一種基于面向?qū)ο蟮臋C(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)初探

穆以東　尹成強(qiáng)　趙嶺

摘 要:本文首先簡(jiǎn)要敘述了機(jī)械系統(tǒng)仿真技術(shù)的概念及其應(yīng)用，同時(shí)，還將本輪開發(fā)的主要過程進(jìn)行了簡(jiǎn)單的描述。對(duì)于本次機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)的開發(fā)研究的主要內(nèi)容只是在理念方面做了相應(yīng)的陳述。最后，對(duì)于機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合和效果給予了簡(jiǎn)要的概括。本文旨在理念和概念方面給虛擬樣機(jī)開發(fā)技術(shù)起到一定的借鑒和引導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞:面向?qū)ο筇摂M樣機(jī)仿真分析原型系統(tǒng)

中圖分類號(hào):TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào):1674-098X(2012)07(c)-0042-01

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)技術(shù)是一種研究人與計(jì)算機(jī)之間理想交互方式的技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)人-計(jì)算機(jī)界面的理想匹配為目標(biāo)。即采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高技術(shù)生成逼真的視、聽、觸角一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的裝備以自然方式與虛擬環(huán)境中的客體進(jìn)行交互作用、相互影響，從而產(chǎn)生親臨等同真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。一方面，人們習(xí)慣于日常生活中的人與人、人與環(huán)境之間的交互方式，其特點(diǎn)是形象、直觀、自然，如可見、可聽、可觸、可摸。另一方面，計(jì)算機(jī)有著很強(qiáng)的計(jì)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(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)處理視覺、聽覺、觸覺、力覺等信息的能力大大增強(qiáng)，而且這種能力是隨著技術(shù)的發(fā)展而逐步提高的。

1 機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)仿真的應(yīng)用

利用機(jī)械系統(tǒng)仿真技術(shù)的的開發(fā)過程是:(1)概念形成;(2)構(gòu)思原理;(3)建模;(4)仿真試驗(yàn);(5)建造樣機(jī);(6)物理樣機(jī)試驗(yàn)，因?yàn)榉抡嬖囼?yàn)的反復(fù)開展均是在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的，所以過程快捷有效;而且通過其反復(fù)進(jìn)行排除了設(shè)計(jì)中的大多數(shù)動(dòng)力學(xué)故障，從而大大降低了物理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)的失敗率。利用機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)的開發(fā)方法具有開發(fā)周期短、節(jié)奏快、開發(fā)成本低、反饋信息迅速全面、容易掌握等特點(diǎn)。

2 機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)研究的主要內(nèi)容

2.1 在機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)仿真分析中應(yīng)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)

面向?qū)ο蠹夹g(shù)是一種起源于面向?qū)ο蟮挠?jì)算機(jī)語言，同時(shí)又優(yōu)越于計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)的技術(shù)。由于面向?qū)ο蠹夹g(shù)的概念和方法是建立在人類在認(rèn)識(shí)和理解客觀現(xiàn)實(shí)世界的過程中普通運(yùn)用的三個(gè)法則的基礎(chǔ)之上的，亦即區(qū)分對(duì)象及其屬性，區(qū)分整體對(duì)象及其組成部分和不同對(duì)象類的形成及區(qū)分。因此，人們能利用一種更符合人們的思維習(xí)慣，更適合于解決復(fù)雜問題的方式來處理所研究對(duì)象。目前，面向?qū)ο蠹夹g(shù)已遍布計(jì)算機(jī)軟硬件的各個(gè)領(lǐng)域，如面向?qū)ο笳Z言、面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法學(xué)、面向?qū)ο蟮挠?jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)等。

2.2 確定用于描述機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是介于數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)硬件和計(jì)算機(jī)軟件之間的非常重要的技術(shù)基礎(chǔ)。其實(shí)質(zhì)就是對(duì)確定的問題選擇一種好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)也選擇一種好的算法。目前，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不僅是一般程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，而且是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)編譯程序、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)及其它系統(tǒng)程序和大型應(yīng)用程序的重要基礎(chǔ)。

首先，“機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)”計(jì)算機(jī)通用軟件系統(tǒng)需能準(zhǔn)確、恰當(dāng)、完整的存儲(chǔ)整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的模型，描述組成系統(tǒng)的各零部件間的連接關(guān)系、受力情況、運(yùn)動(dòng)激勵(lì)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(jī)械系統(tǒng)的多樣性和復(fù)雜性。因此，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)本身不能對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的形式和規(guī)模有限制。由于機(jī)械系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可由網(wǎng)絡(luò)圖來描述，其接點(diǎn)間的關(guān)系可以是任意的，任意兩個(gè)數(shù)據(jù)元素之間都可能相關(guān)，因此不能用線性或?qū)哟螖?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來描述。為此，應(yīng)該以圖形表達(dá)方式來作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將物理空間中的機(jī)械系統(tǒng)映射到計(jì)算機(jī)中，以方便對(duì)其進(jìn)行操作。

2.3 建立基于圖形的前、后處理界面

計(jì)算機(jī)圖形用戶界面以方便、自然、友好的人機(jī)交互方式為主要優(yōu)點(diǎn)。但“機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)”計(jì)算機(jī)通用軟件系統(tǒng)本身涉及到較深的力學(xué)及數(shù)學(xué)專業(yè)知識(shí)，要使通用軟件達(dá)到上述要求，其關(guān)鍵就在于對(duì)其前、后處理界面的設(shè)計(jì)。對(duì)于前后處理界面的要求是:只要用戶采用常用的工程技術(shù)語言進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作，輸入系統(tǒng)必須具有明確物理意義的參數(shù)，提出對(duì)于將進(jìn)行的仿真分析及所關(guān)心的分析結(jié)果的基本要求即可，其余的工作都交由計(jì)算機(jī)來完成，最后由計(jì)算機(jī)以直觀、簡(jiǎn)明的方式為用戶給出最終結(jié)果。而計(jì)算機(jī)所進(jìn)行的所有操作對(duì)用戶而言是“透明”的。

“機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)”計(jì)算機(jī)通用軟件系統(tǒng)的用戶為國(guó)內(nèi)機(jī)械制造業(yè)的廣大工程技術(shù)人員，他們當(dāng)中大多數(shù)人員的專業(yè)技術(shù)水平很高，但英語及計(jì)算機(jī)水平卻參差不齊，而且通常缺乏對(duì)剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的系統(tǒng)學(xué)習(xí)和專門了解。因此，開發(fā)軟件系統(tǒng)前、后處理組件的目的在于:一方面將用戶常用的工程技術(shù)語言及簡(jiǎn)單的操作方式轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所能識(shí)別并且易于操作的數(shù)據(jù)，另一方面將用戶的輸入結(jié)果及計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果轉(zhuǎn)化為直觀、準(zhǔn)確的信息反饋給用戶;并且對(duì)用戶的輸入信息機(jī)械處理及擴(kuò)充，以便于其它組件的調(diào)用和處理。

2.4 建立進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析的算法

“機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)”計(jì)算機(jī)通用軟件系統(tǒng)的核心是運(yùn)用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的理論與方法對(duì)物理機(jī)械系統(tǒng)的力學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算分析。通過對(duì)于多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論的分析研究，在兼顧理論與實(shí)踐兩方面情況的前提下，采用具有幾何與計(jì)算相統(tǒng)一的優(yōu)點(diǎn)的休斯敦方法，作為具有凱恩方法的優(yōu)點(diǎn)。此外，為方便起見采用多體系和相對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行物性參數(shù)的描述。該算法可用于進(jìn)行系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析。

2.5 軟件原型系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

綜合運(yùn)用以上建模原理及算法，并使用相應(yīng)的顯示設(shè)備(大屏幕顯示、CRT顯示等)、跟蹤設(shè)備(頭部、手部跟蹤設(shè)備)、手動(dòng)數(shù)字化設(shè)備(三位鼠標(biāo)、空間球等)及其他感官設(shè)備，同時(shí)使用快速立體圖像生成、三維交互、分布式實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)等軟件系統(tǒng)，設(shè)計(jì)開發(fā)一套具有自主版權(quán)并具有良好人機(jī)界面的，面向我國(guó)中、小型機(jī)械企業(yè)的、商品化的“機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)”計(jì)算機(jī)通用軟件系統(tǒng)。

3 結(jié)語

總之，通過以上方法設(shè)計(jì)出的機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)不但可用于系統(tǒng)方案論證及評(píng)估，而且還可用于產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)階段、設(shè)計(jì)細(xì)化階段、實(shí)驗(yàn)規(guī)劃階段以及工作狀態(tài)再現(xiàn)等的全過程中。由此可見，機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)作為進(jìn)行樣機(jī)設(shè)計(jì)、仿真研究復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問題的有效手段，它不但可以幫助產(chǎn)品制造商擺脫對(duì)于物理樣機(jī)的過分依賴，而且大大縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)周期，降低成本，進(jìn)而突破制約產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平提高的“瓶頸”。

參考文獻(xiàn)

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[2] 鄭曉曦,孫國(guó)正.虛擬樣機(jī)系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2005(01).