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基于DAG场景图的产品虚拟样机系统及其关键技术的研究

郑晓曦  
【摘要】:在市场竞争日益激烈的情况下,如何提高产品开发速度、降低生产成本和及时将新产品投放市场是今天企业面临的一个重大挑战。新产品的样机试验是产品设计过程中不可逾越的关键环节,但物理样机(Physical Prototyping)的制作及试验是严重影响产品设计与制造周期和成本的关键问题之一。为了解决这个问题,考虑用虚拟样机(Virtual Prototyping)来仿真物理样机自然成为人们关注的焦点。 在综合分析比较国内外虚拟样机技术研究与应用现状的基础上,鉴于目前在计算机低端设备PC机上支持的虚拟样机系统研究不足,而这一市场的潜在需求强烈的状况,本文以微机作为硬件支撑平台,系统地对虚拟样机的建模理论、装配技术、仿真方法以及对已有零件几何实体建模系统集成等诸多方面的原理和方法进行了较全面深入的研究。其研究要点如下: 1) 提出基于微机平台的三层结构虚拟样机体系模型和基于信息集成的系统框架,解决人——产品交互的系统机制问题和产品设计过程中零件模型重用及不同阶段的信息交流问题。 2) 引入虚拟样机的定义,详细分析虚拟样机的功能特点和需求,提出一种基于有向无环图(Directed Acyclic Graph—DAG)的动态场景图模型用于虚拟样机数字产品模型的描述。该模型结构综合考虑了虚拟样机的整体功能需求,能动态组装和拆分节点,为虚拟样机的实时装配、拆分打下了良好基础。 3) 根据二维输入输出设备的特点,提出人——产品交互的思想,在不使用虚拟现实技术设备情况下,建立起人——产品交互机制,实现对虚拟样机拟实性操作。强调人在虚拟样机的构建和操作中的智能作用与直观控制能力,形成以人为中心的设计体系,并为触觉交互提供了技术基础。 4) 提出基于空间矢量运算原理的零件模型装配特征和几何特征的自动识别与提取算法,通过直观、形象的方式对零件模型直接操作,解决装配实时性和拟实性问题。 5) 提出一种新颖的基于空间矢量运算原理的从动件变换矩阵偏离角补偿的运动仿真算法。这种算法比较适合本文所提出的产品数据模型,实现容易,计算开销小,完全达到实时仿真的要求。 武汉理工大学博十学位论文 6)考虑到虚拟样机产品的装配、运动都必须满足精确性这一严格要求和碰 撞检测计算开销大的矛盾,提出一种分级检测逐步求精的干涉检测策略和基于 线面相交运算的关键点局部探针干涉检测算法。这些策略和算法既可满足装配 及运动干涉检测精度,又能减少计算开销。 7)建立在上述有关虚拟样机技术原理和方法的研究基础上,用面向对象编 程技术,在微机上独立自主开发出一个面向广大中小企业的虚拟样机原型系统。 从系统结构、技术方法、算法原理和数据结构处理等方面全面验证了本文研究 成果的可行性。该系统在不需要昂贵的虚拟现实技术设备支持的情况下,能卜 分方便地实现人—产品交互的拟实性数字样机实时装配、运动仿真。同时, 该系统的仿真方法也能扩展到虚拟现实技术设备的应用中。该系统的性价比高, 有很好的应用推广价值和前景。 关键词:虚拟样机,虚拟装配,运动仿真,干涉检测,人一产品交互,DAG 系统集成,场景图


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