虚拟设计的基本概念

1、第5章 虚拟设计5.1虚拟设计的差不多概念科学技术的进展不断推动着设计的进步，日新月异的信息技术也深刻阻碍着设计的变革。信息技术进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治理、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，人们能够从多个角度对产品进行审视。现在，信息技术的集成化、智能化进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。虚拟设计是以虚拟现实（Virtual

2、 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进展的产物。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、操纵等接口设备，生成可提供沉醉感受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，虚拟现实确实是种先进的计算机用户接口，它通过给用户及时提供视觉、听觉、触觉等各种客观而又自然的

3、实时感知交互手段，最大限度地点便用户操作，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，虚拟现实确实是人与虚拟世界的交流。人的动作和情绪能够操纵虚拟世界中的物体。反之，虚拟世界中的物体也能使人产生真实的感受，包括视觉、听觉、触觉等。虚拟现实经历了以下进展历程：(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差不多

4、思想，指出人们能够把显示屏当作一个窗口观看一个虚拟世界，使观看者有身临其境的感受。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究历程。(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那个系统中。(3) 1968年，Ivan Sutherland使用两个能够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-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

5、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等研制了闻名的称之为VIEW的一种“数据手套(Data Glove)”，这种柔性、轻质的手套装置能够测量手指关节的动作、手掌的弯曲以及手指间

6、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、语音识不与跟踪等技术，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技术的要紧内容是实时三维图形生成技术，多传感交互技术，以及高分辨显示技术。这为VR技术的进展确定了研究方向。(9) 20世纪90年代以来，在“需求牵引”和“技术推动”下，VR取得了突飞猛进的进展，并将技术成果

7、成功地集成于些专门有有用前景的应用系统中，如Apple公司的人机接口实验组(ATG)建立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，我们能够设计、生产、检测、组装和测试各种模拟物体。虚拟现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，采纳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

8、减少其生产中采纳的90的实体模型，这一目标的实现为福特公司每年节约2亿美元。据可能，使用“虚拟工厂”将在推出一辆新车的过程中，至少减少20的因生产缘故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。而以虚拟现实技术为基础的虚拟设计是20世纪90年代进展起来的一个新的研究领域。所谓虚拟设计确实是利用“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，采纳群组协同工作，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

9、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，虚拟设计有专门大的优势。CAD软件差不多上只起到“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 虚拟设计最要紧的特征确实是虚拟化。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

10、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。尽管它们的存在某种程度上是虚假的，但人们却能够真实地感受到它们，以一种双方都能够理解的交流方式进行沟通。当设计时期的任务完成以后，这些虚拟的模型能够通过一些设备（如快速成型）转化为真实的存在。虚拟是相关于真实而存在的，虚拟与真实存在着相互转化的双向可能性。(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，就可不能有虚拟设计的形成基础，也就确立不了虚拟设计的差不多原则。信息技术的进展把各个断续的、形不成联系的计算机辅助过程集成为一体化的系统，把往常的单独的过程作为整体中的子系统，

11、在各个子系统形成能够共享的信息流。这些信息适应不同子系统的数据标准（或能够方便的转换），流通中的信息内容也是一致的。如此一来，各个子系统之间互为支撑，它们获得其它子系统的信息时，可不能由于标准的差异遭到拒绝，也不用费时费劲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。这不仅关于虚拟设计有重要意义，也是虚拟设计与虚拟产品开发其它时期进行交流的依据。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

12、、仿真、预测、评估等)，设计师能够对虚拟模型进行修改，虚拟模型也会立即做出相应的反应，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方法成熟的或者不成熟的，虚拟模型也因此而更加细致。使用计算机建模能够方便地把虚拟摄像机摆在任何位置，既能够在人们惯常的视平线上，也能够是真实世界中达不到的位置。从这些视点上，人们能够看到习以为常的场景效果，也会看到难以想象的画面。多媒体技术的进展使人们观看模型从静态转向动态，能够观看流畅的模型动画，而且多媒体技术还能够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，甚至依旧对设计过程、生产过程的享受。(4)

13、信息互动的数字化 虚拟设计的信息差不多上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，立即就会阻碍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，能够使设计师专门快明白自己的修改会对全局造成什么样的阻碍。这与往常完全不同，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能够方便地存储、调用，用不大的空间就能够记录下设计过程的整个历史。有了历史记录，就有了积存，这使得设计能够在以往经验的基础上，依照设计过程的历史，做出符合要求的调整，如Pro/

14、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，还能够把人的创新思维表达为可视化的虚拟实体，促进人的制造灵感进一步升华。因此，在虚拟状态下，能够对产品生命周期的全过程(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时期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

15、克莱斯勒数据可视化(CDV)的项目。通过那个项目的实施，工程师能够检查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点，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，借助虚拟原型发觉了1500多处零部件干涉，并在制作第一个物理原型之前就进行了改正，幸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阻碍差不多逐渐显现出来。由于虚拟设计系统差不多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

16、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虚拟设计的进展趋势 (1) 全新的VRCAD系统 高交互、沉醉式、三维设计环境，能够进行诸如虚拟曲面造型，在三维空间中拖动曲面的操纵顶点；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 沉醉式(有利于真实现场感

17、)与半沉醉式(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 包括设计知识的猎取、表达与应用：设计信息和知识的合理流向、转换与操纵；设计知识的融合、治理与共享；从设计过程数据中挖掘设计知识。 (3) 设

18、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治理与协商处理。(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) 产生虚拟环境的工具集 包括一般所需要的软件支撑系统以及能够同意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CAD软件的各种系统。 5.2.1建模技术(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。几何建模的基础汇合了多门学科，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

19、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。 (a)线框建模 (b)表面建模 (c)实体建模图5-1 三维建模三维几何体的差不多元素是点、线、面和体。如图5-1所示，依照差不多构型的复杂程度不同，可将几何模型分为线框模型、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边点关系，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。识不一个物体，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

20、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，因此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的边界，然而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，能够实现图形的消隐，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致性，不能完整描述产品的几何特征和物理特征。表面模型能够要紧由表面特征确定，是曲面也能够是平面。关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

21、面模型强调表面的性质，如光滑性、连续性、凸凹性。那个地点，表面模型要紧是指曲面模型。图5-2讲明了自由曲面是如何生成的。在表面模型的基础上能够构造复杂的、具有美观性的表面。除了用交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，这些表面能够利用解析法，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，无法区不面的哪一侧是体内依旧体外。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不，缘故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 用差不多体素构造物

22、体，是表达和处理三维物体的一种完整表达模型。尽管操纵点曲 线两条曲线曲线和点 输入的数据曲 面导曲线构成曲面规则曲面带点的规则曲面结 果图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；维数致性，即

23、没有悬面和悬边。可见这些模型的区不在于建模差不多元素和差不多数据的维数以及在于隐式或显式描述拓扑关系的程度。建模几何差不多元素的维数是应当区不于物体的维数和包围空间的维数的，它是依照模型形式区不的。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。关于造型方法来讲，要紧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

24、心等。实体模型一般能够表示实体的几何和物理特性，采纳这种模型，能够得到如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，要紧研究如何方便地定义简单的几何形体(即体素)，以及如何通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。其核心问题是采纳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) 将简单的实体(又称为差不多体素)进行一定的集合运算构成所需设计的复杂物体。这些体素能够是形状简单的规则物体(如长方体、圆柱体等)，也能够是由半空间构成的，如正方体是由半空间

25、x0，x1；y0，y1；z0，z1经集合运算构成。利用这种方法实现实体建模的过程确实是集合运算过程，这一过程能够形象地用一棵二叉树CSG树表示，CSG树定义了物体的构成体素和构造方式，如图5-3所示。树中的非终端结点表示操作，如移动，正则化交、并、差运算；树的叶结点表示参与运算的差不多体素；树的根结点表示集合运算的最终结果。CSG树表示法本身确实是用来讲明实体的构造过程，记录实体中所含体素的全部定义参数，必要时还能够（a）构造方式 （b）实体 图5-3 CSG操作生成实体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。图5-4 边界显示物体的层次结构BodyFace

26、ShellLoopEdgeVertexSurfaceCurvePoint2)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。边界表示包含了两类要紧信息，一是几何信息物体几何元素的尺寸数据，它描述物体的大小、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，能够直接取

27、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。然而，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，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有用而有效的方法。扫描法有两种差不多的类型：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

28、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xx图5-5 扫描生成实体（a）（b） （c）网格自动划分，物体截切及碰撞干涉检查，CADCAM初步集成，动画模拟，真实感图形显示等成为可能，从而使这一技术在CADCAM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 除去前面所描述的显式几何建模外，关于许多设计任务要有目的地采纳参数化建模。虚拟设计中最要紧的任务在于设计要适应新的要求。对现代设计系统的一个要紧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，同

29、意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进展方向，它能够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)参数化设计(Parametric Design) 在生产设计中，设计人员经常遇到如此的情况，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些小的改动，希望修改后立即产生新的模型。如此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。也确实是讲，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

30、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，设计者能够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，确实是标有参数名的零件草图，由用户输人，并在屏

31、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差不多原理是：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给予一定的尺寸，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。那个地点，不但包含了尺寸

32、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差不多图素进行约束，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。 LLD（a）（b）（d）（e）（f）（

33、g）A垂直线水平线垂直平行相切角度同心图5-6 约束的几种类型（c）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，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) 是依照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纳匹配方法，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

34、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，能够专门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，大部分制造性的面向概念设计的设计工作都能够采纳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。这种方法既能够减少输入的费用，又能够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制造性思维有了更宽敞的空间。这种

35、新的建模方法确实是特征建模法。 特征建模(Featurebased Modeling)是将一门新技术特征(Feature)技术引入到产品设计中，用更高层次的具有工程意义的特征体素来描述零件的种建模方法。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差不多单位，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，

36、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，因此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、制造技术、公差要求，适宜在设计、分析和制造中使用。特征的分类方法有专门多，要紧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。零件形状特征精度特征治理特征性能分析特征材料特征装配特征属性1属性n属性1属性n几何元素几何级图5-7 基于特征的零件信息模型级零件级属性级特征级2)基于特征的模型生成方法 基于特征的建模方法中关于特征的描述是

37、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。目前要紧探讨机构形状特征，其常用描述方法要紧有基于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要紧有以下三种：特征定义特征模型几何模型设计员工作打算员图5-8 交互式特征定义几何建模器1)交互式特征定义(Interactive Feature Defin

38、ition) 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不特征，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数据结构能够专门好地实现，然而效率低，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，假如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。特征识不实体模型实体建模器特征分选特征图5

39、-9 自动特征识不2)自动的特征识不(Feature Recognition) 在建立几何模型后，通过启动专门的程序，利用实体建模信息，自动地处理几何数据库，识不特征，搜索并提取特征信息，产生特征模型，如图5-9所示。特征识不方法要紧有匹配、边面延伸、体分解以及CSG识不等。这种方式应用面广，但识不能力有限，且提取特征信息专门困难，应用的零件范围狭小。特征识不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，有专门大的局限性。自动的特征识不是通过利用一个几何建模器自动的生成加工打算的第一步。与在铣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不方法不同，特征识不的任

40、务是查找一个几何模型的范围，那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，一个特征识不系统的任务要紧有以下几方面：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不的特征；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高价值的特征。特征识不还有一系列其它的问题，比如在难以区不特征的语义方面；还有，用于完整识不在其中所含有特征的几何模型必须由预定义的特征组成。特征识不在应用复杂的、用户定义的特征时会引起问题。特征识不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

41、，特征识不能够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。特征造型器几何造型器特征模型几何模型应用系统图5-10 基于特征的设计表示图用户3)基于特征的设计(Design by Feature) 如图5-10所示，利用特征进行零件设计，预先将大量的标准特征或用户自定义的特征存储进特征库，在设计时期就调出特征库中的特征，将之作为差不多建模单元进行建模，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，特征差不多融通在设计过程中，因此，在特征中含有的几何的、拓扑的

42、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打算系统中仍需进行特征识不，却不需唯一地通过建模器内部的数据结构实现，而是能够在特征数据库中实施。只要数据库保证必要的一致性，通过特征的支持关心，设计人员能够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能够确定信息、文件功能的关系并存储在计算机内部，并能够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。采纳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

43、。那个问题一般能够通过对相应规范和强制条件的动态审查来幸免。假如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，如此就能够对每项措施进行检验。然而，执行如此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要紧过程如下： 1)基于约束的特征描述；2)特征结构图

44、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，最要紧的是基于约束的特征描述，要紧包括以下内容： 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，结构图元一般能够是由线段、圆、圆弧、样条曲线等组成的特征框模型；3)依照几何体素及位置关系进行分析结构图元的几何构成及其位置。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。参数化定义过程能够描述如下：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、

45、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，以满足专门主特征的需要。辅助特征实现参数化要紧是将辅助特征用计算方程和逻辑方程表达，参数能够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要紧包括下列三个方面：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

46、)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，这些约束要紧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，要紧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猎取成为可能；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确实感官刺激，并

47、以尽可能自然的方式反馈给用户，要紧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-based 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依照观看点及其观看方向通过实时计算、实时绘制三维几何体来实现的。2)基于图像绘制(

48、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一般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依照产品与零件的功能、强度、刚度、稳定性、疲劳和动平

49、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，能更深入地进展虚拟设计技术，使虚拟制造各时期的数据相互关联、继承、可重用和共享。为此，必须建立合适的设计系统模型。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，依照不同零件设计要求，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、精度特征和技术治理特征等。图5-11为元模型的结构。(1) 元模型及基于知识的元模型建

50、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。区不于一般CAD的直接几何造型方法，元模型的建模是先采纳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，再依照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。

51、元模型零件N强度设计规则库标准库材料参数刚度设计疲劳设计刚度设计疲劳设计零件2强度设计规则库标准库材料参数刚度设计疲劳设计刚度设计疲劳设计零件1图5-11元模型的结构2)元模型的建模 一个基于知识的元模型的建模可由来描述，其中，为零件类的名称符号集合，例如可设齿轮类为集合，轴类为集合等，表示零件子类集合；是受力分析，其结果是得到所设计零件的载荷，；为输入集，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；为设计种类的集合，那个地点是某种设计，能够为空，即有些零件的设计不是每种设计都要求的，但不全为空，例如假定为强度设计，为刚度设计，为疲劳设计等，可表示为，又

52、是某种设计的不同公式或不同对应规律。通过个设计，可求出某零件的一组特征、形状、尺寸、功能、行为、意图等参数；是元模型，即，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，也确实是一个映射。(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。关于机构的虚拟设计，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

53、部件或产品的独立部分为止，而且各层机构模型中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。如此分解机构模型，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，机构模型可采纳元模型子机构模型1元模型元模型父机构模型1元模型子机构模型N元模型元模型机构组成专家系统N层父机构模型n机构部件模型图5-12机构模型的树形结构图Agent系统的方法建模，每一个机构能够成为一个Agent，一个大的Agent包含多个小的Agent。多Agent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Agent恰好能表

54、明机构的不同层次。在设计时，不同设计人员可分不基于Internet/Intranet作为同一或不同Agent同时进行机构设计，从而形成多Agent系统。机构虚拟设计的差不多Agent结构由感知器、效应器、任务求解、角色分工列表和通信治理模块组成，见图5-13。角色列表任务求解感知器效应器通信治理图5-13机构模型的差不多Agent结构 感知器是Agent同意外部世界信息的感受通道，能够感知其它Agent已成功设计的机构对本机构设计的阻碍。通信治理模块实际上是一个通信操纵器，负责与其它Agent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，它包括用来具体操纵消息传递的消息门和对消息内容进

55、行的解释器。角色列表是本Agent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问题。任务求解模块是Agent的基于知识的设计核心部分，将从任务列表模块中传来的问题分不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；核心算法要紧依靠载荷分析和数据库进行强度、刚度等设计求解，任务求解要紧包括求解治理、推理引擎/核心算法、数据库、知识库及其治理系统，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Agent阻碍或改变其它Agent及环境的界面，完成的设计任务由它输出给系统并被其它Agent所感知。(3)

56、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，应依照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。产品模型应是产品最高一个层次的模型，其结构见图5-14。一般情况下，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产品集成模型目的1目的2目的n性能仿真模型1性能仿真模型2性能仿真模型n性能仿真模型1性能仿真模型2性能仿真模型n模拟装配模型图514产品模型结构法)，如机电产品模型的结构有动力模块、电气及操纵模块、传动变速模块、执行模块等，然后再依照产品不同功能目的，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、

57、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，即每一模型能够完成某一或多个仿确实目的，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。关于具体仿真模型来讲，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依照具体情况来定，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

58、交换标准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。设为集成化的模型，其中，为基于特征的产品虚拟装配模型，为基于不同目的的仿真模型，为基于某一目的的仿真模型，为基于知识的仿真表达式，为仿真时刻，为仿真参数集，若，由此个仿真模型，得到组动态模型数据，通过触发和推进仿真进程。每个性能仿真模型的数据格式都采纳STEP标准，在产品层面上，由系统开发者依照开发目标，对产品特征、性能仿确实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

59、型，用Express表达，该模型经Express2expg处理后，能够转换成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。假如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操纵部分确实是其大脑。(1) 语言类软件语言类软件如VRML、Fortran、C、Java、OpenGL等都能够作为开发应用程序的语言工具。下面要紧介

60、绍VRML。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，利用它能够在Internet上建立交互式的三维多媒体的境地。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的差不多特征包括分布式、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公布的ISO国际标准(ISO/IECl4772)。进展至今，