虚拟现实机械设计应用

虚拟现实机械设计应用（精选十篇）

虚拟现实机械设计应用 篇1

为了在激烈的市场竞争中保持优势,改进和更新产品的开发模式,提高工作效率和收益,成为各企业追求的目标。而现代社会,已经进入高速信息时代,随着社会经济全球化的发展,各企业的竞争焦点已经发生了改变,除了高质量和低成本,更重要的是缩短产品的开发时间。因此,时间、质量、成本和服务的最优化已经成为众多企业的发展方向。

在产品的总体成本中,设计阶段决定了产品百分之八十的成本。传统的产品开发过程为“概念设计—详细设计—工艺设计—制造与测试—批量生产”,在这个过程中,只要有一个环节失败,就会导致产品开发的失败,设计返工次数多。这样就使产品的开发周期长,开发成本也高,对于复杂产品更是如此。因此我们需要先进的设计方法和工具的支持,在原有的优化的设计方法的基础上,要更进一步的提高我们的设计效率。在产品的概念设计阶段,对产品的设计方面的因素综合考虑,应用虚拟样机技术可以充分实现产品开发过程的集成,这个过程用图1所示的框图来表示。

1 虚拟样机的基本概念

虚拟样机(Virtual Prototype,VP)是产品的多领域数字化模型的集合体,包含有真实产品的所有关键特征。运用虚拟样机技术,通过对零部件的虚拟制造和装配,应用技术软件对虚拟制造的部件进行运动学和动力学的仿真分析,使产品在开发的初级阶段,就能及时的发现产品设计的不足,进而改进设计方法,减少了产品的返工次数,大大缩短了产品的开发周期,降低产品的开发成本。基于虚拟样机的产品设计过程能够以较低的开发成本并展示产品的各种方案,评估用户的需求,提前对产品的用户满意度作检查,提高了产品设计的自由度;能够快速方便地将设计人员的想法展示给客户;同时虚拟样机技术可以对产品进行全方面的测试和评估,省去了重复建立物理样机的麻烦和时间,降低了开发成本。

三维虚拟设计环境下的机械产品设计具有直观性和可视性。在机械系统的可行设计方案形成以后,零件的三维结构设计、系统的可装配性设计、可靠性设计、虚拟装配、三维实体的仿真运动干涉检查等都可在面向对象的环境下,具体化、三维化和形象化。因此,三维设计环境下的虚拟设计是一种创新设计,设计的结果是一种可视化的概念样机。在对机械系统进行虚拟样机设计的过程中,主要进行3种不同性质的仿真分析:静力学分析、动力学分析和运动学分析。

2 产品的建模、虚拟装配和运动仿真

2.1 利用主流CAD软件Pro/E建模仿真

在机械产品设计开发过程中,利用Pro/E(或UG,Solidworks等软件)强大的造型功能,按照零件最初的设计尺寸,快速的对机械零件进行单个零件建模,生成三维图形。同时,对零件模型进行颜色、表面纹理、材质、质量、转动惯量、重心位置等特有属性进行虚拟设计,实现精确的对零件模型进行运动学和动力学的仿真分析。将机械系统中的所有零件都进行精确的三维建模完成后,就可以利用三维软件的装配功能在装配的环境下,调入所需的零件模型,利用各种约束条件(平行、垂直、重合、距离、角度等)进行模拟装配。先进行部件的模拟装配,最后将各部件模拟装配成样机。Pro/MECHANICA MOTION模块是Pro/E的集成运动模块,它是一个完善的三维实体静力学、运动学、动力学和逆动力学仿真与优化设计工具;利用该模块可以快速创建机械模型并能方便地进行分析,从而改善机构的设计。该模块具有以下功能:(1)校验机构运动的正确性,进行运动仿真,计算任意时刻的机构位置、速度、加速度;(2)通过运动分析,得出装配的最佳配置;(3)根据给出的力决定运动状态及反作用力;(4)根据运动反求所需的力;(5)求出铰接点所受的力及轴承力;(6)通过尺寸变量,对机构进行优化设计;(7)干涉检查。在Pro/MECANICA MOTION模块中进行机械动态仿真的一般过程如图2所示。

2.2 利用虚拟样机软件ADAM进行机构运动和动力学仿真

利用ADAMS软件对机械系统机构进行动力学仿真分析。可以在ADAMS中直接建模,也可以将用Pro/E建好的整体模型导入到ADAMS软件中,根据零件间的装配关系,对ADAMS软件环境下的虚拟样机添加约束和驱动,实现要求的动力学分析和运动仿真。同时,可以利用ADAMS软件强大的设计功能,使设计人员通过改变机械系统参数的方式来实现机械系统设计的系列化、模块化和多样性。利用ADAMS机械系统动态仿真分析的一般步骤如图3示。

2.3 数控机床主轴系统的虚拟样机

按照上述步骤先建立主轴系统各个零部件的模型,再进行装配,机床的主轴系统虚拟装配全部完成后,利用Pro/E的结构和机构功能模块,对装配体施加必要的约束和运动就可以进行运动仿真,以测试样机是否满足预先给定的运动规律,如果不满足设计要求,就可修改零件模型重新进行仿真,直至达到设计要求;也可以从不同的角度检查整个的模拟系统有无运动干涉的情况,及早的发现设计过程中的问题,及时解决问题,降低设计风险。图4为某机床主轴系统的虚拟样机,图5为主轴系统虚拟分解模型。

2.4 织机双侧四连杆打纬机构的虚拟样机机运动仿真

应用ADAMS软件建立四连杆打纬机构的仿真模型,如图6所示四连杆打纬机构的ADAMS模型,在两连杆铰接处以圆柱副相铰接,连杆与地面也以圆柱副相铰接。改变连杆的长度进行仿真,其摇杆与连杆交接处的位移、速度和加速度分别如图7,图8和图9所示。当然也可以分别改变曲柄和摇杆的长度进行仿真,直至机构各个杆件的运动满足设计要求。

3 产品结构件的有限元分析和仿真

在设计机械产品的过程中,除了考虑到设计过程中的运动可以实现以外,还要考虑到所设计的零件在工作的过程中,由于受到外载荷作用和不同的工作环境的影响下,能否具有足够的强度、刚度和稳定性。因此,在对机械系统进行三维建模后,由于Pro/E与ANSYS有良好的接口,利用ANSYS软件对机械系统在各种过程中的关键零部件进行强度分析,并分析有限元计算结果,找到关键零部件的设计要点。利用ANSYS软件进行载荷试验、刚度试验、精度分析、抗振性试验、热变形试验等,分析机械系统中关键零部件在外加载荷作用下出现的最大应力、位移、温度和扭矩,并与实际产品相比较,判断设计是否符合要求。如果在ANSYS环境下得到的计算数据证明机械系统虚拟样机的某个零部件不能满足设计要求,那么只需回到Pro/E三维软件环境下对零部件的相关参数进行合理修改即可。这样避免了传统方式产品开发中的复杂的反复过程,确保产品开发成功。

3.1 应用ANSYS对行星轮系的行星架应力分析

行星架是主要的承载构件之一,在齿轮增速系统中,行星架(双臂整体式)是传动中较复杂的零件,要精确考虑各种结构特点对行星架变形的影响,但是由于其形状复杂,且低速级的转矩较大,很容易出现轴的强度不足,因此应力计算比较困难。本文中,对行星架应用ANSYS的静态模块进行了应力和应变分析。结合实例介绍分析步骤:

(1)将在Pro/E中创建的几何模型导入ANSYS中;(2)添加材料信息;由于行星架的材料为45钢分析时给定行星架的弹性模量、泊松比、密度等参数如表1所示;(3)设定接触选项(本文中分析的不是装配体,无需设置接触选项);(4)设定网格划分参数并进行网格划分;如图10所示;(5)选择分析类型;选择结构静力学分析“Static”;(6)施加载荷以及约束;施加位移约束,将行星架左端面固定;施加载荷约束,其中转矩为3.89e+005N·m;(7)设定求解参数,即设定行星架的应力分布图选项;(8)求解;(9)观察求解结果,求解结果如图11所示。

通过上图分析结果可得出相应的分析结果:最大应力:3.7702e+005Pa;最小应力:1.1233e+008Pa。

4 产品的多物理场仿真分析

实际机械产品的零部件为了完成不同的功能往往处于不同的工作环境下,我们经常遇到的零部件是在外力作用下的应力应变场问题,但这个力可以是机械力,电磁力,流体作用力和热作用力,也就是说实际中的机械部件是处在多物理场耦合作用下的,这时载荷是很复杂的,应力和变形也是多场耦合结果。这时往往单一的一个CAE软件是很难实现虚拟样机的建模和仿真,需要同时借助几个不同领域的CAE软件来进行协同仿真;目前ANSYS是多耦合场分析中比较成功的一款软件。有关这方面的实例不多,难度也较大,本文不再详述。

5 特点与经济效益

(1)缩短了产品的设计周期;(2)提高了产品的设计质量;(3)降低产品的开发成本;(4)提高了产品的经济效益。

综上所述,虚拟样机技术通过Pro/E、ANSYS和ADAMS等软件的应用,在机械系统产品开发初期的设计阶段起到了很大的作用。基于虚拟环境下的三维建模、仿真模拟,使整个设计过程大大简化,实现了人机结合的计算机辅助设计分析,提高了机械产品的设计效率和质量。

摘要：简要介绍了虚拟样机技术的基本概念和关键技术。将虚拟样机技术应用于机械产品的设计开发阶段,并阐述了利用Pro-E三维建模功能对机械零部件进行实体建模和样机虚拟装配的过程;利用ANSYS和ADAMS软件对建立的虚拟样机中的关键零件和机构进行运动学和动力学仿真分析。结合实例说明了虚拟样机的建模和仿真过程。

关键词：机械产品,虚拟样机,有限元分析,仿真模拟

参考文献

[1]郑建荣.虚拟样机技术入门与提高[M].北京:机械工业出版社,2001:1-1,2-3.

[2]项建云等.虚拟样机技术在XK714研制中的应用[J].制造技术与机床,2006,24-26.

虚拟现实技术在建筑设计的应用浅析 篇2

毕业论文是教学科研过程的一个环节，也是学业成绩考核和评定的一种重要方式。毕业论文的目的在于总结学生在校期间的学习成果，培养学生具有综合地创造性地运用所学的全部专业知识和技能解决较为复杂问题的能力并使他们受到科学研究的基本训练。

摘要：建筑设计引入虚拟现实技术，将会可以大规模的减轻设计人员劳动强度，缩短设计周期，提高设计质量，节省投资。本文从虚拟现实技术的特点出发，阐述了虚拟现实技术在建筑设计中的所起到的重要作用。

虚拟现实机械设计应用 篇3

关键词：机械手；虚拟设计；仿真；图像识别

1.前言

随着科技的不断发展进步，农业机械也朝着自动化和智能化的方向发展。最早研究智能机器人的国家是日本。上个世纪七十年代以来，工业机器人开始发展。而农业机器人的研究和应用也逐渐开始启动。随着我国人口老龄化的比例不断加大，人工采摘在农业生产成本中占据相当大的比例。如何通过设计和完善农业机器人成为我国当前面临的一个重大问题。本文基于对农业果蔬采摘机器人的研究，将农业机器人的识别和定位做了深入研究，并呈现了智能参数与虚拟仿真相结合的研究成果，通过将先验知识纳入农业水果采摘机械手的系统设计中，实现了重用性，缩短了开发周期，具有一定的参考价值。

2.机械手虚拟设计与仿真系统搭建

机械手虚拟设计与仿真系统主要由机构设计、误差分析、立体视觉、机械仿真以及数据库五个子模块构成。如图1所示。机构设计主要是将底座、手臂以及末端执行器三部分按照功能进行搭建。误差分析是从视觉误差、机械误差方面分析立体视觉是通过使用图像的一系列处理算法对视觉图像进行分析，使用EON仿真软件处理机械手的三维视觉，并将解决倒入机械手中进行其行为控制。机械手仿真包含正运动和负运动两方面。而数据库则是通过实际的先验知识构成的。

3.机械手的虚拟设计

3.1 虚拟样机技术简介

虚拟样机是基于智能技术、仿真工程以及网络技术的先进制造技术。通过计算机的仿真和建模为支撑来对实际的产品进行性能和功能预测，进而对设计的方案进行评估和优化，最终达到产品最优的目的。这里使用的虚拟样机软件为ADAMS软件。

3.2 虚拟样机的建立

ADAMS软件具有强大的运动学及其分析能力功能。通过使用ASAMS和Pro/E之间的接口程序，从而将三维的机械手实际模型倒入到ADAMS。此次设计使用Pro/E建立起机械手的三维模型，并导入至ADAMS进行动力学分析。进行动力学的分析之后，使用MECH/Pro中的Interface下拉子菜单进行模型的转化。由此，就完成了模型的建立。最后，使用ADAMS/Views中的信息按钮显示信息工具库，在Tool菜单中选择Modify Verfiy命令显示信息窗口，完成对模型的验证工作。

3.3知识库的建立

通过在计算机中存储、组织和使用相互关联的知识的集合，进而解决某一领域需求就叫做建立知识库。具体来讲，机械手设计中的知识库包含实例库和规则约束。由于科学的数据库使得系统有组织，更容易操作和管理，因而能够使构件的机械手具有一定的智能性。总的来讲，机械手臂的模型数据库中应当含有知识库的链接、规则映射表以及知识属性等。为此，首先，使用SQL语言创建代码，将系统中零件的属性加入表中，并设置主键及数据表中的字段。其次，零件与零件之间的关系映射到数据表中。一个部件可以有多个零件组成，因而在关系数据库中是一对多的形式。再次，部件与部件之间的关系映射到数据表中，并根据方案的不同设置不同的权值。当用户所给的数据模糊时，就可以根据知识库中的知识进行分析判断，从而给用户提供最合适方案的参考。最后，根据具体的需求进行数据库中的增添查改等操作。从而为方案的制定提供更多的便利。

3.4系统仿真与误差分析

通过对机械手建立数学模型，并通过迭代算法最终求得机械运动过程中的各个参数，进一步就可以通过矩阵运算算出机械手的各个关节的运动表达式。系统的仿真就是建立在表达式和参数的基础之上。这里使用MATLAB作为编程工具，构建系统界面，输入目标参数，进而由MATLAB进行矩阵运算，求得所需的运动参数，进而控制机械手按照规定的运动轨迹仿真。其中的反解程序是编写M文件进行的。同时通过EON仿真软件对机械手的三维视觉进行分析和处理。然后，通过将VC++与MATLAB的混合编程技术，调用M文件，执行运动方程的求解和模型的仿真。

当前，机械手系统的误差存在于其识别和定位的精度。系統通过立体视觉来对目标进行识别和定位，从而指导机械手的运动轨迹。因而，在识别与控制机械手相连接的过程中存在一定的误差。通过仿真数据的计算可以得到误差结果。为了缩小误差范围，这里采用神经网络的方法，通过多次训练，使结果最趋近真实的运动轨迹。

4.结论

综上所述，机械手的虚拟设计和仿真系统的研究对于农业机械智能化有着重要的意义。通过将智能化与参数化的知识相结合，并使用多次训练的神经网络方法，构建起机械手的虚拟设计与仿真系统。该虚拟产品符合一定的标准，但还有待进一步加工和完善。机械手控制单元的可重用性是其一大创新点，这样的重用特点能够大大降低生产成本，达到设计的最优化。最后，还要充分考虑到误差的来源，做好误差分析，进一步通过神经网络的方法减低误差，从而为机械手的立体视觉定位和识别提供更稳定的帮助。

参考文献：

[1]吴建伟，张卫红，秦献疆.基于simulink的机械控制系统的仿真设计[J].软件.2013（01）.

[2]徐苏，李想.基于嵌入式控制芯片在机械控制系统的应用[J].制造业自动化.2010（11）.

作者简介：

虚拟现实机械设计应用 篇4

高校《机械设计基础》课程是机械类专业一门重要的技术基础课程。本课程是培养学生机械综合设计能力、创新能力和工程意识的重要环节, 是启迪学生的创新思维、开拓学生创新潜能的重要课程, 将为以后的专业课程设计和毕业设计奠定基础, 在教学计划中具有承上启下的重要作用。

1. 课程教学现状

《机械设计基础》是机械原理和机械零件的综合, 主要讨论机械设计的常用方法和一般过程。传统教学方法, 授课内容多, 而实际教学课时安排不足;讲述原理多, 难理解, 结合实际偏少;纵向论述多, 横向比较少;讲述常规原理多, 介绍行业最新技术成果少;课堂讲授多, 课堂课外讨论少。教学手段也不尽如人意, 课堂教学仍沿袭粉笔板书、挂图和简单的教具, 很难取得好的教学效果。

随着现代教学方式的发展, 计算机技术越来越多地应用于教学过程中, 打破了开始的PPT多媒体教学, 人们利用新技术进行教育教学已经成为评价体系中的一个重要环节。虚拟样机技术是一项新的计算机辅助工程 (CAE) 技术, 同时包括三维CAD建模技术、有限元分析技术、机电液控制技术、最优化技术等相关技术。国内已经有多家学校在利用虚拟样机技术融入教学过程中, 并取得了一定的效果。

2. 虚拟样机技术及ADAMS软件简介

机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术, 是国际上20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程 (CAE) 技术, 可以在计算机上建立三维CAD样机模型, 对模型进行各种动态性能分析, 然后改进样机设计方案, 用数字化形式代替传统的实物样机试验, 而且可以将样机的运动过程以AVI视频格式输出。

虚拟样机技术的典型应用软件是ADAMS软件。利用ADAMS软件可以快捷地在计算机上建立三维虚拟模型, 进行运动学和动力学的仿真, 并以AVI格式动画输出。

3. 应用实例

ADAMS可以像建立物理样机一样建立任何机械系统的虚拟样机。首先建立运动部件 (或者从CAD软件中导入) 、用约束将它们连接、通过装配成为系统、利用外力或运动将他们驱动。用户在仿真过程进行中或者当仿真完成后, 都可以观察主要的数据变化, 以及模型的运动。这些就像做实际的物理试验一样。

例如讲到“四杆机构判别类型”时 (如图1) , 我们可以用ADAMS软件快速地建立仿真模型, 通过修改杆长参数即可得到各种四杆机构并输出AVI格式动画, 既直观又易懂。

讲“凸轮结构”时, 我们可以在ADAMS上建立凸轮机构模型如图2, 通过仿真可以得到凸轮机构的运动过程, 尖顶从动件的时间位移曲线即可得出如图3。

将ADAMS用在机械课程教学中可以直观地将机械系统的运动过程及特性展现给学生, 有利于学生对知识的接受, 提高教学质量。

结语

目前, 虚拟样机技术多用于企业的产品设计开发, 从笔者调研结果来看, 国内已经有多家学校在利用虚拟样机技术融入教学过程中, 并取得了一定的效果, 但是虚拟样机技术的功能强大, 还有很大的教学应用潜力有待开发。

现代虚拟样机技术在教学中的应用正逐步走向成熟, 微机平台技术也已开始在实践中发挥作用, 并且以其对硬件要求不高, 操作简便, 容易上手, 价格较低等优点, 被学校所接受, 希望这种技术能够为学校带来效益, 提高学校的教学质量。

在教学实践中, 恰到好处地利用虚拟样机技术能够使学生在交互状态下进行学习, 充分调动学生学习的积极性、主动性, 优化课堂教学过程, 提高学习效率, 同时也激发了学生了解和使用软件的积极性, 为今后的课程设计, 以及毕业设计做了前期的准备。

摘要：虚拟样机技术典型软件ADAMS引入《机械设计基础》课程教学。本文首先介绍了《机械设计基础》课程的特点, 接着介绍了ADAMS软件的特点及功能, 最后举例了ADAMS软件在教学中的应用。教学实践证明这种教学方法能够激发学生的学习兴趣、加深学生对课程的理解, 从而提高教学质量。

关键词：虚拟样机技术,《机械设计基础》,应用

参考文献

[1]陶峰.ADAMS虚拟样机技术在机械原理教学中的应用[J].化工高等教育, 2005, (2) .

[2]王湘.基于虚拟样机技术的机械原理课程设计教学探索[J].广西大学学报, 2007, (z2) .

[3]黄效贺.Pro/E软件用于机械专业课程的辅助教学[J].中国制造业信息化, 2005, (10) .

[4]余新康等.基于ADAMS的液压系统虚拟样机[J].工程机械, 2003, (11) :42-45.

[5]李军等.ADAMS实例教程[M].北京:北京理工大学出版社, 2002.

[6]王国强, 张进平, 马若丁.虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践[M].西安:西北工业大学出版社, 2002.

[7]侯红玲, 赵永强等.基于ADAMS的平面杆机构运动分析与仿真[J].机械, 2005, (6) .

虚拟现实机械设计应用 篇5

摘要：虚拟现实技术是一项综合性建筑设计方法，减轻设计人员劳动强度，缩短设计周期，提高设计质量，节省投资。设计者设计的建筑物与工程单位可在万维网上相互沟通交流。

关键词：虚拟现实 建筑设计 计算机辅助设计 建筑物

1 前言

计算机技术用于建筑设计已有多年，计算机辅助设计(CAD) ，主要是帮助设计者把设计、计算、画图、数据存储和处理等繁重工作交给计算机完成，而设计者把主要精力用于创造性构思。计算机产生的设计结果，可通过图形设备向设计者展示，并可模拟，允许设计者作出修改。虚拟现实(简称VR) 技术能创造身临其境的感觉。

虚拟现实也称虚拟环境或虚拟真实环境，是迅速发展的一项综合性计算机、图形交互技术，它集成了计算机图形学、多媒体、人工智能、多传感器、网络并行处理，利用计算机生成的三维空间形象实现的目标合成技术，通过视、听、触觉，以图表及动画方式呈现，让观看者“眼见为明”。它改变了传统的计算机辅助设计被动静态的信息传递方式。它的特性包括：

(1) 交互性(interactive) ;

(2) 想像性(imagination) ;

(3)沉浸性(immersion)。

虚拟现实就建筑视觉模拟的可行性而言，应用领域可包括：建筑物模拟、室内设计模拟、城市景观模拟、施工过程模拟、物理环境模拟、防灾模拟、历史性建筑模拟等。在建筑设计中既要进行空间形象思维，又要考虑到以用户的感受为核心，是一连串的创新过程，包括规划、设计、建设施工、维护等。巨大的成本和不可逆的执行程序，不能出现过多的差错，虚拟现实是一种可以创造和体现虚拟世界的计算机系统，虚拟世界是整体虚拟环境或给定仿真的对象的全体，充分利用计算机辅助设计和虚拟现实，可减轻设计人员的劳动强度，缩短设计周期，提高设计质量，节省投资。虚拟现实技术在建筑设计中应用广泛。

2 展示建筑物的整个信息

现阶段的二维、三维的表达方式，只能传递建筑物部分属性的信息，并且只能提供单一尺度的建筑物信息，使用虚拟现实技术可展示一栋活生生的虚拟建筑物，使人产生身临其境之感，设计不仅仅是设计者的事，住户、管理部门都可起到辅助决策的作用。

3 远距离浏览

设计者设计的建筑物与工程单位可以相互沟通交流，通过万维网达到远距离浏览，也可以以计算机语言开发与虚拟现实造型语言整合，虚拟现实用于Internet 网中提高其普遍性与实用性。

4 实时多方案比较

在建筑设计过程中，一般都会对设计的建筑物提出不同的设计方案，对未来建筑物的形象做多种设想，在虚拟的建筑三维空间中，可以实时地切换不同的方案，在同一个观察点或同一个观察序列中感受不同的建筑外观，这样，有助于比较不同的建筑方案的特点与不足，以便进一步进行决策。事实上，利用虚拟现实技术不但能够对不同方案进行比较，而且可以对某个特定的局部作修改，并实时地与修改前的方案进行分析比较。

5 专用的人机接口交互

人机接口是使用者与计算机沟通的桥梁，它是代表使用者意图的转换及计算机程序的执行，良好的人机接口的建立，可减少使用者对系统的学习时间和增强系统的`使用效率。在虚拟现实技术建筑设计中，必须有特定的人机接口模式：

(1) 使用者模式。使用者直接进入虚拟现实中，进行观测与互动操作，以第一人称的观测方式，进行虚拟现实的沉浸观察，隐藏的接口，只有在使用时才出现;

(2) 代理者模式。在虚拟现实中，常因沉浸环境与现实环境的感性差距，而造成空间迷失现象，以至于使用者无法掌握虚拟现实中的状态，以空间代理者的虚拟环境信息的提供，以第一和第二人称的观察方式，进行虚拟环境中的观测;

(3) 监控模式。使用者以第三人称的方式，监控虚拟现实中所有的现实状态，并进行虚拟物的监视与控制，而接口的产生与虚拟现实的种类并无绝对的关系;

(4) 浸入操作模式。将控制虚拟现实物的接口，置于虚拟现实中，以进行仿真式的操作模拟，使用者以

第一人称的操作方式，对虚拟物进行控制。从系统整合的观点来分析建筑设计，系统的接口连结不当，影响设计质量和施工程序。

虚拟现实系统基本上有两种：模型式和图像式。以模型式虚拟现实，以虚拟现实造型语言(简称VRML) 为主要描述语言，使得建筑设计可用计算机进行三维建模，利用效果图和三维施工图与资料库，并利用虚拟现实技术连结到资料库作为实时模拟操作。虚拟现实造型语言，可用来在万维网(3W) 中定义与更多信息相关联的三维世界的布局和内容，使之能够在一个交互的三维空间中很容易地被表达出来。当虚拟现实造型语言浏览器启动后，它会将虚拟现实造型语言中的信息解释成虚拟现实造型语言空间中的建筑物的几何形体的描述，一旦VRML 空间被用户的浏览器解释，它将提供实时显示，一秒钟可以显示多次，这样，用户的机器上将会有一个活动的场景。

6 应用实例

荷兰的虚拟现实技术起步较快，Eindoven 大学的Calibre研究院已用虚拟现实技术进行设计和咨询，他们开发的软件包由一组类CAD 的函数组成，称为CAAD 软件，为建筑结构的创建、修改和可视化提供了工具包， 它支持Auto CADDXF 文件的输入输出，而且能够用于虚拟环境中增加动画和对象的动态行为。已用该系统模型化了一座小城市，具体目标是在河中小岛上设计一栋博物馆。这座城市由好几百栋建筑物组成，坐落在河边斜坡上，可以俯瞰小岛。首先，数字化该城市的地图，创建基本的Auto CAD 模型;其次，按真实三维位置安排每栋建筑物，同时也考虑山坡的轮廓;再次，加上建筑细节，如门框和窗框设计，以便标准地表现该城市的美学特征。该应用实例让人们领略了该领域和他们所取得的成果。

在美国洛杉矶和费城的虚拟建筑三维模拟系统被认为是全球最成功的虚拟建筑模拟系统之一。各国对虚拟现实技术都在研究和应用，我国也一样，在虚拟世界建筑方面，都已制作和展示了复杂的虚拟世界模型。虚拟现实技术所涉领域十分广泛，技术潜力巨大，在建筑设计中应用前景广阔，但软硬件投资巨大，可重复性低，如计算机辅助设计/ 制造数据库/ 计算机辅助工程，多媒体/ 台式视频，图形艺术，形象/动画制作，科学可视化，实时模拟等的硬件价格很高。

7 结语

虚拟现实机械设计应用 篇6

计算机的出现和发展，适时地满足了人类社会生产发展快速多样化的需要，在它被广泛应用到生产制造领域后，彻底改变了传统的生产制造模式，从设计到装配成成品的产品生产全生命周期过程都可以在计算机的虚拟环境中模拟仿真。在研究和应用的过程中产生各种各样与计算机辅助相关的概念方法，如：计算机辅助设计、计算机辅助制造和计算机辅助工程等，即人们熟知的“CAD/CAM/CAE”。虚拟现实技术的发展为计算机辅助方法的发展提供了更为便利和实用的条件。

虚拟现实技术的分支之一——产品虚拟装配是目前研究的热点 （虚拟装配是在虚拟环境中，利用虚拟现实技术将设计出来的产品三维模型、成件模型等进行预装配，在满足产品性能和功能的条件下，通过分析、评价、规划和仿真等改进产品的设计和装配的结构，实现产品的可装性和经济性 ），是实际装配过程在计算机上的本质体现，是虚拟现实技术与装配技术相结合的产物，为彻底解决传统装配中存在的弊端带来了希望。尤其是对于结构复杂、零部件繁多且加工精度高的产品。各类光电侦查设备，在其加工、制造尤其是装配过程中，往往需要经过多次的试装、拆卸和返工，造成了大量的人力、物力和财力的浪费，并延长了研制周期，虚拟装配技术的发展为解决这一问题提供了一条有效途径。传统产品开发过程如图 1所示。

本文主要阐述将虚拟装配技术应用到机械装调工艺中，使得装配工艺更为直观全面，以装配过程三维爆炸视图显示，甚至动画的形式直观地表达装配过程，便于操作工人对于装配工艺的理解。本文以光电侦查设备为研究对象，基于 SolidWorks、NX三维软件，以虚拟装配、运动仿真和爆炸视图等为手段，通过对光电产品典型组件装配过程三维爆炸视图以及动画的再编辑，从而实现装配工艺三维可视化，通过三维爆炸视图在装配工艺规程的应用，以及产品装配前对操作者的多媒体动画培训，实现机械装调工艺的改进、发展。并行设计工作模式如图 2所示。

图 2并行设计工作模式

1.传统机械装配工艺规程概况

机械装调是机械制造中的后期工作，是形成产品的关键环节，机械装调是依据产品设计规定和精度要求等，将构成产品的零件、成件等结合成组件、部件，直至产品的过程，机械装配工艺是根据产品结构、制造精度、生产批量、生产条件和经济情况等因素，将这一过程具体化。机械装配工艺必须保证生产质量稳定、技术先进和经济合理。机械制造工艺是机械制造的重要组成部分。

我们一直沿用的机械装调工艺方案的选择主要依据：产品整体结构、零件大小、制造精度和生产批量等因素，我们依此来选择装配工艺的方法、装配的组织形式，装配过程主要为钳工通过手工的测量、刮削等来完成的，这样能做到在装配过程中及时对零部件进行修配以保证装配任务的完成，但是也存在不足。

（1）须等零件全部加工完成后才可进行装配，而且一些必要隐含的装配尺寸问题很难及时发现，问题难定位，需要重复拆装。

（2）能体现并行设计的思想。

（3）一般要反复修改，进行多次试装配，周期长，成本高，不能适应当前敏捷制造的需要。

2.虚拟装配技术主要优点

（1）实物产品的数字化再现，即生成产品数字模型。

（2）冲突检测，是指组成产品、各个级别的装配体的零部件进行集合上的干涉检查，这里的检查包含有零部件在装配体中的静态空间位置的相交性，也包含零部件在构成产品的装配过程中在空间上的集合干涉。

（3）生成装配序列和路径，在产品建模和排除“冲突”的过程中，生成优化的装配序列和路径，减少实际生产中的装配时间。

利用虚拟装配技术可以进行虚拟零部件设计和虚拟装配设计，并进行相应的装配检验，对产品的零部件及结构设计进行分析、评价，并根据检验结果，修改设计，从而在计算机虚拟环境中完成了产品的开发设计过程，大大缩短了新产品的开发设计过程，降低了开发设计成本和生产成本。

3.“虚拟装配技术”在工艺技术中应用现状和发展趋势

公司自 2009年以来，在编制机械加工、装配工艺规程中逐步地应用 SolidWorks、NX和 Pro/ENGINEER等三维软件进行辅助工艺设计，例如按照加工步骤进行零件三维模型的建立；成件、电子元器件三维模型的收集以及实测实建；组件模型的建立，干涉检验；组件三维爆炸视图动画显示，优化整合最合理的装配路线；结合现今 CAPP信息化系统以及工艺文件需要的三维爆炸视图的 CAD二维转化，零件过程模型的应用等。

经过近几年来的不断尝试和积累，以及 CAPP信息化技术的发展，结合实际工作需要，公司正在进行现有 CAPP信息化系统进行升级改造，向着三维 CAPP信息化系统发展。

二、产品虚拟装配技术在装调工艺中应用的必要性

1.生产现场对工艺规程的需求

在生产现场，操作者根据装配工艺的要求进行操作，他们对工艺文件的理解以及工艺内容的掌握程度将直接影响装配质量和装配效率。目前，装配工艺一般是以文字叙述为主，以说明图（设计二维图样）为辅的工艺表述形式，有些复杂的装配图示不直观，容易造成操作者理解上的偏差，且理解和掌握起来需要花费较多的时间和精力。而利用计算机仿真和虚拟装配技术，将装配工艺以的三维爆炸视图展现出来，并在爆炸图上进行文字说明（如图 3某型号升降机构运动部件装配图所示），使得工艺文件能够以一种直观、细致的方式对装配工艺进行描述，从而达到提高效率的目的以满足快节奏的生产需要。

2.工艺人员完成高质量装配工艺的需要

进行产品的虚拟装配，已经成为了工艺技术人员全面解读设计意图，梳理装配路线，选择高效可行的工艺方法的需求，并且能够很好的进行工艺路线、工艺方法的可行性验证。

随着光电产品型号的不断增多，产品研发生产周期的压缩，单纯的二维设计图样已经不能满足工艺工作的需要，由于产品研发段模型与最终设计图样的偏差，这就需要：工艺人员认真审核图样、模型，确认最终的零件模型；对部分成件重新建模；对电路板的主要特征进行建模，对根据零部件、成件等的约束关系、装配层次和零部件在虚拟空间的位置和姿态关系来对各零件进行装配并生成装配模型。

如图 4所示，为某型号消旋电机组件主轴装调的三维爆炸图所示，依据虚拟装配，可以检查干涉情况，明晰组件轴承系启动力矩本质为，增减推力轴承内外调圈得出公式： L=L1+L2，有助于装调方法的确定，以及明、细化工艺规程，便于现场生产。

3.科研产品“并行设计模式”的实现

虚拟装配技术对于科研产品优化设计、产品性能完善，减少开发过程产品反复，提高产品质量等有着重要意义。结合本公司现行生产模式，生产部门单纯依据设计 CAD二维图样进行加工、装配，很难全面把握产品，工艺人员进行重新建模，核对、确认（过程中与设计协调）零件最终技术状态；但是单纯依据设计装配图样，很难核对组件装配是否干涉，以及组件是否满足设计功能要求。

拿近期一个生产实例来说明，图 5为某型号俯仰组件外俯仰部分的装配图局部，以及相应的旋变压圈、右侧旋变座的零件图样局部视图，外俯仰旋变内圈的出线需通过缝隙 B、右轴过线孔、缝隙 A，此例主要来分析旋变内圈导线是否存在装配隐患。

单纯依据装配图，旋变内圈出线貌似不受影响，而实际情况如图 6所示（图 6为依据设计图样进行零件建模，依据旋变实物进行测绘建模，按照装配关系进行约束组装）， B缝隙仅有 0.2mm， A缝隙仅有 0.8mm，而且 A、B两处均有相对转动，存在旋变线磨损切断的隐患，由于实际装配过程，该处较为隐蔽，不容易发现，交付用户后使用一段时间问题才会暴漏出来。

在进行模型虚拟装配过程中，工艺人员于此进行反馈，并提出更改建议：（1）更改旋变压圈尺寸 Φ35为 Φ41（拓宽缝隙 B）；（2）更改右侧旋变座尺寸 0.3为 2.9（拓宽缝隙 A，且满足设计需要：轴承不脱出），增加内孔圆角 R1.5，减少磨损导线的隐患。

通过对模型装配的分析，预见性的消除生产过程中的隐蔽问题，很好的做到了设计反馈、生产反馈的流畅执行，有效地辅助于设计优化、产品性能完善，可见虚拟装配技术应用的必需性。

三、虚拟装配技术在机械装调工艺中的实际应用

在此我们结合生产实例，以及近年来工程技术室虚拟装配在机械装调工艺中的应用经验积淀，来说明虚拟装配技术在机械装调工艺中的实际应用的几个要点，以及应用方法。

1.装配建模

本文的装配建模是应用 SolidWorks2008完成的，工艺规程由艾克斯特 CAPP信息化完成，装配模型的建立是以零件几何模型的建立为基础的，成件、元器件等依据资料以及实物进行测量绘制。虚拟装配建模就是在虚拟环境中根据零部件的约束关系、装配层次和零部件在虚拟空间的位置和姿态关系来对各零件进行装配并生成装配模型。

零件模型的建立，主要依据设计图样，零件建模的正确性关系到零件加工工艺的编制，以及后续虚拟装配的正确性；成件模型的建立，模型建立依据一方面来自资料的查询，另外就是依据实物，进行实测实绘，对于复杂的成件表述出成件与装配相关的关键特征；电路板模型的建立，依据设计图样，以及装配位置，绘制接插件位置，以及可能装配干涉的器件，力求尽量详尽表述。

例如某型号俯仰电机组件，首先依据设计图样建立零件模型：“左侧端盖、俯仰电机法兰、左轴、左轴承外压圈、俯仰内调圈、俯仰外调圈、左轴承内压圈”；因软件中自带标准件库，则 GB/T68M3×8、GB/T68螺钉 M3×10、 QJ2963.2弹簧垫圈 2.5、GB/T97.1垫圈 2.5、GB/T65螺钉 M2.5×8、GB/T276轴承 61805按参数要求生成，而成件 J128LYX001力矩电机依据实物测绘。图 8所示为该组件模型。

2.组件虚拟装配，组件配套检查以及干涉性、功能性检查

依据装配图，按照约束关系，将该组件的零件、成件、标准件进行组装。在转配体中插入首个零件时，首先判断后续大致视图方向，通过基准面约束调整首个零件位置，然后参照装配图明细表（如图 9所示），逐个进行约束定位装配。

（1）组件配套检查，生成组件明细卡。

装配过程中，核对标准件等的种类数量是否正确，（例如本组件中明细表序号 2、3、4的标准件 GB/T65螺钉 M3×10、平垫圈 3、弹簧垫圈 3为固定固定左侧端盖，结合实际模型，该处应为沉头螺钉，所以该处应更改为： “GB/T68-2000螺钉 M3×10数量 8”；序号 6数目应由 22更改为 16，序号 14、15、16数量应由 28更改为 8；序号 16所用标准件为 GB/T65螺钉 M2.5×6，结合模型分析，应更改为 M2.5×8，以增强其可靠性。）对应的完成如表所示“俯仰电机组件明细卡”，并在备注栏内标明标准件的用途、数量，便于后续的核对工作。

（2）组件装配干涉性、功能性检查。

在完成模型虚拟装配后，通过模拟组件运动方式，结合软件自身的透视、剖视功能，观察分析各零件、成件是否存在装配干涉，针对于存在轴承、电机的组件，我们还要分析轴承是否能有效压紧，碳刷是否在合适位置，以及应用何种方式来安装电机，以避免碳刷的损伤等。

3.组件爆炸视图在工艺中应用

（1）生成组件爆炸视图。

生成组件爆炸视图，是在充分分析组件组成的基础上，根据装配逆顺序生成组件的爆炸视图。生成爆炸视图的过程其实就是组件装配路线规划的过程。

在进行“俯仰电机组件”装配路线规划的过程中，首先考虑为如和避免电机碳刷的损伤，如何保证轴承启动力矩与调试时的尽量一致，如何高效装配，再次基础上我们确定装配工艺路线为：“装配准备（清洗）→成对轴承游隙调整（启动矩调整）→压装电机定子（不安装碳刷）→电机转子组合装配（包含电机转子、成对轴承、左轴承外压圈）→电机组装（并在转子定子之间均匀的垫上青稞纸）→左侧端盖安装→碳刷安装→电机跑和”。

生成的爆炸视图如图 8所示，调整各组成之间的爆炸间隙，使得视图中各组成可见，并能明确装配关系。

（2）三维爆炸视图的二维 CAD转换。

我们在应用 CAPP信息化系统编制工艺文件时，为了工艺附图的可编辑，以及便于标记图示说明，需要将三维爆炸视图进行二维 CAD文件转换。操作步骤为，首先利用 SolidWorks2008中“从装配体到工程图”的命令，生成该装配体的平面视图，如图 10所示，选择“模型视图”，选择装配图，然后选择“当前模型视图”，就可以生成模型当前爆炸视图的平面图，当然我们还可以生成一些剖视图，就更为明确的表述了组件的装配状态，然后将文件另存为DWG文件，就完成了三维爆炸视图的二维 CAD转换。

（3）二维爆炸视图用于 CAPP工艺文件。

将二维爆炸视图应用于 CAPP工艺文件中，是指编制的机械装调工艺文件，利用二维爆炸视图作为工艺附图，使得工艺文件能够以一种直观、细致的方式对装配工艺进行描述。

利用 CAPP自身的“新建 DWG工艺附图”功能，在CAD中粘贴爆炸视图，调整视图绘制比例，使得图形居中，然后补齐中心线等参照线，然后应用 CAD引线功能进行爆炸视图的标注说明，完成工艺附图编辑。

4.组件装配动画的生成与培训

随着产品复杂程度和工艺要求的不断提升，进行装配前操作者针对性的工艺培训显得越来越重要，在培训中，明确组件装配的注意点，以及便捷高效的装配方法，使得操作者更为方便的掌握要点，高效地完成产品装配。如果将虚拟装配过程动画作为培训教材，那么就能够更为形象的将作品的过程展示在操作者面前。

目前，我们可以应用 SolidWorks2008软件中的动画爆炸功能，完成装配、拆卸过程的循环动画播放，结合软件自带的的“动画向导”和“保存动画“功能，完成最终的动画编辑和视频文件的保存，如图 11、12所示。在“动画向导”模块，选择生成动画类型为“接触爆炸”，即三维虚拟装配的实际过程。

四、结语

本文结合三维爆炸视图在机械装调工艺文件中的实际应用，以及产品装配前对操作者的多媒体动画培训可行性的分析，为机械装调工序后续的发展验证了方向，实现机械装调工艺的改进、发展。虚拟装配技术应用到机械装调工艺中，使得装配工艺更为直观全面，且能够在计算机模拟装配过程中，更为全面的把握产品，熟识产品装调要点，屏蔽可能存在的隐患，更为便捷地完成设计反馈，对于产品设计优化、产品性能完善，减少生产过程中产品反复，提高产品质量等有着重要意义。

本文重点研究了虚拟装配技术在机械装调工艺中应用所涉及到的几个关键技术，即装配建模、装配工艺规划（爆炸视图）、CAD系统之间的数据转换、爆炸视图在 CAPP工艺文件中的实际应用，以及装配动画的编辑、输出，并给出相应解决方案，但三维虚拟装配技术在工艺中的应用和完善是一个循序渐进的过程，还需要在实践中不断地摸索，进行理论上的研究和应用上的创新。

虚拟现实机械设计应用 篇7

在我国的城市化进程中, 起重机械作为典型的工程机械, 被广泛应用在建筑、制造、运输等各行各业中, 在各个建筑工地、机械工厂、沿海码头等场所, 起重机械随处可见。随着起重机械使用范围的扩大, 使用安全问题也逐渐显现出来, 因此, 增加与起重机械有关的实验来提高其作业过程中的安全性, 现已成为了相关领域的重要课题。然而, 受起重机械结构庞大影响, 进行相关实验时难免遭遇场地限制、成本过高等问题, 导致了目前国内外关于起重机械真实场景的实验较少, 使得实际作业中可借鉴的数据与经验较少, 故事时有发生。

欲解决上述起重机械实际测验限制因素多、难以实行的问题, 通过搭建仿真实验平台的方法来进行起重机械的虚拟仿真实验, 是一条可行途径。现阶段, 与此相关的研究大多围绕仿真实验系统的原理, 很少对起重机械仿真实验平台的设计过程和技术进行研究。

综上, 为搭建起重机械作业的虚拟仿真实验平台, 文章从虚拟现实技术的应用入手, 进行起重机械仿真实验平台的设计, 同时选取平头塔吊作为典型的起重机械进行建模, 设计虚拟实验场景。基于虚拟现实技术的仿真实验不仅降低了生产成本、技术评测成本等, 还大幅降低了能耗, 符合可持续发展的现代化发展战略。因此, 虚拟现实技术在起重机械等工程领域的应用将使实验更加方便易操作, 同时为其他工程机械的虚拟仿真实验提供了参考, 具有重要研究价值。

1 起重机械与虚拟现实技术

1.1 起重机械

起重机械在国民经济的各个行业中起到了非常关键的作用。它被广泛应用于土木建筑, 物料运输、装卸, 机械设备安装等领域中[1]。起重机械分为:桥式起重机、门式起重机、塔式起重机、流动式起重机、门座式起重机、升降机、缆索式起重机、桅杆式起重机、机械式停车设备 (资料来源于国家质检总局颁布的《特种设备目录》) 。其中, 塔式起重机作为典型的起重机械, 目前被广泛应用建筑行业等领域。对于塔式起重机的虚拟操作系统的研究目前主要集中在视景仿真系统、考核与管理系统、数据采集系统、故障再现系统等领域, 但大多属于起步阶段, 开发的平台存在沉浸感不足、渲染效果不好、交互性不强的缺点[2]。

1.2 虚拟现实技术

虚拟现实技术 (VR) 是二十世纪末兴起的一门前沿的综合性信息技术, 它综合了系统仿真、通信、计算机图形学等技术, 提供给用户一个身临其境的、具有完善交互能力的三维虚拟环境, 使用户能够通过直观、自然的感知交互手段, 与这个虚拟的环境进行对话和交互, 从而使用户与虚拟世界融为一体。

目前, 虚拟现实技术的应用领域非常广阔, 已经被应用到工程建模与仿真、航空航天、科学计算可视化、设计与规划、教育、医学、军事、艺术与游戏娱乐等多个方面[3]。将虚拟现实技术应用在工程建模和仿真中, 除能减少工程设计过程中的重复工作外, 还可以提高工程设计、生产等过程的可视化程度, 使用户可以真正参与到虚拟场景中[4]。

2 起重机械作业场景虚拟仿真实验平台的搭建

基于如上所说的虚拟现实技术在起重机械仿真实验中的应用优势, 下面将详细阐述搭建起重机械作业场景仿真实验平台的具体方法。

2.1 选取合适的起重机械原型进行试验设计

该研究选取了平头塔吊作为实验平台设计原型来进行开发, 一是由于塔吊在建筑领域起重机械中的应用相对比较广泛, 较为典型;二是因为塔吊操作相对简单, 而应激情况发生却较多, 使得实验实施和可行性验证更加简单有效, 因此非常适合用作设计原型。

以塔吊作为起重机械的原型进行项目开发, 首先需要根据塔吊的机械结构制作塔吊的三维模型。以驾驶人员主要工作场所的塔吊室为例, 在其三维建模过程中模型要求满足实际机械结构的运行原理和执行特点, 除需要具有完整、专业的建模、装配、机构模块外, 还需顺利的导出为虚拟现实软件使用;而操作场景再现也要同时对环境、任务所需的场景进行建模。

因此, 在仅针对机械设计的虚拟现实软件无法满足需求的情况下, 为了实现更好的交互性和沉浸性, 本项目中采用了unity3D作为虚拟现实软件。在研究前期三维场景的构建过程中, 需用Solidworks设计出驾驶室虚拟模型, 并将建好的模型以面片的形式导入到Unity 3D软件场景中以便后期更方便地搭建虚拟实验平台。

在将模型导入到Unity 3D场景的方法选择上, 文章采用了3DS MAX软件作为中间过渡, 其优势在于从Solidworks导入到3DS MAX的过程中, 装配体零件之间的装配位置依旧保持, 无须重新定位, 而且最终不会出现太多的失真和不兼容现象。具体设计方案如下:

(1) 选取型号为STT153的塔式起重机作为仿真原型进行设计。首先根据实验要求, 在保证仿真效果的前提下将STT153型平头塔吊进行简化设计分解。经过各方案的比较, 最终决定将塔体分为驾驶室、塔身、塔臂、吊钩和载重小车五个部分。

(2) 对每个部分分别进行数据采集。具体包括驾驶室部分的数据采集, 采用实体参观方式参观测量STT153型塔吊的驾驶室, 并对驾驶室内的关键数据进行采集和整理;其余部分, 通过查阅STT153型平头塔吊的主要参数和零部件CAD图纸取得所需的关键数据。

(3) 整理数据后选取相应软件对各部分进行建模。使用Solidworks软件对驾驶室部分建模, 选取Pro/E对塔身、塔臂等其余部分的设计进行建模。建模后通过采用3DS MAX软件进行格式转换作为过渡, 顺利导入Unity3D引擎进行交互场景的设计和完善。

选取合适的起重机械原型以及制定方案后, 下面将详细介绍建模及场景设计方法。

2.2 塔吊建模及作业场景设计

2.2.1 选取Solidworks软件进行塔吊驾驶室的建模

Solidworks软件具有功能强大、组件丰富、易学易用等优点。塔吊驾驶室部件较多, 且各部件间需要严格的配合度 (如图1所示) , 而Solidworks的功能恰好能满足相关要求。

(1) 对驾驶室的整体框架进行设计。利用Solidworks软件的零部件常用编辑工具, 可以实现驾驶室框架的建模。

(2) 座椅和操控台的设计。驾驶室内部主要部分为座椅和操控台, 座椅相对简单不作赘述, 设计难点和重点在于操控台的建模。为使仿真实验平台后续应用顺利, 操控台的设计须尽可能与实体相符, 且操控箱需采用可移动零部件装配, 以实现操纵杆的操作控制功能。座椅、操控箱、操控台底座、操控杆等一同作为子装配体。

(3) 驾驶室窗的设计。驾驶室窗尤其前窗的设计同样存在难点, 前窗作为与驾驶室框架分离的个体, 须精确计算其参数, 以保证设计完成后与驾驶室框架相贴合。此外, 前窗撑杆的设计须实现其气压杆的功能, 以便于窗体移动。

各部分设计完成后, 将各零部件、子装配体按要求装配完成, 即可得到塔吊驾驶室的仿真模型, 如图2所示。

2.2.2 选取Pro/E进行塔身、塔臂等的建模

对塔身、塔臂的建模首先参照STT153型平头塔吊的CAD图纸, 用Pro/E软件其主体单元和关键部位进行建模。塔身、塔臂多为结构重复的框架单元组成, 建模过程中只需考虑每个结构单元的设计。塔身部分套架的结构单元如图3所示。

2.2.3 选取3DS MAX对完成的仿真模型进行格式的转换

在完成塔吊驾驶室、塔身、塔臂、底座等部位的建模后, 须将模型导入虚拟现实引擎中, 对塔吊作业环境进行进一步设计, 以实现与用户的交互功能。

为解决Solidworks和Pro/E建立的仿真模型无法直接导入到选定好的Unity3D引擎中的问题, 采用3DS MAX软件作为中间过渡, 对塔吊虚拟模型进行格式上的转化以及材质优化、外观美化。3DS MAX软件的优点在于从Solidworks导入到3DS MAX的过程中装配体零件之间的装配位置依旧保持原样, 无须重新定位, 且失真和不兼容现象较少。

在3DS MAX中修改、优化后导出3DS或FBX格式的模型, 以完成导入虚拟现实引擎的准备工作。 (图4、图5)

2.2.4 在Unity 3D引擎中设计所需要的仿真实验平台场景

选取Unity 3D设计塔吊作业仿真实验场景不仅方便快捷, 且体验效果最佳。其优点包括“所见即所得”、编辑后立即运行、运行过程中可进行实时编辑、查看效果等, 能够为设计过程提供实时反馈, 从而得到更好的交互效果。同时Unity 3D更多地考虑交互对象的操作感受, 为实验平台的后期应用带来了更大的优势。

(1) 模型导入。首先, 将用3DS MAX进行格式转换、材质优化后的模型导入Unity 3D虚拟现实引擎, 用其功能实现塔吊作业场景的布局、渲染。 (图6、图7) (2) 作业现场实体环境渲染。导入塔吊模型后, 通过制作天空盒, 导入素材及相应材质的贴图等, 实现塔吊作业场景的设计。 (图8、图9) (3) 实现塔吊作业过程中的相应功能。在塔吊作业现场实体环境的渲染完成后, 将对塔吊实际作业中的功能 (如吊钩起吊物体, 塔臂旋转, 放置物体等) 进一步实现。通过选取Java Script和C#对Unity 3D引擎进行脚本设计从而实现各部分功能。本实验平台的设计选用C#语言编写各部分功能的具体脚本, 因不是文章研究的重点, 故不作赘述。

3 总结

通过以上基于虚拟现实技术的塔吊作业场景虚拟仿真实验平台的搭建过程, 获得了起重机械仿真实验技术方法。为难以实现的起重机械作业场景的实验提供了可行性, 大幅度降低了实验成本。通过虚拟仿真实验对起重机械在实际作业中存在的隐患进行预先测试, 解决了在真实作业环境下进行实验风险过大、成本过高的问题, 同时为其他工程机械的仿真实验提供了理论参考与技术借鉴。

参考文献

[1]谢靖, 李晓宁, 郑祥盘.基于模拟载荷的起重机械电气控制系统仿真研究[J].电子设计工程, 2012 (03) .

[2]朱翠兰.塔式起重机视景仿真系统场景建模与驱动[J].山东建筑大学学报, 2012 (03) .

[3]Chien Chou, Chin-Chung Tsai, Hsiu-Fei Tsai, Developing a networked VRML learning system for health science education in Taiwan, International Journal of Educational Development[M], 21 (2001) 293-303.

虚拟现实机械设计应用 篇8

一、虚拟现实技术

虚拟现实技术 (Virtual Reality) 简称VR, 是20世纪80年代由美国VPL Research公司的奠基人加隆·兰聂尔 (Jaron Lanier) 提出来的, 是利用计算机技术构建三维立体化的数字实体, 并配以声、光、电技术营造虚拟的立体化环境, 人们可以畅游在虚拟的世界中, 并可以像真实世界一样, 对虚拟环境中的数字化实体进行操作和“交流”, 高度沉浸在虚拟环境中[1]。

钱学森建议把“Virtual Reality”译为“灵境”[2]。灵, 是指“神”, 灵境虚幻之所在, 所以也有人译为“幻真”、“临境”, 这是—种意译。虚拟现实技术主要包括模拟环境、感知、技能和传感设备等方面。模拟环境是虚拟现实的基础和关键, 是由计算机构建的实时动态的三维立体逼真图像[3]。感知是指VR应该具有一切人所具有的感知。除计算机技术所生成的视觉感知外, 还有听觉、触觉、运动等感知, 甚至还包括嗅觉和味觉等。技能是指三维实体能够完成真实实体所能完成的运动和操作, 由计算机来处理参与的动作相适应的数据, 并对用户的输入作出反应, 并分别反馈到用户的五官[4]。传感设备是指交互设备。常用的有立体头盔、数据手套、三坐标数据等穿戴于用户身上的装置和设置于环境中的传感装置, 如摄像机、地板压力传感等。

虚拟现实系统基本类型有:沉浸型虚拟现实系统, 简易型虚拟现实系统, 共享型虚拟现实体统[5]。由于沉浸型虚拟现实系统设备昂贵, 地点受限, 所以我们选用简易型虚拟现实系统和共享型虚拟现实系统构建我们的虚拟现实教学环境。

二、虚拟现实教学资源的建构

计算机多媒体技术、网络技术的发展为虚拟现实教育的开展提供了技术工具和手段, 通过虚拟现实技术与传统教育教学方法的结合, 极大地充实了矿山机械的教学内容、教学手段, 拓展了教学空间和资源, 为学生提供了生动、逼真的学习环境。教学中学生成为虚拟环境的参与者, 在虚拟环境中扮演角色, 激发了学生的学习兴趣, 培养了学生的技能, 提高了教学质量。

(一) 虚拟现实的矿机产品数字化模型的构建

瑞士的建构主义者杰·皮盖特 (J.piaget) 认为, 人的认知是内因和外因相互作用的结果, 是人在与周围环境相互作用的过程中, 通过逐步建构起关于外部世界的知识, 从而使自身认知结构得到发展[6]。认知过程是教与学的相互交融;为立体、真实地反映矿机产品的机械结构和运动, 营造虚拟现实的互动教学环境, 我们应用Pro/E、Solidwords、UG、3Dmax以及Flash等软件, 按照矿机产品的实际尺寸构建矿机产品的零部件, 并依据各零部件间的装配关系, 设置各零部件的约束条件和连接关系, 进行矿机产品的虚拟装配, 并检查各零部件间的干涉情况, 修改、优化各零部件结构尺寸, 为各零部件增加运动约束和驱动电机, 设置运动速度和运动时间, 最后导出三维矿机产品的三维实体运动学仿真动画。

通过三维软件, 我们构建了采煤机、刮板输送机、皮带运输机、液力耦合器、水泵等矿机产品的三维模型。在教学中, 我们依据认知规律合理安排教学内容, 动态地进行相关机械产品零部件的展示, 现场动态生成相关零部件的工程图纸, 动态剖分矿山机械各零部件, 翔实地展现机械零件的内部结构, 并可根据授课需要进行相关零部件的现场虚拟装配、虚拟加工、虚拟运动学仿真, 构建虚拟矿机产品的设计、生产工况, 让学生可操作虚拟情景中的矿机, 沉浸于虚拟的生产、工作情景中, 轻松掌握知识和技能。

(二) 虚拟现实机械产品实际工况录像的制作

为营造实际的矿机产品加工工作场景, 真实展现矿机产品在矿区的实际应用情况, 让学生在课堂能够真正感受到现场的冲击, 我们利用假期、生产实习、毕业实习的机会, 摄制了采煤机、刮板输送机、刨煤机、掘进机、液压支架、矿车、提升机的实际工作生产录像。

通过声、光、电技术, 在课堂上再现矿机产品实际生产使用工况, 立体地展现产品的结构及各部件的工作原理, 让学生融入课堂, “置身”于现场的工作中, 变过去被动填鸭式地接受知识为积极主动地去求知。同时, 教师可以利用虚拟现实的教学环境讲授产品生产、使用中的关键技术和相关的注意事项, 缩短学生从学校到现场工作的适应时间。

(三) 虚拟现实网络平台的构建

网络技术的发展让internet走进家庭和学生寝室, 让地球变成地球村, 真正实现了足不出户浏览天下, 网络技术也为矿山机械的教学提供了机遇和挑战, 我们采用Macromedia Dreamweaver MX为主要开发软件, 结合Firework MX, Flash MX及java, asp等脚本语言, 开发矿山机械教学网站, 网站后台利用微软的中小型数据库Access, 实现网页的静态及动态设计与管理工作。

在矿山机械教学网站搭建网络虚拟课堂, 开发专门高清视频系统, 上传教师的授课录像, 每个教师都是相关方向的专家, 学生可以在任何时间、任何地点, 无限制地选择授课内容, 弹性地学习矿山机械知识。虚拟网络课堂还备有教师的教案、各章习题解答、在线测试系统, 学生可以有选择地进行在线虚拟测试, 考试结果会同时通过前后台反馈给学生和教师, 教师可以依据学生答题情况, 了解学生对知识点的掌握, 动态地调整授课内容和知识体系。同时教学网站还设有与矿山机械学习相关的动画库、图片和参考书目, 并设立了创新园地, 学生可以在创新园地学习TRIZ原理, 培养创新思维和创新能力。为增加师生交流, 我们建立了矿机之家论坛, 让师生通过BBS进行交流, 学生也可以与全国的矿机研究者和专家进行虚拟现实的面对面的交流, 延长教学链, 为学生终生教育搭建平台。矿山机械多媒体网络课程获得了全国第八届多媒体课件大赛二等奖。

虚拟现实技术降低了教学成本, 构建起虚拟的矿机设计、生产、使用环境, 让学生融入课堂, 让枯燥的机械知识活跃起来, 激发学生的学习兴趣和求知热情, 同时虚拟现实的网络课堂改变了传统的教学时间和空间概念, 提高了学生学习的灵活性。通过5年的教学实践和对毕业生及用人单位的跟踪问卷调查 (发放问卷230份, 回收153份, 其中有效问卷148份) 可以看出, 虚拟现实技术在矿山机械教学中的应用, 使得课堂学生参与互动度由之前的15%提高到71.2%, 学生期末及格率由65%提高到100%, 毕业设计连续3年被学校评为“优秀”, 学生参与大学生科技立项和大学生创新大赛的人数由5%提高到38.7%。2007、2008、2009三年学生的毕业就业率均在97%以上, 用人单位对学生的满意度也提高到96%。虚拟现实技术很好地解决了矿山机械教学中的问题。作为一种全新的教育教学模式, 虚拟现实技术具有强大的教学优势和潜力, 必将带来教育方法和质量的革命, 必将具有更加广阔的应用领域和发展前景。

参考文献

[1]姜学智.国内外虚拟现实技术的研究现状[J].辽宁工程技术大学学报, 2004, (4) .

[2]司国海.基于虚拟现实技术井下作业培训系统的研究与实现[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学, 2003.

[3]恽如伟.虚拟现实的教学应用及简易虚拟学习环境设计[D].南京:南京师范大学, 2005.

[4]邵剑龙.虚拟现实技术在大学教育中的应用[J].昆明理工大学学报, 2000, (6) .

[5]宋卫卫.基于网络和虚拟现实的教学系统设计[J].济南大学学报:自然科学版, 2005, (12) .

虚拟现实机械设计应用 篇9

一、课程教学存在的问题

1. 过于注重理论知识

现在的教材编写大都按科学系统以理论教学内容为主。所以, 最终结果是学生专业知识掌握了不少, 却不知如何解决实际问题。

2. 课堂教学与实践脱节

传统的以课堂教学为主的教学组织形式和方法, 教师讲得很多很累, 学生感到 “听得好, 学不了”, 因此针对不同的内容教师须采取不同的方式组织教学, 在学生理性认识的基础上增加感性认识。

3. 应用能力差

如何提高学生的应用能力是机械专业教学关键中的关键, 而按照现在的教学组织方式, 这一目的很难达到。应用能力差这一问题在学生的课程设计和毕业设计中得到了最大化的体现。

二、解决方法

要想提高应用能力, 必须彻底改变老师讲, 学生听; 课上明白, 课下糊涂; 只读书本, 不知应用的状况。采用多种教学方法和手段, 使学生尽快地从理性认识过渡到感性认识, 是解决以上问题的根本。对此现在高校主要有以下做法。

1. 学校工厂

当前大多数高校都有自己的实习工厂, 但大部分实习工厂只承担专业认识教育及有关培训。其实习培训与实际生产相差较远, 不能完全反映工厂的情况。与此同时, 学校经费紧张, 而学生较多的矛盾突出, 更难以加强学生实践方面的锻炼。

2. 社会工厂

此种实习方式是西方国家普遍采用的。这种做法既需要国家有关政策鼓励, 又需要各个企业的大力支持, 单靠学校和学生个人很难实现。这除了商业利益外, 还有很多其他方面的原因, 短时间内很难解决。

3. 虚拟工厂

利用虚拟现实技术, 可以进行各种各样的技能训练, 使学生能够在虚拟的学习环境中扮演一个角色, 全身心地投入到学习环境中去。由于这些虚拟的训练系统无任何危险, 学生可以自主地反复练习试验, 直至掌握操作技能为止。因而在高校教学、实践、远程教育中有着巨大的应用前景。

三、虚拟工厂总体方案

根据虚拟现实技术的特点, 综合现有的技术书水平, 在目前高校实践教学中易采用桌面型虚拟现实, 将虚拟工厂分为四大模块: 角色、产品设计、产品加工制造和产品质量检测。其一般流程图如图所示。

受训者在进入该 “工厂” 时, 首先选择自己的角色, 即是普通职员还是老板, 是单个人参加还是与别人不合作。其中角色可以升级, 即由助理工程师升为工程师, 由工程师升为总工程师, 直到部门主管。作为老板主要训练企业管理能力。联机可以培养学生团队合作能力和精神。接下来就是培训项目。培训者可根据自己需要和兴趣选其一, 还可全选。

产品设计模块主要为设计方向学生准备的, 学生可通过设计自己的产品而建立自己的 “工厂”。此模块主要与机械设计、工程绘图、工程建模等课程相呼应。产品制造模块是 “工厂” 主要培训项目, 也与机械制造技术、机械制造装备设计等课程相对应。学生根据自己的产品制订加工工艺规程, 选择加工设备组织生产线, 然后进行产品加工操作, 同时对整个生产过程进行管理。最后通过产品质量控制检测模块, 对产品设计和加工质量进行评价, 同时对自己的整个培训过程做一个总体评价。若受训者自己不满意或系统认定不合格, 则可返回重新开始。在整个培训工程中系统会随时给出指导和评价, 以有利于受训者更好地学习和成长。

四、虚拟工厂的作用以及影响

1. 促进教学观念的变化

虚拟现实技术的应用, 首先要求教师改变教学观念, 充分应用新的技术平台, 实现教师由演示者向指导者、创新的帮助者的转换; 学生由模仿者向探求和创造者转换, 达到由培养经验型人才向培养创新型人才的转变。

2. 促进教学内容的变化

虚拟现实技术引入教学, 要求从培养学生创造能力和实践能力出发, 把现代教育技术与培养思路和目标融入教学之中, 从而不断完善实现培养目标的计划, 建立起较为系统的、适合创新人才培养的教学体系。

3. 促进教学方式的变化

虚拟现实营造了一种 “自主学习”的环境, 学生通过自身与信息、环境的相互作用来获得知识和技能, 使那些抽象、枯燥、难懂的学习内容以生动形象的形式表现出来, 激发了学生的兴趣, 增强了学习主动性, 同时大大提高了学生的理解能力和掌握能力。

4. 丰富学生工作经验

当前高校学生就业压力大, 用人单位在招聘时大都要求有工作经验。通过虚拟现实技术, 学生在虚拟 “工厂”内出入自如, 既锻炼了学生专业知识的应用能力, 又熟悉了工厂企业的运行管理情况。

5. 节省教育投资

虚拟现实技术使教学不再局限于有形的课堂和实验室中, 教学和动手操作实践的空间和时间得到无限的扩展, 通过互联网, 实现资源共享, 提高了学习的效率。

采用虚拟技术, 许多仪器或设备都是 “虚拟” 的, 其功能是由使用者参与定义的, 可根据发展需要重新 “生成”新的仪器设备, 以使之能跟上教学内容的不断更新。这样, 既减少了仪器设备经费的投入, 又解决了高校实践经费不足的问题。

参考文献

[1]吴荣华.机床课程教学的几点思考[J].机械职业教育, 1999, 6 (06) :22—23.

基于虚拟样机的机械设计方法探讨 篇10

关键词：虚拟样机,机械设计,方法

在过去, 机械设计需要在现场完成样机的试验。但是这样的设计方法的应用, 则使得机械设计需要耗费大量的资金和时间, 并且难以取得较好的设计效果。而采用虚拟样机技术, 则可以在设计阶段完成机械系统的特征分析, 继而使原本的设计问题在样机制造前得以解决。而这样一来, 则不仅可以节省大量的资金和时间, 还可以有效提高机械设计的效率。因此, 有关人员有必要对基于虚拟样机的机械设计方法进行研究, 以便更好的完成机械产品的设计。

1 机械系统的三维建模

在机械系统设计的过程中, 想要实现虚拟样机, 就需要建立机械系统的三维实体模型。就目前来看, 机械系统的三维建模主要需要解决两方面的问题, 即外形复杂的零件的建模和系统复杂约束关系的建立。而利用CAD软件, 则可以有效解决这些问题。就现阶段而言, 相对于二维CAD, 市面上主流的三维CAD软件可以更好的将产品的技术和生产管理信息表达出来。所以, 在完成机械系统的建模时, 可以使用三维CAD软件。

设计者在利用CAD软件建立机械系统各零部件的模型时, 可以利用变量化设计和实体造型技术。在模型建立后, 还需要利用约束副将各个零件的模型连接起来, 以便完成物体相对运动的定义。而在进行约束副的添加时, 则需要保证模型与实际情况向符合。具体来讲, 就是模型的结构细节、材质和密度等各部分内容都需要与实际产品一致, 从而确保建模的准确性[1]。在大多数CAD软件中, 都包含运动/运动学插件功能。而利用这一功能, 则可以将装配关系映射到约束关系上, 继而完成机械运动的模拟。此外, 完成系统的装配后, 还需要将模型导入到分析软件中。而经过分析, 则需要为模型添加驱动力, 并使模型按照固定的运动规律运动。

2 机械系统的有限元分析

所谓的有限元法, 其实是一种用来分析结构件的结构强度和动态特性的现代设计方法。在机械设计中, 有限元法得到了广泛的使用。因为, 该方法具有一定的通用性, 可以在较为随意的力学问题中得到应用。作为较为可靠的计算方法, 利用有限元法可以求解机械结构形状和边界条件。所以, 对于虚拟样机来讲, 有限元法是不可或缺的一种工具。

3 机械系统的动力学仿真和静力学计算

在完成机械系统建模后, 可以采用动力学仿真的方法替代物理样机实验试验。具体来讲, 就是在计算机环境下实现物理样机动作实验和数据采集。而在这一过程中, 三维模型和驱动参数与实际产品的接近程度, 将直接决定仿真的准确性。而应用动力学仿真的方法, 就是为完成驱动系统功率、输出扭矩的计算, 并做好传动系统的选型。此外, 利用这一方法, 还可以完成驱动控制系统的设计, 并对结构的强度和部件的运动惯性力进行计算和校核[2]。在建立仿真模型时, 需要利用ADAMS完成系统的动力学计算。而经过对系统各部件的惯量和重心的设计过程进行校验, 则可以确保产品的一致性。

在机械设计中, 静力学计算与动力学仿真往往会一起得到应用。因为, 利用动力学分析得到的机械系统各部件的受力数据, 可以用来当做是静力学计算的可施加荷载。而利用静力学计算, 可以完成对机械系统的复杂结构的分析, 以便提升系统计算的精确性。同时, 在强度校验和结构优化方面, 静力学计算也可以提供相应的分析依据, 继而完成对无法实测的物理样机的分析。就目前来看, 可以利用静力学计算完成对机械系统各部分零件的应力分布的计算, 同时也可以计算部件的受力变形和结构的稳定性。而静力学计算的精度, 则主要取决于计算模型的前期处理、边界条件的定义和材料属性的设定。所以, 在建立静力学计算模型时, 需要从软件计算的角度分析。具体来讲, 就是使模型得到合理的简化, 并使模型的求解更加准确和高效[3]。在计算机械系统的各部件时, 需要掌握部件的各连接点的受力情况。而在完成系统整体的计算时, 则只需要考虑系统的整体惯性力, 而不需要分析各部件之间的受力情况。

4 机械系统和控制系统的联合设计

在过去的一段时间里, 设计者常常要分别完成机械系统和控制系统的设计和测试。而由于两个系统之间彼此独立, 所以在二者联合后将难以获得预期的设计效果。就目前来看, 可以采用机构控制一体化虚拟样机技术完成控制系统和机械系统的联合设计, 以便获得更好的设计效果。从设计思路角度来看, 联合仿真设计就是利用运动/动力学仿真软件建立与机械系统设计相应的控制目标的三维实体模型、动力学模型和动画。而在此基础上, 则需要获得相应的控制算法和电机模型。就现阶段而言, 可以利用控制系统仿真软件建立这样的算法和模型。而在运动/动力学仿真软件接收到来自于控制系统仿真软件的控制指令时, 则需要反馈给前者各种物理量, 既来自于虚拟位置传感器的实时数据[4]。所以, 设计者通过建立闭环控制系统和机械运动仿真解决方案, 就可以解决系统的联合设计问题。

5 机械设计的优化分析

在机械设计中, 设计者在完成基本的设计工作后, 往往还需要采用一定的方法来完成设计的优化。就目前来看, 常见的机械设计优化问题即为目标函数的最大值求取问题。在设计条件和控制变量的变化范围得以满足的情况下, 设计者可以通过分析函数和选择设计变量来完成机械设计的优化。而利用计算机的强大计算功能, 以改变设计变量迭代求解的方法完成机械设计的仿真, 则可以完成目标函数的最优值的求取。具体来讲, 就是在每次仿真中只改变模型的一个设计变量。而通过观察仿真的结果, 则可以得出设定物理量的最优解。

6 结论

总而言之, 基于虚拟样机的机械设计方法的应用, 可以帮助设计人员在短时间内设计出性能优异的产品。利用该方法, 设计者可以在虚拟环境中直观形象的完成产品的设计优化和性能测试。而参考虚拟环境给出的计算结果, 设计者就可以利用自身的设计经验完成机械系统的设计, 继而有效提高系统的设计质量, 并减少系统的设计错误。

参考文献

[1]郑金虎.基于虚拟样机技术的汽车变速器结构设计方法研究[D].上海工程技术大学, 2014.

[2]罗纲.基于UGNX2的机械设计虚拟样机技术的解决方案[J].成都纺织高等专科学校学报, 2010.

[3]孟祥辉, 鲁刚.基于虚拟样机的机械件消耗规律确定方法[J].兵工自动化, 2015.