小議機械設計中的虛擬現(xiàn)實技術

摘要：目前計算機輔助設計技術已經(jīng)廣泛應用于機械設計制造中。伴隨著虛擬現(xiàn)實技術在設計中的使用，人機交互將得到很大提高，使得機械設計制造更簡單形象，效率也得到提高。本文將圍繞虛擬現(xiàn)實的特點，對其在機械設計上應用作簡要分析。

關鍵詞：機械設計;虛擬現(xiàn)實 技術

前言

伴隨著科學技術的不斷發(fā)展， 人類社會步入了嶄新的世紀， 經(jīng)濟的全球化和社會的信息化， 促使市場競爭日益激烈， 制造企業(yè)為了在競爭中求得生存和發(fā)展， 必須以最快的上市速度， 最好的質(zhì)量， 最低的成本和最優(yōu)的服務， 滿足不同顧客的需求。這就要求企業(yè)生產(chǎn)活動必須具有高度的柔性， 對市場需求的變化做出快速反應， 虛擬現(xiàn)實技術由此產(chǎn)生。

1.虛擬現(xiàn)實的內(nèi)涵和特點

虛擬現(xiàn)實是實際制造過程在計算機上的本質(zhì)實現(xiàn)， 即采用計算機仿真與虛擬現(xiàn)實技術， 在計算機上群組協(xié)同工作， 實現(xiàn)產(chǎn)品的設計、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢驗以及企業(yè)各級過程的管理與控制等產(chǎn)品制造的本質(zhì)過程， 以增強制造過程各級的決策與控制能力。虛擬現(xiàn)實雖然不是實際的制造， 但卻實現(xiàn)實際制造的本質(zhì)過程， 是一種通過計算機虛擬現(xiàn)實來模擬和預估產(chǎn)品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的問題， 提高人們的預測和決策水平， 使得制造技術走出主要依賴于經(jīng)驗的狹小天地， 發(fā)展到了全方位預報的新階段。與實際制造相比較， 虛擬現(xiàn)實的主要特點是：

（1）產(chǎn)品與制造環(huán)境是虛擬現(xiàn)實， 在計算機上進行產(chǎn)品設計、制造、測試， 甚至設計人員或用戶可“進入”虛擬的制造環(huán)境檢驗其設計、加工、裝配和操作， 而不依賴于傳統(tǒng)的原型樣機的反復修改;還可將已開發(fā)的產(chǎn)品（部件）存放在計算機里， 不但大大節(jié)省倉儲費用， 更能根據(jù)用戶需求或市場變化快速改變設計， 快速投入批量生產(chǎn)， 從而能大幅度壓縮新產(chǎn)品的開發(fā)時間， 提高質(zhì)量、降低成本。

（2）可使分布在不同地點、不同部門的不同專業(yè)人員在同一個產(chǎn)品模型上同時工作、相互交流、信息共享， 減少大量的文檔生成及其傳遞的時間和誤差， 從而使產(chǎn)品開發(fā)以快捷、優(yōu)質(zhì)、低耗響應市場變化。

2.虛擬現(xiàn)實技術在機械設計與制造中應用

（1）虛擬產(chǎn)品概念設計。概念設計（Conceptual Design）是創(chuàng)造性思維的一種體現(xiàn)，概念產(chǎn)品是一種理想化的物質(zhì)形式。概念設計是指對產(chǎn)品起始的設計構思，目的是為了捕捉產(chǎn)品的基本形態(tài)。概念設計是產(chǎn)品設計過程中的重要階段，因為產(chǎn)品成本的60%～70%是概念設計決定的。虛擬概念設計使用虛擬現(xiàn)實技術，為設計者提供基于語言識別和手勢跟蹤的輸入方式，設計者可隨時、方便地在三維虛擬環(huán)境中操縱產(chǎn)品及零件并改變或修改產(chǎn)品的各種形態(tài)建模，并可以在三維空間中對設計對象進行觀察和操作，其目的是獲得足夠多的有關產(chǎn)品式樣和形狀的信息，從而達到滿意的效果。虛擬現(xiàn)實技術在產(chǎn)品概念設計中的應用，使設計師的設計思路和設計表達更加清晰、形象、逼真，讓人更多了一種直觀的、親切的交互的感受。這樣的開發(fā)設計大大減少了投放市場的風險性，保證產(chǎn)品開發(fā)一次性成功。設計時可以針對不同用戶及愛好者的需求，在不同的虛擬環(huán)境中，讓他們親自體驗修改模型的感受，充分感受了自己所喜愛的產(chǎn)品在虛擬環(huán)境中的“真實”情況。

（2）虛擬設計。虛擬設計（Virtual Design）就是設計人員設計一個虛擬的產(chǎn)品，來分析、研究、檢查所設計的產(chǎn)品是否滿足設計要求，有問題及時修改，使產(chǎn)品設計更為完善，或者說虛擬現(xiàn)實技術用于產(chǎn)品的開發(fā)設計。虛擬設計涉及到許多的學科和專業(yè)技術，屬于多學科交互技術，在工程設計上，目前提出兩種基于虛擬現(xiàn)實的工程設計方法。一種是利用現(xiàn)有的CAD 系統(tǒng)產(chǎn)生模型，再將其轉(zhuǎn)換成虛擬現(xiàn)實軟件支持的格式，然后將模型輸入到虛擬現(xiàn)實軟件的環(huán)境中，完成虛擬產(chǎn)品的設計，用戶充分利用各種增強的效果設備，如頭盔顯示器等產(chǎn)生臨境感。另一種是VR-CAD 系統(tǒng)，將虛擬現(xiàn)實技術引入CAD 環(huán)境，這種設計環(huán)境中的對象不僅具有外形，而且還有重量、材料特性、表面硬度以及一些內(nèi)在的物理性能、功能作用等信息。對象之間相互作用時能反映出對象內(nèi)部結(jié)構狀態(tài)等隨外部輸入的實時改變。設計者直接在虛擬環(huán)境中參與設計，采用虛擬設計可以對產(chǎn)品的外形設計、產(chǎn)品的布局設計、產(chǎn)品的運動和動力仿真設計，避免可能出現(xiàn)的干涉和其它不合理問題;同時可以檢查運動構件工作時的運動協(xié)調(diào)關系。

（3）虛擬制造。虛擬制造（Virtual Manufacturing）是實際制造過程在計算機上的映射，即采用計算機仿真與虛擬現(xiàn)實技術，在高性能計算機及高速網(wǎng)絡的支持下，在計算機上群組協(xié)同工作，將與產(chǎn)品制造相關的各種過程與技術集成在三維的、動態(tài)的仿真真實過程的實體數(shù)字模型之上，實現(xiàn)產(chǎn)品設計、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢驗以及企業(yè)各級過程的管理與控制等產(chǎn)品制造的本質(zhì)過程，以增強制造過程各級的決策與控制能力。虛擬制造技術在制造業(yè)中得以成功地推廣應用，其中在航空航天、汽車等領域中的應用尤為典型。虛擬制造在汽車領域的應用涉及到汽車的整個生命周期，它可以在汽車生產(chǎn)設備、工裝和模具，甚至校車的設計之前，很容易地生產(chǎn)系統(tǒng)和工藝過程進行建模、修改、分析及優(yōu)化。比如，通用電動車部（General Motors ElectroMotive Division，EMD）早在1997 年就利用UG II 軟件，建成了第一個完全數(shù)字化的機車樣機模型，并圍繞這個數(shù)字模型并行地進行產(chǎn)品設計、分析、制造夾模具工裝設計和可維修性設計。此舉顯著降低了研制費用及生產(chǎn)成本，大大增強了全球競爭能力。由此可見，虛擬制造用虛擬樣機代替具體物理模型，對產(chǎn)品的全壽命周期進行展示、分析和測試，對存在問題的地方進行修改，提高產(chǎn)品一次試驗成功率，減少設計制造費用，縮短設計開發(fā)周期，降低研發(fā)成本，提高研發(fā)水平，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

4.結(jié)束語

現(xiàn)在，虛擬現(xiàn)實技術在工業(yè)領域中獲得較為成熟的運用，但仍是初級階段?？梢灶A見得到，虛擬現(xiàn)實技術將逐漸應用到設計制作的各個環(huán)節(jié)中，為設計制造業(yè)的蓬勃發(fā)展提供無限動力。

參考文獻：

[1]戴晴華，易迪升，田文勝，周小青，喻江波.虛擬制造技術及其在工程機械中的應用[J].中國工程機械學報，2010（02）

[2]劉淑芬，高奇.虛擬制造技術在現(xiàn)代機械工程設計領域中的應用[J].裝備制造技術，2009（06）

[3]王利華，包文育，張丹丹，侍紅巖，劉麗娜.虛擬現(xiàn)實技術及其在機械設計與制造中的應用[J]. 內(nèi)蒙古民族大學學報（自然科學版），2007（01）

[4]劉美珍，劉劍雄，劉偉達.虛擬制造技術及其應用綜述[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2006（01）

作者簡介：

施德璨（1992.02.16-），本科，邵陽學院機械系。