CN103886120B - 一种大型产品数字样机轻量可视化方法 - Google Patents

Abstract

本专利属于数字样机应用技术领域，涉及汽车、船舶、飞机等大型产品的数字样机轻量可视化方法。本发明中，将大型产品数字样机置于虚拟现实系统中，通过集群计算、光学跟踪定位和虚拟外设实现工程设计与协调过程，解决了大型产品数字样机轻量化步骤繁琐、可视化低效耗时、互操作困难的问题。

Description

一种大型产品数字样机轻量可视化方法

技术领域

本专利属于数字样机应用技术领域，涉及汽车、船舶、飞机等大型产品的数字样机轻量可视化方法。

背景技术

为分析评估大型产品的全机设计、系统设计方案，并在产品设计阶段发现和解决设计问题，当前国际通用的方法是采用大型产品数字样机技术，在图形工作站或虚拟现实系统中实现大型产品数字样机的可视化仿真和交互协同。要实现大型产品数字样机在工程上的应用，则必须实现数字样机的轻量可视化。大型产品的数字样机往往零件数达到几万到十万件，总数据容量达10G以上，在调用数字样机时可视化渲染规模达到上亿的面片数，产品结构数据装配关系复杂、数据量十分庞大，轻量可视化难度较大。

因此，数字样机轻量可视化技术首先要解决装配中物理文件的数量和装配连接数量，其次需大幅降低总的数据容量，最后要在可视化应用端达到产品数字样机的可便捷加载、可计算渲染、可交互操作的效果。

当前，制造业大型产品的数字样机应用较广，轻量可视化技术也广泛使用，常规的轻量可视化方法如下：

1）在设计环境（CAD/PDM）中，通过三维设计系统将数字样机数据以物理文件形式提取出来，对数字样机的产品结构树进行人工层级分解、整理，将每个分解出的子数据集单独形成一个物理文件，之后，再转换成轻量化格式的物理文件

2）在三维设计系统中，新建产品结构树，将转换为轻量化格式的物理文件加载产品结构树上，再对这些轻量化后的模型重新进行装配定位，还原出产品的数字样机，即轻量化处理后的数字样机，将其另外形成一套数据集。

3）在图形工作站上使用工程设计环境调用该数据集，提供给样机检查、设计协调、方案评估等工程设计使用。使用时，显示器作为可视化界面，鼠标键盘作为交互操作的控制工具。

这种方法的不足明显：获取轻量可视化数字样机的过程人工参与多、效率低、出错率大，迭代时操作步骤繁琐，最终实现的数字样机应用的效果不可提前预判，工作常需反复；由于数据量庞大，即使采用最先进的图形工作站来支持可视化和互操作，也常常出现使用常规外设无法进行操作控制的问题。

发明内容

本发明的目的：

本发明的目的是实现一种大型产品数字样机的轻量可视化新方法。

本发明的技术方案：

一种大型产品数字样机轻量可视化方法，本方法包括以下步骤：

1）在三维设计系统中从数据库中分步加载该大型产品的数字样机的各个子系统数据，各子系统加载时或整个大型产品全部加载完成后，在三维设计系统中的该大型产品的产品结构树上，选择和确定产品结构树上的欲轻量化的层级，并定义这些层级轻量化处理的参数（l、c、p），其中，l为轻量化处理格式参数，c为大型产品数字样机轻量化之后的显示颜色、p为轻量化处理处理完成后的物理文件的数量，由产品结构树和欲轻量化的层级确定；

2）在第1）步中选择和确定产品结构树上的欲轻量化的层级以及定义的参数（l、c、p）提交三维设计系统的后台进行轻量化计算，得到p个物理文件和轻量化计算过程报告；通过轻量化计算过程报告中p个物理文件的三角面片数参数值预判轻量化处理后的数据量是否满足可视化要求；

3）若p个物理文件总的三角面片数参数值满足要求，则直接在设计环境中加载轻量化后的数字样机模型；如不满足，则进行以下处理：对轻量化计算后形成的p个物理文件中数据量较大的物理文件进行面片精简，精简后再加载到设计环境中，直至p个物理文件总的三角面片数参数值满足要求；

4）将满足要求的轻量化后的数字样机模型加载到设计环境中，经多通道虚拟现实系统可视化，获得沉浸式立体数字样机，使用3D操作手柄和光学跟踪定位系统进行数字样机的交互操作，开展工程设计工作。

所述的第2）步中的预判标准为：p个物理文件总的三角面片数参数值的基本指标应低于三千万。

所述的第3）步中面片精简为：调整物理文件中间格式的类型和面片精度值。

所述的第4）步中可视化及交互操作过程为：调整多通道虚拟现实系统对数字样机模型的渲染精度，使渲染精度的指标为渲染帧数（FPS）值不低于每秒15帧。

本发明的有益效果：

该方法对比常规方法有以下优点：

由于常规的大型产品数字样机轻量可视化过程中，缺少预判手段，需要多次脱离设计环境，反复进行数据的优化处理再反复进入到可视化环境验证，这个过程中不断修正数据集大小和轻量化精度，步骤反复、迭代速度慢，效率低。通过本发明的技术方法，事先定义参数，事中进行判断，不用反复脱离和进入设计环境，大幅度减少了迭代次数，减少了出错率，提高了工作效率；

常规的轻量可视化工作是在图形工作站上完成，依靠单台计算机硬件性能、显示器和鼠标键盘完成操作，对于大规模数字样机（1000万面片数以上）则难以计算和加载模型，或者难以互操作，造成产品设计协调工作无法开展，局限性很大。本发明中，将大型产品数字样机置于虚拟现实系统中，通过集群计算、光学跟踪定位和虚拟外设实现工程设计与协调过程，解决了大型产品数字样机轻量化步骤繁琐、可视化低效耗时、互操作困难的问题。

附图说明

图1：常规数字样机轻量可视化方法流程图；

图2：本发明的流程图；

图3：本发明实施例最终应用效果图。

具体实施方式

一种大型产品数字样机轻量可视化方法，本方法包括以下步骤：

1）在设计环境中，该设计环境为各类三维设计系统，可为CAD、或者CAD结合PDM而成，大型产品的CAD设计一般采用CATIA、UG或Pro/E。由于大型产品数字样机的数据量非常庞大，因此在三维设计系统中从数据库中分步加载该大型产品的数字样机的各个子系统。各子系统加载时或整个大型产品全部加载完成后，在三维设计系统中的该大型产品的产品结构树上（BOM树），选择和确定产品结构树上的欲轻量化的层级，并定义这些层级轻量化处理的参数（l、c、p），其中，l为轻量化处理格式参数，一般包括3DXLM、WRL、CGR或IGS；c为大型产品数字样机轻量化之后的显示颜色、p为轻量化处理处理完成后的物理文件的数量，由产品结构树和欲轻量化的层级确定；

2）在第1）步中选择和确定产品结构树上的欲轻量化的层级以及定义的参数（l、c、p）提交三维设计系统的后台进行轻量化计算，得到p个物理文件和轻量化计算过程报告；通过轻量化计算过程报告中p个物理文件的三角面片数参数值（triangles）预判轻量化处理后的数据量是否满足可视化要求；此步骤的判断标准，主要是根据可视化端的最大渲染能力来判断，一般来讲，p个物理文件总的三角面片数参数值的基本指标应低于三千万；

3）若p个物理文件总的三角面片数参数值满足要求，则直接在设计环境中加载轻量化后的数字样机模型；如不满足，则进行以下处理：对轻量化计算后形成的p个物理文件中数据量较大的物理文件进行面片精简，精简后再加载到设计环境中，直至p个物理文件总的三角面片数参数值满足要求，面片精简处理时可根据实际情况调整数据量较大的物理文件中间格式的类型和面片精度值；

4）将满足要求的轻量化后的数字样机模型加载到设计环境中，经多通道虚拟现实系统可视化，获得沉浸式立体数字样机，使用3D操作手柄和光学跟踪定位系统进行数字样机的交互操作，开展工程设计工作。可视化及交互操作过程可根据实际情况调整多通道虚拟现实系统对数字样机模型的渲染精度，渲染精度指标为渲染帧数（FPS）值不低于每秒15帧，以确保数字样机在设计协同使用过程中的流畅性。

实施例1：

下面以某型航空产品数字样机为例，阐述具体实施方法：

1）在三维设计系统中加载该航空产品数字样机的升力系统数据模型，加载完成后，在三维设计系统中数字样机的产品结构树上，选择产品结构树上的升力系统层级，其下面有4个子装配，那么以4个子装配每个都单独生成一个轻量化物理文件为目标，定义轻量化处理的参数l=IGS，c=BLU，p=4；

2）定义完成后，提交到三维设计系统的后台进行轻量化计算，得到4个轻量化处理后的物理文件：liftfan1.igs、liftfan2.igs、engine1.igs、engine2.igs，以及轻量化计算过程报告lightprocess.log；查看lightprocess.log文件，可看到升力系统的4个物理文件的几何模型三角面片数参数值triangles=1611172，满足可视化要求；

3）在三维设计系统中加载轻量化后的数字样机模型，几何模型为蓝色；

4）将三维设计系统中的轻量化后的数字样机模型，输入到多通道虚拟现实系统中，通过图形集群中进行多通道渲染可视化，获得沉浸式立体数字样机，查看当前的渲染帧数为35帧，满足互操作要求，使用3D操作手柄和光学跟踪定位系统进行数字样机的交互操作，开展工程设计协同工作。

Claims (4)

1.一种大型产品数字样机轻量可视化方法，其特征是，本方法包括以下步骤：

1）在三维设计系统中从数据库中分步加载该大型产品的数字样机的各个子系统数据，各子系统加载时或整个大型产品全部加载完成后，在三维设计系统中的该大型产品的产品结构树上，选择和确定产品结构树上的欲轻量化的层级，并定义这些层级轻量化处理的参数（l、c、p），其中，l为轻量化处理格式参数，c为大型产品数字样机轻量化之后的显示颜色、p为轻量化处理处理完成后的物理文件的数量，由产品结构树和欲轻量化的层级确定；

2）在第1）步中选择和确定产品结构树上的欲轻量化的层级以及定义的参数（l、c、p）提交三维设计系统的后台进行轻量化计算，得到p个物理文件和轻量化计算过程报告；通过轻量化计算过程报告中p个物理文件的三角面片数参数值预判轻量化处理后的数据量是否满足可视化要求；

3）若p个物理文件总的三角面片数参数值满足要求，则直接在设计环境中加载轻量化后的数字样机模型；如不满足，则进行以下处理：对轻量化计算后形成的p个物理文件中数据量较大的物理文件进行面片精简，精简后再加载到设计环境中，直至p个物理文件总的三角面片数参数值满足要求；

4）将满足要求的轻量化后的数字样机模型加载到设计环境中，经多通道虚拟现实系统可视化，获得沉浸式立体数字样机，使用3D操作手柄和光学跟踪定位系统进行数字样机的交互操作，开展工程设计工作。

2.如权利要求1所述的一种大型产品数字样机轻量可视化方法，其特征是，所述的第2）步中的预判标准为：p个物理文件总的三角面片数参数值的基本指标应低于三千万。

3.如权利要求1所述的一种大型产品数字样机轻量可视化方法，其特征是，所述的第3）步中面片精简为：调整物理文件中间格式的类型和面片精度值。

4.如权利要求1所述的一种大型产品数字样机轻量可视化方法，其特征是，所述的第4）步中可视化及交互操作过程为：调整多通道虚拟现实系统对数字样机模型的渲染精度，使渲染精度的指标为渲染帧数FPS值不低于每秒15帧。