真实”物体与该产品模型进行动态交互。在虚拟环境中可以使用所建立的产品模型进行面向产品装配设计的听觉事件扩大。在虚拟装配设计系统中,设计者不但可以预览产品,还可以让设计者听到设备中零件产生的声音,系统提供的触觉交互系统以及力学反馈系统,设计者还可以感觉到物体的操作。该系统该可以提供动力学仿真模拟,可以模拟出物体的重量等力学特征,系统还可以对实际中的几何元素以及公差进行模拟,以及对设备或零件的物理特性进行模仿仿真,在下文中会对虚拟装配设计系统的配置和特点进行分析。

2 虚拟装配设计系统系统配置和特点

VADE样机系统包括以下功能模块:“Reality Engine TM”图形加速设备、多通道控制设备以及“Cirmson TM”工作站,并且所支持的头盔显示器的数量为两个。而且虚拟装配设计系统在配置了触觉反馈功能模块“Tactools TM”以及“CyberGlove TM”数据手套。主要包括以下的具体工作特征:

1)可以将CAD系统处理的数据转换成VR系统中支持的数据;

2)可以在系统中模拟出零件的初始位置信息以及现实工作环境;

3)设计人员可以在虚拟环境中与零件进行信息交互与模拟控制;

4)设计人员可以在系统中对产品的装配轨迹进行编辑操作;

5)设计人员可以通过VADE系统对产品的装配工作进行模拟,并且记录工作时所占用的空间以及工作轨迹,并且将这些信息数据输入系统中进行分析;

6)产品的动力学特性模拟;

7)可以根据需要在虚拟环境随时更改产品的设计参数;

8)可以实现产品的虚拟信息与CAD数据信息的对接。

3 自动装配设计的特点和缺陷以及虚拟装配设计的意义

3.1自动装配设计的特点和缺陷

自动装配设计采用的传统方法是通过学习拆卸的技术方法实现的,就是指通过记录产品设备的拆卸过程中的轨迹和顺序,制定出产品设备的安装轨迹和顺序。使用这种方法虽然可以确定出产品的装配轨迹以及安装流程和顺序,但是却有以下的缺点:

1)产品的最佳拆卸方案并一定是该产品的最佳装配方案;

2)如果产品的部件比较多,或者结构比较复杂时,产品的装配轨迹、几何信息等也会随之增加,可能会造成规划困难。

3.2虚拟装配技术与自动装配技术的区别

1)自动装配技术采用对产品拆卸的工作流程和轨迹进行记录,并且生成逆序列的方法。而虚拟装配设计系统所使用的方法是虚拟出相应的环境和产品,使设计人员通过仿真模拟决定最佳的装配方案;

2)在虚拟装配设计系统中,设计人员将相关信息输入系统,并且导入到CAD系统中进行建模。而自动装配系统不具备上述功能;

3)虚拟装配设计系统具有学习功能、分析功能和评价功能;自动装配系统不具备上述功能;

4)虚拟装配设计系统通常应用在有工作人员参加生产的情况下,而且产品的零件不宜太多;自动装配系统通常由设备自主完成组装,可以适用于零件较多的情况。

3.3虚拟装配设计系统的研究意义

1)通过对实际情况进行虚拟仿真,技术人员就可以对装配过程中的情况进行分析,在虚拟环境技术人员可以模拟出所有零件的运动轨迹,从而提高工作效率;

2)通过对产品建模,可以方便设计人员对产品的特性和约束进行分析,得到最理想的方案;

3)设计人员可以使用虚拟装配设计系统对机械设备进行分析,使产品的结构更加合理,有利于对设备进行维护,提高设备的性能;

4)使用虚拟技术可以有效提高设备的设计阶段和生产阶段的效率和工作质量。

4 结论

1)在机械设计领域使用虚拟装配设计系统对于提高生产设计的科学性和工作效率意义重大;

2)本文对虚拟装配设计系统进行了详细的论述,并且介绍了虚拟装配设计系统的工作方式以及应用特点;

3)本文对虚拟装配设计系统和自动装配技术进行了比较,说明了各自适合应用的条件,并且分析了虚拟装配设计系统在实际生产中所起到的重要作用。

参考文献

[1]宋少云,李世其.基于物理的虚拟样机建模技术的研究[J].交通与计算机,2011(3).

虚拟装配技术论文第2篇

关键词:虚拟装配;网络;三维

中图分类号:TP393文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)10-2372-01

Review on Virtual Assembly Based on Web Environment

YU Hai-li1, LI Wen-ming2, CHEN Bin-ru3

(1.Library of Basic Training Base, Aviation University of Air Force, Changchun 130022, China; 2.Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics, Changchun 130033, China; puter Office, Aviation University of Air Force, Changchun 130022, China)

Abstract: Virtual assembly is a new product technology based on information, simulation and virtual reality. The paper discussed the conception and design method, studied the key field of it.

Key words: virtual assembly; network; 3D

1 概述

新技术的采用,新理念的提出为制造业的发展提供了新的动力,同时制造业的发展对产品性能、规格、品种不断提出新的要求,产品的生命周期越来越短,新产品的开发时间是决定性因素。虚拟制造凭借其能有效缩短产品开发周期,消除产品的设计缺陷,利用实行并行工程,提高产品质量,减小产品返修率等优点,正受到制造业越来越广泛的关注。虚拟制造技术(VMT Virtual Manufacturing Technology)可以模拟由产品设计、制造到装配的全过程,对设计与制造过程中可能出现的问题进行分析与预测,提出改进措施,实现产品从开发到制造整个过程的优化,达到降低产品生命周期、减小开发风险、提高经济效益的目的。

2 总体概念和设计

一个完整的虚拟现实系统由虚拟环境、以高性能计算机为核心的虚拟环境处理器、以头盔显示器为核心的视觉系统、以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统、以方位跟踪器、数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备,以及味觉、嗅觉、触觉与力觉反馈系统等功能单元构成。国外的研究比较早,采用的设备也比较先进,研究的主用内容涉及虚拟装配中的虚拟人体模型在虚拟环境中交互式地进行装配操作、对公差进行评估、装配顺序的研究、装配/拆卸路径规划、对装配阶段的干涉性问题进行检测等方面。国内的研究也取得了一定成果:从可视化角度解决产品的可装配性问题,生动直观地进行产品的虚拟装配,提供装配顺序规划及评价,装配序列检查,动态仿真零、部件的实际装配过程,发现装配过程中的干涉问题等。

从上述对虚拟装配研究现状的综述可以看出,国内外研究人员对这个问题进行了大量深入的研究。根据目前的理解,虚拟装配发展至今可以分为三个阶段,第一阶段是虚拟装配理论的提出阶段,第二阶段是各研究机构在各自实验室复制、建立虚拟装配系统的阶段,第三阶段是各研究机构对虚拟装配各发展方向进行深入研究的阶段。

3 研究重点

虚拟制造中虚拟装配的实现,难点在于信息传输和信息集成。首先是计算机辅助装配过程规划(CAAPP,Computer Aid Assemble Process Programming)的系统输入,需要从CAI系统获得装配模型。由于CAD系统千差万别,虚拟制造中上游产品设计者具有不确定性,所以就会造成产品装配模型信息结构上的差别,这就需要CAAPP的输入系统解决异质系统的兼容和信息识别问题。虚拟装配关键在于希望能够脱离具体的CAD环境,直接在网络环境下实现装配过程的动态仿真。虚拟装配既需要CAAPP所产生的装配工艺文件,由此来确定各零、部件的装配顺序,又需要有交互功能,以确定最终的零、部件装配路径。完善的虚拟装配还要求能够进行产品装配干涉检验,并能将干涉检验结果反馈给产品设计部门,由设计部门修改产品建模方案。理想的可视化虚拟装配模块是建立在网络基础上的,能够为CAAPP系统和不同的CAD系统服务。虚拟装配理论的研究方法主要体现在虚拟装配的体系结构、虚拟装配建模、虚拟现实装配顺序规划和装配分析与评价四个方面。尽管虚拟装配技术发展迅速,但对于虚拟装配系统的研究,在结合新技术的基础上,可以在以下几方面进行进一步探讨:① 基于集成的产品模型技术;② 装配过程仿真建模方法和技术;③ 虚拟装配的数字化技术;④ 网络信息共享技术。并行工程与协同设计思想已经渗透到制造业的各个层面,制造业全球化的进程也正在加速。如何使地理上分布于世界各地的设计、工艺以及制造人员参与到产品装配设计及验证过程中来,是虚拟装配需要解决的问题。因此,建立基于Internet的协同虚拟环境是虚拟装配的发展方向之一。

4 虚拟装备配网路环境

在VRML与ASP技术的支持下,虚拟装配系统在网络方面的应用有着广阔的适用面。VRML文件本身就是一种在网络上创建逼真的三维虚拟场景的工具,更由于VRML文件格式的体积小,使得它在网络上传输的数据量大大减少,而且把立体的动画生成放在本地,当用户在虚拟世界中浏览漫步时,依靠的只是本地主机的性能,在目前低带宽的Internet上就可以实现虚拟三维场景的传输、显示以及交互。同时,ASP这种动态网页生成技术使虚拟装配系统与Web服务器实现信息的通信,完成数据库的查询工作。VRML与ASP的良好结合方式,为虚拟装配系统基于网络的应用提供了保证。在便捷的网络支持下,虚拟装配系统不仅可以在单机上进行装配的操作,还能通过网络,随时随地进行查看、演练,为遍布各地的客户提供了可网上查看产品信息的便利,也为装配操作的技术工人提供便捷的训练方式。

5 总结

基于网络的虚拟装配为虚拟制造领域提供了崭新的思路和方法。作为虚拟制造的核心内容,虚拟装配可以在计算机设置的虚拟环境下,完成对产品的总体设计进程,以缩短产品的开发周期,提高产品质量。

参考文献:

[1] 贺雪晨, 赵彦. 基于VRML的虚拟现实技术在世博会场馆模型中的应用[J]. 现代电子技术, 2005(7): 114-116.

虚拟装配技术论文第3篇

关键词:虚拟装配;虚拟装配环境;虚拟装配应用系统

中图分类号:TP311文献标识码:A文章编号:1009-3044(2011)18-4420-03

Survey and Analysis of Virtual Assembly

YU Hai-xia, WANG Jia-qi

(Department of Computer Scienct, Anhui Vocational and Technical College of Industry and Trade, Huainan 232007, China)

Abstract: The research progress of Virtual Assembly (VA) in recent years was summarized and analyzed in this paper. According to different functions and objectives, VA can be classified as four aspects. Virtual assembly technology was summarized and analyzed from three aspects: virtual assembly environment, virtual assembly key technologies, and virtual assembly application systems. Aiming at the shortcomings of traditional virtual assembly environment, the two new virtual environment systems were studied. The key technologies of virtual assembly systems, their researches and applications were summarized, and some important technologies including assembly modeling in virtual environment, constraint-based positioning and assembly process planning were studied comprehensively. Four typical virtual assembly application systems arising in recent years were introduced. At last, technological shortcomings and application obstacles for VA are pointed out.

Key words: virtual assembly; virtual assembly environment; virtual assembly application system

1 概述

虚拟装配是近些年来被广泛研究的新兴技术,是虚拟现实技术在制造业的典型应用,也是虚拟制造技术研究的重要方向之一。它从产品设计装配的角度出发,综合利用虚拟现实技术、计算机建模与仿真技术、计算机辅助设计技术等,建立一个具有听觉、视觉、触觉的多模式虚拟环境,设计者可在虚拟环境中交互式地进行产品设计、装配操作和规划、检验和评价产品的装配性能,并制定合理的装配方案。

虚拟装配技术可以降低复杂产品的开发难度,缩短开发周期,降低成本,对实现产品的并行开发,提高装配质量和效率具有重要的意义。虚拟装配可以应用于航空航天、汽车、船舶、工程机械、教育等领域。

2 虚拟装配的研究概况

1995年,美国华盛顿州立大学和美国国家标准与技术研究院联合,最早开始了对虚拟装配技术的研究,并开发了虚拟装配设计环境VADE(Virtual Assembly Design Environment)。VADE在装配领域的成功应用,引发了各个国家的高校和研究机构对虚拟装配的研究。20世纪90年代末,国内也开始对虚拟装配技术进行研究,已经取得许多研究成果。虚拟装配技术的研究大致可分为三个阶段:虚拟装配理论的提出和完善阶段,虚拟装配原型系统的研发阶段,虚拟装配技术在工业上的应用研究阶段。目前,国外已经开始了第三阶段的研究应用,国内也开始由第二阶段向第三阶段过渡。

根据实现功能和目的不同,可以将虚拟装配分为四种类型[1]。

1)以产品设计为中心的虚拟装配。

2)以装配工艺规划为中心的虚拟装配。

3)以制造系统规划为中心的虚拟装配。

4)以虚拟原型为中心的虚拟装配。

3 虚拟装配的研究内容

虚拟装配的研究内容主要有:虚拟环境的研究、虚拟装配关键技术研究和虚拟装配应用系统的研究[2]。

3.1 虚拟环境的研究

虚拟环境是虚拟装配的前提,良好的虚拟环境能使虚拟装配与实际装配过程更接近,为生产实践提供更可靠的指导。传统的虚拟环境可分为四种。

1)桌面式系统

桌面式系统使用普通计算机产生三维虚拟场景,用户通过显示器观看虚拟场景,需要佩戴立体眼镜才可以看到三维立体图像。这种场景系统造价低、简单方便,不足之处是沉浸感差。

2)头盔式系统

头盔式系统利用头盔显示器和数据手套等交互设备把用户与外界环境分隔开来,从而使用户真正成为系统的一个参与者,沉浸感比较强。但头盔式显示器存在约束感较强,分辨率偏低等问题,长时间易引起疲劳。

3)CAVE系统

CAVE系统的主体是一个房间,房间的周围均由大屏幕组成,高分辨率的投影仪将图像投影到这些屏幕上,用户通过立体眼镜便能看到立体图像。CAVE系统实现了大视角、全景、立体且支持多人共享的一个虚拟环境,但其造价太高,参与者被限制在一个有限的小空间内,不能大距离行走。

4)大屏幕投影系统

将多台投影仪拼接起来形成一个逻辑上统一的大屏幕,实现大面积、高分辨率的显示,优点是可以产生大视角、高亮度和高分辨率的立体图像,可使多人沉浸场景之中,具有很强的沉浸感。缺点是成本高,技术难度大,许多关键问题需要解决。

以上各种虚拟环境都存在一个共同的问题是,操作者被限制在一个有限的空间内,行动上受到很大的限制,而现实中,尤其是大型产品的装配中,操作产品并不能移动,往往要求操作人员要有足够的活动空间。为了解决这个问题,很多研究机构提出一些新型的虚拟装配环境,如英国Warwick大学研制的Cybersphere系统[3]。Cybersphere系统采用半透明的球体作为显示装置,放置在可以自由旋转的支架上,操作者处于球体内部,可以自由行走。计算机根据操作者的肢体动作产生不断变化的图像,并通过投影系统显示在球体表面,操作者通过立体眼镜看到立体图像。这种方式实现了操作者在虚拟环境中的自由行走。

哈尔滨工业大学也设计了一种可实现操作者自由行走的新型虚拟装配环境系统[3],如图1所示,该系统也采用球形幕作为显示装置,操作者在一个专门设计的全方位反行走机构上做直线行走或者转向。操作者头部、手部与双脚分别装有3-D位置跟踪器,计算机系统根据接收到的3-D位置跟踪器信号,控制全方位反行走机构的运动,并生成不断变化的三维图像,通过投影系统显示到球形幕上。操作者通过佩戴立体眼镜、数据手套与虚拟环境交互从而生成沉浸感较强的虚拟环境,为大型复杂产品的装配设计、规划和训练提供高逼真度的仿真平台。

3.2 虚拟装配关键技术的研究

虚拟装配涉及到的关键技术很多,各种技术的研究情况及应用情况如表1所示。本文只对其中几个重要的关键技术进行论述。

1)装配建模技术

目前,虚拟装配中零部件模型的建立和虚拟装配应用系统的开发主要还是基于CAD系统实现。这种虚拟装配系统易于实现,零件和装配体的建模、装配仿真可在一个系统下进行,操作简单,但真实感和可靠性受到限制,主要用于产品的设计阶段。

基于虚拟现实软件开发的虚拟装配系统,需要将CAD零部件模型及其相关信息转换后导入到虚拟环境,实现交互操作。目前已经取得一定的研究成果,美国的VADE从Pro/Engineer系统中提取产品结构树信息、装配约束信息以及零部件几何信息,实现CAD系统和虚拟装配系统的自动转换;新加坡南洋理工大学开发了基于CAD紧密连接的虚拟装配环境;哈尔滨工业大学通过模型转换实现了从SolidWorks、Pro/Engineer系统到虚拟装配系统的输入。

2)约束定位技术

由于虚拟环境缺乏现实环境中存在的各种物理约束和感知能力,虚拟装配过程中零件之间主要依靠几何约束进行精确定位。华盛顿州立大学的S.Jayaram等[4]首先提出约束定位的思想,通过零部件受约束运动以及约束求解,来实现虚拟装配过程中待装配零件的精确定位。英国Heriot-Watt大学Richard等[5]提出近似捕捉(proximity snapping)和碰撞捕捉(collision snapping)的方法来解决虚拟环境中零部件的精确定位。英国Salford大学虚拟环境中心的Fernando等[6]研究了基于几何约束的零件精确定位和三维操作,开发了几何约束管理器,用来支持虚拟环境下装配和维修任务。浙江大学刘振宇、谭建荣等[7]在语义识别的基础上,提出了基于语义引导的几何约束识别方法,通过语义和约束识别来捕捉虚拟装配过程中用户的操作意图,从而提高了约束识别速度和准确性。

3)工艺规划技术

设计人员根据经验知识在虚拟环境中人机交互式对产品的三维模型进行试装,规划零部件装配顺序,记录并分析装配路径,选择工装夹具并确定装配操作方法,最终得到经济、合理、实用的装配方案。加拿大Yuan等[8]提出了虚拟环境中交互式装配序列规划的方法。浙江大学的万华根等人[9]在基于虚拟现实的CAD系统中提出用户引导的拆卸方法,基于“可拆即可装”的原理,将拆卸顺序和拆卸路径进行反演,即可得到产品的装配顺序和装配路径。

3.3 虚拟装配应用系统的研究

从1995年美国州立大学研制出第一个虚拟装配系统VADE起,世界各国陆续研制出了多种典型的虚拟装配应用系统,分别应用于不同的工业领域。本文只对几个典型的系统进行介绍。

1)CHDP(Cable Harness Design and Planning)系统

CHDP系统是英国Heriot-Watt大学在2002年开发出来的。它是在早期开发的虚拟装配规划系统UVAVU[10] (Unbelievable Vehicle for Assembly Virtual Units)的基础上提出的,主要针对现代产品设计过程中存在的管路和线缆装配的难题。该系统充分利用了虚拟现实人机交互的特点,设计者在虚拟环境中可以充分发挥已有的装配经验和知识,根据周围环境进行快速、直观地布线。

2)V-REALISM系统

V-REALISM[11]系统是新加坡南洋理工大学2003年开发的基于CAD的桌面式虚拟环境系统,可用于虚拟装配、拆卸与维修。该系统充分体现了可视化、交互性和自由导航三个特点;系统包括三个基本功能:提供优化的装配/拆卸序列;提供三维虚拟环境进行操作和导航;将智能装配/拆卸序列规划算法和虚拟现实技术集成到一起。

3)基于虚拟原型的装配验证环境VPAVE

2003年,美国纽约州立大学开发了基于虚拟原型的装配验证环境VPAVE[12] (Virtual Prototype Assembly Validation Environment)。实际生产过程中,零部件在加工过程会引起变形或受机床刀具与夹具的磨损,引起零件最后的尺寸和形状误差。而在传统的面向装配设计系统中,很少考虑到零件的尺寸误差,导致最后加工出来的零件装配不上或装配性能不能满足要求。VPAVE系统就是基于上述不足而提出的。VPAVE系统中采用虚拟原型,通过提取实际加工过程影响参数,建立对装配零件形状精度和尺寸精度的影响模型,利用有限元软件分析零件的受力、变形及残余应力情况,在虚拟环境下进行可装配性分析和评价。

4)PAA系统。

2005年,意大利Bologna大学利用增强现实技术开发了基于CAD的装配规划与验证系统PAA(Personal Active Assistant)[13]。PAA实现了CAD装配系统和增强现实系统之间集成,从而提高工程设计模型和真实物理模型之间的集成。PAA系统利用CAD工具来有效提高对象识别能力,生成优化装配序列和产生装配操作指令;另一方面,基于增强现实的装配评价工具允许装配设计人员和装配操作人员之间的直接交互,指导操作人员的装配。

4 存在问题

虚拟装配在设计与制造领域的应用,具有重要的理论意义和实用价值。国内外研究也取得了很大的进展。但总体上看,虚拟装配技术目前仍存在许多欠缺,一些关键技术还需要亟待解决。

1)缺乏规范化的共享开发平台和统一的标准和规范。虚拟装配系统还不能接受CAD系统的模型信息,实现与主流CAD系统的无缝集成。目前各的虚拟装配系统,都是根据本单位的情况来定制CAD接口,实现信息转换,在数据的提取和表达、信息的存储和管理等方面没有统一的标准和规范。

2)建模能力弱。目前的虚拟装配系统都以理想的零件模型为基础,没有考虑具体的加工和装配环境对零件形状精度和尺寸误差的影响,导致实际生产出来的零件装配不上或装配性能不满足要求。

3)交互操作可靠性和灵活性差。由于基于碰撞检测的交互操作是一个多输入、大计算量的过程,输入系统的灵敏性、碰撞检测的计算效率等因素都影响交互操作的可靠性。

4)功能过于单一。虚拟装配系统除了工艺规划和装配过程仿真外,许多辅助功能还没能实现,如装配力变形分析、工装夹具的设计、装配质量预测、装配人员工效分析等功能。

5)开放性和集成能力弱。由于虚拟装配系统开发的方法、环境差别较大,与其他系统集成和数据交换的能力弱,制约了虚拟装配系统的开发及与现有其他系统的集成。

参考文献:

[1] 李建广,夏平均.虚拟装配技术研究现状及其发展[J].航空制造技术,2010(3):35-36.

[2] 夏平均,陈朋,郎跃东,等.虚拟装配技术的研究综述[J].系统仿真学报,2009(4):2267-2269.

[3] Liu G H,Yao Y X.Development of a New Virtual Environment System for Assembly[J].Key Engineering Materials(S1013-9826),2006,316(5):556-560.

[4] Jayaram S,Connacher H I,Jayaram U.Virtual Assembly Using Virtual Reality Techniques[J].Computer Aided Design(S0010-4485),1997,29(8):575-584.

[5] Dewa R G.Assembly Planning in A Virtual Environment[C].Proceedings of Portland Internation Conference on Management and Technology.Portland,USA:1997:664-667.

[6] Marcelino L,Murray N.A Constraint Manager to Support Virtual Maintainability[J].Computers & Graphics(S0097-8493),2003,27(9):19-27.

[7] 刘振宇,谭建荣,等.基于语义识别的虚拟装配运动引导技术研究[J].软件学报,2000(5):84-88.

[8] Yuan X B,Yang S X.Virtual Assembly with Biologically Inspired Intelligence[J].IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybermetics Part C: Applications and Reviews,2003,33(2):159-167.

[9] 万华根.基于虚拟现实的CAD技术研究[D].杭州:浙江大学博士学位论文,1999.

[10] Ritchie J M,Dewar R G,Simmons J E L.The generation and practical use of plans for manual assembly using immersive virtual reality[J].Proc Inst Mech Engrs Part B(S0954-4054),1999,23(6):461-474.

[11] Li J R,Khoo L P,Tor S B.Desktop virtual reality for maintenance training: an object oriented prototype system(V-REALISM)[J].Computers in Industry(S0166-3615),2003,52(9):109-125.

[12] Deviprasad T,Kesavadas T.Virtual Prototyping of Assembly Components Using Process Modeling[J].Journal of Manufacturing Systems(S0278-6125),2003,22(1):16-27.

虚拟装配技术论文第4篇

【关键词】虚拟装配技术,汽车变速箱设计,应用技术

中图分类号: S611 文献标识码: A 文章编号:

一、前言

随着市场竞争的激化,产品开发已经成为了企业的竞争力和发展必要的手段。在产品开发时,我们要完善设计技术,降低产品的成本和生产周期。虚拟装配技术就很好的满足了这个要求。

二、虚拟装配技术研究现状

国外对虚拟装配技术的研究起步较早,在理论上的研究涉及面广,且已经有较为广泛的应用。美国华盛顿州立大学的Jyaaram等开发研制了一个称为“虚拟装配设计环境”(VADE)的虚拟装配设计系统。利用这个系统,设计人员可以在设计工作的初期便可考虑有关装配和拆卸的问题,从而避免了装配设计方面的缺陷。在这个系统中,设计人员首先将在CAD系统建立的零件模型导入虚拟装配系统,然后在虚拟装配系统中直接操作虚拟零件进行装配,有关产品的可装配性得到检验,同时也获得了许多有关产品的设计和制造工艺信息。Dewar等提出了虚拟环境中辅助进行手工装配的方法,该方法能够自动记录操作人员在虚拟环境中对虚拟部件的装配动作,还能辅助操作人员自动进行装配,并且询问操作人员装配时的装配方法,同时生成装配规划。

三、相关技术分析

虚拟装配系统的关键技术主要有:面向装配的产品建模,装配序列规划策略,虚拟装配仿真技术,可装配性评价技术。

1.面向装配的产品建模技术

产品装配建模是虚拟装配设计的重要环节,其实质在于如何在计算机内有效地表达装配体内在和外在的关系。模型的优劣直接影响到设计系统后续工作的效率,故而建立一个集成度高、信息完善的装配模型具有重要的意义。

2.装配序列规划策略

在机械产品装配中,一组零件或子装配体的装配顺序起着关键的作用。装配同一产品可以用不同的装配顺序,这些不同的装配顺序形成了不同的装配序列。按照某些装配序列,可以较顺利地组织装配,最终达到设计要求;而有些装配序列的采用,由于各种原因,却不能达到指定的装配目标。装配序列规划就是在给定产品设计的条件下,找出合理、可行的装配序列,按照这样的序列,可以达到指定的装配目标。

3.虚拟装配仿真技术

采用虚拟装配技术是为了在设计阶段就验证零件之间的配合性和基于二叉树结构的装配模型可装配性,保证设计的正确性。通过预览数字化产品,对规划的装配过程(装配顺序和装配路径)进行检验,对产品可装配性做出评测,从装配角度获得反馈信息,及时调整设计,进而达到提高设计质量的目的。因此,装配仿真可以视为面向装配设计的重要手段,以弥补传统装配设计分析方法的不足。

四、虚拟装配工作内容

1.虚拟装配前期准备

虚拟装配工作涉及内容较多, 范围较广, 因此前期准备工作十分重要。首先要制定虚拟装配的总体时间计划, 时间计划中要包含制造工程师对工序进行调整和的时间、虚拟装配工程师在数据管理系统中建立工序结构树的时间、工程支持部门数据健康性检查报告以及数据冻结及下载的时间、进行虚拟装配及生成报告的时间。

虚拟装配对数据具有较高的要求: 数据要在正确的结构树中; 要生成正确完整的轻量化文件; 数据版本要进行; 车辆要正确配置; 整车位置正确; 数据层次正确, 父级子级无重复零件, 左右件无重复特征。然后进行数据模型的准备工作, 对于新的项目要确定项目的车型组成, 按不同车型进行分类整理并保存数模, 而对于改型车型, 就要重点确定项目的更改内容, 然后保存更改之后的车型数模, 这样就为虚拟装配做好了数模的准备。还要确定项目的组织结构, 确认相关设计人员和专业虚拟装配人员所应承担的职责和权限, 为后续工作打下基础。最后, 在进行整车的虚拟装配工作之前要明确数据管理的重点, 要以检查前最新版本的零件清单为依据, 明确当前缺少数据模型的零件, 并保证所有零件都有相应的工位信息,然后明确记录数据版本, 利用实时数字样机仿真与分析系统Vismockup的快照功能对数模信息进行完整记录。

五、虚拟装配技术在汽车变速箱设计中的应用

1.研究目标

为了适应现代化制造及并行设计的思想,我们尝试把虚拟制造装配应用到汽车变速箱的设计中,通过研究,希望达到以下目标:

(一)汽车变速箱实现面向装配的设计,为下一步的开发研制提供实施方法及理论支持,实现缩短产品开发周期,降低产品成本,提高质量。

(二)变速箱零件全部实现三维实体模型。

(三)建立统一的数据管理,实现产品的设计数据共享。

(四)实现自上而下的设计。

2.虚拟装配技术在变速箱设计中的应用

汽车变速箱作为汽车的重要传动部件之一,其设计的优劣直接影响到整个汽车的性能。具体到变速箱的设计过程中,虚拟装配技术的应用思想、方法、具体的实现途径如下:

(一)在总体设计阶段,根据变速箱的设计要求以及总体设计参数建立变速箱的主模型空间。首先根据汽车整个设计的需要,确定变速箱箱体尺寸和大致外形;根据变速要求,我们的设计采用的是三轴式变速器,包括主轴、移动轴和中间轴;档位为六档,五个前进档,一个倒档。

(二)在装配设计阶段,完成变速箱结构、系统零件形状的基本设计,是变速箱设计的重要阶段。首先我们要完成的是如何实现变速器的功能要求,也就是如何实现其变速,接下来要进行的是确定装配基准、装配层次、装配约束。以变速器的后箱体的内表面为装配基准,分为以下几个装配区域:前盖子装配体,后盖子装配体,操纵盖子装配体。每一个子装配体又由下一级的子装配体和零件组成,主要是按照零部件间的设计逻辑依附关系来确定模型的父子关系,这样一步一步设计出变速器所有零部件模型的设计。

(三)详细设计阶段中,在保证所有零件的干涉自由和运动协调时,完善变速箱所有零件的设计工作。

六、虚拟装配技术存在的不足及发展趋势

1.拟实化程度将越来越高

从其自身来讲,虚拟装配有着不可逾越的优越性,然而,它在工业领域应用的成功程度却要取决于它对真实世界模拟的逼真程度。拟实化涉及虚拟装配最根本的两个方面,也就是虚拟产品模型和虚拟装配仿真过程。目前数字化模型的虚拟装配过程尚不能完全取代物理模型的装配过程,这就限制了其应用范围。随着工业界应用要求的提高以及基于物理属性建模技术、虚拟现实技术和多模式人机交互技术的发展,虚拟装配拟实化程度必将越来越高,在可预见的将来完全有可能取代物理实物的试装配过程,从而大大缩短产品开发周期并节约开发成本。

2.实现标准化

纵观工业领域各种技术的发展与应用,大都有一个从非标准化到标准化的发展过程,这一过程同样适用于虚拟装配技术。当前虚拟装配涉及的技术和表达方式都没有统一的标准,这是其发展状况所决定的一个必经阶段。随着在工业领域应用的逐步展开,如果没有统一的标准,必将影响虚拟装配技术的应用范围,从而阻碍其发展,因此,实现标准化是虚拟装配技术发展的必然趋势。

七、结语

面对激烈的市场竞争,虚拟装配在市场竞争中发挥了重要的作用。在虚拟装配的应用中,我们要改变传统的设计理念,进行合理的装配。只有这样,在以后的产品设计和开发中虚拟装配技术才会有更好的发展空间。

参考文献

[1]刘金玲 赵荣远 虚拟装配技术在整车研发中的应用[J]上海汽车 2011 (12)

[2]刘子强 虚拟装配的基础研究[D] 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2012

虚拟装配技术论文第5篇

[关键词]虚拟现实技术 发展前景 汽车工业

[中图分类号]TP391

[文献标识码]A

[文章编号]1672-5158(2013)05-0230-01 虚拟现实技术概述 虚拟技术、计算机通讯技术与网络技术是信息技术最关键的三个组成部分,是21世纪科技的三大核心技术。自1962年美国Morton Heilig研制了街道虚拟器这样的早期VR技术产品以来,虚拟现实技术(Virtual Realty Technology,VRT)作为虚拟技术的重要分支,具有非凡的先进性和创造性,在近几十年内蓬勃发展,体现出了未来良好的发展前景。

VRT是在计算机图形学、计算机仿真、人机接口、多媒体以及传感器等技术的基础上发展起来的一门交叉学科.VRT利用计算机和电子技术来产生逼真的视、听、触、力等三维感觉环境,通过多通道用户界面,综合运用视觉、语音、手势等新的交互通道、设备和交互技术,以实现用户与虚拟环境中的对象的自然、并行、协作的人机交互。VRT产生的身临其境的交互式仿真充分体现了其“3I”特征,即沉浸感、交互性、想象性。这些优势都说明了虚拟现实技术在制造工业中具有巨大的应用潜力。近年来许多国家在虚拟制造领域开展了研究与应用,主要包括产品外形虚拟设计、产品布局的虚拟设计、产品的运动和动力学仿真、热加工工艺模拟、加工过程仿真、产品装配仿真、虚拟样机与产品工作性能评测、企业生产过程仿真与优化和虚拟企业的可合作性仿真与优化等方面。在产品的设计、制造、性能测试的过程中,克服了传统的文本和二维工程图纸单一且临场感较差等缺点,极大地提高了产品设计的一次性成功率,节约了时间,提高了产品竞争力,避免了开发实际产品以及实地性能检测带来的高昂的费用。

1.虚拟现实技术在汽车行业的应用

汽车工业相当发达的国家,尤其以美日德为代表,将虚拟现实技术运用于汽车的设计、制造、性能测试中,获得性能成本质量的最佳组合,保证了在汽车行业的绝对竞争力。与此同时降低了汽车设计的成本,提高了效率。

1.1虚拟设计技术

目前所采用的虚拟技术引入CAD环境,将便于模拟新产品开发过程中的一些性能,便于设计人员对产品的修改。设计人员也可以利用VRCAD系统,直接在虚拟环境中进行设计与修改。在对汽车的设计过程中,设计人员在交互环境的设计环境中,利用头盔显示器、具有反馈功能的数据手套、操纵杆、立体鼠标灯装置,将视觉、听觉、触觉与虚拟概念概念产品模型相连。在此过程中,不仅进行虚拟的合作,产生身临其境的感觉,而且可以实时地对虚拟产品设计过程进行检查、评估、实地解决设计中的决策问题,使得设计思想得到综合。在交互性的虚拟环境快速成型设备上,设计人员对虚拟设计模型的直接设计,提高了设计人员积极性与创造性。

1.2虚拟装配技术

对于汽车的零部件的设计可以通过CAD等软件得以实现,但是在现今大多数的汽车制造厂中,装配环节绝大部分都是靠实际的经验去实现,很多设计问题只有在装配的过程中才得以发现,而这往往会付出惨重的代价和昂贵的学费,也势必会使得汽车制造厂的利润下降和阻碍企业的发展。虚拟装配技术在此种『青况下应运而生。在虚拟的装配环境中,设计人员可以检查各零件之间的装配间隙和干涉,通过程序自动检测装配状态。通过相关设备辅助,实现对虚拟场景中零件的抓取、移动、装配等动作,大大地提高了设计人员的主动性、创造性。在虚拟环境中出现了装配问题,可以在计算机中更改模型并重新生成,自动更新装配图,切实有效地提高了实地的装配成功率,缩短了周期,降低了生产成本。

1.3虚拟实验技术

汽车虚拟实验就是把虚拟现实技术用于对汽车的实验研究中,通过交互改变车辆参数、道路状况、驾驶控制等实验条件和参数,虚拟真实实验,通过现代计算机分析得出运动数据,方便研究人员了解实验全过程,以及假设、验证理论的正确性。

汽车操纵稳定性是一个典型虚拟现实实验的例子。在建立虚拟系统的基础上,可以获得方向盘转角、横摆角速度、侧倾角和侧向加速度等能体现操纵稳定性的要特征参数。同时配合单移线实验的场景来动态观察车辆本身以及参数的变化。虚拟仪表的设置,让实验者更加精确的知道汽车运行中的参数的变化。在加强场景的沉浸感方面,开发了双视口的立体场景显示效果。在此实验中,综合不同工况对车辆性能进行了虚拟检验。

国内在汽车方面虚拟实验较为成功的有吉林大学的对汽车防抱制动系统(ABS)混合仿真实验。建立了用于硬件在环仿真的车辆模型、ABS液压系统模型等,并进行了硬件在环仿真实验。将ABS实际部件嵌入到软件环境中进行混合仿真,大大地扩展了软件仿真的功能。为ABS的开发和实验提供了平台。

2.虚拟现实技术的发展趋势

虚拟现实技术是上世纪80年代才兴起的一门综合性信息技术,远没有达到成熟的阶段,但是其惊人的生命力,让人们毋庸置疑在不久的将来,虚拟现实技术将渗透到信息系统的各个领域,改变人机交互方式。虚拟现实技术也大大满足了以用户为主体的要求。21世纪俨然是一个信息时代,网络与计算机已经十分普及,都已经融人了人们的生活、工作和学习中。这都必将促进虚拟现实技术的蓬勃发展。

与此同时,计算机图像压缩技术与现实技术的不断进步以及相应现实硬件的日趋完善,我们可以预测未来虚拟现实技术的发展动向,这种动向可以分为两个方向。一方面是朝着桌面级虚拟现实发展,尤其以商业领域。许多大型公司开发桌面级虚拟现实来展示教育培训以及仿真实验等。另一方面是朝着高性能沉浸式虚拟现实发展。可以用于很多高科技领域,例如航空军事训练,模拟实验等,由于某种特殊性以及追求方便和利润,择优进行仿真实验。目前国内外已经建成了许多商性能的沉浸式虚拟现实仿真系统。

3.结束语

虚拟现实技术经过几十年的发展,已经取得了长足的进步,其优越性及其顽强的适应能力都使得人们不断地发展新技术,促进虚拟现实技术的发展。21世纪是一个信息时代,知识就是力量这个真理得到了十足的验证。我国已经改革开放三十多年,整个社会正处于转型和发展的新时期,汽车行业作为我国制造业的支柱产业,其面临着诸多挑战和机遇。国际汽车市场的风雨变幻让人捉摸不透,要在竞争激烈的市场中立于不败之地,必须要依靠先进的设计、制造、实验技术,缩短设计和生产周期,降低实验成本,提高汽车产业的竞争能力和综合经济效益。虚拟现实技术就是这样一种能促使我国汽车产业发展的一项技术,其发展潜力不可估量。

参考文献

虚拟装配技术论文第6篇

关键词:虚拟现实;系统设计;Virtools;鱼雷

中图分类号:TP317 文献标识码:A 文章编号:2095-1302(2017)06-00-04

0 引 言

虚拟现实技术(VR)通过综合利用视频、三维动画和声音等多媒体素材,营造出具有沉浸性、交互性、构想性的软件操作环境[1]。虚拟现实技术已广泛应用于设计测试、模拟训练、游戏娱乐和教学科研等多个领域,随着VR头戴设备、应力反馈设备等各种终端设备的大量使用,VR技术的应用广度和深度也逐年提升。某型鱼雷武器由于造价高昂,加之武器系统寿命维护的限制,导致鱼雷武器准备操作训练的代价过高。为降低训练成本,提高练效益,利用虚拟现实技术开发鱼雷模拟训练系统可节省训练经费,且所有训练过程部件动作均对学习者可见,比实装更适合专业理论学习和培训操作人员。本文论述了基于VR技术的某型鱼雷模拟训练系统的设计与实现。

1 虚拟现实技术

虚拟现实技术通过构建三维模型营造了多种视角,提供了具有沉浸性和交互性的操作环境,操作者可以亲身漫游虚拟世界,多角度观察操作方法,参与交互,给操作者强烈的临场感和逼真感,这种深层的自然的人机交互,可使操作人员将以往被动的知识接受模式变为主动探究,积极寻求新知识,形成潜在技能,为实际操作技能的最终形成奠定坚实的基础[2]。

虚拟现实的最终实现效果与硬件设备有直接关系,为利用通用设备实现虚拟现实效果,可采用桌面虚拟现实,也称为窗口VR,成本低,是本文主要使用的VR技术。

将虚拟现实技术融合到模拟训练系统中,解决传统模拟操作中临场感弱,操作训练不充分,难以形成有效技能的问题,通过逼真的武器、工具模型和高度还原的操作过程调动操作者的主动性,提升知识技能构建的效率,在保证设备和人员安全的前提下实践所学知识,加速知识到技能的转换过程。

2 系统设计

2.1 硬件结构

硬件系统主要由主控台、综合训练控制台Ⅰ~Ⅴ、网络与接口系统、投影仪组成,基本构成如图1所示。

主控台不仅可以进行系统数据库的后台管理,虚拟操作考试监控,还可以进行投影演示。综合训练台Ⅰ~Ⅴ主要完成鱼雷武器系统结构原理理论知识学习、鱼雷准备和发射相关虚拟操作和考核功能。控制台依次安装鱼雷发射电控系统对应操作台的虚拟操作模块,完成鱼雷发射过程的系统联调和操作。系统各计算机之间的信息通过网络交换机传输。

2.2 软件设计

本训练系统在技术实现上采用Visual C++作为系统框架主开发平台,VC兼容性好,具有多种控件,可以高效完成数据库管理和网络通讯,并整合Flash、Authorware及Virtools等软件,形成兼容、健壮的系统软件。

训练系统多媒体资料采用Authorware软件开发,具有交互性,可提高学习主动性。虚拟操作使用Virtools软件实现对武器操作流程和专用控制设备的虚拟操作,操作中可进行视角变换、专用工具使用、鱼雷雷体操作、面板按钮操作和指示灯、数据显示等。Vritools利用图形化编程,设计思路形象直接,能够高效完成三维虚拟操作编程[3]。鱼雷武器准备过程中部分步骤局部细节操作较多,视角相对固定,为避免三维视角变化繁琐的操作步骤,提高操作效率,将3DSMAX和Flash相结合开发软件模块完成虚拟操作,利用3DSMAX输出多层次、多视角和多种表现形式的三维动画,以动画为基础利用Flash良好的交互性和平台移植性开发出具有三维浸入感和良好交互性,且对硬件要求低的软件模块。系统软件结构如图2所示。各模块功能如下:

(1)讲解操作模块:通过技术检查和准备过程后,演示三维动画操作步骤,并通过Authorware互动演示教材,讲授演示武器原理。

(2)资料查询模块:利用数据库存放视频和文档资料,通过SQL语言编程实现对数据库资料的查询与更新,提高受训人员数据检索效率。针对不同资料的检索结果分别显示,调用Mediaplayer控件播放视频资料;使用COM组件调用WORD控件浏览和修改文档资料。

(3)自我考核模块:通过题库自动出题,完成理论考核,利用随机算法从题库中随机抽取选择、判断和填空三种题型,试卷显示利用EDITBOX控件,答案输入使用LISTBOX控件,试卷成绩自动评定并存入档案数据库。通过考核专用虚拟操作模块完成操作考试,主控台通过对其他控制台进行监控,实现操作考核成绩实时评估。

(4)模拟操作模块:分析鱼雷准备过程和发射流程的所有操作步骤,对于视角相对固定,装备动作细节展示要求较高的步骤,可通过Virtools编程对三维模型进行虚拟操作,增加硬件设备操作的临场感和浸入感。对于使用工具种类繁杂,需要与视角进行精确配合的精细操作,则利用3DMAX输出详细的三维动画,结合Flash创建虚拟仿真环境,兼顾硬件要求和三维显示效果。

(5)档案管理模块:查询用户的考试成绩、考试时间、姓名和学号。为保证数据库安全,对各控制台设定不同的权限,仅主控台可对档案数据库信息进行修改,对其他控制台仅开放查询浏览功能。

(6)网络通信模块:通过套接字编程和开发专用通讯模块完成数据的封装、解析、发送与接受,实现不同软件平台开发的软件模块之间的数据交互。

(7)电控系统操作模块:模拟艇上指控系统和发射装置电控系统的各控制台,完成发射鱼雷全过程的虚拟操作。

3 关键技术

3.1 鱼雷武器最后准备虚拟操作

在某型鱼雷武器的最后准备过程中,最为重要和最具危险性的工作是火工品的安装,使用虚拟装配完成该项操作可以降低训练风险,提升训练效率。虚拟装配在计算机环境中进行,通过可视化的模型和数据交互,辅助完成与装配有关的工程决策[4]。基于Virtools构建火工品虚拟装配模块的流程如图3所示。

(1)通过烘焙处理将3DSMAX软件中建立的火工品模型和操作场景的材质、纹理、灯光等输出成为贴图文件,模型的文件以NMO文件格式输出。其中静态模型设定为对象输出,动态模型设定为虚拟角色输出。

(2)把NMO文件导入Virtools软件,选择对应材质纹理贴图,调整参数,取得最佳视觉效果。

(3)使用Building Blocks行为模块(BB模块)完成模型交互动作的编程,按照操作步骤实现预定操作。部分模型、材质、摄像机可使用脚本语言编程。

(4)对象资源整合,交互界面设计,完成虚拟装配软件模块。

操作过程中利用鼠标或触摸屏选取装配体,进行位置移动、视角旋转,将部件移动到指定位置附近完成装配。部件装配序列和装配过程路径规划,从装配数据库中根据部件名称实时读取。为协助受训人员完成装配,可首先进行虚拟装配动画演示,操作过程中配合单步装配提示。部件装配过程中的碰撞检测和装配置距离判断使用专用BB模块完成。虚拟装配操作流程如图4所示。

3.2 VC与Virtools通讯

Virtools的网络通讯模块必须在VirtoolsDev软件平台下调用这些功能模块才能构建通信网络。即所有网络通信节点都要用Virtools来开发,才能构建通讯体系[5]。当需要Virtools软件平台和其它软件平台之间进行通讯时,Virtools通讯的局限性就凸显出来。

在虚拟训练系统开发中利用Virtools阵列输出机制完成Virtools与VC之间的信息交互。Virtools阵列用于建立数据、时间变量控制等,它由Column(列)和Row(行)组成,在Virtools程序运行时,通过Test和2D Picking行为交互模块判断此时被用户操作的虚拟物体,并将虚拟物体的参数变化通过SetCell行为交互模块对阵列的每一个元素及相应参数进行设置。然后利用Array Save行为交互模块将数组数据储存成指定路径下的文件档案[6]。完成存储后利用Windows API 函数ReadDirectoryChangesW()实现对指定目录中文件的监控[7],ReadDirectoryChangesW()函数使用CreateFile()获取要监控目录的句柄,然后循环调用ReadDirectoryChangesW()判断文件是否改变,并分配内存以存放目录变化通知并传给该函数。一旦发现文件改变,函数便把目录变化通知存放在指定内存区域,并立即读取文件内容进行相应处理,处理完成后结果可再次写入数组文件。

Virtools利用Array Load模块读取指定路径的数组文件,并利用数组元素完成虚拟物体的控制[8]。阵列输出机制流程如图5所示。

3.3 Flash与3DSMAX结合创建虚拟操作环境

鱼雷武器在发射准备过程中,操作步骤必须跟随鱼雷武器装管的过程,操作步骤固定,涉及诸多细微部件的操作。单纯使用Virtools建立虚拟环境,视角变换将消耗大量的系统资源和操作时间,降低操作效率。对于此部分操作,采用Flash软件与3DSMAX结合创建虚拟操作环境。使用3DSMAX为武器各部件和工具建立三维模型,为武器准备过程建立三维动画,然后将三维动画导入Flash为FLV文件。使用Flash的Action Scrip函数来控制动画的播放顺序和播放过程,实现交互操作。利用onEnterFrame函数对导入的FLV文件进行帧控制[9],在指定帧暂停视频,根据提示信息,使用者从控件工具箱中选择工具或部件,利用onRelease函数响应鼠标单击选择的工具和部件的正确位置,工具和位置选择正确则视频继续播放,错误则显示提示信息,重新操作。两种软件的结合使用在降低硬件要求的同时,保证虚拟软件具有三维空间感,操作过程逼真。软件流程如图6所示。

4 结 语

VR技术已经在军事领域展示了其显著的应用价值,发展潜力巨大[10]。本文结合具体项目,提出了硬件要求低,训练费效比高、功能齐全的某型鱼雷虚拟训练系统的设计方案。利用VR技术实现模拟实装训练,降低了训练成本和训练风险,提高了训练效率,增强了教学效果,减少了教学设施的建设投入,极大地提高了参训人员对装备的驾驭能力。

参考文献

[1]于修洪,项辉宇,牛凯.虚拟现实技术在机械产品装配中的应用[J].现代制造工程,2011(5):39-42.

[2]李姝博.虚拟现实技术在职业教育中应用的理论研究[J].|宁高职学报,2013(7):13-15.

[3]牛彦,张烁男.基于Virtools技术的产品虚拟交互式操作指导系统构建[J].沈阳建筑大学学报,2012(5):569-572.

[4]刘航,王春水,王积忠.基于视景仿真技术的某型装备虚拟操作训练系统[J].指挥控制与仿真,2007,29(2):79-82.

[5]于修洪,项辉宇,牛凯.虚拟现实技术在机械产品装配中的应用[J].现代制造工程,2011(5):39-42.

[6]于丹东,徐英新,胥林.三维游戏设计师宝典一Virtools行为模块词典大全[M].北京:电脑报电子音像出版社,2009.

[7]杨芳,马君显.用VC++6.0开发服务器网络日志程序[J].计算机应用,2003(6):136-138.

[8]牛彦,张烁男.基于Virtools技术的产品虚拟交互式操作指导系统构建[J].沈阳建筑大学学报,2012 (5):569-572.

虚拟装配技术论文第7篇

关键词:虚拟设计新产品开发人机工程学

1.虚拟设计在新产品开发中的特征

由于当今市场竞争日益激烈与科学技术进步的加快,使得产品开发的技术含量与复杂程度日益增加,同时也由于产品的生命周期不断地缩短,因此,缩短新产品开发的周期、提高新产品开发的技术水平、降低新产品开发的成本,并保证上市后产品的上市周期,是当前新产品开发着重要解决的问题。

虚拟设计(VirtualDesign)属于多学科交叉技术,涉及众多的学科和专业技术知识,它是随着科学技术的发展,特别是计算机辅助CAX技术的发展,开始广泛地应用于企业的生产与制造之中。由于虚拟设计技术在新产品开发过程中的应用,使产品设计实现更自然的人机交互,采用并行设计工作模式,系统考虑各种因素,使相关的人员之间相互理解、相互支持,把握了新产品开发周期的全过程,提高了产品设计的一次性成功。从而缩短产品开发周期,降低生产成本,提高了产品质量,给企业带来了更多的商机。

2.虚拟设计在新产品开发中的应用

2.1虚拟产品设计

近几年来,CAID技术为企业在新产品开发过程中提供了有力的支持,但目前在虚拟产品设计中多使用软件组合来完成产品设计过程。例如复杂曲面的产品造型,多采用Rhino和Pro/Engineer等软件的组合使用来完成虚拟产品设计模型,其实质并没有把设计人员从二维鼠标与键盘上解放出来,设计人员也并没有真正参与到虚拟产品设计中来,在某种角度上限制了设计人员的积极性与创造性的发挥。

随着虚拟现实(VirtualReality)技术与多媒体技术的发展,虚拟现实技术与多媒体技术有机结合在新产品开发过程中的使用,以及科技人员在不断提高的计算机操作的人机界面综合技术,改善了虚拟产品设计中人与计算机的交互方式。目前,所采用的将虚拟现实技术引入CAD环境,这将便于模拟新产品开发中产品的某些性能,又便于设计人员对产品的修改。技术条件好的公司,在进行虚拟产品设计时,设计人员可以先利用现有的CAD系统建模,再转换到VR环境中,让设计人员或准客户来感知产品。设计人员也可以利用VR-CAD系统,直接在虚拟环境中进行设计与修改。例如在对汽车的设计时,设计人员在具有全交互性的设计环境中,利用头盔显示器、具有触觉反馈功能的数据手套、操纵杆、三维位置跟踪器等装置,将视觉、听觉、触觉与虚拟概念产品模型相连,不仅可以进行虚拟的合作,产生一种身临其境的感觉,而且还可以实时地对整个虚拟产品(VirtualProduct)设计过程进行检查、评估,实地解决设计中的决策问题,使设计思想得到综合。在交互性的虚拟环境快速成型设备上,设计人员对虚拟产品设计模型的直接设计,提高了设计人员积极性与创造性的发挥。

有的企业在新产品开发设计时,还建立了物理试验模型PMU(PhysicalMock-up),如油泥模型(ClayModeling)等已逐步被计算机和仿真代替,在此基础上进行产品设计建模和仿真设计,以达到改进产品方案设计的目的。虚拟产品也就是最初的数字试验模型DMU(DigitalMock-up),虚拟产品设计初级阶段的虚拟油泥建模(VirtualClayModeling),可以适应创造性设计过程所提出的直观要求,设计人员可以在虚拟环境空间中,利用轨迹跟踪系统可以削掉和涂抹虚拟的油泥材料。所设计的产品可得到精确的描述,物理模型能通过快速原型方法被迅速的制作出来。例如:美国波音公司777飞机的虚拟原形机,就利用虚拟产品设计对该产品进行全数字化三维描述,实现了产品设计的虚拟油泥模型和无纸工程等,这个模型可为产品开发不同的阶段和设计原则提供参考。同时,虚拟产品设计在造船等其他新产品开发方面也得到了成功的应用。

另外,虚拟产品设计与其它设计过程进行数字连接,可实现新产品开发过程的集成,使并行工程(ConcurrentEngineering)得到充分体现与实施。从而缩短开发时间,降低开发成本,发挥设计人员的创造性潜能。

2.2虚拟装配设计(VirtualAssemblyDesign)

虚拟装配设计(VirtualAssemblyDesign)是虚拟设计在新产品开发方面具有较大影响力的一个领域。虚拟装配(VirtualAssembly)采用计算机仿真与虚拟现实技术,通过仿真模型在计算机上进行仿真装配,实现产品的工艺规划、加工制造、装配和调试,它是实际装配的过程在计算机上的本质体现。目前,就其技术而言,已经成熟,虽尚没有商用虚拟装配系统,也尚未充分地应用于新产品开发的分析和评价,但这项技术在新产品开发中已得到肯定,并具有很重要的意义。

过去传统的产品开发,常需要花费大量的时间、人力、物力来制作实物模型进行各种装配实验研究,力求在产品的可行性、实用性和产品性能等方面进行各种测试分析。现代设计要求设计人员在虚拟产品开发早期就应考虑装配问题,在进行虚拟装配的同时创建产品、分析装配精度,及时优化设计方案。

虚拟装配的第一步是在CAD系统创建虚拟产品模型,然后进入并利用虚拟装配设计环境(VirtualAssemblyDesignEnvironment)系统,产品开发人员在VADE系统中开展工作,借助虚拟装配设计环境系统,设计人员可以在虚拟环境中使用各种装配工具对设计的机构进行装配检验,帮助设计人员及时发现设计中的装配缺陷,全面掌握在虚拟制造中的装配过程,尽可能早地发现在新产品开发过程中的设计、生产和装配工艺等问题。利用这个虚拟环境,评价产品的公差、选择零部件的装配顺序、确定装拆工艺,可将结果进行可视化处理。

实验表明,虚拟装配设计的完善将有效缩短新产品开发的周期,减轻设计返工的负担,加快了引入高级设计方法和技术的速度,提高新产品开发的质量与可靠性,同时也降低新产品开发的成本。

2.3虚拟人机工程学设计

虚拟人机工程学设计是借助虚拟样机(Virtualprototype)系统,也有人称其为虚拟人机工程学环境,将它引入虚拟人机工程学评价系统,设计人员可以精确研究产品的人机工程学参数,并且在必要时可以修改虚拟部件的位置,重新设计整个产品的构造。另外,它还允许不同技术背景的人直接与设计的产品进行交互及评价产品的性能,有助于满足不同用户的特殊要求。

英国航空实验室研究人员研制了一个虚拟人机工程学评价系统。通过这个系统设计人员可以精确研究轿车内部的人机工程学参数,适时修改轿车虚拟部件的位置,对整个轿车的内部构造重新设计。这项技术为新产品开发在产品的人机工程学研究方面提供了新的方法,可以不断地利用该系统来验证假设,既减少开发费用,又缩短了制造模型的时间,同时又可以满足产品多样化的要求。

2.4虚拟设计在新产品开发中应用前景

随着多媒体技术软硬件飞速发展,特别是虚拟现实技术与多媒体技术有机结合,加快了设计人员从键盘和鼠标上解脱下来的速度,使虚拟设计技术在新产品开发应用方面也得到提升。虽然目前仅是起步阶段,在通过多种传感器与多维的信息环境进行自然的交互方面,及实现全方位的认识方面还有待于进一步提高,但在新产品开发设计应用方面具有很大的潜力,而且应用前景广阔。应该深入开发研究,使虚拟设计技术更好地帮助设计人员在新产品开发中提升设计创新思维能力与产品设计水平。

3、虚拟设计在新产品开发中应用使科学与艺术更好地得到融合

虚拟设计技术与新产品的开发都是建立在科学技术进步的基础之上,都需要科学技术的支持。新产品开发以科学技术理论为基础,然而在新产品开发中的虚拟产品设计等问题上,虚拟现实技术又为设计人员提供了有艺术创造性思维的空间,扩展了设计人员的艺术设计思维,使设计人员能够从理论认识到感性认识对产品进行设计、分析和评价。使设计人员在精神世界的存在中获得心灵自由,让设计更趋人性化、艺术化。

虚拟设计在新产品开发中的应用,使科学的思维方式和艺术的思维方式悄悄地相互侵入和占有着。科学的发明和创造溶入了艺术的想象和品格,艺术的创造和对产品形态美的探索又渗入科学的理论和品质,虚拟设计在新产品开发中的应用是科学与艺术的融合。

4、结束语

虚拟设计技术为新产品开发提供了数字设计平台,使新产品开发的周期减少、费用降低,提高了新开发的产品质量。但是如何更有效地利用虚拟设计技术为新产品开发服务,还有待于我们在实际的设计中进行探索。

参考文献:

[1]柳冠中.科学×艺术的时代,

卢新华.科学与艺术——互溶的两个世界,

中央工艺美术学院艺术设计论集北京工艺美术出版社,1996.10

[2]刘宏增,黄靖远编著.虚拟设计.北京:机械工业出版社,1999.12