基于PC的虚拟样机集成仿真平台及其关键技术的研究

论文摘要

当今,产品需求的多样化进一步扩大,个性化需求得到迅速增强,能否以最短的时间和最低的成本设计出适应市场需求、质量最好、环境负荷最小的产品将决定一个企业的效益乃至生存。虚拟样机技术无疑可以帮助企业提高产品设计成功率,缩短产品设计周期。由于虚拟样机的“贵族化”身份,使得真正需要此项技术的广大潜在的中小型制造企业用户无法使用。本文研究的目标为:在PC机上研究虚拟样机集成仿真平台的实现原理与方法,以满足广大中小企业对虚拟样机技术的应用要求。论文的主要内容和成果如下:①装配模型是虚拟样机开发的基础。在对已有装配模型研究的基础上,分别指出了已有模型的优缺点,并提出了针对PC的基于扩展组节点场景图技术的虚拟装配模型,该模型兼顾了虚拟装配、虚拟加工、工作过程及工程分析可视化的仿真功能需求。②本文提出了虚拟样机集成仿真平台的框架结构;给出了虚拟样机集成仿真平台内部的交互模式及运行机理;讨论了在虚拟样机集成仿真平台上进行虚拟样机开发的工作流程;并提出了通用舞台的搭建技术。③针对PC的交互特点,实现了虚拟样机开发工艺人员使用的人机多模式交互。包括基于文本格式交互的虚拟样机本体的构建技术,定义了V语言的语法,并从逻辑上进行了原理的实现;包括基于新的虚拟装配场景图技术和Open Inventor引擎机制相结合的交互实现技术;还包括基于虚拟控制器的交互模式的实现;给出了基于三维鼠标技术的人机交互模式的数据结构。④研究了加工仿真和工作过程仿真的关键实现技术,包括切削仿真、立体显示、颜色改变、粒子系统、物体透明度的精确时间控制等关键技术的实现。⑤在工程分析可视化系统的研究中,不但实现了小数据量的刀具温度场的实时性物理仿真,同时开发了虚拟样机集成仿真平台与FLUENT的接口程序,从而实现了PECVD各腔室温度场大数据量的后处理显示,增强了数据场的可视化效果。本论文的研究均在PC上完成,开发工具有:Visual C++.NET、Open Inventor5.0、OpenGL、Unigraphics NX2.0等。以上海机床厂的CJK6430数控车床、申威达有限公司的QZ104切纸机及上海太阳能有限公司的新型PECVD设备为应用实例,对本文提出的理论和新的技术进行了验证和实现。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 虚拟样机的需求
• 1.2.1 产品设计质量不高、预见性差
• 1.2.2 产品开发流程周期长,不能快速响应市场
• 1.2.3 设计、制造费用高,导致产品成本增加,缺乏市场竞争力
• 1.3 虚拟产品开发的体系结构
• 1.4 课题来源
• 1.5 课题研究的目的和意义
• 1.5.1 开发基于PC的虚拟样机集成仿真平台
• 1.5.2 加强开发高端机械设备的自主创新能力
• 1.6 国内外相关研究现状和发展趋势
• 1.6.1 虚拟样机技术
• 1.6.2 虚拟现实技术
• 1.6.3 虚拟样机与虚拟现实的关系
• 1.7 论文的主要研究内容及结构安排
• 1.8 本章小结
• 第2章 虚拟样机装配模型理论的研究
• 2.1 引言
• 2.2 装配模型的理论研究
• 2.2.1 联系图模型
• 2.2.2 邻接矩阵法
• 2.2.3 增强联系图模型
• 2.2.4 关系模型
• 2.2.5 层次模型
• 2.2.6 混合型模型
• 2.2.7 DAG模型
• 2.2.8 Open Inventor中的场景图技术
• 2.2.9 基于扩展组节点场景图技术的虚拟装配模型
• 2.3 虚拟样机集成仿真平台通用场景图结构
• 2.4 本章小结
• 第3章 虚拟样机集成仿真平台的框架结构
• 3.1 引言
• 3.1.1 产品结构设计对虚拟装配技术的需求
• 3.1.2 产品功能设计对工作过程仿真的需求
• 3.1.3 产品优化设计对虚拟样机性能仿真的需求
• 3.2 虚拟集成仿真平台的框架结构
• 3.3 虚拟样机集成仿真平台的交互模式及内部运行机制
• 3.4 虚拟样机集成仿真平台工作流程
• 3.4.1 零件建模和转换模块
• 3.4.2 零件干涉检验与模型修正
• 3.4.3 装配路径干涉检验与装配工艺修正
• 3.4.4 集成仿真环境的获得
• 3.5 通用舞台的搭建技术
• 3.6 本章小结
• 第4章 多模式交互技术的研究
• 4.1 引言
• 4.2 基于文本格式交互的虚拟样机本体的构建技术
• 4.2.1 V语言的语法设计
• 4.2.2 V语言的实现
• 4.3 基于扩展组节点场景图技术和引擎机制的交互技术实现
• 4.3.1 Open Inventor软件介绍
• 4.3.2 Open Inventor引擎机制
• 4.3.3 基于时间及事件触发的物体运动控制技术
• 4.4 基于虚拟控制器的交互模式的实现
• 4.5 基于三维鼠标技术的人机交互模式
• 4.5.1 三维鼠标原理
• 4.5.2 基于三维鼠标技术的人机交互式数据结构
• 4.6 本章小结
• 第5章 虚拟加工及工作过程仿真系统关键技术的研究
• 5.1 引言
• 5.2 数控仿真技术国内外研究情况
• 5.2.1 几何仿真
• 5.2.2 物理仿真
• 5.3 切削仿真
• 5.3.1 刀具切入过程仿真
• 5.3.2 飞屑仿真
• 5.3.3 切削加工过程仿真
• 5.4 立体显示效果的实现
• 5.5 改变虚拟物体颜色的程序实现
• 5.6 工作过程仿真的特效技术—粒子系统的实现
• 5.7 其它几个关键技术
• 5.7.1 控制顶盖透明度的变化
• 5.7.2 时间控制策略
• 5.7.3 背景及视点的调整
• 5.8 本章小结
• 第6章 工程分析可视化系统的关键技术的研究
• 6.1 引言
• 6.1.1 标量场的显示
• 6.1.2 矢量场可视化
• 6.2 切削刀具的工程分析
• 6.2.1 刀具的温度场分析
• 6.2.2 刀具的应力、应变的有限元分析
• 6.2.3 刀具工程分析可视化的实现
• 6.3 PECVD中各工艺腔室温度场的后处理显示
• 6.3.1 FLUENT软件简介
• 6.3.2 实现温度场及速度场可视化流程
• 6.4 本章小结
• 第7章 虚拟样机集成仿真平台应用实例
• 7.1 虚拟样机集成仿真平台实现结果
• 7.2 通用舞台不同参数配置结果
• 7.3 通用装配系统装配实例
• 7.4 PECVD工作过程仿真的实现
• 7.4.1 设计原理图
• 7.4.2 工作过程定义
• 7.4.3 工作过程仿真场景图
• 7.4.4 工作过程仿真结果截图
• 7.5 虚拟数控加工仿真的实现
• 7.5.1 定义毛坯
• 7.5.2 工件装夹与卸下
• 7.5.3 连接与断开连接操作面板
• 7.5.4 控制器界面及虚拟加工过程实现
• 7.6 PECVD温度场及速度场可视化的实现
• 7.6.1 温度场及气流速度场结构模型
• 7.6.2 镀膜室温度场模型网格划分
• 7.6.3 工艺条件及边界条件的确定
• 7.6.4 计算模型的确定
• 7.6.5 PECVD标矢量场仿真结果
• 7.7 本章小结
• 第8章 总结与展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 论文研究成果及创新点
• 8.3 不足与展望
• 8.4 本章小结
• 参考文献
• 图表清单
• 博士学习期间公开发表的论文
• 博士学习期间参与完成的主要科研项目
• 致谢