汽车发动机虚拟装配研究(附件)
本论文建立了一个汽车发动机虚拟装配系统，以实现产品经济性和可装配性的基础。经济性上使用普通的笔记本电脑作为硬件平台，装配性上通过建模软件 Multigen Creator及虚拟环境渲染驱动软件 Vega Prime的结合来搭建一个虚拟装配的环境。普通用户通过该虚拟装配环境可以快速浏览和设置体验汽车发动机装配过程，该装配环境整合了虚拟现实和 CAD 两种技术的优点，集建模与仿真于一体。并且本文在对虚拟装配软件的深入研究中提出了对该虚拟装配环境二次扩展开发的一些设想。研究了基于Multigen的虚拟装配模型建立方法。通过使用SolidWorks机械三维设计软件获取的汽车发动机零部件的基础模型，得到发动机零件的CAD图纸，用于零部件的制造。提出了对已有普通CAD软件建立的模型进行数据处理转换的一种思路，极大的简化了建立虚拟装配模型的步骤，通过使用基础模型在Deep Exploration的模型转换得到3D Studio 模型 (*.3ds)，在 Multigen Creator中建立了发动机的虚拟仿真模型，并对该模型进行优化及实时性改进，结果表明该方法在虚拟装配中取得了良好的效果。充分理解Vega Prime碰撞机制以及其他仿真内容后，在Vega Prime中通过窗口界面程序Lynx完成发动机的拆装过程运行，并结合 Path Tool路径导航工具规划了发动机虚拟装配的路径。在path tool操作界面用户可以更改汽车发动机虚拟装配的位姿设置以及装配顺序规划，并可以在相对应运行界面实时观察到该变化，本系统仅使用一台笔记本电脑即完成了汽车发动机的虚拟装配，利用虚拟现实的优势打破了以往装配在时间空间上的限制，用户可以通过多通道的视角以及使用一个运动方式来浏览体验汽车发动机的虚拟装配内容。关键词：模型；汽车发动机；仿真；虚拟装配 目录
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 课题背景 2
1.2.1 国外虚拟装配技术发展现状 2
1.2.2 国内虚拟装配技术发展现状 2
1.3 虚拟装配技术要点 3
1.4 研究内容介绍 4
第二章 系统整体方案设计 5
2.1 汽车发动机基本结构及其装配特征介绍 5
2.1.1汽车发动机基本结构的简单介
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
引言 1
1.2 课题背景 2
1.2.1 国外虚拟装配技术发展现状 2
1.2.2 国内虚拟装配技术发展现状 2
1.3 虚拟装配技术要点 3
1.4 研究内容介绍 4
第二章 系统整体方案设计 5
2.1 汽车发动机基本结构及其装配特征介绍 5
2.1.1汽车发动机基本结构的简单介绍 5
2.1.2汽车发动机的装配特征 6
2.2 虚拟装配系统设计 7
2.2.1 系统的工作原理 7
2.2.2 系统的框架结构 8
2.2.3 系统的功能设计 8
2.3 本章小结 9
第三章 汽车发动机的建模 10
3.1 建模软件Multigen Creator工具介绍 10
3.2 虚拟装配三维模型的建立 10
3.2.1基于虚拟装配建模的特点 10
3.2.2虚拟装配建模方法的选择 11
3.2.3 CAD模型的建立及文件信息转换导入 12
3.3 使用Multigen Creator对模型进行优化 14
3.4 使用Multigen Creator为模型定制约束体 17
3.5 本章小结 18
第四章 汽车发动机虚拟装配的完成 19
4.1 vega Prime工具介绍 19
4.2 使用Vega Prime建立虚拟装配场景 20
4.3 使用Path Tool工具规划装配路径 23
4.4 零部件装配中碰撞检测的实现 28
4.5 本章小结 30
总结与展望 31
致谢 32
参考文献 33
第一章 绪论
1.1 引言
虚拟现实（Virtual Reality），简称VR，是使用计算机模拟得到的能给人以视觉、听觉、甚至于触觉等刺激反馈的人机联动系统。这类系统通过多媒体技术与仿真技术相结合从而生成逼真的感官刺激将其一并体现出来。可以通过使用一些类似鼠标、键盘、虚拟手套等人机交互设备来实现现实世界与虚拟世界的信息交流，使用户在交互过程中感受到更加真切的真实感。模拟逼真的现实环境，并将之与反馈信息结合起来，对用户提高对环境的认知、适应和扩宽思路有良好的作用。虚拟现实技术作为一种综合性很强的技术，是将多种技术（如计算机图形学、数字图像处理、人工智能）交融起来的先进技术概念。
虚拟现实特征上最重要的四个方面包括：多感知性（MultiSensory）、沉浸感（Immersion）、交互性（Interactivity）以及构想性（Imagination）。多感知性的意思不但包括一般计算机已经可以实现的视觉已经听觉，并且包含现阶段依然处于研发中的体感和嗅觉感知，这些多感知性交互设备的发展讲给虚拟现实带来质的变化。虚拟现实的实质特是使人“身临其境”沉浸感，人的感受直接关系虚拟现实项目的发展前景，通过人机交互的趣味性来引导，其最终的目的是对时空环境进行现实的构造，启发人的思维。这些特性是虚拟现实的关键技术特性，改变了以往人们对于人和设备信息交互方式的固有认识，使得人与虚拟现实设备之间的联系更加方便和自然。
虚拟装配是虚拟现实技术在工业制造中最重要的应用之一，因为其不需要产品和支撑过程的实际物理实现，通过建模、软件分析的可视化数据表达手段，使用计算机等其他设备来设定与装配有关联的操作，这种方式使得生产过程中的可能出现的问题被提前预知，装配更加灵活，并且可以大大增加设计工作效率，减少产品的生产周期，对于评估和改进产品也可以起到很好的作用。虚拟装配一般由两个部分组成，包括虚拟装配系统软件和支持系统运行的外设。只有这两个部分同时存在运行，才是一个完整的符合要求的虚拟装配环境。由于虚拟装配技术的这些特性，我们在完成与之相关
的工作模拟的时候就会更加方便、快捷以及真实准确。
1.2 课题背景
1.2.1 国外虚拟装配技术发展现状
虚拟装配技术的研究一般按照先理论提出、然后建立系统、最后深入这三个步骤进行。由于研究基础良好，加上政府比较重视，从20世纪90年代中期开始以来，目前国外的虚拟装配技术经过飞速发展已经达到了第三个步骤。在德国较早的进行虚拟现实研究的是弗劳恩霍夫工业工程研究所实验室对于装配系统的开发研究。这里开发的第1个虚拟装配规划原型系统可以建立的虚拟模拟人体模型与虚拟环境交互完成装配操作。该系统也获得了1996年在德国举办的慕尼黑计算机展览会的最佳系统奖。德国宝马公司通过虚拟现实技术完成了宝马5系轿车尾灯的拆卸和车门的装配过程，对系统的装配和维护过程进行了验证手段的研究，对虚拟现实系统（VR）与已有系统的集成进行了研究。在美国具有代表性的是华盛顿州立大学的VRCIM(Virtual Reality and Computer Integrate Manufacturing)实验室与美国国家标准技术研究所NIST（ US National Institute of Standards and Technology）合作开发的虚拟装配设计环境VADE(Virtual Assembly Design Environment)。VEDA开发的目标是将虚拟现实技术运用到产品制造中，通过生成虚拟环境完成装配规划和评价。
1.2.2 国内虚拟装配技术发展现状
我国虚拟装配技术的研究起步虽然和美国德国相比较晚，但是从20世纪90年代后期以来，通过比较快的发展也研究出了很多新的虚拟现实技术方法和理论，很多国内的高等院校都作了有益的研究。中国科学院软件研究所，应用实例从人机交互的角度为虚拟环境提供了一个基于场景的用户界面模型的验证和实现，并提出了组装车间的五种虚拟场景的虚拟装配：零件到组装厂，零件匹配，装配特征匹配，约束识别与组装。在清华大学863重大研究项目中，从视觉角度上解决了产品的组装问题，并开发了组装仿真系统ASMLS，该系统可以有效对装配工艺规划的结果进行验证，在一定程度上改善和提高了装配工艺，并在此基础上生动、直观的完成了虚拟装配产品，为客户提供装配序列规划和评价职能。CAD＆CG实验室，是浙江大
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 课题背景 2
1.2.1 国外虚拟装配技术发展现状 2
1.2.2 国内虚拟装配技术发展现状 2
1.3 虚拟装配技术要点 3
1.4 研究内容介绍 4
第二章 系统整体方案设计 5
2.1 汽车发动机基本结构及其装配特征介绍 5
2.1.1汽车发动机基本结构的简单介
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
引言 1
1.2 课题背景 2
1.2.1 国外虚拟装配技术发展现状 2
1.2.2 国内虚拟装配技术发展现状 2
1.3 虚拟装配技术要点 3
1.4 研究内容介绍 4
第二章 系统整体方案设计 5
2.1 汽车发动机基本结构及其装配特征介绍 5
2.1.1汽车发动机基本结构的简单介绍 5
2.1.2汽车发动机的装配特征 6
2.2 虚拟装配系统设计 7
2.2.1 系统的工作原理 7
2.2.2 系统的框架结构 8
2.2.3 系统的功能设计 8
2.3 本章小结 9
第三章 汽车发动机的建模 10
3.1 建模软件Multigen Creator工具介绍 10
3.2 虚拟装配三维模型的建立 10
3.2.1基于虚拟装配建模的特点 10
3.2.2虚拟装配建模方法的选择 11
3.2.3 CAD模型的建立及文件信息转换导入 12
3.3 使用Multigen Creator对模型进行优化 14
3.4 使用Multigen Creator为模型定制约束体 17
3.5 本章小结 18
第四章 汽车发动机虚拟装配的完成 19
4.1 vega Prime工具介绍 19
4.2 使用Vega Prime建立虚拟装配场景 20
4.3 使用Path Tool工具规划装配路径 23
4.4 零部件装配中碰撞检测的实现 28
4.5 本章小结 30
总结与展望 31
致谢 32
参考文献 33
第一章 绪论
1.1 引言
虚拟现实（Virtual Reality），简称VR，是使用计算机模拟得到的能给人以视觉、听觉、甚至于触觉等刺激反馈的人机联动系统。这类系统通过多媒体技术与仿真技术相结合从而生成逼真的感官刺激将其一并体现出来。可以通过使用一些类似鼠标、键盘、虚拟手套等人机交互设备来实现现实世界与虚拟世界的信息交流，使用户在交互过程中感受到更加真切的真实感。模拟逼真的现实环境，并将之与反馈信息结合起来，对用户提高对环境的认知、适应和扩宽思路有良好的作用。虚拟现实技术作为一种综合性很强的技术，是将多种技术（如计算机图形学、数字图像处理、人工智能）交融起来的先进技术概念。
虚拟现实特征上最重要的四个方面包括：多感知性（MultiSensory）、沉浸感（Immersion）、交互性（Interactivity）以及构想性（Imagination）。多感知性的意思不但包括一般计算机已经可以实现的视觉已经听觉，并且包含现阶段依然处于研发中的体感和嗅觉感知，这些多感知性交互设备的发展讲给虚拟现实带来质的变化。虚拟现实的实质特是使人“身临其境”沉浸感，人的感受直接关系虚拟现实项目的发展前景，通过人机交互的趣味性来引导，其最终的目的是对时空环境进行现实的构造，启发人的思维。这些特性是虚拟现实的关键技术特性，改变了以往人们对于人和设备信息交互方式的固有认识，使得人与虚拟现实设备之间的联系更加方便和自然。
虚拟装配是虚拟现实技术在工业制造中最重要的应用之一，因为其不需要产品和支撑过程的实际物理实现，通过建模、软件分析的可视化数据表达手段，使用计算机等其他设备来设定与装配有关联的操作，这种方式使得生产过程中的可能出现的问题被提前预知，装配更加灵活，并且可以大大增加设计工作效率，减少产品的生产周期，对于评估和改进产品也可以起到很好的作用。虚拟装配一般由两个部分组成，包括虚拟装配系统软件和支持系统运行的外设。只有这两个部分同时存在运行，才是一个完整的符合要求的虚拟装配环境。由于虚拟装配技术的这些特性，我们在完成与之相关
的工作模拟的时候就会更加方便、快捷以及真实准确。
1.2 课题背景
1.2.1 国外虚拟装配技术发展现状
虚拟装配技术的研究一般按照先理论提出、然后建立系统、最后深入这三个步骤进行。由于研究基础良好，加上政府比较重视，从20世纪90年代中期开始以来，目前国外的虚拟装配技术经过飞速发展已经达到了第三个步骤。在德国较早的进行虚拟现实研究的是弗劳恩霍夫工业工程研究所实验室对于装配系统的开发研究。这里开发的第1个虚拟装配规划原型系统可以建立的虚拟模拟人体模型与虚拟环境交互完成装配操作。该系统也获得了1996年在德国举办的慕尼黑计算机展览会的最佳系统奖。德国宝马公司通过虚拟现实技术完成了宝马5系轿车尾灯的拆卸和车门的装配过程，对系统的装配和维护过程进行了验证手段的研究，对虚拟现实系统（VR）与已有系统的集成进行了研究。在美国具有代表性的是华盛顿州立大学的VRCIM(Virtual Reality and Computer Integrate Manufacturing)实验室与美国国家标准技术研究所NIST（ US National Institute of Standards and Technology）合作开发的虚拟装配设计环境VADE(Virtual Assembly Design Environment)。VEDA开发的目标是将虚拟现实技术运用到产品制造中，通过生成虚拟环境完成装配规划和评价。
1.2.2 国内虚拟装配技术发展现状
我国虚拟装配技术的研究起步虽然和美国德国相比较晚，但是从20世纪90年代后期以来，通过比较快的发展也研究出了很多新的虚拟现实技术方法和理论，很多国内的高等院校都作了有益的研究。中国科学院软件研究所，应用实例从人机交互的角度为虚拟环境提供了一个基于场景的用户界面模型的验证和实现，并提出了组装车间的五种虚拟场景的虚拟装配：零件到组装厂，零件匹配，装配特征匹配，约束识别与组装。在清华大学863重大研究项目中，从视觉角度上解决了产品的组装问题，并开发了组装仿真系统ASMLS，该系统可以有效对装配工艺规划的结果进行验证，在一定程度上改善和提高了装配工艺，并在此基础上生动、直观的完成了虚拟装配产品，为客户提供装配序列规划和评价职能。CAD＆CG实验室，是浙江大
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