第1章机械设计概论课件.ppt

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1、机械设计,机械设计课程是培养机械工程类专业学生初步掌握设计机器能力的一门技术基础课。,掌握通用机械零件的设计原理、方法和机械设计的一般规律，具有设计一般机械的能力；具有运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资料的能力；掌握典型机械零件的实验方法，获得实验技能的基本训练；对机械设计的新发展有所了解。,本课程的主要任务是培养学生：,综合性：要求综合运用先修课程的知识来解决机械零、部件的设计问题。,实践性：机械设计题目来源于生产实践，其设计成果又要直接用于生产实践。,繁杂性：本课程要分门别类地论述各种通用零部件，表现为关系多、要求多、公式多、图表多等。,http:/,国家精品课程网站：,课程安排与

2、要求,1、课程安排,64学时（讲课、习题讨论课、实验、测验等）,实验：综合性实验和前沿感知型实验作业课程大作业、课程论述性报告（选）机械设计课程设计：3周，期末考试后进行,2、要求,1、实验、作业等不能缺，否则没成绩。2、课堂纪律3、良好学风4、学习方法,把握机械零件设计的主线，即：失效形式受力分析强度计算结构设计。,理论联系实际，要从生产实际条件和要求出发来考虑问题。,要从整体出发来考虑零件的设计，注意零件间的协调与配合。,必须重视结构设计。,更新设计观念，培养创新能力。,You see,you forget,You read,you remember,You do,you learn,Ho

3、w to pass the exam and get a high grade?Correct method:Study hard all the time.Exams will be nothing but excises.,哈佛大学20条校训,1.This moment will nap,you will have a dream;but this moment study,you will interpret a dream.2.I leave uncultivated today,was precisely yesterday perishes tomorrow which perso

4、n of the body implored.3.Thought is already is late,exactly is the earliest time.4.Not matter of the today will drag tomorrow.5.Time the study pain is temporary,has not learned the pain is life-long.6.Studies this matter,lacks the time,but is lacks diligently.7.Perhaps happiness does not arrange the

5、 position,but succeeds must arrange the position.8.The study certainly is not the life complete.But,since continually life part of-studies also are unable to conquer,what but also can make?9.Please enjoy the pain which is unable to avoid.10.Only has compared to the others early,diligently,can feel t

6、he successful taste.11.Nobody can casually succeed;it comes from the thorough self-control and the will.12.The time is passing.13.Now drips the saliva,will become tomorrow the tear.14.The dog equally study,the gentleman equally plays.15.Today does not walk,will have to run tomorrow.16.The investment

7、 future person will be,will be loyal to the reality person.17.The education level represents the income.18.One day,has not been able again to come.19.Even if the present,the match does not stop changes the page.20.Has not been difficult,then does not have attains.,1.此刻打盹，你将做梦；而此刻学习，你将圆梦。2.我荒废的今日，正是昨

8、日殒身之人祈求的明日。3.觉得为时已晚的时候，恰恰是最早的时候。4.勿将今日之事拖到明日。5.学习时的苦痛是暂时的，未学到的痛苦是终生的。6.学习这件事，不是缺乏时间，而是缺乏努力。7.幸福或许不排名次，但成功必排名次。8.学习并不是人生的全部。但，既然连人生的一部分学习 也无法征服，还能做什么呢？9.请享受无法回避的痛苦。10.只有比别人更早、更勤奋地努力，才能尝到成功的滋味。11.谁也不能随随便便成功，它来自彻底的自我管理和毅力。12.时间在流逝。13.现在淌的哈喇子，将成为明天的眼泪。14.狗一样地学，绅士一样地玩。15.今天不走，明天要跑。16.投资未来的人是，忠于现实的人。17.教育

9、程度代表收入。18.一天过完，不会再来。19.即使现在，对手也不停地翻动书页。20.没有艰辛，便无所获。,此刻打盹，你将做梦；而此刻学习，你将圆梦。觉得为时已晚的时候，恰恰是最早的时候。勿将今日之事拖到明日。学习这件事，不是缺乏时间，而是缺乏努力。学习并不是人生的全部。但，既然连人生的一部分学习也无法征服，还能做什么呢？只有比别人更早、更勤奋地努力，才能尝到成功的滋味。谁也不能随随便便成功，它来自彻底的自我管理和毅力。时间在流逝。一天过完，不会再来。没有艰辛，便无所获。,第一章 机械设计概要,1-1 机器的组成,1-2 设计机器的基本原则与一般程序,1-3 机械零件设计概述,1-4 机械发展概

10、述,1.1 机器的组成,机器是根据某种使用要求而设计的机械系统，可以用来变换或传递能量、物料与信息。,机器的基本特征：1、多种人为实物的组合；2、各部分具有确定的相对运动；3、代替人完成有效机械功或转换机械能。,内燃机转换能量,机械手传递物料,照相机传递信息,例如：,一个完整的机器由以下三部分组成：,原动机,人力、畜力,水力机、风力机,蒸汽机、内燃机、汽轮机、电动机,内燃机动画,传动机构：用来连接原动机部分和执行部分，将原动机的运动形式、运动及动力参数转变为执行部分所需的运动形式、运动及动力参数。机器的传动部分大多数采用机械传动系统，有时也采用液压或电力传动系统。机械传动系统是绝大多数机器不可

11、缺少的重要组成部分。,圆柱齿轮减速器,锥齿轮减速器,执行机构：用来完成机器预定功能。一部机器可以只有一个执行部分，也可以把机器的功能分解成几个执行部分。如机床的刀架、机器人的手爪等。,该机器人的手爪协调运动，夹持球体实现任意运动。,随着机器的功能越来越复杂，对机器的精度要求也越来越高，所以机器除了以上三个部分外，还会不同程度地增加其他部分，例如控制系统和辅助系统等，如：汽车。,功用：内燃机是将燃气燃烧时的热能转化为机械能的机器。,工作过程：汽油燃烧产生热能 推动活塞 连杆 带动曲轴转动 带动工作机（汽车）工作,机器组成剖析,内燃机：,起重机：电动机 螺杆（齿轮）传动 卷筒装置（提升重物）,其他

12、机器图例：,自行车动画,数控车床,紫外光快速成型机,加工中心,“黑鹰”直升机,世界上第一架直升飞机是法国工程师伯雷格等人在1907年设计的。因为试飞时振动得很厉害，只好用绳子把它栓在地面，以防不测。1936年，德国福克教授设计了具有合理转动关节的旋翼和机械传动装置，使直升机起飞前可以不用绳子栓着了。,“神舟五号”发射时的情景。发射塔、运载火箭都是庞大的机器。,F22猛禽隐形战斗机,任何机器都是由许多零件组合而成的。,部件：为完成同一使命而协同工作的许多零件的组合,零件：组成机器的不可拆的基本单元(制造的基本单元),如：滚动轴承,、联轴器。,：只在一定类型机器中使用的零部件,：各种机器中普遍使用

13、的零部件,曲轴,内燃机,机械手,照相机,1.2 设计机器的基本原则与一般程序,一、设计机器应满足的基本要求,1.使用要求,实现预定功能，工作可靠。,2.经济性要求,三方面：生产成本低、使用消耗小、维护费用低。,注意：“三化”,3.外观造型要求：,颜色、造型,4.环保要求：,噪音、废气、废液。,如：CNG汽车。,二、机械设计的一般程序,机械设计是一个创新与借鉴相结合的过程。,设计任务,调研,总体设计,一般程序如下：,1.3 机械零件设计概述,一、设计机械零件时应满足的基本要求,1.可靠性要求，预期寿命内不失效(强度、刚度、寿命)；2.结构工艺性要求(便于加工、装配)；3.经济性要求(材料、加工方

14、法、精度等级)；4.质量小的要求(节约材料、惯性力)；,失效：零件丧失工作能力或达不到设计要求的性能。,常见失效形式：破裂或塑性变形；弹性变形过大；磨损；胶合；打滑；联接松动等。,二、设计准则,1.强度准则,强度：零件抵抗断裂、塑变、疲劳破坏的能力。,方法：,2）,如何满足机械零件的可靠性要求?,遵循设计准则,S：安全，浪费材料,S：经济，不安全,2.刚度准则,刚度：抵抗弹性变形的能力。,机床主轴等弹性变形过大将影响加工精度。,3.温升准则,设计摩擦副时，需进行热平衡计算，即：tt,4.振动稳定性准则,5.可靠性准则,使零件自振频率与激振频率不相等也不接近，以防止共振。,将零件出现失效的概率限

15、制在一定程度之内。,零件在多方面存在离散性，故寿命呈一定概率分布。,1.4 机械发展概述,机械工程与科学是一门古老的学科，它将人们从繁重的体力劳动中解放出来。,天然工具 简单机器工业革命现代机器,机械的发展过程：,轿车发展：,蒸汽机车,内燃机车,电力机车,磁浮列车（常导高温超导）,高速列车,举例2：火车的发展,举例1：各式轿车,蒸汽机车,内燃机车,电力机车,高速列车,磁浮列车,高速火车：狭义上指速度高于200公里/每小时的列车，实际上世界上很多火车速度早已超过这个速度。现在世界上最最快的火车，毫无疑问是磁悬浮列车，但基本上只是在试验场中。实际测试和试运行的最快的火车是法国的TGV系列，它曾经的

16、最高时速可达五百多公里。广义上各国的标准都不一致。常说的高速列车是指日本、德国、法国、瑞典、英国等铁道发达国家的快速或者高速列车。,薯条加工机,椰肉加工机,出口售价32美元,交专利费18美元,成本13美元,企业利润1美元,举例：出口一台DVD，一美元利润,举例：,为建设西气东输工程，我国邀请通用电气、三菱重工业(Mitsubishi Heavy Industries)、西门子(Siemens)等外国公司参加投标，向6家地区性公用事业公司提供23台发电气轮机。中国国家计划委员会在标书中提出了技术转让的要求，要求获得整个燃气轮机的图纸，包括轮机旋转片形状的模型和计算公式、旋转片如何在旋转时冷却、旋

17、转片组成部分的化学成分等等。,在先进、大型燃气轮机设计与制造技术方面，目前只有美国GE公司掌握，它的涡轮机技术是由其飞机发动机部门和动力系统部门与美国能源部(Department of Energy)共同开发的。最终通用电气赢得了提供13台高级9F燃气轮机的订单。三菱重工业获得了10台订单，遵照合同的部分条款，三菱重工业也同意与中国合作伙伴分享技术。根据燃气轮机交易的具体条款，通用电气同意让中国国有企业哈尔滨动力设备公司(Harbin Power Equipment Ltd.)来装配这批轮机。此外该轮机上不太复杂的零部件大多也由该公司生产。,通用电气还与沈阳黎明航空发动机制造公司(Shenya

18、ng Liming Aero-Engine Group Corp.)组建了合资公司，并将向该合作伙伴转让发动机燃烧系统的技术。通用电气允许沈阳黎明生产燃气轮机内部第二排和第三排旋转片，据熟悉谈判的知情人士称，起初通用电气并不想转让技术。最终通用电气转让了关键的冷却系统的技术图纸和旋转片采用的先进的冶金技术。中国谈判代表最终接受了通用电气不转让燃气轮机最高级的那部分技术。参与谈判的代表说，包括冷却系统的设计、第一排旋转片以及这些旋转片热保护层方面的技术均不转让。,美国的出口条例禁止通用电气与合作伙伴分享这些技术，因为这些技术还应用于飞机发动机的制造。因此通用电气将在本公司位于南卡罗来纳州的工厂生

19、产第一排旋转片，然后将其运往哈尔滨的工厂完成最后的装配。,从上面这个例子可以看出，核心的技术只能靠我们自己研发才能获得。如果下一个“蒸汽机”、下一个“相对论”由中国人创造，中国就可以真正的超过其他国家，成为真正的强国。,机电产品模型设计及控制实验,一、课程内容与实验目的二、实验设备三、实验操作步骤,内 容,本项目课程以德国慧鱼公司生产的机电产品模型为对象，学生通过自己动手装配慧鱼模型，并对模型进行较为细致的观察和分析，完成模型规定动作的编程，从而完成综合性的设计训练过程。以达到以下目的：1、了解常用机械传动机构的形式和使用条件；2、了解典型机电系统的布置形式及工作原理；3、了解机械系统的基本运

20、动控制方法；4、培养综合设计、优化设计机械系统的能力；5、培养动手能力、创新能力和编程能力。,一、课程内容与实验目的,二、实验设备,慧鱼模型教具介绍:1964年，慧鱼创意组合模型（fischertechnik）诞生于德国，是技术含量很高的工程技术类智趣拼装模型，是展示科学原理和技术过程的理想教具，也是体现世界最先进教育理念的学具，为创新教育和创新实验提供了最佳的载体。慧鱼创意组合模型的主要部件采用优质尼龙塑胶制造，尺寸精确，不易磨损，可以保证反复拆装的同时不影响模型结合的精确度；构件的工业燕尾槽专利设计使六面都可拼接，独特的设计可实现随心所欲的组合和扩充。,慧鱼创意组合模型主要有组合包、培训模

21、型、工业模型三大系列，涵盖了机械、电子、控制、气动、汽车技术、能源技术和机器人技术等领域和高新学科，利用工业标准的基本构件（机械元件/电气元件/气动元件），辅以传感器、控制器、执行器和软件的配合，运用设计构思和实验分析，可以实现任何技术过程的还原，更可以实现工业生产和大型机械设备操作的模拟，从而为实验教学、科研创新和生产流水线可行性论证提供了可能，世界知名的德国西门子、德国宝马、美国IBM等一大批著名公司都采用慧鱼模型来论证生产流水线。,1、观察慧鱼工业培训模型，了解常用的机械传动机构、传感器布置方式、模型的控制方式、典型的机电系统。（初级）2、2-3人一组，按照慧鱼的组装模型说明书完成模型的

22、组装工作，了解慧鱼创意模型的基本使用方法。（初级）3、学习ROBOPro语言，并编程控制模型的运作。（初级）4、对模型进行改装，编程控制模型进行较复杂的动作。（中级）5、根据所学知识设计一机械模型（包括结构设计、传动设计、传感器设计等），运用慧鱼各构件完成该模型的组装，并用高级ROBOPro语言控制模型完成预定动作。（高级）,三、实验步骤：,连接计算机与模型1、将组装好的模型接入9v直流电源（接口板1），接口板6、7（见下图）绿色发光二极管交替闪烁，标志着接口板准备就绪。2、接口板通过串口16与计算机连接,软件界面介绍,开启电脑，双击ROBO Pro程序的图标或在Windows“开始”菜单的“

23、所有程序”中单击“ROBO Pro”，就可打开软件。软件的界面如图所示。上方为常用功能栏，从左至右依次为：新建程序、打开程序、保存程序、删除程序单元或流程线、启动程序、停止程序、下传程序到接口板、端口设置、测试端口、继续执行程序、暂停执行程序、单步执行程序、缩小视图、扩大视图。,左侧为构成程序的程序单元，从上到下为：程序开始单元、程序结束单元、数字信号分支单元、模拟信号分支单元、延时单元、电器控制单元、等待数字信号单元、脉冲计数单元等。,程序单元栏,常用功能栏,菜单栏,单击该键可新建程序 单击该键可打开已有的慧鱼程序 单击该键可保存对程序的修改用其删除程序单元十分方便。,单击该键可执行打开的慧

24、鱼程序 单击该键可停止正在执行的程序 单击该键可将程序下载到慧鱼接口板的存储器中，从而脱离计算机独立运行。,单击该按键可检测接口板的状态，如果数据端口和接口板设置正确，则出现上图,单击该按键，出现如图界面，在“Interface”选项中可设置与计算机连接的接口板的类型；在“Port”选项中可设置接口板所使用的计算机端口。,基本程序单元介绍,“Start”单元：每个程序都必须有这个开始单元，否则程序不会被执行。如果同时有几个开始单元，那么它们会同时启动。开始单元无可更改的属性，故鼠标右键单击该单元，无属性窗口弹出（绝大部分程序单元都有属性窗口）。,“End”单元：如果一个过程被终止，那么其最后一

25、个单元的出口就要连接结束单元。不同的单元出口可连接同一个结束单元，当程序无休止循环时程序也可以无结束单元。其也无属性窗口。,“Digital Branch”单元：数字分支单元，运用该单元，你可以根据I1-I8的数字输入值，控制程序的流向。例如：传感器闭合，其输入值为1，程序走“1”分支流出；反之，传感器断开，其输入值为0，程序走“0”分支流出。鼠标右键单击该单元，会出现其属性窗口，你可以在其中更改该单元的属性。,“Time delay”：延时单元，通过该单元你可以暂缓程序执行下一个单元。,“Motor output”（级别2）：电机输出单元，运用这个单元你可以转换接口板上M1-M4任何一组的两

26、个接线柱的输出。这个单元不仅可以控制电机，还可控制灯泡和电磁铁。控制电机时，可设定电机转速和转向。,“Wait for input”：等待输入单元，程序执行到该单元不再继续执行，直到接口板上元件处于某种特定状态或以某种特殊方式改变时，才执行下一个单元。,标识等待的状态开关由01（断开闭合）开关由10开关由01或10开关为1（闭合）开关为0（断开）,“Counter loop”：计数循环单元，使用该单元你可将程序的某部分执行多次。该单元有内置计数器，如果程序经计数循环“1”入口进入，则计数器设定为1；如果由“1”入口进入，1就被加入计数器。根据计数器的值是否大于设定值，程序由Yes（Y）或No（

27、N）出口流出。,程序单元的连接,其它的连线方法,完成模型的如下控制,任务：1、控制电机旋转，使模型碰到限位开关I1，然后电机改变转向，当电机旋转5圈后再次改变转向2、控制灯泡，使得模型第一次碰到限位开关I1后灯亮，第二次碰限位开关I2后灯灭。,机械设计前沿性感知实验：,逆 向 工 程,一、概述二、数据获取三、数据处理四、模型重构,逆 向 工 程,一、概 述,1.概念,正向工程（或顺向工程）,逆向工程(Reverse Engineering)(也称反求工程)：,实物,CAD模型,点云模型,2.应用领域,对产品外形有特殊美学要求的领域，需制作油泥模型.,由于学科发展水平的限制，产品设计需要通过试验

28、测试才能定型的工件模型，如汽车发动机气道等。,一、概 述,在没有设计图纸或设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下，对零件的复制。实物的外形是由自由曲面组成，正向设计方法难以满足精度要求，如高尔夫球杆头部造型、鞋楦等。,2.应用领域,一、概 述,2.应用领域,艺术品、考古文物的修复与复制。,特种服装、头盔的制造要以使用者的身体为原始设计依据，需要建立人体的几何模型。,在矫形医学领域，为了使人工器官外形更加精确，更好地与相关人体器官相匹配，逆向工程用于假肢关节、义齿等,因此，逆向工程技术可用于航空、航天、汽车、摩托车、模具工业及其它行业，它是技术引进的一个重要手段。,一、概 述,3.技术流程,实

29、物样品,数据获取,数据处理,CAD模型重构,纸质技术文档,CAD/CAM系统,快速成型,仿制改造产品,批量生产产品,制造系统,产品样件,模具,测量设备,一、概 述,多种粉末/粘合剂/固化剂系统,3D打印机,快速成型机,高性能复合材料，光敏树脂材料，ABS，尼龙,一、概 述,二、数据获取,1.测量方法,三坐标测量机（CMM）,3D扫描仪,2.测量设备,三坐标测量机(CMM),桥式,便携式,龙门式,悬臂式,二、数据获取,Solutionix Rexcan系列,柯尼卡美能达Range系列,Breuckmann博尔科曼系列,加拿大NDI,加拿大Creaform,美国Artec,中国：北京天远、深圳华朗

30、等,非接触式扫描仪,二、数据获取,COMET 400 测量系统,测量范围：430330250mm 测量距离：820mm每幅点云：450,000 测量精度：0.1mm,二、数据获取,3.数据获取注意事项,合理选择测量设备,测量设备的标定,环境控制,被测件预处理,样件特点、精度要求、测量效率、设备成本等。,在设备搬运、环境变化或长期停用后，可能导致标定值偏移，故应重新标定。,振动、温度、光线等。,孔、槽、凹边的填充、表面喷涂着色、粘贴特征点。,二、数据获取,三、数据处理,采用非接触方法获取的数据通常非常庞大，被称作点云（Point Clouds）。为了获得完整、准确的数据，需要在模型重建前进行数据

31、处理。,1噪点去除,噪点：测量误差点,直接识别：明显的异常点和散乱点,曲线检查法：用最小二乘法通过截面数据的首末点拟合曲线,角度判断法：检查点沿扫描线方向与前后两点形成的夹角是否小于允许值。,弦高差方法：连接检查点前后两点，计算检查点到连线(弦)的距离,被集成到逆向软件中,三、数据处理,2.多视对齐,三、数据处理,2.多视对齐,粘贴特征点,三、数据处理,3.数据光顺,在汽车、摩托车覆盖件的应用中，对表面的光顺性往往有很高的要求，通常要求达到A级(Class A)曲面品质。,G2连续：曲率连续，视觉效果光滑流畅，是A级曲面的最低标准。,数据光顺：对点云进行滤波。常用的滤波算法有高斯(Gaussi

32、an)滤波、平均(Averaging)滤波和中值(Median)滤波，在Imageware软件中即提供了这三种滤波方式,数据光顺 点云精度,三、数据处理,4数据插补,原始点云,完成插补后的点云,样件复杂结构,测量机的限制,无法测到的区域（凹边、孔、突起等处）,数据“空白”,可用Polyworks软件的IMEdit模块来实现数据插补。,三、数据处理,按距离精简,按弦偏差精简,原始点云,平均精简,5.数据精简,采用非接触式测量仪对大型样件进行测量时，会得到海量点云。,三、数据处理,6数据分割,被测样件,多个自由曲面多个规则曲面多个平面,分割,单个的曲面或平面点云,合理的方法构造曲面片,整体曲面模型

33、,拼接、缝合,三角面片模型,STL格式,快速成型机,厚度,三、数据处理,四、模型重构,曲面重构,实体模型,1曲面重构,Imageware：点处理模块、曲面处理模块和评价模块。,（Imageware，Geomagic，RapidForm）,1.1 点云处理,点云显示,点云精简,点云光顺,1曲面重构,四、模型重构,点云的圈选,沿任一方向截取点云,1曲面重构,1.1 点云处理,点云分割,四、模型重构,沿某一轴线方向的系列平面截取点云,沿一条曲线的系列平面截取点云,1.1 点云处理,1曲面重构,四、模型重构,1曲面重构,1.2 曲面构造,由点云拟合均匀曲面,构造双向放样曲面,四、模型重构,由边界曲线生

34、成曲面,构造放样曲面,1曲面重构,1.2 曲面构造,四、模型重构,由曲线网格构造曲面,构造旋转曲面,1曲面重构,1.2 曲面构造,四、模型重构,构造扫略曲面,1.3 曲面修改,1曲面重构,1.2 曲面构造,调整曲面控制点,四、模型重构,构建曲面凸缘,曲面倒圆,1曲面重构,1.3 曲面修改,四、模型重构,曲面桥接,曲面合并,1曲面重构,1.3 曲面修改,曲面裁剪,四、模型重构,1曲面重构,1.4 曲面评价,曲面与点云的误差,曲面的光顺度,四、模型重构,四、模型重构,2CAD模型,在曲面重构软件中将曲面保存为igs格式，再导入CAD软件。,四、模型重构,2CAD模型,四、模型重构,128,虚 拟

35、设 计,机械设计前沿性感知实验,129,以信息技术为依托，以协同设计、并行设计、虚拟设计、定制设计等为代表的先进设计技术，使产品的开发技术有了新的突破，代表了21世纪设计理论与实践的重要发展趋势。,一、实验目的,自九十年代开始，美国、英国和欧盟制订了一系列的策略和技术规划，开展相关领域的研究与推广工作，并取得了显著的成效。,通过虚拟现实与制造感知实验，将先进的计算机技术引入机械设计的教学实践，拓宽知识面，了解国内外最新的设计思想、理论与手段。,130,HP图形工作站WORK STATION XW6200；服务器DELL T5500（四缓冲专业显卡）；EPSON专业工程投影机EB-Z8050W(

36、专业镜头，偏振处理);立体显示图像硬件分离器 WSR801；六自由度空间跟踪定位器（Polhemus PatriotTM）；5DT Data Glove 5W型数据手套，左手（五个自由度）、右手（七个自由度）；SpaceBall 5000立体鼠标；专用金属幕布；5DT HMD 800-26（头盔）；偏振立体眼镜；闸门式立体眼镜及配套的红外线控制器等。,二、实验设备,1、硬件设备：,131,二、实验设备,演示软件：按VR系统类型的不同，有：（1）表现沉浸感：工程机械模型、飞机模型、人体 器官模型等；（2）表现三维交互性：虚拟手机外型设计系统、虚拟售票机、基于手抓取的模具虚拟装配、基于立体鼠 标的

37、活塞气泵装配仿真、基于手势识别的夹具虚拟 装配等。,2、软件环境：,VR工具软件：WTK、OpenGL、OpenInventor、VRML、Java3D等；,132,虚拟现实（Virtual Reality，VR）是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，或者说是一种基于可计算信息的视、听、触觉一体化的交互环境，是在图形学、电子显示、语音识别与合成、传感器等技术上发展起来的一门综合仿真技术。,三、实验内容与方法,133,3.1.虚拟现实技术的主要特征与系统组成,134,3.1.虚拟现实技术的主要特征与系统组成,一、软件环境：软件主要用于生成逼真的三维场景。简单的场景可采用OpenGL、VRML

38、等开放的标准直接进行设计，复杂的场景则最好使用专用VR开发软件，如：WTK、Multigen&vega、dVISE、VRT、WorldUp等。,135,二、高性能计算机系统：目前硬件平台的配置有微机（三维图形加速卡）、微机工作站和高档图形工作站三个档次，应根据实际需要选择相应的硬件平台。,3.1.虚拟现实技术的主要特征与系统组成,136,头盔显示器（HMD）：在VR系统中能产生真实视觉效果。HMD上有位置跟踪器，可以跟踪人的头部运动，并将六个自由度的移动信号输入计算机，计算机再根据头部位置的变化输出相应的图像，组合在人脑中产生三维立体图像。HMD可以将用户与外界相对封闭，切断了视觉与真实世界的

39、联系，有利于沉浸感的产生。,3.1.虚拟现实技术的主要特征与系统组成,三、输入/输出设备：（一）显示设备,137,附录：虚拟产品外设,头盔显示器HMD,5DT HMD 800,138,桌面显示器：主要用于非沉浸式VR系统。,（二）位置跟踪器 按连接方式分为有源和无源，按数据传输的类型分为机电式、电磁式、声波式和光学式等，最常用的是电磁式。,3.1.虚拟现实技术的主要特征与系统组成,139,3.1.虚拟现实技术的主要特征与系统组成,虚拟产品外设,用户与虚拟环境的主要交互手段。传统的二维操纵设备有：鼠标、键盘、游戏杆、触摸球等；能够控制六自由度的三维设备有：三维鼠标、力矩球、数据手套、数据衣等。,

40、（三）操纵设备,140,附录：虚拟产品外设,3D立体眼镜,141,附录：虚拟产品外设,Trackball,三位空间交互球,142,附录：虚拟产品外设,数据手套 数据手套是VR应用的主要交互设备，它作为一只虚拟的手或控件用于3DVR场景的模拟交互，可进行物体抓取、移动、装配、操纵、控制，有有线和无线、左手和右手之分，可用于WTK、Vega等3D VR或视景仿真软件环境中。,143,附录：虚拟产品外设,144,附录：虚拟产品外设,5DT Glove 5/16 MRI,5DT Glove 5/w,CyberGlove,CyberTuch,145,附录：虚拟产品外设,数据衣,数据衣与数据手套的工作原理

41、相似，但可以检测出整个身体的运动。,146,附录：虚拟产品外设,采用电磁式位置/姿态传感器获得人体运动轨迹图,147,VR技术主要可以分为四类：非沉浸式桌面型VR系统：,3.2.虚拟现实技术的主要类型,桌面虚拟现实就是使用PC机或PC工作站去产生仿真，桌面虚拟现实系统要求参与者使用位置跟踪器和另外一个手控输入设备，如数据手套和六个自由度的三维空间鼠标器。然而参与者不是完全投入，因为他即使戴上立体眼镜，仍然会受到周围现实环境的干扰。,桌面式立体显示系统是一种廉价的立体显示方案，该方案要求显示器具有较高的刷新频率。,148,3.2.虚拟现实技术的主要类型,沉浸式VR系统：主要依赖于各种VR硬件设备

42、，如头盔式显示器等，把参与者的视觉、听觉和其它感觉封闭起来，外界世界被屏蔽在视线之外，利用位置跟踪器、数据手套等设备与虚拟环境进行交互，产生一种身临其境的感觉。但许多用户在使用这种VR系统时，会产生晕眩、恶心、头痛等不适症状，不适的程度因人而异。常见的沉浸式系统有：基于头盔式显示器的系统、洞穴（CAVE）VR系统、远程控制（存在）系统。,149,3.2.虚拟现实技术的主要类型,Cave Automatic Virtual Environment,150,3.2.虚拟现实技术的主要类型,增强现实的VR系统（Augmented Reality）：AR也称混合现实，它是将真实环境和虚拟现实的景象结合

43、起来的一种技术，既可减少生成复杂环境的开销，又便于对实际物体的操作。它不仅利用VR技术模拟、仿真现实世界，而且增强现实中无法或不方便感知的感受。,151,3.2.虚拟现实技术的主要类型,分布式VR系统（Distributed Virtual Reality）可以看作是基于网络的虚拟现实系统。异地分布的多个用户通过计算机网络连接在一起，对同一虚拟世界进行观察和操作，达到协同工作的目的，如美国大型军用交互仿真系统NPSNet及因特网上多人游戏MUD等。,DVR主要基于两类网络平台：一是Internet，另一类是高速专用网。,152,3.2.虚拟现实技术的主要类型,VR系统的软硬件成本较高，应根据不

44、同用途和需要配置不同的系统，达到不同的沉浸感，避免因系统过于复杂而导致成本太高。,153,3.3.虚拟现实环境下的产品设计和制造技术,虚拟制造技术（Virtual Manufacturing Technology，VMT）是以VR技术和仿真技术为基础，对产品的设计、生产过程统一建模，借助计算机实现产品的设计、加工、装配、检验、使用整个周期的模拟和仿真。例如：波音777飞机的设计、福特汽车外形设计与碰撞实验等，均采用了虚拟设计技术。,154,虚拟制造示范实验系统的功能流程图：,3.3.虚拟现实环境下的产品设计和制造技术,155,目前应用效果较好的有以下几个方面：产品外形设计；产品布局设计；机械产

45、品运动仿真；产品装配仿真；产品加工过程仿真；虚拟样机与产品工作性能评测。,3.3.虚拟现实环境下的产品设计和制造技术,产品的虚拟设计技术,产品的虚拟制造技术,虚拟制造系统,156,3.4.应用举例,产品设计与人机功效（飞机，空间站等）,157,3.4.应用举例,158,3.4.应用举例,159,3.4.应用举例,160,3.4.应用举例,161,3.4.应用举例,162,3.4.应用举例,娱乐,游戏半条命2,163,3.4.应用举例,科学计算可视化,164,3.4.应用举例,用于核弹B-61-x 的虚拟组装系统,虚拟组装,165,3.4.应用举例,仿真训练,166,3.4.应用举例,Virtu

46、al Reality systems to train aircraft pilots and tank commanders,167,3.4.应用举例,室内设计,168,3.4.应用举例,Examples of Complex Rendering,169,3.4.应用举例,映射纹理前的场景,映射纹理后的场景,纹理映射技术,170,3.5.虚拟现实涉及的关键技术,大规模数据的场景建模技术；动态实时的立体视觉、听觉等生成技术；三维定位、方向跟踪、触觉反馈等传感技术和设备；符合人类认知心理的三维自然交互技术；三维交互软件及系统集成技术等。,171,3.5.虚拟现实涉及的关键技术,VR是一项难度很大

47、的综合技术，要达到逼真的多种感觉和实时的自然交互是非常不容易的。例如：逼真的立体视感（沉浸感）需要宽视野和高分辨率的显示设备，而现有的头盔显示器不仅分辨率低、价格贵，而且带在头上更是不方便；要对大型地理数据（如地形图）进行三维浏览和交互处理，往往响应时间很慢；至于触觉反馈或嗅觉设备离实用更有很大距离，等等。,172,3.6.虚拟现实与动画的主要区别,VR,交互性,动画,高度交互，用户控制场景；观察角度、时间不限,无交互性，用户只能被动观察,程序特性,模型特性,帧特性,程序控制交互，可接受实时数据并产生不同的效果,视觉效果都是事先设定好的，不能改变,较少的细节，以提高实时显示速度,丰富的细节,每

48、帧都是实时计算和绘制，帧速率1660FPS,每帧都是由动画设计师事先绘制好的,173,3.7.实验操作,（1）了解并体验立体显示,实验操作步骤：,简要介绍立体显示基本知识、基本类型和成像原理，通过自主研制开发的基于手势识别的立体显示交互控制系统，进行如下实验：,体验基于大屏幕投影和偏振眼镜的被动式立体显示。,体验基于桌面显示器和闸门式立体眼镜的主动式立体显示。,174,3.8.体验不同的VR系统,175,3.8.体验不同的VR系统,（2）体验并掌握非沉浸式VR系统中的人机交互,借助二维鼠标、键盘等交互设备实现人机交互，实现简单的虚拟操作，通过自主研制开发的虚拟售票机等VR系统和虚拟手机外型设计系统等，体验立体声等多媒体信息对沉浸感的影响。,176,3.8.体验不同的VR系统,177,3.8.体验不同的VR系统,（3）体验并掌握半沉浸式VR系统中的人机交互,利用六自由度位置跟踪器和数据手套测量人手的位置和运动，通过计算机实现实物虚化（在虚拟环境中建立人的代理），然后通过虚拟代理来操作虚拟物体，实现自然的虚拟操作。应用软件为基于碰撞检测的虚拟手抓取操作、基于手势识别的夹具虚拟装配系统、半沉浸式模具虚拟装配系统等。,178,3.8.体验不同的VR系统,（4）操作立体鼠标，了解传统二维鼠标与立体鼠标的差异。进行柱塞泵的虚拟装配。,179,The end,