一種基于面向對象的機械系統虛擬樣機技術初探

穆以東　尹成強　趙嶺

摘 要:本文首先簡要敘述了機械系統仿真技術的概念及其應用，同時，還將本輪開發的主要過程進行了簡單的描述。對于本次機械系統虛擬樣機的開發研究的主要內容只是在理念方面做了相應的陳述。最后，對于機械系統虛擬樣機技術的應用場合和效果給予了簡要的概括。本文旨在理念和概念方面給虛擬樣機開發技術起到一定的借鑒和引導作用。

關鍵詞:面向對象虛擬樣機仿真分析原型系統

中圖分類號:TH122 文獻標識碼：A 文章編號:1674-098X(2012)07(c)-0042-01

虛擬現實(Virtual Reality)技術是一種研究人與計算機之間理想交互方式的技術，以實現人-計算機界面的理想匹配為目標。即采用以計算機技術為核心的現代高技術生成逼真的視、聽、觸角一體化的特定范圍的虛擬環境，用戶借助必要的裝備以自然方式與虛擬環境中的客體進行交互作用、相互影響，從而產生親臨等同真實環境的感受和體驗。一方面，人們習慣于日常生活中的人與人、人與環境之間的交互方式，其特點是形象、直觀、自然，如可見、可聽、可觸、可摸。另一方面，計算機有著很強的計算能力，隨著圖形生成、圖像處理、語音處理、傳感器以及多媒體技術的發展，計算機處理視覺、聽覺、觸覺、力覺等信息的能力大大增強，而且這種能力是隨著技術的發展而逐步提高的。

1 機械系統運動仿真的應用

利用機械系統仿真技術的的開發過程是:(1)概念形成;(2)構思原理;(3)建模;(4)仿真試驗;(5)建造樣機;(6)物理樣機試驗，因為仿真試驗的反復開展均是在計算機上進行的，所以過程快捷有效;而且通過其反復進行排除了設計中的大多數動力學故障，從而大大降低了物理樣機實驗的失敗率。利用機械系統運動仿真技術的開發方法具有開發周期短、節奏快、開發成本低、反饋信息迅速全面、容易掌握等特點。

2 機械系統虛擬樣機技術研究的主要內容

2.1 在機械系統運動仿真分析中應用面向對象技術

面向對象技術是一種起源于面向對象的計算機語言，同時又優越于計算機程序設計和軟件開發的技術。由于面向對象技術的概念和方法是建立在人類在認識和理解客觀現實世界的過程中普通運用的三個法則的基礎之上的，亦即區分對象及其屬性，區分整體對象及其組成部分和不同對象類的形成及區分。因此，人們能利用一種更符合人們的思維習慣，更適合于解決復雜問題的方式來處理所研究對象。目前，面向對象技術已遍布計算機軟硬件的各個領域，如面向對象語言、面向對象的程序設計方法學、面向對象的計算機體系結構等。

2.2 確定用于描述機械系統的數據結構

數據結構是介于數學、計算機硬件和計算機軟件之間的非常重要的技術基礎。其實質就是對確定的問題選擇一種好的數據結構，同時也選擇一種好的算法。目前，數據結構不僅是一般程序設計的基礎，而且是設計和實現編譯程序、操作系統、數據庫系統及其它系統程序和大型應用程序的重要基礎。

首先，“機械系統虛擬樣機”計算機通用軟件系統需能準確、恰當、完整的存儲整個機械系統的模型，描述組成系統的各零部件間的連接關系、受力情況、運動激勵等;其次，各種信息必須易于添加、修改、刪除和查找;此外，也要考慮到機械系統的多樣性和復雜性。因此，數據結構本身不能對機械系統的形式和規模有限制。由于機械系統的拓撲結構可由網絡圖來描述，其接點間的關系可以是任意的，任意兩個數據元素之間都可能相關，因此不能用線性或層次數據結構來描述。為此，應該以圖形表達方式來作為基礎數據結構將物理空間中的機械系統映射到計算機中，以方便對其進行操作。

2.3 建立基于圖形的前、后處理界面

計算機圖形用戶界面以方便、自然、友好的人機交互方式為主要優點。但“機械系統虛擬樣機”計算機通用軟件系統本身涉及到較深的力學及數學專業知識，要使通用軟件達到上述要求，其關鍵就在于對其前、后處理界面的設計。對于前后處理界面的要求是:只要用戶采用常用的工程技術語言進行簡單的操作，輸入系統必須具有明確物理意義的參數，提出對于將進行的仿真分析及所關心的分析結果的基本要求即可，其余的工作都交由計算機來完成，最后由計算機以直觀、簡明的方式為用戶給出最終結果。而計算機所進行的所有操作對用戶而言是“透明”的。

“機械系統虛擬樣機”計算機通用軟件系統的用戶為國內機械制造業的廣大工程技術人員，他們當中大多數人員的專業技術水平很高，但英語及計算機水平卻參差不齊，而且通常缺乏對剛體系統動力學的系統學習和專門了解。因此，開發軟件系統前、后處理組件的目的在于:一方面將用戶常用的工程技術語言及簡單的操作方式轉化為計算機系統所能識別并且易于操作的數據，另一方面將用戶的輸入結果及計算機的處理結果轉化為直觀、準確的信息反饋給用戶;并且對用戶的輸入信息機械處理及擴充，以便于其它組件的調用和處理。

2.4 建立進行機械系統動力學仿真分析的算法

“機械系統虛擬樣機”計算機通用軟件系統的核心是運用多體系統動力學的理論與方法對物理機械系統的力學模型進行計算分析。通過對于多體系統動力學理論的分析研究，在兼顧理論與實踐兩方面情況的前提下，采用具有幾何與計算相統一的優點的休斯敦方法，作為具有凱恩方法的優點。此外，為方便起見采用多體系和相對坐標進行物性參數的描述。該算法可用于進行系統的運動學及動力學分析。

2.5 軟件原型系統的實現

綜合運用以上建模原理及算法，并使用相應的顯示設備(大屏幕顯示、CRT顯示等)、跟蹤設備(頭部、手部跟蹤設備)、手動數字化設備(三位鼠標、空間球等)及其他感官設備，同時使用快速立體圖像生成、三維交互、分布式實時處理系統等軟件系統，設計開發一套具有自主版權并具有良好人機界面的，面向我國中、小型機械企業的、商品化的“機械系統虛擬樣機”計算機通用軟件系統。

3 結語

總之，通過以上方法設計出的機械系統虛擬樣機技術不但可用于系統方案論證及評估，而且還可用于產品的概念設計階段、設計細化階段、實驗規劃階段以及工作狀態再現等的全過程中。由此可見，機械系統虛擬樣機技術作為進行樣機設計、仿真研究復雜機械系統動力學問題的有效手段，它不但可以幫助產品制造商擺脫對于物理樣機的過分依賴，而且大大縮短了產品的設計開發周期，降低成本，進而突破制約產品設計水平提高的“瓶頸”。

參考文獻

[1] 續彥芳,崔俊杰,蘇鐵雄.虛擬樣機技術及其在ADAMS中的應用[J].機械管理開發,2005(01).

[2] 鄭曉曦,孫國正.虛擬樣機系統[J].計算機工程與應用,2005(01).