用于快速产品开发的虚拟原型系统外文翻译资料

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用于快速产品开发的虚拟原型系统

摘要

本文描述了一个虚拟原型（VP）系统，它集成了虚拟现实与快速原型（RP）来创建虚拟数字原型，以促进产品开发。拟议的VP系统包括两个新的模拟方法，即基于层的和基于层的制造方法，以模拟基于粉末的和层压的基于片的RP方法。基于dexel的方法存储固体条带的阵列以形成层，而基于层的方法直接形成通过挤出切片轮廓完成层。该层随后被堆叠以制造虚拟原型。模拟方法类似于大多数RP系统的物理制造过程，因此能够精确地表示原型的几何特性。除了数值量化的仿真结果外，系统还提供立体可视化的产品设计及其原型进行详细分析。事实上，原来的产品设计可能是叠加在其虚拟原型上，使得具有超过设计限制的尺寸误差的区域可以被清楚地突出显示以方便表面纹理的点对点分析和原型的尺寸精度。因此，RP的关键控制参数过程，例如部件取向，层厚度和舱口空间，可以被有效地调整以用于物理原型的最佳制造在后续产品开发中。此外，虚拟原型可以经由因特网传送给客户以促进全球制造业。结果，可以显着减少交货期和产品开发成本。

关键词：虚拟原型 可视化 基于Dexel和基于层的模拟

1介绍

1.1快速原型

快速原型开发是一种创新技术在过去二十年。它的目的是生产原型相对较快地进行目视检查，符合人体工程学评估，形式拟合分析，并作为主模式生产工具等，以帮助加快整个产品开发过程。各种RP系统根据使用的材料，常见的RP进程可以分为三个主要类型，即粉末基，树脂基和层压基于纸张。基于粉末的RP方法包括选择性激光烧结（SLS）和3D打印（3DP）所有使用粉末材料制作原型的过程。基于树脂的RP工艺，例如立体光刻技术装置使用液体树脂，其通过曝光而固化到紫外激光束。基于层压片的工艺包括层压对象制造（LOM）工艺，其中制造原型层压材料。尽管有这些优点，目前的RP技术还远远不够。事实上，它受到一些重大问题的困扰，这破坏了原型的准确性和质量。RP进程的性能受到众多的影响的过程参数。选择一个不容易的任务适当组合这些参数进行优化制造一个原型，这取决于质量要求，如精度，建立时间，强度等制造效率。但是，质量要求从视觉辅助变化到主要模式的次要过程。因此，很大程度的专业知识需要生产质量一致的原型。这个过程是一个试验和错误的基础，因此既耗时又非常昂贵。

1.2虚拟原型

虚拟原型（VP）可以缓解RP的这些缺点。它使用称为虚拟原型的数字模型来代替物理原型，用于测试和产品的具体特性的评价或制造过程在计算环境中。因此，在虚拟原型中，有关的故障制造，产品设计和生产计划在压缩时间帧内检测大支出。这显着减少了物理迭代的数量，从而相关联制造开销，导致更快，有效的产品开发。一旦虚拟原型完成后，模型可以直接发送到物理制造或通过互联网向客户索取注释。由于数字模型大多用于VP，重复该过程进行优化所产生的成本原型质量极低。专用VP系统已成功开发并用于汽车和航空航天工业。这些系统可以分为两个领域，即产品设计和过程模拟。对于产品设计，关于设计验证的各种分析，例如功能测试，形状和拟合测试，人体工程学测试，装配测试和拆卸测试，都要进行在虚拟环境中的模型。 Bennett介绍了VP如何可以协助产品开发的不同阶段的复杂航空航天产品。Rooks描述了使用的数字模型找出可能的错误关于产品装配在早期设计阶段。Jayaram等人在VR中进行虚拟装配。这些部件首先在CAD系统中设计随后在虚拟环境中组装。Siddique和Rosen建议使用VP生成完整产品设计的拆卸过程。对于过程仿真，制造过程是在计算机中模拟以确定可能制造问题或生产中的瓶颈可以节省昂贵的物理模型。Schulz应用VR技术来模拟形成冲压产品的过程，以研究残余物应力和材料分布。Bowyeretal发明可以切割虚拟块的虚拟铣床通过虚拟工具产生具有期望形状的部件。Bickel发明了一种用于精确焊接的虚拟焊接电池用于模具再造的路径生成。除了制造业，VP也有了深刻的对医疗领域的影响。它用于训练，外科规划和创建数字人体器官。虚拟根据患者的数据创建器官随后的模拟。在外科教育期间，学生可以在器官内部和周围“飞行”像真正的操作一样。他们可以这样实践手术和其他医疗程序。

1.3虚拟原型的一种新方法

可视化已被公认为一种有效的方法提出促进有效沟通设计和想法的真实情景。一位IT经理汽车公司将这一概念应用到新的开发汽车。汽车模型被虚拟建造并投影在一个大屏幕，来自不同部门的人可能方便地通过佩戴共享汽车的真实3D图像立体眼镜评估设计和识别问题在得到太远下来的生产。Tseng等人结合VP与设计探索客户对目标产品的看法。VR技术允许客户沉浸在中虚拟环境的详细设计可视化和修改。然后放入虚拟原型模拟以找出最佳装配过程。Chuang和OGrady致力于组装的可视化过程为设计师提供部件的交互组装操作，并同时跟踪路径用于随后的装配。装配设计过程可以通过表达结果来改进完全和自然地以视觉的方式，而不是在抽象数字。可视化的强度已经被探索和在许多VP系统中成功应用。但是，迄今为止已经进行了关于使用该技术的研究工作以研究和提高原型的质量物理制造。事实上，VP提供了一个试验台和许多有价值的信息，否则可能有需要耗时和昂贵的物理实验。此外，，imentation它以自然的方式提供结果允许设计人员进行纠正措施。因此本文提出了一种新的虚拟原型系统，利用可视化来促进产品发展。它是基于数学模型由作者开发的建模和优化的快速原型。模型包含各种工艺参数如层厚度，舱口空间，床温，激光功率和烧结因子等量化原型质量的测量，包括准确性和建立时间。提出的系统模拟RP过程创建一个虚拟原型与量化用于评估RP的原型质量的测量处理。利用可视化来促进产品开发，虚拟原型可以叠加对原始模型提供了清晰的可视化直接比较产品设计和结果原型，RP机器将随后交付。叠加允许设计者执行验证的产品设计和尺寸分析方便。这在这方面特别有用设计人员可以方便地进行分析和比较表面纹理和尺寸精度逐点的原型与产品设计。具体领域尺寸偏差超出的原型可以容易地识别和突出设计限制以供后续改进。有了这样的虚拟原型在计算机中，产品设计可以审查容易，及其美学和功能特性。

2基于Dexel和基于层的原型设计过程

对物理原型进行准确分析VR不是一个简单的任务。一个必要和先决条件标准是虚拟原型应该准确代表物理。因为有很多RP过程在市场上可以买到，它不是实际开发单个建模方法他们每个人。因此，建议的VP体系侧重于两种主要类型的RP工艺，即粉末基和层压片材。第2.1节讨论这两种RP过程的特点。

2.1基于Dexel的虚拟制造

基于粉末的RP系统制造的物理原型，例如SLS和3DP，可以被认为是由通过激光烧结/固化的材料带粘合梁。在基于粉末的原型制造期间RP系统中，光束定位到的一点上表面固化一小部分（通常为梁）宽度）。它继续巩固通过沿着舱门矢量行进而相邻点，如图1所示。填充矢量表示的路径光束必须在轮廓内跟随以构建一部分的层。扫描运动太快，以至于出现好像梁固化了完整的材料条沿着舱口矢量一次。通过将光线穿过层来获得阴影向量光束轮廓沿着连续的填充矢量移动以建立层。每个填充矢量可以被认为是一个解映射，其表示射束轨迹的中心。因此，物理原型的材料条可以是通过构建特定高度的体积来表示宽度围绕一个像素。这样的体积被认为是体素，其宽度，高度和长度为光束直径，层厚度和深度的长度。因此，建立每个体素的体素模拟烧结或凝固过程，并且形成层建立在层轮廓中的像素周围的体素。这是一种虚拟制作的新方法矩形有限实心条被铺设以形成层随后被堆叠以形成虚拟原型。图2显示了基于dexel的虚拟原型的过程齿轮箱外壳。应该指出，为了代表不同RP系统更好，形状体素可以变化。例如，体素的结束可以从正方形变为半圆形，其可以模拟由激光束烧结的材料的SLS过程更准确。但是，这将是图形复杂的模拟。因此，目前在系统中采用结束的体素。

2.2基于层的虚拟制造另一方面

物理原型由基于层压板的RP过程，例如LOM，可以被认为是由完整的层，而不是条材料。在制造期间，整个层是并且随后的层被堆叠直到形成物理原型。基于这种制造方法，固体地面固化过程也可以分类为层压片材。因为由这种类型的RP过程制造的原型由整个层组成，层边缘的平滑度，以及因此没有水平楼梯效应，表征原型。但是，垂直楼梯效应仍然存在。因此，模拟层压基于表的RP流程应该逐层地制作虚拟原型。为了实现这一点，开发了一种层的所有轮廓一次挤出以形成完整的层。

2.3用于设计验证的虚拟原型

虚拟原型可以准确表示物理原型。它们在早期便于设计验证阶段的产品开发作为设计师可以有清晰的产品表示，以检验其美学和结构特征。如果发现任何问题，设计可以在它变得太远之前迅速地改进下来的发展周期。这是特别重要的以提高制造业的竞争力工业，它面临着越来越大的压力来满足要求小批量生产不同品种定制产品。在这种情况下，它不会经济地制造用于小批量生产的模具。另一方面，快速原型制作可能是方便的工具直接生产定制产品，提供它可以制造所需精度的原型适当的材料。事实上，一些研究者认识到了意义，他们已经在工作生产金属或功能原型的技术。它是设想当RP对于直接经济时制造定制产品，这将是深刻的重要性的验证准确性和质量承诺进行物理制造之前的原型。因此，将进一步强调拟议的VP系统的意义。

2.4 RP过程的可视化

提出的VP系统便于设计验证通过RP过程和结果的可视化原型。可视化还有助于设计师理解什么可能发生在特定部分原型。模型的所有特征都不常见需要一个具体的分析。事实上，数值仅表示总体平均质量原型。另一方面，清晰的可视化方便详细评估原型的具体部件。

2.4.1产品模型的叠加

为此，虚拟原型所提出的VP系统可以显示虚拟原型和产品模型同时。这两个图像被叠加以用于直接比较的原始设计。这允许逐点调查任何差异在原型和产品的特点设计。例如，原型的表面纹理可以易于研究，以及具有尺寸误差的特定区域超出公差限度可以明确识别和强调后续改进。

2.4.2楼梯效应和优化的过程参数

RP机器逐层制造原型。因此，a原型可以被看作是阶梯近似目标产品型号。两层之间的楼梯沿着构建方向不利地影响表面纹理和原型的尺寸精度。这种效果是与层厚度直接相关。此外，基于粉末的RP工艺，存在水平楼梯效果。类似地，它也影响表面纹理和尺寸精度的原型。当激光束或粘合剂出现水平阶梯时头部将一条材料彼此相邻地沉积以形成层。因此，它与舱口空间相关，这是两个舱口线之间的距离。表面纹理和尺寸精度原型可以通过减少两层来改进厚度和舱口空间。事实上，曲面可以精确生产只有层厚和舱口空间是无穷小的。但是，这将使构建时间不切实际太长。事实上，质量和原型的构建时间显着受到影响一些主要工艺参数，特别是取向，层厚度和舱口空间等必须仔细地优化工艺参数的最佳组合选择用于有效生产所需的原型质量。因此，RP的可视化将是非常有用的帮助选择一组适当的过程参数进行优化生产原型。设计师可以看到效果改变工艺参数对原型质量的影响清楚。随后，一组最优的过程参数可以快速选择以有效地生产原型。

3提出的虚拟原型系统

拟议的VP体系的主要目标是促进RP过程的可视化和优化，以及从而更快地实现产品。基于产品型号设计在CAD包中，系统模拟执行虚拟制造的RP过程的特性的产品原型。虚拟原型可以是用于各种分析。如图1所示，提议VP系统由三个主要步骤组成，即（1）创建一个产品型号; （2）虚拟制造;（3）可视化和调整过程参数。

3.1产品型号

创建产品模型是提供的第一步设计的必要信息，其中包括几何和材料和颜色的属性等。通常，使用CAD设计产品模型包，然后转换为STL模型。

3.2虚拟制造

在进行虚拟制造之前，准备工作是在几个模块中执行，包括模型查看器，切片机，孵化器，轮廓分选机和零件制造商。模型查看器以STL格式读取模型并将其显示在虚拟世界（VW）中以允许设计者有一个原始模型的想法。切片机和孵化器模块是开发的VP系统的组成部分部门，他们可以处理比较大和复杂STL模型。切片器切分STL模型拓扑结构。TheHatcher执行所有层的阴影以产生激光/binder路径，而Contour Sorter构造基于层的轮廓的层次关系模拟。随后，零件制造商读入填充信息并模拟制造过程形成一个虚拟原型。它允许设计师可视化该过程通过显示建模的结果，如表面质量，相对于工艺参数。事实上，显示不同过程的影响是至关重要的参数在原型上实时。

3.3可视化和调整过程参数

一旦虚拟制造模拟过程完成后，设计人员可以操纵结果虚拟原型使用提供的实用程序进行可视化产品原型的质量RP机将随后交付。设计师可以导航围绕原型的内部和不透明结构以调查产品设计。此外，将STL模型叠加在其虚拟原型上可突出尺寸偏差。系统也计算最大和平均尖头高度表示原型的总体精度。研究尺寸误差，可以设置公差极限任何偏离超出极限的位置都将是明确强调。设计者可以因此识别和专注于需要修改的部件。改善精度和表面质量的具体特点原型，工艺参数，如方向，层厚度或舱口空间可以是相应地改变。

4实施

提出的虚拟原型系统已经用C 语言实现，与WorldToolKit（WTK）虚拟现实支持库。

4.1模型查看器模块

模型查看器在VR中显示产品型号环境创建的WTK。它提供了两种模式即正常模式和立体声模式。立体模式提供3D立体观看虚拟原型。系统采用半沉浸式VP接口，这只需要一个发射器和一对CrystalEyes快门眼镜。设计师穿了一双产生立体感的快门眼镜通过与显示设备同步来接通和将图像交替切换到左眼和右眼。这创造了深度感知，因此“在那里”错觉。然而，如果原型的立体显示不需要，可以选择正常模式，并且无发射器和眼镜。

4.2 Slicer模块

切片器由切片的切片算法组成STL模型划分为若干层的预定义厚度。它通过确定生成层轮廓切片平面和小面的交叉点。Slicer模块提供了两种切片方法，如图所示。图4中

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