淺談虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機械設(shè)計與制造中的應(yīng)用

黃超

【摘 要】運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)于整個產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，在沒有實際制造出物力樣機之前，就可以事先對產(chǎn)品進行工程分析、性能分析、可裝配性分析、工藝規(guī)劃和優(yōu)化設(shè)計等多種不同的工序，在整個機械設(shè)計與制造的過程中，用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來代替物力樣機，自然與產(chǎn)品有關(guān)的反復(fù)設(shè)計、制造、測試也是可以在樣機上面測試的，由此一來，大大縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，而且也提高了效率，降低了工程的成本。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實技術(shù)；機械設(shè)計與制造；應(yīng)用

一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述

現(xiàn)如今，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)成為了計算機及相關(guān)硬件設(shè)備的基礎(chǔ)，它融合了多方面高科技技術(shù)，從而為人們展現(xiàn)出一種集視覺、聽覺、觸覺這三者為一體的虛擬環(huán)境，滿足人們的實際需求。正是因為虛擬現(xiàn)實技術(shù)本身的特征明顯，才使得它的應(yīng)用范圍不斷擴大。虛擬技術(shù)以沉浸性、交互性、多感知性、構(gòu)象性這四個特點為主。沉浸性指的是虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)造的虛擬環(huán)境容易讓人沉浸其中，猶如在現(xiàn)實世界一樣。交互性指的是用戶可以對虛擬環(huán)境內(nèi)的物體進行操縱并且可以從中得到反饋。多感知性指的是在虛擬環(huán)境中人們除了視覺感知、聽力感知、觸覺感知之外，還包括味覺感知、嗅覺感知等多種感知能力。

二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機械設(shè)計與制造中的應(yīng)用

1、虛擬產(chǎn)品概念設(shè)計

概念設(shè)計是創(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(shè)計是指對產(chǎn)品起始的設(shè)計構(gòu)思，目的是為了捕捉產(chǎn)品的基本形態(tài)。概念設(shè)計是產(chǎn)品設(shè)計過程中的重要階段，因為產(chǎn)品成本的60%～70%是概念設(shè)計決定的，虛擬概念設(shè)計使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，為設(shè)計者提供基于語言識別和手勢跟蹤的輸入方式，設(shè)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(shè)計對象進行觀察和操作，其目的是獲得足夠多的有關(guān)產(chǎn)品式樣和形狀的信息，從而達到滿意的效果。

在概念設(shè)計中，采用頭腦風(fēng)暴法進行方案創(chuàng)意，可以將體驗設(shè)計思想更好地融于其中，也就是更多關(guān)注產(chǎn)品使用者的感受，而非產(chǎn)品本身。設(shè)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；利用觸摸屏來選擇產(chǎn)品的造型、色彩、裝飾風(fēng)格等許多可選部件，在渲染和生成十分逼真的三維模型時，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。甚至還可根據(jù)用戶的建議，邀請專家和部分用戶一起對模型提出修改意見，觀察設(shè)計和修改過程，直至大多數(shù)人滿意為止。比如在開發(fā)設(shè)計健身器械時，可以允許消費者在購買商品前在虛擬的健身器械環(huán)境體驗不同設(shè)備的功能，并按照具體用戶高低胖瘦及本人的喜好評價，選擇和重組這些設(shè)備，且可以自己提出修改意見，所有反饋結(jié)果將被存儲并通過網(wǎng)絡(luò)傳到生產(chǎn)部門進行實際生產(chǎn)。

2、虛擬設(shè)計

虛擬設(shè)計就是設(shè)計人員設(shè)計一個虛擬的產(chǎn)品，來分析、研究、檢查所設(shè)計的產(chǎn)品是否滿意設(shè)計要求，有問題及時修改，使產(chǎn)品設(shè)計更為完善?；蛘哒f虛擬現(xiàn)實技術(shù)用于產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計。虛擬系統(tǒng)的構(gòu)成原理大同小異。

一般虛擬設(shè)計系統(tǒng)都包括兩部分，一是虛擬環(huán)境生成器，這是虛擬設(shè)計系統(tǒng)的主體，另一個是外圍設(shè)備（人機交互工具以及數(shù)據(jù)傳輸、信號控制裝置），虛擬環(huán)境生成器可以根據(jù)任務(wù)的性能和用戶要求，在工具軟件和數(shù)據(jù)庫的支持下產(chǎn)生任務(wù)所需的、多維的、適人化的情景和實例。它由計算機基本軟硬件、軟件開發(fā)工具和其他設(shè)備組成，實際上就是一個包括各種數(shù)據(jù)庫的高性能圖形工作站。虛擬設(shè)計系統(tǒng)的交互技術(shù)是虛擬設(shè)計優(yōu)勢的體現(xiàn)，目前虛擬設(shè)計系統(tǒng)的交互技術(shù)主要集中于視覺、聽覺、觸覺三個方面，這三個方面的輸入和輸出設(shè)備是虛擬交互的主要方式。例如：頭盔式顯示器、數(shù)據(jù)手套、三維聲音處理器、視點跟蹤、數(shù)據(jù)衣、語音輸入等等。虛擬設(shè)計涉及到許多的學(xué)科和專業(yè)技術(shù)，屬于多學(xué)科交互技術(shù)，在工程設(shè)計上，目前提出兩種基于虛擬現(xiàn)實的工程設(shè)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(shè)計，用戶充分利用各種增強的效果設(shè)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(shù)引入CAD環(huán)境，這種設(shè)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(gòu)狀態(tài)等隨外部輸入的實時改變。設(shè)計者直接在虛擬環(huán)境中參與設(shè)計，采用虛擬設(shè)計可以對產(chǎn)品的外形設(shè)計、產(chǎn)品的布局設(shè)計、產(chǎn)品的運動和動力仿真設(shè)計，例如：在減速器的設(shè)計中可以隨時對其殼體修改、評測，方案確定后的建模數(shù)據(jù)可直接用于成型模具設(shè)計、仿真和加工；可以通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)直觀進行布局設(shè)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(gòu)件工作時的運動協(xié)調(diào)關(guān)系，相應(yīng)運動范圍及可能出現(xiàn)的運動干涉，以及檢測軸、齒輪等零件的強度、剛度、耐磨和耐沖擊性能，確保工作的協(xié)調(diào)、可靠。

3、虛擬制造

虛擬制造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(shù)，在高性能計算機及高速網(wǎng)絡(luò)的支持下，在計算機上群組協(xié)同工作，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)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。由于應(yīng)用的不同要求而存在的不同的側(cè)重點，因此出現(xiàn)三種流派，即以設(shè)計為中心的虛擬制造，以生產(chǎn)為中心的虛擬制造和以控制為中心的虛擬制造。如減速器設(shè)計殼體成型中，利用數(shù)值模擬和物理模擬方法，對金屬材料熱成形過程進行動態(tài)仿真，預(yù)測不同條件下成形材料的組織、性能及質(zhì)量，進而實現(xiàn)熱成形件的質(zhì)量與性能的優(yōu)化設(shè)計；對于軸、齒輪等零件加工過程仿真，通過虛擬加工，選擇最佳的機床刀具路徑和加工參數(shù)，分析和評定產(chǎn)品設(shè)計的合理性、可加工性、加工方法以及加工過程中可能出現(xiàn)的加工缺陷等；采用虛擬制造技術(shù)可以在設(shè)計階級就對軸系部件進行裝配，隨時修改，避免出錯。用虛擬樣機代替具體減速器，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(shè)計制造費用，縮短設(shè)計開發(fā)周期，優(yōu)化設(shè)計，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

隨著科技的進一步發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)本身的性能也將不斷完善，逐步擴大虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用范圍，從而推動虛擬現(xiàn)實技術(shù)的進一步發(fā)展。

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