虚拟现实环境下的产品设计和制造技术

   本文论述了虚拟制造技术与虚拟现实技术的关系、虚拟现实技术的研究现状以及在虚拟现实环境下产品设计和制造的应用，并开发了一套虚拟现实环境下的停车库参数设计系统。

    引言

    虚拟制造技术是利用计算机技术对所要进行的生产和制造活动进行全面的建模和仿真，包括产品的设计、加工、装配、物流、资源计划和调配、组织和管理等。在产品的设计阶段就实时地模拟出产品的形状和工作状况、制造过程、检查产品的可制造性和设计合理性、预测其制造周期和使用性能，以便及时修改设计，更有效地灵活组织生产，缩短产品研制周期，获得最佳的产品质量和效益。

    按虚拟制造技术的功能可分为：面向产品的虚拟制造技术和面向生产过程组织管理的虚拟制造技术。前者着重于产品的设计、制造、使用、检验及评价的建模与仿真，后者则着重于生产过程的计划、组织管理、资源调度、物流、信息流等的建模与仿真。

    虚拟现实技术是利用计算机技术建立一种逼真的虚拟环境，在这个环境中，人们的视觉、听觉和触觉等的感受象是在真实的环境中一样，即有“身临其境”的感觉，人们可以沉浸在这个环境中与环境进行实时交互。这就是它的所谓“沉浸性”、“实时性”和“主动的交互性”。在这个环境中，设计、制造和使用的产品，并不是实物，不消耗实际材料，也不需要机床等设备，他只是一种图象和声音的所谓“数字产品”而已。利用这种数字产品，我们可以进行产品的外观审查和修改、装配模拟和干涉检查、机械的运动仿真、零件的加工模拟，乃至产品的工作性能模拟与评价，以便在产品的生命周期的上游 设计阶段就可以消除设计的缺陷、评价加工的可行性和合理性，预测产品的成本和使用性能，提出修改的措施和方法。虚拟现实技术为我们实施并行工程、敏捷制造，减少失误和返工、缩短研制周期和提高产品质量提供了一个最佳的环境。可见，虚拟现实技术与面向产品的虚拟制造技术的关系最为密切。

    虚拟现实技术是80年代才刚刚提出来的，随着计算机技术的迅速发展，是在90年代得到人们的极大重视而获得迅速发展、很快进入实用阶段，尤其在军事、娱乐方面首先获得的成功应用是令人振奋的。现在的情况是，一方面，其软、硬件技术的发展日新月异；另一方面，其软、硬件的价格惊人地高，而价格下跌之快也十分惊人，还有些技术尚处于初级阶段，并不能令人满意，软件功能也不能满足需要。

    在现有的条件和技术的基础上，如何充分地发挥虚拟现实技术的作用，为我们的制造业作出有益的贡献，是我们的责任。

    1、虚拟现实技术的基本要求

    从人类获取信息的方式看，视觉是最主要的，它占人们获取的信息量的70%，其次是听觉、触觉和味觉。为了实现逼真的效果，满足人的视觉和听觉习惯，虚拟环境的图象和声响应是三维立体的；为了达到实时性，图象至少应有60 120Hz的帧频，还要随时响应人们的操纵信号，延迟不能超过0.1秒。因此，虚拟现实技术对计算机的计算处理速度和显示器的要求很高，多数系统和高质量的系统都是在工作站上开发的，并要配备高级图形加速卡。但这两年，微机性能大幅度提高，已经在微机上实现了较高质量的虚拟现实技术。成本降低和微机的普及性，将大大推动该技术的应用与发展。

    人们通过视觉获得外界物体的形状、空间位置和速度，要通过人的静态、动态和生理的立体深度线索来获取。静态深度线索主要是空间内物体的位置、遮挡关系、大小和清晰度等，这在我们的三维造型的投影关系中已经考虑进去了。物体运动产生的动感和位置变化，就要求计算机必须实时地计算和处理图象，只有超出人的视觉暂留时间，一般不少于30帧/秒，才能获得平滑稳定的图象，而不会出现闪烁。这就是我们目前的一般三维动画所要求和应达到的。但这样的三维图形和动画在屏幕上是二维显示的，就象我们用一只眼睛看物体，缺乏物体的深度感和立体感。实践表明，人的双目视差对物体的深度感起决定的作用。要达到自然的物体立体效果，就必须用“两只眼睛”看物体。

    在计算机虚拟环境中的图象，就必须将人的两只眼睛的图象分开计算和处理，相应地要求有分开的图象显示。目前常用的是头盔式显示器，但较高高分辨率的头盔式显示器价格超过$50000。在桌面虚拟环境中，是在普通显示器上显示双图象或交替显示双目图象，再通过光阀眼镜分离两眼看到的图象。因此，采用双目图象交替显示时，显示器的帧频必须是普通显示方式的两倍以上。再考虑到光阀眼镜的延迟，帧频不少于80Hz才不出现闪烁现象。

    双目分开的图象就要求计算机必须实时计算和处理80帧/秒以上的图象。这个实时性要求是很高的，故多采用工作站作为主机。在微机上的游戏软件中，以前的方法是采用很低的分辨率和二维图象。随着微机速度的提高，目前可以采用三维图象，但分辨率仍很低。采用高档图形加速卡，可以大大加快计算速度，可以达到32bit彩色、1600*1200分辨率、4M Triangles/s和100M pixel/s纹理，已经使得微机平台上的虚拟现实技术进入了实用阶段。

    在制造技术上，一般对声响的要求较低。而在军事实时对抗训练等虚拟现实系统中，空间立体声效果是必须的了。

    在桌面虚拟环境中，人机交互的操纵器主要是普通鼠标、6自由度鼠标、数据手套、操纵杆。数据服、大型投影球幕等使用于更完善的虚拟现实系统中。

    虚拟现实系统的软硬件价格是较高的。为此，根据不同的用途和需要，可配置不同的系统，适当的沉浸深度的虚拟环境才不会使系统过于复杂及成本、维护的负担过重。例如，用于汽车外形造型设计的系统，重点在显示高质量的立体图象，而听觉和触觉的要求很低，用普通鼠标进行操纵即可，实时性也要求不高。再如，零件装配模拟中，除了图象外，可操纵性要求较高，可配备6自由度鼠标和数据手套等。在车辆、飞机模拟训练等虚拟现实系统中，要求有宽阔的视野、实时的操纵系统、逼真的声响效果。不仅要快速响应人们的操纵信号，还要实现人们对力、位移等的触觉反馈的仿真。

    2、虚拟现实系统的应用

    虚拟现实系统首先在军事、航天等高科技领域以及娱乐与漫游等方面获得成功的应用。例如：用于宇航员、飞

行员训练的座舱系统、战场实时演练系统（虚拟战场）等。虚拟现实系统在产品设计、制造过程中同样具有重要的应用，可大大提高产品的技术水平，例如：波音公司777飞机的设计、福特汽车外形设计与碰撞实验、工厂和建筑物的漫游等。目前应用效果最好是下面几个方面：

    (1) 产品的外形设计

    例如：汽车外形造型设计是汽车的一个极为重要的方面，以前多采用泡沫塑料制作外形模型，要通过多次的评测和修改，费工费时。而采用虚拟现实建模的外形设计，可随时修改、评测，方案确定后的建模数据可直接用于冲压模具设计、仿真和加工，甚至用于广告和宣传。在其它产品（如：飞机、建筑和装修、家用电器、化妆品包装等）外形设计中，均有极大的优势。

    (2) 产品的布局设计

    在复杂产品的布局设计中，通过虚拟现实技术可以直观地进行设计，避免可能出现的干涉和其它不合理问题。例如，工厂和车间设计中的机器布置、管道铺设、物流系统等，都需要该技术的支持。在复杂的管道系统、液压集流块设计中，设计者可以“进入”其中进行管道布置，检查可能的干涉等错误。在汽车、飞机的内部设计中，“直观”是最有效的工具，虚拟现实技术可发挥不可替代的积极的作用。

    (3) 机械产品的运动仿真

    在产品设计阶段中必须解决运动构件在运动过程中的运动协调关系、运动范围设计、可能的运动干涉检查等。

    (4) 产品装配仿真

    机械产品中有成千上万的零件要装配再一起，其配合设计、可装配性是设计人员常常出现的错误，往往要到产品最后装配时才能发现，造成零件的报废和工期的延误，不能及时交货造成巨大的经济损失和信誉损失。采用虚拟现实技术可以在设计阶段就进行验证，保证设计的正确。

    (5) 产品加工过程仿真

    产品加工是个复杂的过程。产品设计的合理性、可加工性、加工方法和机床的选用、加工过程中可能出现的加工缺陷等，有时在设计时是不容易发现和确定的，必须经过仿真和分析。例如，冲压件的形状或冲压模具设计不合理，可能造成冲压件的翘曲和破裂，造成废品。铸造件的形状或模具、浇口设计不合理，容易产生铸造缺陷，甚至报废。机加工件的结构设计不合理，可能产生无法加工、或者加工精度无法保证、或者必须采用特种加工，增加了加工成本和加工周期。通过仿真，可以预先发现问题，采取修改设计或其他措施，保证工期和产品质量。 

    (6) 虚拟样机与产品工作性能评测

    设计、重新制造等一系列的反复试制过程，许多不合理设计和错误设计只能等到制造、装配过程中，甚至到样机试验时才能发现。产品的质量和工作性能也只能当产品生产出来后，通过试运转才能判定。这时，多数问题是无法更改的，修改设计就意味着部分或全部的报废和重新试制。因此常常要进行多次试制才能达到要求，试制周期长，费用高。而采用虚拟制造技术，可以在设计阶段就对设计的方案、结构等进行仿真，解决大多数问题，提高一次试制成功率。采用虚拟现实技术，可以方便、直观地进行工作性能检查。例如，美国的John Deere公司，采用该技术，对新产品 反铲装载机的三个技术方案进行建模仿真，结果否定了其中的两个方案，节约了大量的研制经费。如图1所示是利用dVISE制作的虚拟装载机模型。

     (7) 产品广告与漫游

    用虚拟现实或三维动画技术制作的产品广告具有逼真的效果，不仅可显示产品的外形，还可显示产品的内部结构、装配和维修过程、使用方法、工作过程、工作性能等，尤其是利用网络进行的产品介绍，广告效果很好。例如，在internet网络上某复印机的产品介绍和用户使用说明，可在网上进行操作：复印、打开复印机侧板显示内部结构，更换墨盒，清洁磁鼓，去除卡着的纸，关上侧板等，生动、直观。

    漫游技术使人们能在城市、工厂、车间、机器内部乃至图纸和零部件之间进行漫游，直观方便地获取信息。 

    3、虚拟现实环境下的产品制造技术 

    虚拟现实环境下的产品设计、制造和评价，首先是进行产品的立体建模，然后将这个模型置于虚拟环境中实施控制和分析。由于虚拟现实技术正在发展中，虚拟现实的环境软件相对较成熟，如WTK、dVISE、VRT等，而用于机械设计、制造的仿真和控制的软件功能比较分散，两者之间的连接尚不成熟，是研究和开发的热点。如机械运动仿真、薄板冲压成型分析与仿真、零件加工和装配仿真等。目前，基于特征的3D建模技术正逐渐进入实用并开始推广应用，为我们提供了坚实的基础。但这些建模软件不支持虚拟现实环境，必须进行转换和数据处理。

    我们根据本单位的产品立体停车库，建立了一套虚拟现实环境下的参数设计系统，其中包括：车库布局设计、车库类型选择、车库设计和车库工作演示系统，初步实现了参数化虚拟设计。该系统采用VC和 OpenGL进行编程，其中的复杂模型采用AUTOCAD和3DS MAX进行建模。在这个虚拟设计软件中，采用参数化建模，可以直观地进行车库的布局、设计、分析和运动模拟，效果较好。

    机械产品有着自己的统一特征， 基于这些特征建立一套连接3D建模与虚拟环境的软件，有利于该技术在制造领域内的应用。 

    4、结论 

    面向产品的虚拟制造技术是以三维建模和仿真技术为基础，以虚拟现实技术为支撑的全新的技术，是CAD/CAM/CAE技术的更高级阶段，近几年发展迅速。

    应用虚拟现实技术，工程师可以利用实时的视觉图象，更直观、更方便地进行产品的设计、布局、仿真、分析、可制造性检查、性能评价，快速、可靠地设计、制造出高质量的产品，满足市场竞争的需要。