虚拟设计的基本概念

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1、第 5 章 虚拟设计5.1 虚拟设计的基本概念科学技术的发展不断推动着设计的进步，日新月异的信息技术也深刻影响着设计的变 革。信息技术发展的深度决定着设计师可在多大程度上利用信息技术为设计服务。早期引入 计算机技术进行文档管理、二维图形处理，把设计师从枯燥无味的事务性工作中解放出来； 计算机软、硬件的升级换代使得设计师能够使用计算机进行三维建模、渲染表现，人们可以 从多个角度对产品进行审视。现在，信息技术的集成化、智能化发展使设计发生了全面、深 刻的变化， 设计进入了一个新的时代虚拟设计时代。 虚拟设计( Virtual Design ，简称 VD ) 代表了一种全新的制造体系和模式。虚拟设计

2、是以虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)技术为基础，以机械产品为对象的 设计手段，虚拟地制造产品，在计算机上对虚拟模型进行产品的设计、制造、测试。它是计 算机图形学、人工智能、计算机网络、信息处理、机械设计与制造等技术综合发展的产物。5.1.1 虚拟现实虚拟设计的技术基础为“虚拟现实” 。“虚拟现实”一词由美国 VPL 公司创建人拉尼尔(Jaron Lanier)在20世纪80年代初提出，是指综合利用计算机图形系统和各种显示、控制 等接口设备，生成可提供沉浸感觉和交互操作的三维环境技术。虚拟现实是种计算机界面 技术， 从本质上讲， 虚拟现实就是种先进的计算机用户接口， 它通过给

3、用户及时提供视觉、 听觉、触觉等各种客观而又自然的实时感知交互手段，最大限度地方便用户操作，从而减轻 用户的负担，提高整个系统的工作效率，体验比现实世界更加丰富的感受。简言之，虚拟现 实就是人与虚拟世界的交流。人的动作和情绪可以控制虚拟世界中的物体。反之，虚拟世界 中的物体也能使人产生真实的感觉，包括视觉、听觉、触觉等。虚拟现实经历了以下发展历程：(1) 1965年，在IFIP会议上，有VR “先锋”之称的计算机图形学的创始人Ivan Sutherland作了题为“ The Ultimate Display( 终极的显示 )”的报告，提出了一项富有挑战性的计算机图形 学研究课题。他首次提出了包

4、括具有交互图形显示、力反馈设备以及声音提示的虚拟现实系 统的基本思想，指出人们可以把显示屏当作一个窗口观察一个虚拟世界，使观察者有身临其 境的感觉。这一思想提出了虚拟现实概念的雏形。至此，人们正式开始了对虚拟现实系统的 研究探索历程。(2) 1966 年，美国 MIT 的林肯实验室正式开始了头盔式显示器的研制工作。在这第一 个头盔式显示器 (HMD) 的样机完成不久，研制者又把能模拟力量和触觉的力反馈装置加入到 这个系统中。(3) 1968年，Ivan Sutherland使用两个可以戴在眼睛上的阴极射线管(CRT)，研制出了第一台头盔式立体显示器 (HMD) ，并发表了题为“ A Head-

5、Mounted 3D Display ”的论文，对头 盔式三维显示装置的设计要求、 构造原理进行了深入的讨论， 并绘出了这种装置的设计原型， 成为三维立体显示技术的奠基性成果。(4) 1975 年， Myron Krueger 提出了“人工现实 (Artificial Reality) ”的思想，展示了称之 为 Video place 的“并非存在的概念化环境” 。(5) 20 世纪 80 年代，美国宇航局 (NASA) 及美国国防部组织了一系列有关虚拟现实技术 的研究，并取得了令人瞩目的研究成果，从而引起了人们对虚拟现实技术的广泛关注。(6) 1985年，Scott Fisher等研制了著名

6、的称之为 VIEW 的一种“数据手套(Data Glove)”, 这种柔性、轻质的手套装置可以测量手指关节的动作、手掌的弯曲以及手指间的分合，从而 可编程实现各种“手语” 。(7) 1986 年，第一套基于 HMD 数据手套的 VR 系统 VIEW 研制成功。这是世界上第一个较为完整的多用途、多感知的 VR 系统，它使用了头盔显示器、数据手套、语音识别与跟 踪等技术，并应用于空间技术、科学数据可视化、远程操作等领域，被公认为当初VR 技术的发源地。(8) 1990 年，在美国达拉斯召开的 SIGGRAPH 会议上，对 VR 技术进行了讨论，明确 提出了 VR 技术的主要内容是实时三维图形生成技

7、术，多传感交互技术，以及高分辨显示技 术。这为 VR 技术的发展确定了研究方向。(9) 20世纪 90年代以来，在“需求牵引”和“技术推动”下， VR 取得了突飞猛进的发展，并将技术成果成功地集成于些很有实用前景的应用系统中，如Apple 公司的人机接口实验组(ATG)建立一个基于实景的成像环境， 用户能在其中用 Quick Time数字视频数据交互， 用虚拟现实技术设计波音 777 获得成功，这是引起科技界瞩目的一项工作。几十年来，计算机辅助设计和制造技术取得了重大成功，虚拟现实则提供了一个通向虚 拟工程空间的途径。在虚拟工程空间中，我们可以设计、生产、检测、组装和测试各种模拟 物体。虚拟现

8、实技术广泛应用于航天发动机设计、 潜艇设计、建筑设计、 工业概念设计等领域。 1997年 5月福特公司宣布，其已成为第一个着眼于“地球村”概念，采用计算机虚拟设计装 配工艺的汽车厂商。使用“虚拟工厂”的战略目标是减少其生产中采用的90的实体模型，这一目标的实现为福特公司每年节省2 亿美元。据估计，使用“虚拟工厂”将在推出一辆新车的过程中， 至少减少 20的因生产原因修改最初设计的事件。 美国通用汽车公司利用虚拟 现实系统 CAVE(Computer-Assisted Virtual Environment) 来体验置于汽车之中的感受，其目标 是减少或消除人体模型，缩短开发周期。而以虚拟现实技术

9、为基础的虚拟设计是 20世纪 90年代发展起来的一个新的研究领域。 所谓虚拟设计就是利用“仿真”与“虚拟现实”技术，在高性能计算机及高速网络的支持下， 采用群组协同工作，通过模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的 问题，在计算机上实现产品制造的本质的设计过程。与传统的 CAD 软件相比， 虚拟设计有很大的优势。 CAD 软件基本上只起到 “电子图板” 的作用，在设计方面功能甚弱。而虚拟设计技术可考虑到受力、变形分析或与其它应用软件 的集成，其辅助设计功能大大增强，更有利于计算机辅助设计制造装配的集成。5.1.2 虚拟设计的特点虚拟设计具有以下特点。(1) 与真实相对的虚拟化

10、 虚拟设计最主要的特征就是虚拟化。虚拟设计集三维动态显示、仿真、实际工况模拟等 多媒体技术于一体，设计者感受视觉、听觉、触觉和嗅觉等多种信息，发挥其多种潜能，增 加设计的成功性。在科技用语中，把一个可能存在的特性理解为虚拟的，即它在一定的条件 下可能真实的出现。虚拟设计的各个环节都具有虚拟性的特点，它们也具有真实世界中一切 有价值的特性。虽然它们的存在某种程度上是虚假的，但人们却可以真实地感受到它们，以 一种双方都能够理解的交流方式进行沟通。当设计阶段的任务完成以后，这些虚拟的模型可 以通过一些设备（如快速成型）转化为真实的存在。虚拟是相对于真实而存在的，虚拟与真 实存在着相互转化的双向可能性

11、。（2）由信息技术所达成的集成化 集成化是虚拟设计的根基所在，没有技术设备的集成，就不会有虚拟设计的形成基础， 也就确立不了虚拟设计的基本原则。信息技术的发展把各个断续的、形不成联系的计算机辅 助过程集成为一体化的系统，把以前的单独的过程作为整体中的子系统，在各个子系统形成 可以共享的信息流。 这些信息适应不同子系统的数据标准 （或可以方便的转换） ，流通中的信 息内容也是一致的。这样一来，各个子系统之间互为支撑，它们获得其它子系统的信息时， 不会由于标准的差异遭到拒绝，也不用费时费力地对获得的信息进行复查。子系统间经常不 断的进行信息交流，也不断更新、丰富着整个系统的信息库。这不仅对于虚拟设

12、计有重要意 义，也是虚拟设计与虚拟产品开发其它阶段进行交流的依据。集成化从技术上保证了虚拟设 计的内外信息交流，有利于设计师不断地调整自己的航向。（3）人机交互的动态化虚拟设计是一个动态思维、操作的过程。运用多种交互手段（数据手套、声音、命令等 ）支持更多的设计行为 （建模、仿真、预测、评估等 ），设计师可以对虚拟模型进行修改，虚拟 模型也会马上做出相应的反应，设计师能够时刻看到自己修改的结果。这种人机互动的过程 有利于设计师充分表达自己的想法成熟的或者不成熟的，虚拟模型也因此而更加细致。 使用计算机建模可以方便地把虚拟摄像机摆在任何位置，既可以在人们惯常的视平线上，也 可以是真实世界中达不到

13、的位置。从这些视点上，人们可以看到习以为常的场景效果，也会 看到难以想象的画面。多媒体技术的发展使人们观察模型从静态转向动态，可以观看流畅的 模型动画， 而且多媒体技术还可以刺激人的其它感官系统。 人们不仅仅是对模型本身的赏析， 深入了解设计的创意，甚至还是对设计过程、生产过程的享受。（4）信息互动的数字化 虚拟设计的信息都是以数字信息方式存储的，数字化是虚拟设计形成信息流的关键。以 数字化为基础的虚拟设计数据具有相关性，每个子系统对数据的修改，马上就会影响到整个 虚拟设计过程，过程中每个与此有关的数据都会做出相应的反应。这种数据间的关联性，可 以使设计师很快知道自己的修改会对全局造成什么样的

14、影响。这与以前完全不同，那时还要 把图形重新描过，而且还不能保证相关的数据都因此发生了正确的变化。数字化的另一个好 处是可以方便地存储、调用，用不大的空间就可以记录下设计过程的整个历史。有了历史记 录，就有了积累，这使得设计可以在以往经验的基础上，根据设计过程的历史，做出符合要 求的调整，如 Pro/E 中 Model Tree 。良好的可修改性，保证了设计和开发产品的效率。虚拟技术提供的可视化，不只是一般几何型体的空间显示，而且也可对噪声、温变、力 变、磨损、振动等予以可视化，还可以把人的创新思维表达为可视化的虚拟实体，促进人的 创造灵感进一步升华。 因此，在虚拟状态下， 可以对产品生命周期

15、的全过程 （ 设计、加工制造、 装配、性能分析、 使用及回收等各个环节 ）进行可视化跟踪描述， 更加强调在物料未形成物理 模型，即产品加工之前，产品设计的高度可行性和可靠性，使在投入资金比例大的制造等后 续阶段的产品开发风险降到最低限度。克莱斯勒汽车公司为迅速推出新产品，应用了虚拟原型技术。该公司的工程师应用虚拟 环境实施一个名为克莱斯勒数据可视化 (CDV) 的项目。通过这个项目的实施，工程师可以检 查 Catia 软件所建模型的干涉情况，当找到零件发生互相干涉的地方，工程师可圈出该部位， 并加上批注，便于修改设计。其在 98 型汽车设计过程中，借助虚拟原型发现了1500多处零部件干涉，并在

16、制作第一个物理原型之前就进行了改正，避免了几百万美元的损失。目前，虚拟设计对传统设计方法的革命性影响已经逐渐显现出来。由于虚拟设计系统基 本上不消耗资源和能量，也不生产实际产品，而是产品的设计、开发与加工过程在计算机上 的实现，即完成产品的数字化过程。与传统的设计和制造相比较，虚拟设计具有高度集成、 快速成型、分布合作等特征，具体的优点如下：1) 虚拟设计继承了虚拟现实技术的所有特点；2) 虚拟设计继承了传统 CAD 设计的优点，便于利用原有成果；3) 具有仿真技术的可视化特点，便于改进和修正原有设计；4) 支持协同工作和异地设计，利于实现资源共享和优势互补，从而缩短产品开发周期；5) 便于利

17、用和补充各种先进技术，保持技术上的领先优势。5.1.3 虚拟设计的发展趋势(1) 全新的 VR CAD 系统 高交互、沉浸式、三维设计环境，可以进行诸如虚拟曲面造型，在三维空间中拖动曲面 的控制顶点； 虚拟雕塑造型，“虚拟手” 修改、 操纵三维物体的表面几何形状；虚拟实体造型 (概念设计 )，三维感知、三维操作和快速草绘三维形状。(2) 协同式虚拟设计沉浸式 (有利于真实现场感 )与半沉浸式 (有利于用户间交流 )协同虚拟设计， 有利于优化设 计。知识经济时代为我们革新设计思想和设计手段提供了契机，我们必须充分利用现代的、 高科技的创新设计手段和技术来改造传统的产品设计方法，提高设计效率和设计

18、质量，开发 出更多具有市场竞争能力的、拥有自主知识产权的产品。虚拟设计技术不仅在科技界，而且 在企业界引起了广泛关注，成为研究的热点。5.2 虚拟设计的关键技术虚拟设计的关键技术包括以下内容：(1) 全息产品的建模理论与方法。(2) 基于知识的设计 包括设计知识的获取、 表达与应用： 设计信息和知识的合理流向、 转换与控制；设计知识的融合、管理与共享；从设计过程数据中挖掘设计知识。(3) 设计过程的规划、集成与优化 包括设计活动的预规划和实时动态规划、设计活动 的并行运作以及设计过程的冲突管理与协商处理。(4) 虚拟环境中的人机互动工程学。(5) 虚拟环境与设计过程的相互联系。(6) 产生虚拟

19、环境的工具集 包括一般所需要的软件支撑系统以及能够接受各种高性能传感器信息，能生成立体的显示图形，能调用和互连各种数据库和5.2.1建模技术CAD软件的各种系统。(1)几何建模几何建模在广义上包括在计算机上处理几何对象的所有方法。几何建模的基础汇集了多 门学科，如拓扑学、解析几何学、微分几何学、投影几何学、数字数学法、集合论和矩阵代 数学等，从而形成理论和应用信息科学专业领域，如软件工程、数据结构和图论等。各种领 域的这种组合构成几何建模的基础。型分为线框模型、表面模型和实体模型三种形式。1)线框模型线框模型是表面模型与实体模型的基础，通过点元素和棱边元素定义并按层次排列成体一一 边一一点关系

20、，用物体的棱边或轮廓线(曲线、直线、圆弧)描述零件或产品的形状特征。识(a)线框建模(b)表面建模图5-1 三维建模(c)实体建模三维几何体 的基本兀素是点、 线、面和体。如图 5-1所示，根据基 本构型的复杂程度 不同，可将几何模别一个物体，是以其棱边的组合结构表示的。顶点与棱边一经确定，物体就被唯一地确定。 线框模型仅能描述物体的框架结构，而没有面的信息，故不能进行隐藏线面的消除，不能显 示物体的真实图像。2)表面模型 用一组表面表示物体的外形，将棱边有序连接而构成实体的表面结构。表 面模型由于增加了面与棱边的关系，所以在数据结构上比线框模型复杂，表面模型所定义的 表面实际上完全定义了物体

21、的边界，但是物体的实心部分在边界表面的哪一侧是不明显的。 表面模型比线框模型增加了更多的几何信息，可以实现图形的消隐，产生色调图，计算表面 积以及数控加工轨迹。但表面模型没有体的信息，因此，表面模型难以保证被描述实体的拓 扑一致性，不能完整描述产品的几何特征和物理特征。表面模型可以主要由表面特征确定，是曲面也可以是平面。 对于曲面是自由曲面的情况，表面模型就理解为曲面模型。曲面模型在数学表示上有一套完整的理论和方法。曲面模型强 调表面的性质，如光滑性、连续性、凸凹性。这里，表面模型主要是指曲面模型。图5-2说明了自由曲面是如何生成的。在表面模型的基础上可以构造复杂的、具有美观性的表面。除了用交

22、互的方式生成自由 表面以外，大多数三维表面建模系统都提供了生成标准表面的可能性，如平面、柱面、锥面、球面和环面。视系统的不同，这些表面可以利用解析法， 或者插补法，亦或是逼近法来计算。表面模型的最大缺点在于表面无法自动形成一个实体，无法区别面的哪一侧是体内还是 体外。在设计时，设计者必须自己注意生成一个无缝隙的封闭的模型，其截面也不能被系统 识别，原因是表面模型只给出了外形特征而缺乏实体信息。3)实体模型用基本体素构造物体，是表达和处理三维物体的一种完整表达模型。虽然控制点曲线两条曲线曲线和点 * 宀/ /输 入 的 数 据图5-2自由曲面建模方法实体模型表示仍以表面模型的表面作为边界，但从物

23、体本身的意义讲，物体是实心的。它的 内部在表面的哪一侧是确定的，由表面围成的区域内部为物体的空间区域。在数据结构上实 体模型要比表面模型复杂，它将表面模型的表面定义成有向面，从而定义体在面的哪一侧。 实体模型完整描述了物体的几何信息和拓扑信息。一个有效实体具有如下的性质： 刚件，即形状与位置及方向无； 有限性，即占有限空间； 封闭性，即集合运算与刚体运动不改变其有效实体的性质； 边界确定性； 维数一致性，即没有悬面和悬边。可见这些模型的区别在于建模基本元素和基本数据的维数以及在于隐式或显式描述拓扑关系的程度。建模几何基本元素的维数是应当区别于物体的维数和包围空间的维数的，它 是根据模型形式区别

24、的。不同的几何模型对应着不同的造型方法，例如曲面模型的造型方法 适合自由曲面类表面的处理，在曲面的数控加工中有着广泛的应用。实体模型的造型方法则 更适合于规则物体的处理。对于造型方法来说，主要是将各种模型的表示转换成计算机能够 处理的形式，同时加入输入及输出功能，以配合造型所需的数据信息的处理。(2)实体建模实体指的是在空间具有有限体积的物体，它既具有几何特性，如面积、形状和中心等，又有物理特性，如质量、重心等。实体模型一般可以表示实体的几何和物理特性，采用这种 模型，可以得到如 NC编程、有限元分析、虚拟装配等工程应用所需要的各种信息。三维实体建模也称体素建模，主要研究如何方便地定义简单的几

25、何形体(即体素)，以及如何经过适当的布尔集合运算构造出所需的复杂形体，并在图形设备上输出的方法。其核心 问题是采用什么方法来表示实体，应用较为广泛的方法有构造实体几何法(CSG)、边界表示法(B-rep)、扫描法。1) 构造实体几何法(CSG)将一简单的实体(又称为基本体素)进行一定的集合运算构成 所需设计的复杂物体。这些体素可以是形状简单的规则物体(如长方体、圆柱体等)，也可以是由半空间构成的，如正方体是由半空间x0, xw 1 ； y0, yw 1； z0, z 1经集合运算构成。利用这种方法实现实体建模的过程就是集合运算过程，这一过程可以形象地用一棵二叉树一一CSG树表示，CSG树定义了

26、物体的构成体素和构造方式，如图5-3所示。树中的非（a）构造方式（b）实体图5-3 CSG操作生成实体终端结点表示操 作，如移动，正则 化交、并、差运算； 树的叶结点表示参 与运算的基本体 素；树的根结点表 示集合运算的最终 结果。CSG树表示 法本身就是用来说 明实体的构造过 程，记录实体中所 含体素的全部定义 参数，必要时还可 以附加实体和体素的各种属性及特征的描述，但不反映物体的面、边、顶点等有关信息。2）边界表示法（B-rep）如图5-4所示，边界表示法通过描述物体的表面边界来表示一个物 体。一个物体的边界把物体分成物体的内部和外部，同时边界也构成了物体与周围环境之间 的界面。边界表示

27、包含了两类主要信息，一是几何信息一一物体几何元素的尺寸数据，它描SurfaceCurvePoint图5-4边界显示物体的层次结构述物体的大 小、位置、形 状等；二是拓 扑信息几何元素之间的 连接关系，构 成物体的“骨 架”。物体的边 界一旦定义， 就唯一地定义 了该物体。边界表示法的数据结构是一个层次结构，以体面边点的拓扑连接确定物体的形状。B-rep描述法强调实体的外表细节，详细记录构成实体的几何信息与拓扑信息，可以直接取 得实体的各个组成面、面的边界以及各个顶点的定义数据，有利于边和面的运算与操作。但 是，其数据量大，数据关系复杂，对几何特性的整体描述能力弱，不能反映实体的构造过程 和特点

28、，也不能记录实体组成元素的原始特性。3）扫描表示法将一个点、一段直线或曲线、一个平面沿空间一定路径运动而生成一个二维或三维形体。这种方法被认为是对某方向具有固定形状剖面的产品进行建模的实用而有效的方法。扫描法有两种基本的类型：旋转扫描法和平移扫描法。如图5-5所示，将图（a）沿z轴正方向扫描，生成图（b），将（a）绕x-x 轴旋转360 ,生成图（c ）。与线框建模、曲面建模等几种建模技术相比，实体建模的突出优点是计算机内真正存储了物体的三维几何与拓扑信息，这使物体体积、面积、重心、惯性矩等的自动计算，隐藏线、隐藏面的消除，有限元网格自动划分，物体截切及碰撞干涉检查,CAD / CAM 初步集

29、成,动画模拟，真实感图形 显示等成为可能，从而 使这一技术在 CAD / CAM模拟仿真、医学、 广告、计算机艺术等领 域获得了广泛的应用。(3) 参数建模 除去前面所描述的(a)(b)(c)图5-5扫描生成实体显式几何建模外，对于 许多设计任务要有目的地采用参数化建模。虚拟设计中最主要的任务在于设计要适应新的要 求。对现代设计系统的一个主要要求在于辅助变量设计和已有设计的可再使用性。用构造复 杂的模型辅助设计部件，为此部件必须要具有合适的描述形式，允许以各种表达方式进行设 计。参数化建模或参数化设计是虚拟设计的一个发展方向，它可以达到满足上述要求的目的,消除传统CAD系统的一系列缺陷。1)

30、参数化设计(Parametric Design)在生产设计中，设计人员经常遇到这样的情况，许多 零件(如标准零件)的形状具有相似性，仅尺寸的大小不同，或者一个新产品的设计是在一个 原有产品的基础上做一些小的改动，希望修改后马上产生新的模型。这样的要求在传统的几何模型基础上难以实现，一般只能重新建模。也就是说，传统的建模方法(线框建模、曲面建模、实体建模)只能建立固定的设计模型，不能够满足设计自动化的要求，模型一旦建立，修 改时则需更新建模，设计效率低。参数化设计是以规则或代数方程的形式定义尺寸间的约束关系，建立相应的推理和求解 驱动机制，把实体模型和曲面模型归于统一的系统，实施模型变换，并力图

31、形成统一的数据，以使几何造型、工艺规划生成参数化，使尺寸变化与工艺规程的改变、零件装配信息的改变、 加工编程的改变实现自动或部分自动化。参数化设计可直接面向工程应用，当模型修改或变形时，设计者可以分析修改某些数值 的参数(如长度、角度)的值，得到相应的几何模型，并保持原有模型中相互的约束关系不变， 从而实现动态修改产品几何模型的需要。2) 参数化设计的实现要实现参数化设计，必须先建立零件的参数化模型。所谓参数化模型，就是标有参数名的零件草图，由用户输人，并在屏幕上显示出来。一般情况下，模型 的结构(即拓扑信息)是不变的，各个参数值是可变的，通过改变参数可再生成同一结构不同尺寸的新模型。在某些情

32、况下，拓扑结构也可改变。目前较为成熟的参数化设计方法是基于约束的尺寸驱动方法和基于特征的参数化建模方 法。基于约束的尺寸驱动方法的基本原理是：对初始图形施加一定的约束(以尺寸进行约束或实体关系进行约束)，模型一但建好后，尺寸的修改立即会自动转变为模型的修改，即尺寸驱动模型(Dimension Driven Geometry)。如一个长方体，对其长 L、宽 W、高H赋予一定的尺 寸，它的大小就确定了。当改变L、W、H的值时，长方体的大小随之改变。这里，不但包含了尺寸的约束，而且包含了隐含的几何关系的约束，如相对的两个面互相平行，矩形的邻 边互相垂直等。基于约束的尺寸驱动是将几何模型中的一些基本图

33、素进行约束，当尺寸变化时，必须仍 满足其约束条件，从而达到新的平衡。约束一般分为两类：一类为尺寸约束，包括线性尺寸、角度尺寸等一般尺寸标注中的尺 寸约束，也称显式约束；另一类称为几何约束，它包括水平约束、垂直约束、平行约束、相 切约束等，这类约束称为隐式约束。图5-6表示了约束的几种类型。约束时可能存在过约束与欠约束问题。过约束是指对一个图形的几何形状及关系设定了过多的约束，而欠约束则是 约束未给够，这些都可能导致求解时出现错误。角度(f)L垂直线图5-6约束的几种类型(g)常用的基于约束的尺寸驱动方法有三种：1) 变动几何法(Variation Geometry) 是基于几何约束的数学方法，

34、是较早使用的参数化 建模方法。它将给定的几何约束转化为一系列以特征点为变元的非线性方程组，通过数值方 法求解非线性方程组确定几何细节。2) 几何推理法(Geometric Reasoning)是根据几何模型的几何特征，和各约束之间的相互 关系，对给定的一组约束采用匹配方法，将约束条件与规则库中的推理规则进行匹配，逐步 得到几何模型的一种方法。3) 参数驱动法是一种基于对图形数据库的操作和对几何约束处理。使用驱动树来分析几何约束，对图形进行编程处理的方法。首先将复杂的物体逐步分解为相对简单的几何体素， 然后对图形数据库进行操作，再通过图形之间的约束对生成的简单几何体素进行处理，得到 所需的几何模

35、型。这种方法不涉及复杂的方程组的求解问题，简单易用，能够很好地处理相对复杂物体的三维建模问题。在参数概念设计基础上，大部分创造性的面向概念设计的设计工作都可以采用计算机辅 助的方法来完成。由此，概念设计的多样性和灵活性也会有极大的提高。(4) 特征建模为了提高建模的效率，一种新的建模方法被研制出来。这种方法既可以减少输入的费用，又可以增加几何设计的多样性。与此同时，在制订设计方案时设计者的创造性思维有了更广 阔的空间。这种新的建模方法就是特征建模法。特征建模(Feature based Modeling)是将一门新技术特征 (Feature)技术引入到产品设计中，用更高一层次的具有工程意义的特

36、征体素来描述零件的一种建模方法。特征建模 从工程的角度讲是对形体的组成及整体信息完整表达，使所描述的信息更具工程含义，而且面向加工。建模时以特征为操作对象，工艺设计时以特征为基本单位，加工时以特征为基础。1）特征的含义特征是具有工程含义的几何实体，为了表达产品的完整信息而提出的一个 概念。特征是对诸如零件形状、工艺和功能等与零件描述相关的信息集的综合描述，是反映 零件特点的可按一定的规则分类的产品描述信息。特征是产品信息的集合，不仅具有按一定拓扑关系组成的特定形状，而且反映特定的工 程语义，所以兼有形状和功能两种属性。从其名称和语义足以联想其特定几何形状、拓扑关 系、典型功能、绘图表示方法、创

37、造技术、公差要求，适宜在设计、分析和制造中使用。特征的分类方法有很多，主要有按产品定义数据的性质分类，按几何形状分类，按功能 分类，按制造方法分类等。各方面的信息有机地结合在一起，构成了基于特征的零件信息模型，如图5-7所示。图5-7基于特征的零件信息模型级2）基 于特征的 模型生成 方法基 于特征的 建模方法 中对于特 征的描述 是关键， 特征描述 应该包含 几何形状 的表示和 相关的处理机制以及特征高层语义信息。目前主要探讨机构形状特征，其常用描述方法主要 有基于B-rep的方法、基于CSG的方法、基于混合 CSG/B-rep的方法等三种方法。其中混合CSG/B-rep的方法是设计系统中表

38、示特征的较好方法， 这是因为它同时兼有 CSG模型及B-rep 模型的优点，CSG模型易于对高层元素操作，B-rep模型易于与低层元素（点、线、面）附加尺 寸、公差和其它属性。基于特征的模型生成方式主要有以下三种：1）交互式特征定义（Interactive Feature Definition）如图5-8所示，交互式特征定义总是在一个以定义的几何模型的基础上实现的，以人机交互的方式辅助识别特征，这种方式首先建立产品的几何模型，然 后由用户直接通过图形 来提取定义特征所需的 几何要素，输入工艺信 息，建立零件或产品描 述的数据结构。交互式特征定义 的原理利用B-rep数据 结构可以很好地实现，但

39、是效率低，且几何信息与非几何信息是分离的，产品的数据难以实 现共享。利用这种方法其结果取决于用户的正确选择，如果选择了错误的元素或选择的元素数量不恰当，就不可能对元素进行定义，必须重新进行选择。因此，使用人员必须掌握系统 和现行的匹配模型方面的精确知识。用实体建模信息,自动地处理几何数据库,识别特征，搜索并提取特征信息， 产生特征模型,图5-9自动特征识别2) 自动的特征识别(Feature Recognition)在建立几何模型后，通过启动专门的程序，利如图5-9所示。 特征识别方法主 要有匹配、边面 延伸、体分解以 及CSG识别等。 这种方式应用面 广，但识别能力 有限，且提取特 征信息很

40、困难，应用的零件范围狭小。 特征识别通常只对简单形状有效， 难以处理复杂情况, 处理结果也未必与原意图相符，有很大的局限性。自动的特征识别是通过利用一个几何建模 器自动的生成加工计划的第一步。与在铳削加工时直接从建模器数据结构求得工件的合适区 域的加工区识别方法不同，特征识别的任务是寻找一个几何模型的范围，这个范围应与先前 定义的一般特征相符合。总之，存在一个成熟的构件模型是先决条件，一个特征识别系统的任务主要有以下几方面： 按照与预定义模型的拓扑/几何一致性原则搜寻数据结构； 从数据结构中分离和抽取已被识别的特征； 求得特征参数(例如孔径和槽深)； 完备几何特征模型； 把简单的几何特征组合成

41、高价值的特征。特征识别还有一系列其它的问题，比如在难以区别特征的语义方面；还有，用于完整识 别在其中所含有特征的几何模型必须由预定义的特征组成。特征识别在应用复杂的、用户定 义的特征时会引起问题。特征识别的优点在于在不同的应用领域之间转换时其原理上具有多 面性。只要建模器数据本身的交换能够得到保证，特征识别可以使得随后的应用与模型生成 的类型无关，并因此也与所应用的设计系统无关。如图5-10所示，利用特征进行零件设计，预先将3) 基于特征的设计(Design by Feature) 大量的标准特征或用户自定义的特征 存储进特征库，在设计阶段就调出特 征库中的特征，将之作为基本建模单 元进行建模

42、，再逐步输入几何信息、 工艺信息建立起零件的特征数据模 型，并将其存入数据库。由于这种方 法适用范围广，易于实现数据共享， 因此，得到了广泛的应用。在基于特征的设计过程中，特征 已经融通在设计过程中，因此，在特征中含有的几何的、拓扑的和语义的信息保持在产品模 型中。由此，尽管在后续安排的加工和过程计划系统中仍需进行特征识别，却不需唯一地通 过建模器内部的数据结构实现，而是可以在特征数据库中实施。只要数据库保证必要的一致 性，通过特征的支持帮助，设计人员可以得到远比在一种简单的几何和拓扑确定时更多的建 模自由空间。基于特征的设计更多的是通过设计模型的一致性来支持设计人员，通过与特征 联系的语义可

43、以确定信息、文件功能的关系并存储在计算机内部，并可以在进一步的处理系 统中得到利用，使设计人员有更多的使用空间及给出严格的格式化工作方式。采用特征时的一个关系重大的问题是在每种情况下的特征干扰问题，它可能产生不合适 数据结构的后果，导致模型的不致性。这个问题一般可以通过对相应规范和强制条件的动 态审查来避免。如果违反了建模时的规范，就会产生一个与相应的问题处理有关联的通告， 把强制性条件直接分配给特征，这样就可以对每项措施进行检验。然而，执行这样的算法和 设计所必需的规范是困难的，至今尚没有完整实现上述功能的商用系统，这是在产品和过程 建模模型系统方面需要加强研究的课题。(5) 基于特征的参数

44、化建模 基于特征的参数化建模是将特征造型技术与参数化技术有机地结合起来，实现对多种设 计方式 (自顶向下或自底而上等 )和设计形式 (初始设计、 相似设计和变异设计等 )的支持的一种 建模方法。基于特征的参数化建模主要过程如下：1) 基于约束的特征描述；2) 特征结构图元参数化建模；3) 特征之间的约束建模。基于特征的参数化设计过程中，最主要的是基于约束的特征描述，主要包括以下内容：1) 将产品描述为几何形状特征的集合；2) 将形状特征分解为具有一定几何体素的特征结构图元，结构图元一般可以是由线段、 圆、圆弧、样条曲线等组成的特征框模型；3) 根据几何体素及位置关系进行分析结构图元的几何构成及

45、其位置。在 CAD 参数化设计系统中，产品的主特征和辅助特征均要实现参数化，特征结构图元 参数化一般为个主特征和部分辅助特征参数化。参数化定义过程可以描述如下：1) 首先选择并创建结构特征的几何体素，使用参数完整表达几何形状的结构模型；2) 指定足够的测量实体，如组成实体的点、线、圆弧、倒角等测量基准；3) 建立定形尺寸，即各个标注的尺寸单元；4) 建立定位尺寸，以定位点为基准，确定各个特征点的对应位置；5) 确定尺寸约束和位置约束，建立约束方程，并对约束方程进行求解。针对某一类产品的部分辅助特征还应单独定义，如轴类零件，其中的键槽、中心孔就应 作为辅助特征单独定义，以满足特殊主特征的需要。辅

46、助特征实现参数化主要是将辅助特征 用计算方程和逻辑方程表达，参数可以是逻辑谓词或计算关系式的变量。在设计过程中，特征之间的约束建模主要包括下列三个方面：1) 针对不同类型的产品，建立产品的形状特征分解简图；2) 分析构成此类产品的各个特征之间的拓扑结构关系，并用二叉树表示特征模型之间的 拓扑结构关系；3) 分析构成此类产品的各个特征之间的约束关系，显式地指定以完全满足产品建模所需确定的约束，这些约束主要是特征的空间位置关系、公差、装配结构等几何约束。(6) 环境建模 虚拟环境是虚拟现实系统的核心，是虚拟现实系统人机交互的交互环境。虚拟环境的创 建包括实景虚化与虚景实化两个方面。实景虚化是将现实

47、世界的多维感知信息映射到计算机 的数字空间生成相应的虚拟世界，主要包括虚拟景物模型构建、空间跟踪、声音定位、视觉 跟踪等关键技术，这些技术使得真实感虚拟环境生成、虚拟环境对用户实时交互信息的检测 与获取成为可能；虚景实化是通过各种高性能计算和仿真技术使计算机生成的虚拟环境中的 景物或客体能够产生各种逼真的感官刺激，并以尽可能自然的方式反馈给用户，主要包括具 有真实感的视觉感知、听觉感知、力觉和触觉感知等技术，例如 HMD 、立体眼镜、大屏幕 投影等立体显示技术，三维立体声音技术，力反馈手套、力反馈操纵杆等。当前的虚拟环境建模方法一般分为以下三类：1)基于几何 造型 (Geometry-base

48、d VE) 基于几何造 型方法 通常 利用 造型软 件(如 3DSMAX 、AutoCAD 等 )手工搭建模型；或者通过对三维物体表面直接测量，获得离散的三 维数据，然后将这些三维数据进行三角剖分，得到景物的多边形描述。虚拟环境由各类三维 几何体合成，在虚拟环境中漫游是根据观察点及其观察方向通过实时计算、实时绘制三维几 何体来实现的。2)基于图像绘制 (Image-based VE) 基于图像绘制方法利用全景图集合来构建虚拟环境， 在虚拟环境中漫游相当于选择不同的全景图。全景图可用计算机生成，也可用全景相机拍摄 或用普通相机拍摄后再加以镶嵌。这种方法制作简单，场景逼真自然，能实时地显示构建的

49、环境。3) 基于几何造型和图像绘制的混合方法(Hybrid VE) 这种方法通过组合上述两种建模方法的优点而开发出更为优化的虚拟环境。混合方法利用基于图像绘制的虚拟环境建模的快 速、低价、方便的优点，营造主体场景，在此基础上能融合计算机绘制的几何三维模型，实 现互动式交互。5.2.2 基于知识的虚拟设计虚拟设计必须是根据产品与零件的功能、 强度、刚度、稳定性、 疲劳和动平衡等的设计， 决定产品零部件的结构、造型和尺寸，即基于知识的虚拟设计。反之，只有基于知识的虚拟 设计才能符合真实制造的要求，能更深入地发展虚拟设计技术，使虚拟制造各阶段的数据相 互关联、继承、可重用和共享。为此，必须建立合适的

50、设计系统模型。基于知识的虚拟设计过程中要用到各种标准和准则，设计时要用到各种材料参数、图表 集等制作成基础数据库， 以便设计时进行调用。 每个零件的模型实际上是一个小的专家系统， 根据不同零件设计要求，其结果是形成反映零件的尺寸、特征、形状、功能、行为、意图等 属性的数据，其特征包括方位特征、形状特征、精度特征和技术管理特征等。图5-11 为元模型的结构。(1) 元模型及基于知识的元模型建模1) 元模型的结构 产品设计的元模型为系统的基础层，对应机械零件的模型。区别于 般 CAD 的直接几何造型方法，元模型的建模是先采用人工设计零件时的标准化设计方法， 应用理论计算、经验公式、循环修改、有限元

51、法、边界元法、分布参数、实验推理等知识， 对零件进行强度、刚度、疲劳、稳定、动平衡等设计，从而确定零件的材料、几何形状特征和尺寸数据，然后用计算出的数据选择合适的计算机坐标，利用图形学的不同算法，如多边 形的顶点法、各种曲面曲线的样条法、OpenGL函数库法等形成零件的几何造型，并加适当的光照，使实际尺寸与计算机坐标尺寸有一个映射，再根据材料参数进行表面纹理映射和渲 染，从而得到零件在计算机上的元模型。2)元模型的建模一个基于知识的元模型的建模可由EDA (Pn,De,En, , ,T)来描述，其中，Pn为零件类的名称符号集合，巳Ni,N2,L ,Nn，例如可设齿轮类为 Ni集合,轴类为N2集

52、合等，Ni m，n2，L ,nk表示零件子类集合；t是受力分析，其结果是得到所 设计零件的载荷 P , PR ;为输入集， 1, 2,L , k , i是设计过程中所需的常数，如标准参数、经验参数、材料参数、工作环境等数据和图表参数等；De为设计种类的集合，De Mi,M2,L ,Mm，这里Mi是某种设计，可以为空，即有些零件的设计不是每 种设计都要求的，但不全为空，例如假定Mj为强度设计，M2为刚度设计，M3为疲劳设计等，Mj可表示为 Mjm2丄，g , mi又是某种设计的不同公式或不同对应规律mi(p,)。通过mi,m2,L , mn个设计，可求出某零件的一组特征、形状、尺寸、功能、行为、

53、意图等参数；En是元模型，即En （Ui,U2丄，山）,U.为元模型的各种属性，由一些几何物理特征参数、材质、光照等来描述；为状态转移函数，也就是一个映射 :pn DeEn。（2）机构模型及建模方法1）机构模型的结构机构模型的结构见图5-12。对于机构的虚拟设计，要将现有的实际机构分类分级，不同机构可能有不同的类、级、层，然后由零件构造机构，又由子机构构造 父机构，在此基础上构造机构模型的结构。机构模型呈树形，元模型作为叶节点，机构模型 要调用零件元模型的数据，父机构要用到子机构模型的数据，再上层的爷节点调用父节点的 数据，依此类推，一直到一个独立的部件或产品的独立部分为止，而且各层机构模型中

54、要有 一个机构专家系统模块， 以便对各层机构的组成、 功能及机理进行映射。 这样分解机构模型, 即可使机构机理清晰，又能降低建模难度。2）机构模型的建 模方法产品设计通 常是多人在计算机网 络上同时进行的，为 此，机构模型可采用 Age nt系统的方法建 模，每一个机构可以 成为一个 Age nt， 个大的Age nt包含多 个小的Age nt。多 Age nt系统正好满足 机构模型中的多个子 机构组成一个父机构 的模式，不同粒度的 Age nt恰好能表明机 构的不同层次。在设 计时，不同设计人员可分别基于Internet/Intranet作为同一或不同 Agent同时进行机构设计,从而形成多

55、Age nt系统。机构虚拟设计的基本Age nt结构由感知器、效应器、任务求解、角色分工列表和通信管理模块组成，见图 感知器是Age nt接受外部世界信息的感觉通道，可以感知其它Age nt已成功设计的机构对本机构 设计的影响。通信管理模块实际上 是一个通信控制器，负责与其它5-13。图5-13机构模型的基本 Agent结构Age nt进行交互的机制或协议，还 可调用外部元模型库中的元模型， 它包括用来具体控制消息传递的消 息门和对消息内容进行的解释器。角色列表是本Age nt在系统中所承担的任务列表，并将任务定义成可求解的具体冋题。任务 求解模块是Age nt的基于知识的设计核心部分，将从任

56、务列表模块中传来的问题分别或同时 指定给推理引擎和核心算法，推理引擎是利用元模型库、机构组成专家知识库和数据库等进 行设计求解；核心算法主要依赖载荷分析和数据库进行强度、刚度等设计求解，任务求解主 要包括求解管理、推理引擎/核心算法、数据库、知识库及其管理系统，此知识库包括机构设 计时所用到的多种专家系统，如某层机构的组成、功能及机理等。效应器是本Age nt影响或改变其它Age nt及环境的界面，完成的设计任务由它输出给系统并被其它Age nt所感知。（3）产品模型及建模方法1）产品模型的结构产品模型可能是多个模型的集合，应根据不同类型产品建立不同类型的模型集合，即要进行集成化建模。产品模型

57、应是产品最高一个层次的模型，其结构见图5-14。般情况下，将整个系统按不同功能的不同性质划分为几大模块（不同于机构的划分方图5- 14产品模型结构法），如机电 产品模型的 结构有动力 模块、电气 及控制模 块、传动变 速模块、执 行模块等， 然后再根据 产品不同功 能目的，为其建立产品的各方面性能的虚拟仿真模型；在各部件模型基础上，继承、归纳、 综合、抽象、提炼各机构部件模型的信息而形成产品的装配模型，从而形成集成化的产品模 型。考虑到集成化的产品模型的多目的虚拟仿真、虚拟装配要求，即每一模型可以完成某一 或多个仿真的目的，其中有可能包含面向结构的、面向几何的、面向特征的及面向知识的产 品模型

58、。对于具体仿真模型来说，它可能是连续的，也可能是离散的，可能是时变的，也可 能是时不变的，基于不同目的仿真算法要根据具体情况来定，但总体上产品模型与元模型和 机构模型不同，它侧重的是基于产品各方面性能的仿真模型。2）产品模型的建模集成化产品模型中各模型的数据传输、交换和共享是极为重要的，它本身也是建模的一部分。为实现集成化产品建模，一种重要方法是使用ISO的产品数据交换标准一一STEP,STEP标准定义了一种中性的格式，用于产品数据的表达与交换。 使用STEP 标准可在产品生命周期中实现所有与产品相关的数据的完整表达，因此，它适合于集成建模。设S Mi,M2,L ,Mn,D为集成化的模型，其中

59、，D为基于特征的产品虚拟装配模型，MM2丄,Mn为基于不同目的的仿真模型，Mi为基于某一目的的仿真模型,Mi = MiF1,F2,L ,Fs,t, , F为基于知识的仿真表达式，t为仿真时间，M i，由此n个仿真模1, 2,L k 为仿真参数集，若 F F1,F2,L ,Fs ， F型，得到n组动态模型数据，通过t触发和推进仿真进程。每个性能仿真模型的数据格式都采用 STEP 标准，在产品层面上，由系统开发者根据开发目标，对产品特征、性能仿真的需要进行基于不同目的信息建模和集成，参照STEP应用协议AP214，建立面向并行工程应用的特征信息模型， 用 Express 表达， 该模型经 Expr

60、ess2expg 处理后， 可以转换成 Express-G 的 图形化模型，以便于虚拟现实的可视化。装配模型 D 可用基于约束的层次方法建模。 若干个元模型组成机构模型， 若干机构模型 组成产品的部件模型集，部件模型再构成整个产品的装配树模型。根节点为产品，中间节点 是部件和机构，叶节点是元模型。5.3 虚拟设计软件完整意义上的虚拟环境由硬件、软件和用户界面三个部分组成。如果把虚拟环境的硬件 部分看作其肢体，则虚拟现实环境的软件控制部分就是其大脑。(1) 语言类软件语言类软件如 VRML 、Fortran、C、 Java、OpenGL 等都可以作为开发应用程序的语 言工具。下面主要介绍 VRM

61、L 。虚拟现实造型语言 VRML(Virtual Reality Modeling Language) 是描述 3D 虚拟场景的一种 标准，利用它可以在 Internet 上建立交互式的三维多媒体的境界。虚拟现实造型语言定义了 三维应用系统中常用的语言描述，如层次变换、光源、试点、几何、动画、雾、材料特性和 纹理映射等，并具有简单的行为特征描述功能。VRML 的基本特征包括分布式、交互式、平台无关、三维场景、多媒体集成、逼真自然等，被称为“第二代 WEB ”，其应用范围相当广泛。 VRML技术诞生于1994年，1997年 VRML2.0 成为第一个在网页上发布的 ISO 国际标准 (ISO/I

62、ECl4772) 。发展至今， VRML 已经 有了不少成功的案例。例如在美国火星探测器的行动中，人们用VRML 实现了该探测器的3D 动画现实，从而使无数人得以在网上观察这探险过程。VRML 的作用就是用来创建 VRML 虚拟现实场景， 它把“虚拟世界” 看成一个“场景”， 而场景中的一切都看成 “对象” (也就是一个 “节点” )，对每一个对象的描述就构成了 VRML 文件。 VRML 的目的主要是为了在网页中实现三维动画效果及其与三维对象的交互，应用VRML 动态显示的功能如能够实现虚拟设计中的动态仿真，应用 VRML 具有交互性的功能 可实现用户参与的虚拟设计。VRML 本质上是一种用

63、于造型的脚本语言，与目前比较成熟的造型软件如AutoCAD 、3D Studio MAX 等相比，其最大特色是实时渲染。使用已有的造型软件可以制作出效果极为 丰富的三维效果，但不能实时渲染和实时交互，只能预渲染后，以一种旁观者的身份观看渲 染效果，而不能以参与者的身份参与到虚拟环境中。VRML 文件的基本单元是节点， 每个节点都可以有五个方面的特征， 即名字、 类型、域、 事件、实现。1) 节点的命名是通过 DEF 语句来实现的，节点命名后可通过 USE 语句引用，达到共享 的目的。2) 每个节点都属于某个类型， VRML2.0 共定义了 54 种基本节点类型，同时用户还可通过 PROTO 和

64、 EXTERN-PROTO 来定义自己的节点类型。3) 各种类型的节点都可能包含一套可以接收和发送的事件，事件又分为入事件 (eventIn) 和出事件(eventOut),节点利用出事件报告自身的状态变化，而入事件将导致节点状态的改变。VRML通过ROUTO语句把事件入口联系起来， 构成事件体系。如口： ROUTO TouchBox isActive To Viewpoint set-bind 就是把接触检测器节点 TouchBox 的事件出口 isActive 连结到视点节点 Viewpoint 的事件入口 set-bind。4) 节点的实现包括如下的内容： 节点在虚拟世界中展现给浏览者的视觉外观和听觉外观； 对接收到的入事件做何反映，以及如何产生出事件。除此之外， VRML 节点之间的