虛擬現(xiàn)實(shí)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的作用分析

張博

摘要：制造企業(yè)為了在競(jìng)爭(zhēng)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(wù)，滿足不同顧客的需求，這就要求企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)必須具有高度的柔性，對(duì)市場(chǎng)需求的變化做出快速反應(yīng)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)由此產(chǎn)生。本文首先闡述了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，然后對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的作用進(jìn)行了分析。最后結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)在未來(lái)機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用進(jìn)行了展望，以供廣大讀者參考。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；機(jī)械設(shè)計(jì)制造；作用

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是21世紀(jì)的先進(jìn)技術(shù)，開始于上個(gè)世紀(jì)80年代，將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與各領(lǐng)域新技術(shù)相結(jié)合。目前學(xué)術(shù)界還沒(méi)有關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的明確定義，從一定意義上來(lái)說(shuō)就是一種新的人機(jī)界面，追求利用計(jì)算機(jī)制造逼真環(huán)境，通過(guò)觸覺(jué)、視覺(jué)和聽覺(jué)等傳給用戶，讓用戶能夠在此環(huán)境中實(shí)現(xiàn)交互活動(dòng)。虛擬現(xiàn)實(shí)創(chuàng)建了人與世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，利用這一技術(shù)能夠讓人產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)，這也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的本質(zhì)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠提供逼真的虛擬環(huán)境，讓用戶進(jìn)入后成為其中的一員，并進(jìn)行實(shí)時(shí)交互活動(dòng)，感知虛擬世界的各種對(duì)象，獲取身臨其境的感覺(jué)。詳細(xì)來(lái)說(shuō)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要特征包括：第一，沉浸性。用戶在虛擬現(xiàn)實(shí)中可以通過(guò)自己的觸覺(jué)、視覺(jué)和聽覺(jué)來(lái)感知虛擬世界，而在虛擬環(huán)境中一切感覺(jué)都是逼真的，能夠給用戶帶來(lái)身臨其境的機(jī)會(huì)。第二，交互性。虛擬現(xiàn)實(shí)能夠創(chuàng)建一個(gè)動(dòng)態(tài)的世界，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，使用者不僅可以利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互，同時(shí)還可以通過(guò)數(shù)據(jù)手套、聲音命令等交互手段進(jìn)行各種設(shè)計(jì)。第三，多感知性。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)裝有聽覺(jué)、視覺(jué)和觸覺(jué)等傳感裝置，方面用戶獲取信息，從而發(fā)揮人的多項(xiàng)潛能，提升設(shè)計(jì)可用性。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的作用分析

詳細(xì)來(lái)說(shuō)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用主要包括：

（一）虛擬產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)

概念產(chǎn)品是一種理想化的物質(zhì)形式，是創(chuàng)造性思維的體現(xiàn)，就是對(duì)產(chǎn)品初始的設(shè)計(jì)構(gòu)想，目的在于通過(guò)構(gòu)建其基本形態(tài)來(lái)展現(xiàn)產(chǎn)品，這是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要階段，占到產(chǎn)品成本的60%左右。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于虛擬概念設(shè)計(jì)中能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)者提供基于語(yǔ)言、手勢(shì)的輸入方式，設(shè)計(jì)者就可以在三維虛擬環(huán)境中操縱零件、產(chǎn)品等來(lái)修改產(chǎn)品形態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)在三維空間觀察和操作設(shè)計(jì)對(duì)象，從而獲取更多關(guān)于產(chǎn)品的信息，達(dá)到最佳效果。比如目前比較流行的故事版平面設(shè)計(jì)就是其中的代表，使設(shè)計(jì)師思路更為清晰、逼真，讓人獲得直觀的交互感受，減少了投放市場(chǎng)的風(fēng)險(xiǎn)性，提升了產(chǎn)品開發(fā)的成功率。另外一方面，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)用戶的不同需求來(lái)創(chuàng)造，讓用戶親自體驗(yàn)感受，比如可以通過(guò)觸摸屏選擇產(chǎn)品色彩、造型和裝飾燈，從而構(gòu)成逼真的三維模型，讓用戶感受虛擬環(huán)境中的產(chǎn)品情況。

（二）虛擬設(shè)計(jì)

虛擬社交是設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)的虛擬產(chǎn)品，主要是通過(guò)分析、研究和檢查設(shè)計(jì)的產(chǎn)品來(lái)判斷是否符合設(shè)計(jì)要求，并及時(shí)修改問(wèn)題，完善產(chǎn)品設(shè)計(jì)。一般來(lái)說(shuō)，虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括虛擬環(huán)境生成器和外圍設(shè)備兩個(gè)部分，前者是整個(gè)系統(tǒng)的主題，能夠根據(jù)用戶需求在數(shù)據(jù)庫(kù)支持下產(chǎn)生多維的、人性化的實(shí)例，這一部分由計(jì)算機(jī)軟硬件組成，可以說(shuō)是包括各種數(shù)據(jù)庫(kù)的高性能工作站；后者包括人機(jī)交互工具、信號(hào)控制裝置等部分。目前虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)交互技術(shù)集中于觸覺(jué)、視覺(jué)和聽覺(jué)，輸入和輸出設(shè)備是交互的主要方式，比如語(yǔ)音輸入、數(shù)據(jù)手套等，虛擬設(shè)計(jì)涉及到多個(gè)領(lǐng)域，屬于多學(xué)科交互技術(shù)，目前比較流行的交互技術(shù)是利用CAD系統(tǒng)產(chǎn)生模型，然后再轉(zhuǎn)換為虛擬現(xiàn)實(shí)軟件支持的格式，輸入到虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中，從而完成虛擬產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。另外還有一種VR-CAD系統(tǒng)，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到CAD環(huán)境中，不僅僅包括外形，同時(shí)還有重量、表面硬度、材質(zhì)等信息，相互作用時(shí)能夠?qū)崟r(shí)改變對(duì)象內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)，設(shè)計(jì)者也可以在環(huán)境中參與設(shè)計(jì)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行外形設(shè)計(jì)、布局設(shè)計(jì)、動(dòng)力仿真設(shè)計(jì)等。比如在減速器設(shè)計(jì)方面就可以通過(guò)對(duì)殼體進(jìn)行修改和評(píng)測(cè)，將確定的建模數(shù)據(jù)用于成型模具設(shè)計(jì)和加工中。比如可以通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)全面展示布局設(shè)計(jì)，避免出現(xiàn)各種不合理問(wèn)題，隨時(shí)對(duì)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)關(guān)系進(jìn)行檢查，確保運(yùn)動(dòng)在可能出現(xiàn)的范圍內(nèi)，并需要及時(shí)檢查軸、齒輪等零件的強(qiáng)度，確保工作協(xié)調(diào)、可靠開展。

（三）虛擬制造

虛擬制造是實(shí)際制造在計(jì)算機(jī)上的映射，也就是計(jì)算機(jī)仿真與虛擬技術(shù)在高性能計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)支持下，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、性能分析、加工制造等各個(gè)過(guò)程的管理和控制，從而增強(qiáng)制造過(guò)程中決策和控制能力。目前虛擬制造出現(xiàn)了三個(gè)流派，包括以設(shè)計(jì)為中心、以生產(chǎn)為中心和以控制為中心的虛擬制造。比如減速器殼體成型設(shè)計(jì)中就利用了物理模擬方法對(duì)金屬材料進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，從而能夠預(yù)測(cè)成形材料的性能和質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)形成材料性能和質(zhì)量的優(yōu)化設(shè)計(jì)。比如在齒輪、軸等零件加工仿真過(guò)程中也可有利用虛擬加工來(lái)選擇最佳的加工參數(shù)和機(jī)床刀具路徑，這樣就便于分析產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)加工過(guò)程中出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行修改。比如在設(shè)計(jì)階段還可以通過(guò)虛擬制造技術(shù)對(duì)軸系部件進(jìn)行裝配，避免出現(xiàn)各種差錯(cuò)，提高生產(chǎn)效率。虛擬樣機(jī)代替具體減速器能夠全面展示、分析產(chǎn)品的全壽命周期，對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行及時(shí)修改，減少設(shè)計(jì)制造費(fèi)用，提高產(chǎn)品試驗(yàn)成功率，縮短制造工期，保障產(chǎn)品質(zhì)量。

三、關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中應(yīng)用的展望

通過(guò)以上分析我們能夠認(rèn)識(shí)到，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中發(fā)揮著重要作用，結(jié)合我國(guó)特殊情況，本文認(rèn)為虛擬現(xiàn)實(shí)下一步的應(yīng)用規(guī)劃主要包括：第一，重點(diǎn)機(jī)械投資項(xiàng)目，由于這些項(xiàng)目投資金額比較大，一旦出現(xiàn)失誤就會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，但是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以有效避免這些損失，從而設(shè)計(jì)最優(yōu)方案，并且與投資費(fèi)用相比，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)費(fèi)用較少。

第二，樣機(jī)引進(jìn)項(xiàng)目。我國(guó)很多機(jī)械設(shè)備樣機(jī)都引自發(fā)達(dá)國(guó)家并進(jìn)行防止，但是效果差強(qiáng)人意，主要是仿制仍然停留在低水平抄襲層次，缺乏系統(tǒng)水平領(lǐng)域的理解，如果采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則可以跟蹤樣機(jī)的設(shè)計(jì)思想，并通過(guò)系統(tǒng)模擬來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)，這樣就可以主動(dòng)發(fā)現(xiàn)樣機(jī)的缺陷并進(jìn)行改建。

第三，國(guó)民經(jīng)濟(jì)骨干行業(yè)，比如軍事工業(yè)、工程機(jī)械工業(yè)等都是對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)影響比較大的行業(yè)，如果虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用于這些行業(yè)則會(huì)給國(guó)家?guī)?lái)更大的經(jīng)濟(jì)效果，目前國(guó)外已經(jīng)非常成熟將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于這些行業(yè)中，所以我國(guó)也應(yīng)該開發(fā)更為成熟的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，找到市場(chǎng)切入點(diǎn)，加強(qiáng)國(guó)內(nèi)外交流，建設(shè)具有我國(guó)特色的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。