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1、桌面三维虚拟现实1 桌面三维虚拟现实系统就是一种在 PC 上实现的综合立体图形、自然交互等技术，以营造与客观世界高度类似的逼真、虚拟的环境的应用的系统。它包括硬件和软件两大部份。1.1硬件设备一套基本的 PC 的三维虚拟现实系统如图 1 所示，其中以 PC 级的图形工作站为主机， Windows NT 为操作系统，立体三维图形卡作为图形处理引擎，人机交互设备为数据手套和普通鼠标，立体图形显示设备为头盔式显示器和三枪 CRT 大屏幕投影仪。这样的 PC 三维虚拟现实系统适用于大多数虚拟现实应用，如军事上的三维立体地形观察、CAD/CAM 构件模型的三维立体观察、医学上器官组织的三维形态观察等。对
2、于多人同时观察，需要配备 CRT 三枪投影仪或者是 3 维立体单枪投影仪。在场频达到人眼舒适要求的前提下，计算机屏幕所能显示的三维立体图形在投影仪投射到银幕后同样能够达到立体的效果，从而获得类似立体电影的效果。特别需要注意的是，普通液晶投影仪不能用于立体投影。1.2软件系统目前大多数 PC 机都用 Windows 95/NT 操作系统，而且微软公司已经在 Visual C+内提供了 OpenGL、DirectDraw 等图形 API，在 PC 上建立三维虚拟现实系统一般使用这些图形 API。OpenGL 是由SGI、Microsoft 等公司共同制订的三维图形 API，OpenGL 程序代码既
3、可以在工作站上也可以在 PC 上编译运行。还有一些软件公司开发了在 OpenGL 之上的图形开发包，如 Open Inventor、World Tool Kit、OpenGVS、dVISE 等，使用这些图形开发包可以加快虚拟现实系统的开发进程。2 虚拟装配技术虚拟装配技术作为虚拟制造的关键技术之一田，具有广阔的应用前景，世界各国的政府、企业、大学等机构对其进行了全方位多层次的研究。目前，虚拟装配技术在工业发达国家已经得到了广泛深入的研究和应用。2. 1 虚拟装配的定义虚拟装配一般定义为:无需产品或支撑过程的物理实现，只需通过分析、先验模型、可视化和数据表达等手段，利用计算机工具来安排或辅助与装
4、配有关的工程决策。虚拟装配是一种将 CAD 技术、可视化技术、仿真技术、决策理论及装配和制造过程研究、虚拟现实技术等多种技术加以综合运用的技术。2.2 虚拟装配的类别根据虚拟装配过程中出现的不同侧重点，将虚拟装配归纳成三种类别。(1) 以设计为中心的虚拟装配： 以设计为中心的虚拟装配是指在产品三维数字化定义应用于产品研制过程中，结合产品研制的具体情况，突出以设计为核心的应用思想，这表现在以下三个力一面: 1)面向装配的设计:在设计初期把产品设计过程与制造装配过程有机结合，从设计的角度来保证产品的可装配性。2)自顶向下的并行产品设计 :通过自顶向下的并行产品设计可以分层次地建立统一的产品动态数字
5、样机。并行产品设计是对产品及其相关过程集成并行地进行设计，从一开始就考虑到与产品的整个生命周期里的所有相关因素的影响，把一切可能产生的错误和矛屑尽可能及早发现，以缩短产品开发周期，降低产品成本，提高产品质。3)与主模型相关的可制造性设计和可装配性设计:产品研制不同阶段的主模型提供了一个面向设计群体的装配设计环境，使得设计群体中每个成员的设计从产品设计的开始就被有效地控制在最终产品可装配的范围之内，并且突出了以产品为核心的设计思想，保证了产品设计工程师的工作与整个产品的进展过程相关联。以不同阶段的主模型为核心，可以保证产品研制阶段数据结构完整一致，保证产品研制的各个部门协同工作，实现 CAD/
6、CAM/ CAE 系统的高度集成，有效地提高产品可制造性和可装配性。(2)以过程控制为中心的虚拟装配以过程控制为中心的虚拟装配主要包含以下两力一面内容:1)实现对产品总体设计进程的控制:在产品数字化定义过程中，结合产品研制特点，人为地把虚拟装配技术应用于产品设计的过程划分为三个阶段:总体设计阶段、装配设计阶段、详细设计阶段。通过对三个设计阶段的控制，实现对产品总体设计进程的控制和虚拟装配设计流程的控制。2)对过程控制的管理:过程模型包含了产品开发的过程描述、过程内部相互关系和过程间的协作等力一面内容。希望通过对过程模型的有效管理，实现对工程研制过程中各种产品设计结果和加工工艺等产品相关信息的管
7、理，从而实现优化产品开发过程的口的。(3)以仿真为中心的虚拟装配以仿真为中心的虚拟装配是在产品装配设计模型中溶入仿真技术，并以此来评估和优化装配过程。其主要口标是评价产品可装配性。2.3 虚拟装配过程 虚拟装配过程是在完成零部件三维建模造型的基础上，根据零部件之间装配关系和约束条件，在虚拟环境中进行设计组装，并进行相应的检验，从而对设计进行分析评价，对不合理的设计进行修改，达到优化设计的口的。虚拟装配过程主要包括产品结构分析、装配关系确定、产品组装、设计修改和装配效果检验。2.4 虚拟装配的关键技术(1)装配建模装配建模是对构成装配体的零件及零件间关系的描述。装配模型包括关系模型、层次模型和面
8、向对象模型。零部件的虚拟三维建模与实体造型是虚拟产品设计与装配技术的基础，它克服了传统二维设计中仅能以视图描述零件特征，而不能建立实体模型的缺点，使设计者在虚拟环境中能够精确地建立三维实体模型，完整准确地描述零部件进而使设计者能够以不同的角度，不同的力一式对设计进行分析、评价与修改，并与其他零部件进行虚拟装配，从而进一步对整个设计进行分析、评价与优化。装配规划包括装配序列规划和装配路径规划。装配序列规划研究装配序列的生成，找出能把零件装配成产品且满足约束条件(如几何、工艺、工具等)的顺序。装配路径规划是在装配建模和装配序列规划的基础上，利用装配信息进行路经分析和求解，判断并生成合理的装配运动路
9、径，为装配仿真提供显示数据，为设计人员提供可视化的辅助设计工具。(3)装配评估虚拟装配系统可模拟装配过程，评价产品设计及装配规划，测试不同的装配策略，都需要建立装配评估标准。评估准则与企业的生产力一式、产品、设备、质量等有关。这些标准包括:配合、装配时间和序列、人机工效和工作安全、返修和拆卸、固定、间隙尺寸、过程数据、零件处理等。应用这些标准对产品力一案进行评估后得到数据，经系统工程力一法处理后，得出当前产品的装配评估结果，用于制定科学的生产决策。(4)实时图形处理应用实时图形处理技术可减少数字化装配系统的运行时间，提高工作效率。在硬件力一而，应用高性能的图形工作站系统可快速进行大量的图形运算工作，为实时、高效的虚拟装配过程提供支持。在软件力一而，采用实时图形绘制算法可提高处理和显示速度。(5)干涉检验技术 干涉检验技术是干涉检验的基础，也是虚拟装配技术设计评价的关键技术之一，在虚拟装配过程中，通常进行静态和动态十涉检验。静态干涉检验:对产品零部件设计进行评估，在确定装配结构和总体设计后，进行零件细化设计，在装配过程中静态检验零部件之间的干涉、间隙等，并根据检验结果对零部件进行设计修改，从而得到正确的设计。动态十涉检验:对产品可装配性进行评估，在产品装配过程中，根据零部件的装配路径、装配关系和约束条件，进行装配姿态调蔡、修改，直到得到正确的设计。
