機(jī)械設(shè)計虛擬仿真系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

王 迪

(遼寧職業(yè)學(xué)院，遼寧 鐵嶺 112099)

0 引言

虛擬仿真技術(shù)是指使用計算機(jī)軟件來模擬現(xiàn)實世界的環(huán)境和系統(tǒng)，可以在虛擬環(huán)境中提供物理系統(tǒng)行為的密切表示，從而使用戶能夠在安全和經(jīng)濟(jì)高效的方式中進(jìn)行實驗、預(yù)測和分析數(shù)據(jù)[1]。在模擬過程中，計算機(jī)技術(shù)能夠通過接受到的信息進(jìn)行相關(guān)動作處理。隨著計算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)和人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)目前在機(jī)械生產(chǎn)、制造業(yè)、室內(nèi)設(shè)計、工業(yè)模擬和教學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用與發(fā)展[2]。

機(jī)械設(shè)計專業(yè)主要包括機(jī)械工程制圖、機(jī)械結(jié)構(gòu)分析、機(jī)械制造技術(shù)和機(jī)械系統(tǒng)安裝與調(diào)試等，是一門綜合實踐能力較強(qiáng)的專業(yè)課程[3]。因此，機(jī)械設(shè)計中的實踐教學(xué)培訓(xùn)與機(jī)器實踐是提高機(jī)械設(shè)計專業(yè)人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。但是由于機(jī)械產(chǎn)品種類較多，技術(shù)更新?lián)Q代較快，相關(guān)高校在機(jī)械設(shè)計專業(yè)中教學(xué)經(jīng)費(fèi)不足、實驗室設(shè)備不全面及缺乏實踐場地等，無法為學(xué)生提供實踐操作[4]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以克服空間局限性，通過建立機(jī)械設(shè)計虛擬仿真系統(tǒng)，保證學(xué)生利用該系統(tǒng)完成系統(tǒng)實踐能力的培養(yǎng)與訓(xùn)練，提高實踐能力和創(chuàng)新能力。另一方面，在機(jī)械產(chǎn)品加工過程中，采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以節(jié)省裝備加工周期，提高生產(chǎn)效率。

1 虛擬仿真技術(shù)特點(diǎn)

虛擬仿真技術(shù)主要包括計算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)、傳感器技術(shù)和人機(jī)交互技術(shù)等的融合。通過計算機(jī)技術(shù)對真實的生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行模擬，并使用相關(guān)設(shè)備保證用戶的視覺、聽覺和觸覺的感知與三維場景中進(jìn)行信息交互，保證用戶能夠體驗現(xiàn)實環(huán)境中的真實場景與感受。主要包括以下3個技術(shù)特征。

1)沉浸性。沉浸性又被稱為“真實性”，主要是保證用戶的聽覺、視覺和觸覺與真實的環(huán)境隔離，處于計算機(jī)營造的虛擬環(huán)境中，帶給用戶一種沉浸式感受，實現(xiàn)用戶置身其中的應(yīng)用效果。沉浸性主要體現(xiàn)在視覺沉浸(通過3D模型、虛擬現(xiàn)實設(shè)備等技術(shù)手段，讓用戶的視覺感受完全融入到虛擬環(huán)境中，感覺自己置身于一個真實的環(huán)境之中)、聽覺沉浸(通過音效、語音識別等技術(shù)手段，讓用戶感覺自己置身于真實的環(huán)境中，聽到來自虛擬環(huán)境中的聲音和聲音的變化)、觸覺沉浸(通過觸覺反饋裝置、力反饋設(shè)備等技術(shù)手段，讓用戶感覺到虛擬環(huán)境中物體的質(zhì)感、形狀等，增強(qiáng)用戶的沉浸感)。

2)交互性。交互性是指用戶可以通過信息輸入設(shè)備與虛擬環(huán)境進(jìn)行信息交互，并可以得到虛擬環(huán)境的相關(guān)信息反饋的能力。通過交互性，用戶可以與虛擬環(huán)境進(jìn)行實時的雙向信息交互，使虛擬環(huán)境更具有靈活性和可操作性。

3)構(gòu)想性。構(gòu)想性是指用戶基于沉浸性和交互性對虛擬場景產(chǎn)生想象，對概念和理論得到提升與轉(zhuǎn)變，是前兩種性質(zhì)的高效表現(xiàn)形式之一。

2 機(jī)械設(shè)計虛擬仿真系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2.1 預(yù)期目標(biāo)

本研究系統(tǒng)論述一種集教學(xué)、展示于一體的機(jī)械設(shè)計虛擬仿真系統(tǒng)，主要包括3D數(shù)字技術(shù)、碰撞檢測技術(shù)。該系統(tǒng)需要滿足的生產(chǎn)目標(biāo)如下：1)在虛擬仿真系統(tǒng)中可以實現(xiàn)機(jī)械零件的裝配與仿真；2)在UG軟件中可以完成機(jī)械產(chǎn)品的特征信息提取，并將提取的信息與零件相互匹配，工作人員可以制造機(jī)械模型，并在虛擬場景中展示；3)設(shè)計符合真實場景的機(jī)械裝配順序；4)可以將系統(tǒng)與硬件相互連接，實現(xiàn)系統(tǒng)整體運(yùn)行測試。

2.2 結(jié)構(gòu)及組成

2.2.1 硬件組成

機(jī)械設(shè)計虛擬仿真設(shè)備硬件裝置主要包括顯示設(shè)備、交互設(shè)備和數(shù)據(jù)分析設(shè)備。顯示設(shè)備主要包括顯示屏、投影儀器等；交互設(shè)備主要包括服務(wù)器、控制器等，完成機(jī)械設(shè)計零部件的選取、移動等操作。數(shù)據(jù)分析設(shè)備主要包括圖形處理、視頻信息交互等設(shè)備，最終將虛擬圖像傳輸?shù)斤@示裝備(圖1)[7]。

圖1 機(jī)械設(shè)計虛擬仿真系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2.2.2 開發(fā)工具

為了滿足機(jī)械設(shè)備的裝配、拆裝等過程，系統(tǒng)開發(fā)工具主要包括應(yīng)用系統(tǒng)層、模塊層、數(shù)據(jù)層和結(jié)構(gòu)層等，整體結(jié)構(gòu)與組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層組成

1)系統(tǒng)開發(fā)引擎。目前系統(tǒng)開發(fā)引擎主要包括Unity 3D、Unreal、萬維等工具，主要技術(shù)特征對比如表1所示。本研究最終選擇Unity 3D作為系統(tǒng)開發(fā)引擎，其開發(fā)過程如圖3所示。

表1 系統(tǒng)開發(fā)引擎技術(shù)對比

2)三維建模軟件的選擇。在機(jī)械設(shè)計過程中需要對相關(guān)零部件進(jìn)行三維建模，目前常用的建模軟件主要包括UG、CATIA、Pro/E等。本系統(tǒng)選擇UG作為建模軟件，首先，UG擁有先進(jìn)的三維建模技術(shù)和豐富的建模工具，可以快速高效地完成復(fù)雜的三維零件建模，其次UG系統(tǒng)中自帶大量標(biāo)準(zhǔn)件和零部件庫，可以方便地進(jìn)行零部件組裝和設(shè)計，提高設(shè)計效率。同時，UG系統(tǒng)支持多種裝配設(shè)計功能，可以快速、準(zhǔn)確地完成機(jī)械裝配設(shè)計，支持可視化裝配和動態(tài)模擬。綜上所述，選擇UG作為三維建模軟件，可以充分發(fā)揮其強(qiáng)大的建模和裝配設(shè)計能力，并且可以方便地利用其豐富的零件庫資源，提高設(shè)計效率和精度。

3)中間軟件分析。Unity 3D軟件支持Obi、fbx和3ds等集中文件格式，但是無法直接將UG軟件的stp工業(yè)模式的格式進(jìn)行搭配如，因此需要相關(guān)中間軟件或者工具進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化。本研究采用3ds Max軟件作為UG和Unity 3D兩款軟件格式轉(zhuǎn)化的中間軟件，可以充分發(fā)揮其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)導(dǎo)入和導(dǎo)出能力，快速、準(zhǔn)確地將UG模型導(dǎo)入到3ds Max中進(jìn)行后續(xù)的操作和處理，然后將3ds Max中的模型導(dǎo)出為Unity 3D所支持的格式進(jìn)行使用。同時，3ds Max還具有豐富的建模和編輯工具、高效的材質(zhì)和紋理編輯功能以及強(qiáng)大的動畫和渲染功能，可以為Unity 3D中的模型提供更好的效果和表現(xiàn)力。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 UG二次開發(fā)技術(shù)

3.1.1 UG/Open UIStyler

UG/Open UIStyler是UG軟件的可視化工具，可以避免復(fù)雜的圖形用戶界面。此工具設(shè)計對話框的方法與C++編程方法相同。

3.1.2 UG/Open Grip語言

UG/Open Grip語言主要是從工具包中調(diào)取點(diǎn)、直線、曲線和面等生成工具，創(chuàng)建集合體模型，并且可以控制模型參數(shù)，具有通俗易懂等應(yīng)用優(yōu)勢。

3.1.3 UG/Open API函數(shù)

UG/Open API函數(shù)又被稱為用戶函數(shù)，主要是實現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品三維建模過程中查詢模型對象、遍歷裝配體等功能，對各個模型進(jìn)行管理和定義。

3.2 特征提取技術(shù)

機(jī)械制圖是一種描述機(jī)械結(jié)構(gòu)和零件的技術(shù)，通常包括二維制圖和三維制圖。特征提取技術(shù)在機(jī)械制圖中也有廣泛的應(yīng)用，可以自動地從制圖中提取出機(jī)械零件的特征信息，便于后續(xù)的零件分析、建模和加工等工作。

1)基于圖像處理的特征提取。對機(jī)械制圖進(jìn)行二值化、濾波、邊緣檢測等預(yù)處理操作，然后通過形態(tài)學(xué)處理、Hough變換等技術(shù)提取出零件的輪廓、孔、槽、螺紋等特征。

2)基于CAD軟件的特征提取。通過在CAD軟件中載入機(jī)械制圖，利用軟件提供的API接口或者宏命令等方式，自動地從制圖中提取出特定的零件特征，如孔、槽、圓柱、球面等。

3)基于幾何體識別的特征提取。通過幾何體識別技術(shù)，將機(jī)械零件拆分成基本幾何體，如平面、圓柱、球等，然后利用這些幾何體的參數(shù)和關(guān)系，提取出零件的尺寸、位置、形狀等特征。

4)基于深度學(xué)習(xí)的特征提取。利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)，可以自動地從機(jī)械制圖中學(xué)習(xí)特征表示，如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)等，通過訓(xùn)練，可以識別出零件的輪廓、孔、槽等特征。

3.3 碰撞檢測技術(shù)

碰撞檢測技術(shù)是模擬相關(guān)機(jī)械裝配檢測的重要環(huán)節(jié)之一。碰撞檢測算法的選擇對于提升虛擬仿真系統(tǒng)的合理性具有重要意義。尤其是當(dāng)多個用戶在虛擬場景中進(jìn)行協(xié)同操作時，會出現(xiàn)多個對象運(yùn)動的情況，發(fā)生相互碰撞、重疊和彼此穿透等現(xiàn)象，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致物體不按照原始軌跡進(jìn)行運(yùn)動，影響虛擬仿真系統(tǒng)的體驗。

4 結(jié)論

本研究系統(tǒng)論述了機(jī)械設(shè)計虛擬仿真系統(tǒng)的整體方案與核心技術(shù)，系統(tǒng)介紹了整體結(jié)構(gòu)的硬件組成與系統(tǒng)開發(fā)工具，并闡述了UG二次開發(fā)技術(shù)、特征提取技術(shù)、Unity3D讀取信息技術(shù)和碰撞檢測技術(shù)。研究結(jié)果以期為機(jī)械設(shè)計虛擬試驗系統(tǒng)的建立與優(yōu)化提供技術(shù)參考與借鑒。