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虚拟样机技术综述王 侃1,杨秀梅2(北方工业大学机电工程学院,北京100041)摘 要:从市场经济的角度论述了虚拟样机技术产生的背景,分析了虚拟样机技术相对于传统设计方法所具有的无可比拟的优点;阐述了虚拟样机技术的内涵和研究现状,并且对虚拟样机技术的应用做了大量研究;最后,从其发展历程角度出发剖析了虚拟样机技术发展的限制因素和发展方向。
关键词:虚拟样机技术;设计方法;运动学和动力学分析;物理样机中图分类号:TP 391.9 文献标志码:A 虚拟样机技术(Virt ual Prototyping Technolo 2gy ,简称V P T )是一种全新的机械设计方法,作为一项计算机辅助工程(CA E )技术于上个世纪80年代随着计算机技术的发展而出现,在90年代特别是进入21世纪以后得到了迅速发展和广泛应用。
在这里,虚拟样机是针对于物理样机而言,而虚拟样机技术则是针对于传统的设计方法而言。
我们知道,对一个机械系统的研究可分为静力学、运动学和动力学3种类型,而虚拟样机技术主要进行的是机械系统运动学和动力学分析,因此也被称之为机械系统动态仿真技术。
虚拟样机技术究竟产生于怎样的一个环境,又是如何从众多的设计方法中脱颖而出的呢?1 虚拟样机技术的产生背景传统机械设计方法的设计流程如图1所示。
图1 传统的机械设计流程从传统的设计过程来看,一个新产品的设计需经方案论证、概念设计(加之经验设计)之后进行产品的细节设计,为了验证设计的正确性以及功能实现与否,往往需要制造物理样机进行性能测试。
如果测试结果满意则投入生产,反之,则将对设计内容进行修改,再次制造物理样机测试,直至测试结果满意为止。
在大多数情况下,样机的试制并不是一两次就能达到设计要求的,往往需要经过多次反复。
因此,传统的设计方法存在很多弊端。
1)物理样机的生产制造需要大量的时间和费用,所以设计成本高、周期长;2)在某些情况下,物理样机的试验是破坏性的,甚至非常危险,比如飞行员的安全性试验和汽车的碰撞试验等;3)传统的设计过程大都采用传统的计算方法,计算速度慢、精度低,难以进行多种方案的分析对比。
虚拟产品开发与虚拟样机技术摘要：虚拟产品开发与虚拟样机技术是现代产品设计和制造领域中的一种新型技术。
通过虚拟样机技术可以预先展示产品设计效果、验证产品设计的合理性、评估产品制造的可行性，从而加速产品开发流程，降低产品研发成本，提高产品质量和市场竞争力。
本文将对虚拟产品开发与虚拟样机技术的概念、发展历程、技术特点及应用进行详细介绍和分析，探讨虚拟样机技术在产品研发中的优势和局限性，并展望虚拟样机技术在将来的发展前景。
关键词：虚拟产品开发；虚拟样机技术；产品设计；制造领域；研发成本；市场竞争力；发展前景正文：一、虚拟产品开发与虚拟样机技术的概念虚拟产品开发是利用计算机等现代信息技术手段，对产品的设计、制造和检验等全过程进行模拟计算和虚拟仿真，以达到快速、高效、精准地实现产品开发的目的。
虚拟样机技术是指在产品设计和制造过程中，利用计算机和虚拟现实技术，对产品的形态、结构、性能等方面进行虚拟仿真，以确定产品的形态、性能、制造工艺等基本技术参数。
二、虚拟产品开发与虚拟样机技术的发展历程虚拟产品开发和虚拟样机技术的发展可以追溯到上世纪60年代。
20世纪70年代中期，由于计算机技术的发展和CAD技术的日益成熟，虚拟产品开发开始萌芽。
20世纪90年代，随着虚拟现实技术的应用和虚拟样机技术的引入，虚拟产品开发和虚拟样机技术在航天、汽车、机械制造等行业中得到广泛应用。
21世纪以来，随着计算机性能和网络技术的快速提高，并且由于竞争的激烈，产品研发过程的周期迅速缩短，虚拟产品开发和虚拟样机技术开始向各行业全面渗透。
三、虚拟产品开发与虚拟样机技术的技术特点虚拟产品开发和虚拟样机技术的技术特点有以下几个方面：1.模型设计自由灵活：虚拟样机技术可以对产品模型的形态、结构、性能等参数进行精准、灵活设计，大大节省了试制费用和试制时间。
2.高保真度：虚拟样机技术的仿真结果可以做到高保真度，并且可以对产品性能指标进行精准评估和仿真。
虚拟样机技术的应用机械制造业作为我国的传统工业，是我国工业发展的重要组成部分。
伴随着社会经济的腾飞发展，行业内部的竞争日益激烈。
新产品的开发设计技术作为竞争的核心内容，虚拟样机技术的产生，推动了新产品设计开发的速度，同时降低了设计成本，缩短了设计周期，提高了产品的市场竞争力[1]。
标签：虚拟样机技术；仿真；发展1 虚拟样机技术概述虚拟样机技术是一种新产品设计技术，设计师可以利用CAD/CAE以及二次开发软件在计算机上建立产品机械系统的三维实体模型和力学模型，利用有限元分析、边界元分析、matlab以及C语言等软件程序的综合应用模拟分析在真实环境下对机械产品进行运动学、动力学分析。
为物理样机提供有力的参数依据。
借助于这项技术，它能够反映新产品的各项特性，包括外观、功能以及运动学和动力学特性[1]。
虚拟样机技术对制造业产生了巨大冲击。
2 虚拟样机技术的发展现状虚拟样机技术起源于上世纪80年代，最早应用在军事、航天部门[3]。
近年来，虚拟样机技术被应用到更广泛的领域，如汽车制造、飞机制造、印刷机制造、农业机械制造等。
美国、日本等国家先后在汽车、飞机、数字化机车、火星探测器、反铲装载机以及虚拟厨房设备系统中采用虚拟样机技术优化系统结构，成功的缩短了研发周期。
[1]在我国，辽宁工程技术大学、武汉理工大学、西北机电研究所、等在采煤机、掘进机和刨煤机的刚柔耦合模型、船用起重机、发射药协调器等的设计研发中运用了虚拟样机技术[4]。
虚拟样机技术在我国起步较晚，关键技术还在进一步拓展阶段3 虚拟样机技术的特点利用传统的设计方法设计新产品，首先要确立设计方案、分析机构原理，绘制机构原理图以及所有零件的零件图和总装图，确定加工技术和方案，制造物理样机进行运行试验，通过暴漏出的缺陷与弊端，提出改进方案，重新设计并制造物理样机，再试运行。
整个过程持续时间长，任务繁重，成本高。
虚拟样机技术在制造物理样机之前，通过模型的仿真分析，在计算机虚拟环境下模拟产品运行的真实环境，观察机构各部分的运动，通过数字和图表显示系统缺陷，在虚拟样机三维模型中修改参数即可完成系统优化[2]。
虚拟样机技术概述1.1.行业背景多年来，制造业完全依赖于物理样机来解决和交流设计过程中的问题，这就使得制造成本增加和产品设计时间的延长（见表1）。
然而，近年来，制造业者已经认识到物理样机在快速抢占市场上已严重阻碍了其发展，成为发展过程中的一个重要障碍。
为了突破这个障碍，很多制造业者（如Boeing ,GM, Caterpillar ,Ford等）开始研究使用虚拟样机，而减少对物理样机的依赖。
他们并不完全排除物理样机，只是减少物理样机的数量，用虚拟样机的灵活性去完成物理样机不能完成的功能。
例如，90年代Boeing公司用虚拟样机技术用在波音777上取得了极大的成功，他们仅用一个较小的物理机头模型就在四年内把这种飞机推向市场(Boswell, 1998)。
Caterpillar公司也同样利用这个技术应用于他们的履带机设计，他们发现这种技术在解决设计评审阶段节省了9个月时间(Ellis, 1996)。
表1 物理样机成本虚拟样机的成功有两项关键技术，第一，实时的3D图形特性和位图质量要达到一定的标准，要求硬件产生的高质量位图包括150，000到250，000个三角形的数据。
另外，这些位图刷新速度要达到交互速度的要求。
第二，投影和其它显示技术的发展使得高清晰度的立体图像能被建立。
结合这两项技术，虚拟样机赢得了一些评论家的关注。
现在，这种技术也面临着有激烈地争议，但虚拟样机的高成长性和广泛应用已成为事实。
物理样机被用于解决贯穿整个生产过程的问题。
通常情况下，一些独特的模型对解决某些关键的问题是必须的。
表2列出一些通过样机解决的问题和关心的主要问题。
下面给出虚拟样机技术在工业中的三个具体应用层面：1．建立可信的图像2．产品设计与制造过程的集成（DFM）3．虚拟样机和现有测量工具的结合表2 原型问题1.2.虚拟样机的关键技术1.2.1.建立可信赖的1：1产品虚拟原型建立可信的图像是一个核心要求。
目前，绘图师和设计师都用不同的射线跟踪包（沿物理样机）去形成高真实的图像或动画电影。
这些工具对于交流是非常有用的，他们也能描述必需的经验上的碰撞。
当你在墙上看到这些图像时，你就会想象你正经历着这个产品，或正在看它漂亮的图片。
这种预先渲染的技术限制了通常物理样机所提供的探测和交互的种类。
例如，你不能进入图像的内部和感受到聚集在你周围的场景。
这种情况下，具有现实性的图像并没有充分的理由代替物理样机。
既然这样，使用这种技术生成的虚拟样机的应用的可信度就会大打折扣，因为它们限制了探测场景的比例和现场的沉浸感。
当计算机可视化的价值得到工业界的普遍认可时，具有“沉浸感”的虚拟样机还是被许多专家持怀疑和观望态度。
但当它呈现出高可信度的图像和虚拟样机时，这种怀疑的态度就会消失。
虚拟样机的展示，的确给观察者一种与物理样机同处一室的感觉，这时，观察者就会认为他看到的虚拟样机是真实的。
建立1：1的模型或虚拟样机可带来很多好处，比如由1：1的比例显示所带来的真实可信度。
从一个设计师的角度来看，要树立对产品的可信度，要求准确的描述产品的外形，而且虚拟样机必须支持分析和交互技术，以便进行外形检查。
在这种情况下，建立高真实度的图像是必须的，而且要求图像的建立足够快，就像虚幻的物理样机立即呈现在观者的眼前（或其周围）一样。
如果这个幻觉足够强烈，可信度就会增强，虚拟样机就会变成物理样机的合理替代者。
图1是Fakespace 公司在可视化实验室中形成的与汽车大小一样的虚拟样机演示仿真,汽车模拟从屏幕中驶出（观者戴有立体眼镜）。
图1：虚拟仿真实验室使用1：1的人体比例，主要在于创建与真实实物一样大小的模型及其知觉效果。
例如，用模拟人观察一个1：1的工厂模型，假如模拟人正穿行于与1：1的工厂的模型当中, 如果模拟人头顶的管道太低，那么你在花费数百万制造设备以前就会发现这种缺陷。
1：1的比例或与人体比例大小的实物模型能解决一些设计过程中与比例有关的复杂问题。
如果你不能保证观察者能看到1：1的实物模型，任意比例的虚拟模型肯定会产生设计精确性的问题。
我们建立的虚拟物比例越是靠近实物，我们评估和解决比例问题的技术含量就越高。
在设计中这样做的越早，我们取胜的把握性就越大。
搭建1：1的比例及具有现场沉浸感的虚拟样机演示环境的基本要求如下：●从地板到天花板之间的显示（中间墙壁对模型的产生可能是一个障碍）●跟踪观察点（对自然的分界点）●背面投影（允许用户在屏幕前行走）●高逼真的立体显示（对虚拟来说是最重要的）今天，大尺寸显示和立体投影技术为增强真实感和现场沉浸感提供了最好的方法。
1.2.2.虚拟样机的性能评估目前, 虚拟样机已成为一个有效的工具，它已成为设计部门评估和交流设计的必要工具。
大尺寸显示格式的好处之一就是，允许人能模拟在屏幕中行走和与屏幕交流问题。
在背面投影环境中，群体就很容易地参与进来。
图2显示的是“Powerwall”演示，它是Panoram公司的正式评审场景, 这幅图片是文档、3D模型和2D图像结合生成的一个虚拟样机演播环境。
图 2 正式的设计评审使用物理样机的用户可以通过嗅觉、视觉、甚至声音与他们的设计相互交流。
但这种技术提供有限的触觉和3D声音仿真，从而限制了其解决方案的提出。
目前，大多数的VR设备的应用还集中在视觉上。
大尺寸显示在获取设计的实在性上具有非常重要的作用，草图，图像，渲染的动画都包括了明确的设计叙述和设计概念。
如果我们能支持无缝的显示和所有设计信息的交互，那么虚拟样机就会表现出比物理样机更好的优越性。
对设计部门来说，正式的评审在沟通和在早期的设计概念形成阶段具有重要的作用。
在正式评审中，评估者按照预先演示的来自不同设计方面的不同的因素一步一步的指导观众。
这些演示可能包括不同的设计概念草图，渲染的位图，动画电影或3D模型（见图2）。
非正式的评审比正式的评审要普遍。
设计小组集中讨论设计方案，解决问题，探索不同的设计尺度，这在非正式的场所，也是一个有代表性的方式。
只需做少量的准备工作，就能在设计过程中自由的应用任意的设计方案，这是非常有价值的一种方式。
对虚拟样机的唯一挑战就是同时支持非正式的和正式的浏览。
另一方面，创建可管理的、可预见的演示过程也是必须的（像微软的PowerPoint）。
我们直接的解决方案是支持用户建立离线的自由连续和能预测的场景组成的演示，每一个场景都包括2D,3D视图、文档和电影等元素。
场景中所有的元素都是可交互的，包括不同的场景之间的链接，三维模型的交互动作等，并且要给用户提供方便的定义这些交互功能的手段，而不是通过编程来实现。
对非正式的评审，各种不同的沉浸式工具和人机界面都须公开，让用户能研究不同设计的各个方面。
另外，动态的连接虚拟样机和其它的设计工具, 可以使用户直接读取来自CAD的数据，虚拟样机也就会立即形象化、可视化。
1.2.3.沉浸式显示环境的建立沉浸式的环境能形成各种大小和形状，它需要使用不同的设备支持交互、跟踪和立体观察，也要用各种不同的通道、管道和主机配置的工作站来驱动。
因此虚拟样机必须灵活的支持各种变化。
建立投影的最有效的一种方法就是利用立体眼镜，这种方式的显示有主动或被动两种（主动就是你必须带特殊的有电池的眼镜，被动就是只要带简单的偏振眼镜）。
这两种眼镜都能使虚拟样机呈现并围绕在观者的周围。
这种技术对于通过投影把样机显示在观者的视野中是非常有效的。
为了使计算机能准确的产生立体图像，观察者眼睛的位置是首先需要确定的。
一般情况下，这个点应选择在屏幕的中心，一个合理的距离是人平均高度的位置，这就是“可接受的点”（见图3）。
当你移动这个点的时候（在任意位置），图像就会被歪曲和失去比例，同时有可能出现平直的线。
换句话说，你的眼睛不得不去适应计算机的这种思维机制，或者是图像就会被扭曲，而得到不正确的信息。
图3 立体现场解决这个问题的方法就是头部跟踪。
把传感器放置于用户戴的立体眼镜上。
这个立体眼镜能探测到用户头部位置和方位。
在数据帧呈现之前，传感器会传递最近的位置信息，然后，计算机就会生成基于新视点的图像。
平滑地移动观察者的观察点的是非常有效的， 观察者能自由的移动，在现场接近屏幕，体验周围的特征和对象， 观察者就不再被限制在一个固定的范围内了。
不过，头部跟踪需要很高的帧速率。
如果计算机生成的帧速率在每秒10帧以下，场景将会落后于人头的移动，从而引起不正常的扭动。
另一个重要的问题就是头部跟踪只限于一个人（要它产生多于一个的立体效果是非常困难的）。
其它的人能随观察者的移动看到不同程度的视图。
在演播中，头部跟踪和立体显示的开与关有很大的灵活性。
图4 4面有墙的投影屋 图4是GM 公司使用的CA VE 设备让观察者在8x8x8大小的四面有墙的房子里看到的完全沉浸式的虚拟样机。
Two 8 foot screensSweet spot ( 8 foot back )Areaof convincingviewing Where the virtualobject appears to be1.2.4.虚拟样机的交互虚拟样机本身不仅提供所有的交流设计意图所必须的可视化信息, 而且各种传统的介质因素必须同虚拟样机一起被显示。
层信息、位图和其它沉浸式显示的因素都能使评估人员建立合理的对产品的设计印象包括产品规格、标题、列举、注解及其它的信息，有图表，曲线图和各种表格。
大尺寸显示环境能对不同层次的讨论变得更有利，更适用，也在设计过程中起到一个普遍的作用。
1.2.5.虚拟样机人机界面的设计为了提供真实、有效、自然的界面，使人机界面简化，须排除技术上的限制和处理大量的显示配置。
另外一个目标就是这个界面对广大用户来说是易学易用的（特别是对从事技术的设计师），而且能快速的完成作图。
一般来说，能简单的选择目标并看到它, 这种界面可以在自然感官上增加娱乐性。
虚拟样机的人机界面设计规则：●无约束的帧速率变化●保留层次关系的转化●2D GUIs与3D GUIs的关联●基于时间的运动（而不是基于帧）●不受交互式设备影响的设计●在真实世界的运动中简化交互（如，碰撞，地型、重力等）●支持独立的立体显示●多种模式的反馈（声音和视觉）●可恢复（由于错误的操作）在人机界面的设计、图像的渲染和原始数据的结合中，沉浸式的环境表现出优越的性能，因此，在现代的制造业中，一直在极力推广虚拟样机的应用，把这种先进的生产技术推向更高的应用层次。
