机械产品虚拟设计系统的初步研究

论文摘要

虚拟设计技术是利用计算机辅助技术,在计算机环境中实现产品的开发过程,是计算机图形学、人工智能、计算机网络、信息处理和机械设计与制造等技术综合发展的产物。通过对产品从设计到装配整个过程的模拟,达到提高产品设计质量、降低产品开发周期和成本的目的,增强企业的竞争力。本文分析了机械产品的开发过程和虚拟设计技术在机械产品开发中的重要意义,在对虚拟设计系统功能分析的基础上创建了虚拟设计系统即YD-VDS的基本框架。模型是虚拟设计系统的基础,而基于虚拟现实工具包开发的虚拟设计系统不具有创建和编辑复杂模型的功能。对于机械产品,通常使用CAD软件创建零部件模型,并进行预装配,再进行模型的转换或特征信息的提取。对于CAD软件和虚拟设计系统的模型数据交换的研究非常关键,对CAD软件和虚拟设计系统转换的常用方法进行了讨论,即CAD系统的模型导出功能、第三方软件对模型转换和CAD软件的二次开发,并重点讨论和实现了基于CAD二次开发接口的模型数据提取方法和虚拟设计系统中模型修改方法。虚拟设计环境是用户和系统交互的窗口,是系统中各功能模块的载体。在完成模型载入并构建虚拟设计场景后,需要对载入场景的模型重新定义特征、设置属性信息,用场景树显示场景中模型并使其与模型相关联,对模型的拓扑结构进行重建和关联。需要为用户提供模型交互功能,即对场景中模型的拖动和转动以及场景中模型基本元素的拾取操作,为装配仿真中用户的装配意图的实现提供基本工具。分析并给出了虚拟装配功能模块的模型,根据机械产品的特点定义了基本的特征、装配体素对和基本约束方式。为了使装配仿真更真实,采用了装配意图自动识别和装配约束自动添加的装配方法,虚拟设计系统通过由粗到精的碰撞检测算法,使系统满足装配中模型干涉检查的适时性要求。最后通过水管插装部件的设计过程为例对系统的功能进行了验证,实现了模型的创建、模型数据处理和虚拟装配。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 机械产品虚拟设计系统研究的意义
• 1.2 虚拟设计技术的国内外研究现状
• 1.2.1 国外发展状况
• 1.2.2 国内发展状况
• 1.3 本课题研究的目的和主要工作
• 1.4 本章小结
• 第二章 虚拟设计系统的总体设计
• 2.1 虚拟设计系统开发分析
• 2.2 虚拟设计系统总体结构
• 2.3 系统的设计实现
• 2.3.1 系统的类型选择
• 2.3.2 系统的开发工具选择
• 2.3.3 系统的实现
• 2.4 本章小结
• 第三章 系统零件模型及其数据处理
• 3.1 模型处理模块的功能分析
• 3.2 零件模型的表示
• 3.2.1 CAD 系统的模型表示方法和建模方法
• 3.2.2 虚拟环境中模型的数据结构和特点
• 3.2.3 系统采用的零件模型
• 3.3 CAD 系统与虚拟现实系统的数据交换
• 3.3.1 利用CAD 系统的模型导出功能
• 3.3.2 通过第三方软件进行模型转换
• 3.3.3 通过API 函数对CAD 系统二次开发
• 3.4 本章小结
• 第四章 虚拟设计环境的设计
• 4.1 虚拟设计环境的功能分析
• 4.2 虚拟环境的交互
• 4.2.1 系统的坐标系
• 4.2.2 场景交互的数学基础
• 4.2.3 场景交互的实现
• 4.3 虚拟设计场景中模型操作
• 4.3.1 WTK 环境中模型的操作
• 4.3.2 虚拟设计环境中模型的载入
• 4.3.3 虚拟场景中几何元素的选取
• 4.4 模型属性的定义
• 4.4.1 模型特征的交互定义
• 4.4.2 模型数据的定义
• 4.4.3 模型的修改
• 4.5 虚拟环境的设计
• 4.5.1 虚拟场景的设计
• 4.5.2 虚拟场景的管理
• 4.6 本章小结
• 第五章 装配仿真模块的设计
• 5.1 虚拟装配模块的功能分析
• 5.2 装配信息建模
• 5.3 虚拟装配仿真的设计流程
• 5.4 装配约束的建立
• 5.5 仿真实现的关键技术
• 5.5.1 碰撞检测
• 5.5.2 装配约束的自动识别
• 5.5.3 系统的碰撞检测算法
• 5.6 交互装配的实现
• 5.7 本章小结
• 第六章 系统的应用举例
• 6.1 模型创建及其数据处理
• 6.1.1 零件模型创建
• 6.1.2 场景中模型载入
• 6.2 装配过程仿真
• 6.3 本章小结
• 第七章 研究工作展望
• 7.1 本文主要研究成果
• 7.2 下一步工作展望
• 参考文献
• 附录
• 附录1：使用鼠标拖动实现模型的旋转的程序
• 附录2：用于模型特征提取的部分数据定义
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文目录