机械设计中虚拟技术的应用研究.pdf

第 17 卷 　第 2 期 西 　南 　工 　学 　院 　学 　报 Vol. 17 No. 2 2002 年 6 月 J OURNAL OF SOU THWEST INSTITU TE OF TECHNOLO GY 　J un. 2002 ( ) 文章编号 :1007 - 8916 2002 02 - 0027 - 04 机械设计中虚拟技术的应用研究 1 2 2 宋宏文 　付　志 　杜详兵 ( 1. 西南科技大学制造科学与工程学院 　四川 　绵阳 　621002 ; 2. 中国空气动力研究与发展中心超高速气动研究所 　四川 　绵阳 　621000) 摘要 :虚拟现实是一种新型的人机交互系统 ,是现代机械设计发展方向。本文在简要介绍虚拟现 实概念及在机械设计中应用的基础上 ,提出了一种基于 VRML 的虚拟装配设计系统实现方法。 关键词 :虚拟现实 ;建模 ;机械设计 ;VRML 语言 ;虚拟装配 　　中图分类号 : TP391. 9 　　文献标识码 :A 虚拟现实是 20 世纪 90 年代最重要的思想之一 ,是放大智慧的新工具 ,21 世纪的计算机是 VR 计算机 , 当前虚拟现实在机械工程中的应用已经越来越广泛。机械设计的最终目的是设计出产品 , 即设计出一个装 配体 ,传统的装配体设计是一个自底向上的设计过程 ,即先设计出各个零件 ,并制造出来 ,再把实实在在的零 件装配起来 ,形成一个完整的装配体或机械设备。这样 ,很容易出现装配体各部件的干涉及与设计目的不符 等缺陷。虚拟设计就是为了克服这些缺陷而出现的。它不仅可以让设计师看到甚至“摸”到自己的设计成 果 ,还能简化设计流程 ,缩短设计时间 ,而且方便随时修改。 1 　虚拟现实的概念及在机械设计中的应用 1. 1 虚拟现实概念 虚拟现实是采用计算机生成一个逼真的、具有视、听、触、嗅、味等多种感知的虚拟环境 ,置身于该环境中 的人可以通过各种传感设备与这一虚构的现实进行交互作用 ,达到彼此交替更迭、融为一体的程度。这里所 说的虚拟环境是指用计算机生成的具有表面色彩的立体图形 ,它可以是某种特定现实世界的真实体现 ,也可 以是构想的世界。虚拟显示技术有4 个重要特征 :即多感知性、存在感、交互性和自主性 ,但并不是任何一个 虚拟现实系统都具有上述的所有特性。交互性、沉浸感和想象是 3 个最突出的特性 ,也是人们熟知的 VR 三 “I”特性。 1. 2 　虚拟现实技术在机械设计中的应用 计算机辅助设计升级到具有交互效果的“虚拟设计”,虚拟现实技术是一种“富有价值的工具”,可以提升 传统产业层次、挖掘其潜力。 ( ) 1 建立虚拟模型将减少或者消除对昂贵的实际模型所需要的费用。一些复杂的系统工程如飞船、机器 人的设计 ,需要投入巨大的资金 ,若用 VR 技术建立仿真系统代替实物模型进行研究或样机设计 ,可以大大 节约资金、人力和物力、优化系统设计。 (2) 进行性能和人机工程方面的研究时 ,将允许人直接参与操作模拟。在虚拟环境中所进行的虚拟制造 过程 ,用户可通过方便的接口进行干预 ,从制造的角度考察设计 ,为设计的更改和优化提供制造方面的依据。 (3) 对装配、制造和维修等工作进行虚拟仿真模拟 ,可在设计过程的最初阶段发现可能存在的缺陷和问 题 ,减少不必要的浪费。 　收稿日期 :2002 - 01 - 07 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 　　　　　　　　　　　　　　西 　南 　工 　学 　院 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　2002 年 28 第一个受虚幻现实影响的设计是 1996 年推出的反铲载机。美国卡特彼勒公司建筑机械产品部工程师 贝特纳在《光谱》杂志上发表文章 ,阐述他们在理论上有三个看上去都是可行的不同设计 ,用他们开发的虚幻 环境系统对这 3 个设计方案进行了先期效果的演示验证 ,结果发现其中两个设计在操纵反铲传动机时 ,会不 时进入视野死角。如果不使用虚幻环境系统