机械设计虚拟仿真系统关键技术分析

王 迪

(辽宁职业学院，辽宁 铁岭 112099)

0 引言

虚拟仿真技术是指使用计算机软件来模拟现实世界的环境和系统，可以在虚拟环境中提供物理系统行为的密切表示，从而使用户能够在安全和经济高效的方式中进行实验、预测和分析数据[1]。在模拟过程中，计算机技术能够通过接受到的信息进行相关动作处理。随着计算机技术、传感器技术和人工智能技术的不断发展，虚拟现实技术目前在机械生产、制造业、室内设计、工业模拟和教学等领域得到了广泛的应用与发展[2]。

机械设计专业主要包括机械工程制图、机械结构分析、机械制造技术和机械系统安装与调试等，是一门综合实践能力较强的专业课程[3]。因此，机械设计中的实践教学培训与机器实践是提高机械设计专业人才培养的重要环节。但是由于机械产品种类较多，技术更新换代较快，相关高校在机械设计专业中教学经费不足、实验室设备不全面及缺乏实践场地等，无法为学生提供实践操作[4]。虚拟现实技术可以克服空间局限性，通过建立机械设计虚拟仿真系统，保证学生利用该系统完成系统实践能力的培养与训练，提高实践能力和创新能力。另一方面，在机械产品加工过程中，采用虚拟现实技术可以节省装备加工周期，提高生产效率。

1 虚拟仿真技术特点

虚拟仿真技术主要包括计算机技术、图像处理技术、传感器技术和人机交互技术等的融合。通过计算机技术对真实的生产环境进行模拟，并使用相关设备保证用户的视觉、听觉和触觉的感知与三维场景中进行信息交互，保证用户能够体验现实环境中的真实场景与感受。主要包括以下3个技术特征。

1)沉浸性。沉浸性又被称为“真实性”，主要是保证用户的听觉、视觉和触觉与真实的环境隔离，处于计算机营造的虚拟环境中，带给用户一种沉浸式感受，实现用户置身其中的应用效果。沉浸性主要体现在视觉沉浸(通过3D模型、虚拟现实设备等技术手段，让用户的视觉感受完全融入到虚拟环境中，感觉自己置身于一个真实的环境之中)、听觉沉浸(通过音效、语音识别等技术手段，让用户感觉自己置身于真实的环境中，听到来自虚拟环境中的声音和声音的变化)、触觉沉浸(通过触觉反馈装置、力反馈设备等技术手段，让用户感觉到虚拟环境中物体的质感、形状等，增强用户的沉浸感)。

2)交互性。交互性是指用户可以通过信息输入设备与虚拟环境进行信息交互，并可以得到虚拟环境的相关信息反馈的能力。通过交互性，用户可以与虚拟环境进行实时的双向信息交互，使虚拟环境更具有灵活性和可操作性。

3)构想性。构想性是指用户基于沉浸性和交互性对虚拟场景产生想象，对概念和理论得到提升与转变，是前两种性质的高效表现形式之一。

2 机械设计虚拟仿真系统整体结构

2.1 预期目标

本研究系统论述一种集教学、展示于一体的机械设计虚拟仿真系统，主要包括3D数字技术、碰撞检测技术。该系统需要满足的生产目标如下：1)在虚拟仿真系统中可以实现机械零件的装配与仿真；2)在UG软件中可以完成机械产品的特征信息提取，并将提取的信息与零件相互匹配，工作人员可以制造机械模型，并在虚拟场景中展示；3)设计符合真实场景的机械装配顺序；4)可以将系统与硬件相互连接，实现系统整体运行测试。

2.2 结构及组成

2.2.1 硬件组成

机械设计虚拟仿真设备硬件装置主要包括显示设备、交互设备和数据分析设备。显示设备主要包括显示屏、投影仪器等；交互设备主要包括服务器、控制器等，完成机械设计零部件的选取、移动等操作。数据分析设备主要包括图形处理、视频信息交互等设备，最终将虚拟图像传输到显示装备(图1)[7]。

图1 机械设计虚拟仿真系统整体结构

2.2.2 开发工具

为了满足机械设备的装配、拆装等过程，系统开发工具主要包括应用系统层、模块层、数据层和结构层等，整体结构与组成如图2所示。

图2 系统结构层组成

1)系统开发引擎。目前系统开发引擎主要包括Unity 3D、Unreal、万维等工具，主要技术特征对比如表1所示。本研究最终选择Unity 3D作为系统开发引擎，其开发过程如图3所示。

表1 系统开发引擎技术对比

2)三维建模软件的选择。在机械设计过程中需要对相关零部件进行三维建模，目前常用的建模软件主要包括UG、CATIA、Pro/E等。本系统选择UG作为建模软件，首先，UG拥有先进的三维建模技术和丰富的建模工具，可以快速高效地完成复杂的三维零件建模，其次UG系统中自带大量标准件和零部件库，可以方便地进行零部件组装和设计，提高设计效率。同时，UG系统支持多种装配设计功能，可以快速、准确地完成机械装配设计，支持可视化装配和动态模拟。综上所述，选择UG作为三维建模软件，可以充分发挥其强大的建模和装配设计能力，并且可以方便地利用其丰富的零件库资源，提高设计效率和精度。

3)中间软件分析。Unity 3D软件支持Obi、fbx和3ds等集中文件格式，但是无法直接将UG软件的stp工业模式的格式进行搭配如，因此需要相关中间软件或者工具进行格式转化。本研究采用3ds Max软件作为UG和Unity 3D两款软件格式转化的中间软件，可以充分发挥其强大的数据导入和导出能力，快速、准确地将UG模型导入到3ds Max中进行后续的操作和处理，然后将3ds Max中的模型导出为Unity 3D所支持的格式进行使用。同时，3ds Max还具有丰富的建模和编辑工具、高效的材质和纹理编辑功能以及强大的动画和渲染功能，可以为Unity 3D中的模型提供更好的效果和表现力。

3 关键技术研究

3.1 UG二次开发技术

3.1.1 UG/Open UIStyler

UG/Open UIStyler是UG软件的可视化工具，可以避免复杂的图形用户界面。此工具设计对话框的方法与C++编程方法相同。

3.1.2 UG/Open Grip语言

UG/Open Grip语言主要是从工具包中调取点、直线、曲线和面等生成工具，创建集合体模型，并且可以控制模型参数，具有通俗易懂等应用优势。

3.1.3 UG/Open API函数

UG/Open API函数又被称为用户函数，主要是实现机械产品三维建模过程中查询模型对象、遍历装配体等功能，对各个模型进行管理和定义。

3.2 特征提取技术

机械制图是一种描述机械结构和零件的技术，通常包括二维制图和三维制图。特征提取技术在机械制图中也有广泛的应用，可以自动地从制图中提取出机械零件的特征信息，便于后续的零件分析、建模和加工等工作。

1)基于图像处理的特征提取。对机械制图进行二值化、滤波、边缘检测等预处理操作，然后通过形态学处理、Hough变换等技术提取出零件的轮廓、孔、槽、螺纹等特征。

2)基于CAD软件的特征提取。通过在CAD软件中载入机械制图，利用软件提供的API接口或者宏命令等方式，自动地从制图中提取出特定的零件特征，如孔、槽、圆柱、球面等。

3)基于几何体识别的特征提取。通过几何体识别技术，将机械零件拆分成基本几何体，如平面、圆柱、球等，然后利用这些几何体的参数和关系，提取出零件的尺寸、位置、形状等特征。

4)基于深度学习的特征提取。利用深度学习技术，可以自动地从机械制图中学习特征表示，如卷积神经网络(CNN)等，通过训练，可以识别出零件的轮廓、孔、槽等特征。

3.3 碰撞检测技术

碰撞检测技术是模拟相关机械装配检测的重要环节之一。碰撞检测算法的选择对于提升虚拟仿真系统的合理性具有重要意义。尤其是当多个用户在虚拟场景中进行协同操作时，会出现多个对象运动的情况，发生相互碰撞、重叠和彼此穿透等现象，严重时还会导致物体不按照原始轨迹进行运动，影响虚拟仿真系统的体验。

4 结论

本研究系统论述了机械设计虚拟仿真系统的整体方案与核心技术，系统介绍了整体结构的硬件组成与系统开发工具，并阐述了UG二次开发技术、特征提取技术、Unity3D读取信息技术和碰撞检测技术。研究结果以期为机械设计虚拟试验系统的建立与优化提供技术参考与借鉴。