基于三维视觉的产品虚拟设计方法研究

龙薜岳+秦兴盛

摘 要： 常规产品设计过程是通过AutoCAD软件直接进行设计，在软件中下达参数指令软件会自动生成，整体设计过程没办法进行虚拟演化以及实际模拟，设计产品只有真实制作后才能够进行测量与实验，存在极大的延后性。提出基于三维视觉的产品虚拟设计方法，对产品进行数字化建模，根据产品生产流程以及产品特点设计数字化模型流程，利用协作效应对AutoCAD中的数据与三维视觉协作模型中的设计数据进行搭配组合，完成AutoCAD图像转换三维视觉图像，建立数字模型对转换数据加工实现产品的虚拟设计。实验结果表明，提出的虚拟设计方法设计的产品能够更好地制造应用，设计效率高于常规方法，解决了设计延后性。

关键词： 三维视觉； AutoCAD软件； 虚拟设计； 建模； 图形转换； 产品设计

中图分类号： TN911.73?34； TP311 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）02?0010?04

Abstract： As the AutoCAD software is used for direct design in the conventional product design process and the software is automatically generated when the parameter instructions are given， the virtual evolution and actual simulation cannot be executed in the overall design process， and the designed products can be tested only after real fabrication， which results a great delay. Therefore， a product virtual design method based on 3D vision is proposed. The digital model of the products is established. The technological process of digital model is designed according to the production process and characteristics of product. The cooperative effect is utilized to match the data in AutoCAD with the design data in 3D visual collaboration model to complete the conversion of AutoCAD image to 3D visual image， and establish the digital model to realize the virtual design of the product of converted processing data. The experimental results show that the product designed by the proposed virtual design method is easy to manufacture and apply， and the method has better design efficiency than the conventional method， and has overcome the defect of design delay.

Keywords： three?dimensional vision； AutoCAD software； virtual design； modeling； graphic conversion； product design

0 引 言

对于产品设计生产过程中传统的设计方法是通过AutoCAD以及一些画图软件进行绘制设计的，但是AutoCAD等一些设计软件存在一定的缺点，设计过程中必须以三视图的形式进行表述，设计过程中不能对产品进行生产演示，具有一定的延后性。提出基于三维视觉的产品虚拟设计方法，通过实验验证发现，基于三维视觉的产品虚拟设计方法与常规使用AutoCAD等软件设计方法的实验结果相比较，本文设计的产品虚拟设计方法能够在无延后性基础上进行产品设计。

1 构建产品的数字化建模

1.1 数字化建模的设计流程

本文设计的基于三维视觉的产品虚拟设计方法使用的数字模型能够实现AutoCAD数据转化为三维视觉数据。在设计流程中需要实现多数据交叉过程，为了数据完善以及运行的良好需要从产品角度出发进行流程设计[1]。本文设计的数字化建模的设计流程如图1所示。

从图1分布格局可以看出本文的数字化模型使用的是C/S多层结构，这样方便数据交叉连接转化，同时避免了多余运行流程。数字化建模设计流程有两种方案：三维视觉图像承接方法；三维视觉模型跳跃转化方法[2]。这两种方法有一个共同点就是可以实现AutoCAD数据转化为三维视觉数据但是转化方式有所不同，本文选择方案一转化模式，生成数字化建模设计流程。

1.2 AutoCAD和3ds MAX合理分工协作建模

AutoCAD是传统设计制图润健（软件）能够对任意形状的产品进行绘制设计，制造预留参数引入只能通过人工计算控制才能够得以实现。本文通过三维视觉技术与AutoCAD制图技术相结合[3?4]，利用三维视觉技术的虚拟演示性以及模仿能力进行参数的制定，利用AutoCAD图像参数以及绘制比拟能力设计产品实际制作简图，两项技术融合协作能够完成本文设计的数字模型。本文设计的模型在两项技术的支撑下，用，，，分别表示模型协作过程，建立协作模型如下：endprint

1.3 AutoCAD向3ds MAX的图形转换

本文在设计产品的过程中使用的三维视觉技术与AutoCAD技术都是出自Autodesk公司的产品，因此在数据转化甚至是图像转化过程中参数的设置调整变得非常容易，对于AutoCAD技术的图像向三维视觉图像转化过程主要有两项参数[5]：一项是图像的立体几何数据的交换承接；一项是图像格式的交换承接。由于AutoCAD技术中的格式众多，需对转换过程建立一个转换标准。这样方便建立的模型进行快速的识别比对转化，其优点是能够识别对象的不同格式信息，同时引入模拟参数但不改变原有图像的数据。在图像几何数据的转化过程中，通过数据的保留引入把原始数据进一步限定，避免在转化的过程中发生图像“平面化”效应[6]。一般来说几何数据转化完便可以完成对产品设计实现[7]。设为AutoCAD技术下的设计图像，基于三维视觉的虚拟演示性，对进行一定的约束，完成图像转化，如下：

2 仿真实验分析

2.1 参数设定

为了保证本文设计的基于三维视觉的产品虚拟设计方法的有效性，对实验参数进行设置，本文选取轴承作为实验设计的样品，设计过程把ERHY软件带入设计的样本中，ERHY软件不会对设计过程产生附加影响。实验基本参数的设定过程如表1所示。

2.2 数据处理及分析

本文实验使用的ERHY软件是为了保证测试的准确度，对其过程进行保留，并且计算出每次设计的评价。ERHY软件分别会根据标准参数进行对比显示出1～5的数字[8?9]，它们分别表示很不合格、不合格、基本参数正确、参数正确、参数无序修正几个层次，并且计算出评价结果的均值、标准差计算公式如下：

2.3 结果对比分析

常规使用AutoCAD进行产品设计的方法与本文基于三维视觉的产品虚拟设计方法在ERHY软件测试过程中引入森帕克指标表对设计结果进行对比，实验数据如表2所示。

从表2中的数据分析能够看出，本文设计的基于三维视觉的产品虚拟设计方法比常规使用AutoCAD进行产品设计的方法的森帕克指标要高出1倍以上。森帕克指标即CIMPACK指标，是衡量设计产品的实用性的参数，同时经过转化大于与工艺参数成负倍数关系，能够确定设计制作难易程度，森帕克指标越大说明制作过程越容易。

本文设计的基于三维视觉的产品虚拟设计方法与常规使用AutoCAD进行产品设计的方法，使用ERHY软件进行基本参数的比较，图1为使用查重软件的结果。

从图2可以看出，本文设计的基于三维视觉的产品虚拟设计方法在制造预留参数与森帕克指标上明显好于常规使用AutoCAD进行产品设计方法，说明本设计的基于三维视觉的产品虚拟设计方法更具有实用性。设计过程中本文的基于三维视觉的产品虚拟设计方法能够进行三维模拟，对比常规方法无法实现。通过ERHY软件对设计产品进行模拟制作和模拟使用，结果如表3所示。

从以上6组测试样本数据能够分析出，本文设计的基于三维视觉的产品虚拟设计方法比常规使用AutoCAD进行产品设计方法在森帕克指标上明显高于常规使用AutoCAD进行产品设计方法。

3 结 语

本文提出基于三维视觉的产品虚拟设计方法，对产品进行数字化建模，根据产品生产流程及产品特点设计数字化模型机构，用协作效应对AutoCAD中数据与数字模型中数据进行搭配组合，对常规AutoCAD图像进行三维视觉转换，使用建立的产品数字模型对转换数据加工实现产品虚拟设计。希望通过本文提出方法能提升产品设计有效性。

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