機械設計虛擬仿真系統關鍵技術分析

王 迪

(遼寧職業學院，遼寧 鐵嶺 112099)

0 引言

虛擬仿真技術是指使用計算機軟件來模擬現實世界的環境和系統，可以在虛擬環境中提供物理系統行為的密切表示，從而使用戶能夠在安全和經濟高效的方式中進行實驗、預測和分析數據[1]。在模擬過程中，計算機技術能夠通過接受到的信息進行相關動作處理。隨著計算機技術、傳感器技術和人工智能技術的不斷發展，虛擬現實技術目前在機械生產、制造業、室內設計、工業模擬和教學等領域得到了廣泛的應用與發展[2]。

機械設計專業主要包括機械工程制圖、機械結構分析、機械制造技術和機械系統安裝與調試等，是一門綜合實踐能力較強的專業課程[3]。因此，機械設計中的實踐教學培訓與機器實踐是提高機械設計專業人才培養的重要環節。但是由于機械產品種類較多，技術更新換代較快，相關高校在機械設計專業中教學經費不足、實驗室設備不全面及缺乏實踐場地等，無法為學生提供實踐操作[4]。虛擬現實技術可以克服空間局限性，通過建立機械設計虛擬仿真系統，保證學生利用該系統完成系統實踐能力的培養與訓練，提高實踐能力和創新能力。另一方面，在機械產品加工過程中，采用虛擬現實技術可以節省裝備加工周期，提高生產效率。

1 虛擬仿真技術特點

虛擬仿真技術主要包括計算機技術、圖像處理技術、傳感器技術和人機交互技術等的融合。通過計算機技術對真實的生產環境進行模擬，并使用相關設備保證用戶的視覺、聽覺和觸覺的感知與三維場景中進行信息交互，保證用戶能夠體驗現實環境中的真實場景與感受。主要包括以下3個技術特征。

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境隔離，處于計算機營造的虛擬環境中，帶給用戶一種沉浸式感受，實現用戶置身其中的應用效果。沉浸性主要體現在視覺沉浸(通過3D模型、虛擬現實設備等技術手段，讓用戶的視覺感受完全融入到虛擬環境中，感覺自己置身于一個真實的環境之中)、聽覺沉浸(通過音效、語音識別等技術手段，讓用戶感覺自己置身于真實的環境中，聽到來自虛擬環境中的聲音和聲音的變化)、觸覺沉浸(通過觸覺反饋裝置、力反饋設備等技術手段，讓用戶感覺到虛擬環境中物體的質感、形狀等，增強用戶的沉浸感)。

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

3)構想性。構想性是指用戶基于沉浸性和交互性對虛擬場景產生想象，對概念和理論得到提升與轉變，是前兩種性質的高效表現形式之一。

2 機械設計虛擬仿真系統整體結構

2.1 預期目標

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

2.2 結構及組成

2.2.1 硬件組成

機械設計虛擬仿真設備硬件裝置主要包括顯示設備、交互設備和數據分析設備。顯示設備主要包括顯示屏、投影儀器等；交互設備主要包括服務器、控制器等，完成機械設計零部件的選取、移動等操作。數據分析設備主要包括圖形處理、視頻信息交互等設備，最終將虛擬圖像傳輸到顯示裝備(圖1)[7]。

圖1 機械設計虛擬仿真系統整體結構

2.2.2 開發工具

為了滿足機械設備的裝配、拆裝等過程，系統開發工具主要包括應用系統層、模塊層、數據層和結構層等，整體結構與組成如圖2所示。

圖2 系統結構層組成

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

表1 系統開發引擎技術對比

2)三維建模軟件的選擇。在機械設計過程中需要對相關零部件進行三維建模，目前常用的建模軟件主要包括UG、CATIA、Pro/E等。本系統選擇UG作為建模軟件，首先，UG擁有先進的三維建模技術和豐富的建模工具，可以快速高效地完成復雜的三維零件建模，其次UG系統中自帶大量標準件和零部件庫，可以方便地進行零部件組裝和設計，提高設計效率。同時，UG系統支持多種裝配設計功能，可以快速、準確地完成機械裝配設計，支持可視化裝配和動態模擬。綜上所述，選擇UG作為三維建模軟件，可以充分發揮其強大的建模和裝配設計能力，并且可以方便地利用其豐富的零件庫資源，提高設計效率和精度。

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工業模式的格式進行搭配如，因此需要相關中間軟件或者工具進行格式轉化。本研究采用3ds Max軟件作為UG和Unity 3D兩款軟件格式轉化的中間軟件，可以充分發揮其強大的數據導入和導出能力，快速、準確地將UG模型導入到3ds Max中進行后續的操作和處理，然后將3ds Max中的模型導出為Unity 3D所支持的格式進行使用。同時，3ds Max還具有豐富的建模和編輯工具、高效的材質和紋理編輯功能以及強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力。

3 關鍵技術研究

3.1 UG二次開發技術

3.1.1 UG/Open UIStyler

UG/Open UIStyler是UG軟件的可視化工具，可以避免復雜的圖形用戶界面。此工具設計對話框的方法與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取點、直線、曲線和面等生成工具，創建集合體模型，并且可以控制模型參數，具有通俗易懂等應用優勢。

3.1.3 UG/Open API函數

UG/Open API函數又被稱為用戶函數，主要是實現機械產品三維建模過程中查詢模型對象、遍歷裝配體等功能，對各個模型進行管理和定義。

3.2 特征提取技術

機械制圖是一種描述機械結構和零件的技術，通常包括二維制圖和三維制圖。特征提取技術在機械制圖中也有廣泛的應用，可以自動地從制圖中提取出機械零件的特征信息，便于后續的零件分析、建模和加工等工作。

1)基于圖像處理的特征提取。對機械制圖進行二值化、濾波、邊緣檢測等預處理操作，然后通過形態學處理、Hough變換等技術提取出零件的輪廓、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，將機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和關系，提取出零件的尺寸、位置、形狀等特征。

4)基于深度學習的特征提取。利用深度學習技術，可以自動地從機械制圖中學習特征表示，如卷積神經網絡(CNN)等，通過訓練，可以識別出零件的輪廓、孔、槽等特征。

3.3 碰撞檢測技術

碰撞檢測技術是模擬相關機械裝配檢測的重要環節之一。碰撞檢測算法的選擇對于提升虛擬仿真系統的合理性具有重要意義。尤其是當多個用戶在虛擬場景中進行協同操作時，會出現多個對象運動的情況，發生相互碰撞、重疊和彼此穿透等現象，嚴重時還會導致物體不按照原始軌跡進行運動，影響虛擬仿真系統的體驗。

4 結論

本研究系統論述了機械設計虛擬仿真系統的整體方案與核心技術，系統介紹了整體結構的硬件組成與系統開發工具，并闡述了UG二次開發技術、特征提取技術、Unity3D讀取信息技術和碰撞檢測技術。研究結果以期為機械設計虛擬試驗系統的建立與優化提供技術參考與借鑒。