機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)芻議

李慧芳

摘要：隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，機(jī)械設(shè)計(jì)與制造在實(shí)際生產(chǎn)過程中也在不斷改善和創(chuàng)新。為了滿足不同顧客的需要，制造企業(yè)需要在競(jìng)爭(zhēng)過程中不斷自我完善和提高，進(jìn)而保證產(chǎn)品質(zhì)量。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為電子信息化創(chuàng)新的產(chǎn)物，在社會(huì)生產(chǎn)中能發(fā)揮著重要的作用。本文分析了這一技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)和制造中的應(yīng)用情況，探究了該技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)和制造中的先進(jìn)性。

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

中圖分類號(hào)：TH122

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

引言

伴隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和工業(yè)水平的迅速提高，在機(jī)械設(shè)計(jì)方面也陸續(xù)誕生了一些全新的技術(shù)手段。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以生成一種逼真的虛擬環(huán)境，使用該技術(shù)的人自然可以進(jìn)入虛擬空間，進(jìn)而感知和操作虛擬世界中的對(duì)象，獲得一種身臨其境的感覺。這種技術(shù)的發(fā)展?jié)摿κ鞘挚捎^的。它可以有效地促進(jìn)加工制造業(yè)的又一次產(chǎn)業(yè)升級(jí)，推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的變革。

1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)

1.1虛擬現(xiàn)實(shí)擁有廣泛的通用性

虛擬現(xiàn)實(shí)慢慢趨于普遍，各個(gè)企業(yè)都開始利用這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。虛擬技術(shù)是通過力學(xué)的研究發(fā)展起來的，這就使產(chǎn)品在設(shè)計(jì)之初就更加容易建立模型。每個(gè)構(gòu)件都有6個(gè)自由度，這是虛擬現(xiàn)實(shí)的根本。這就使得大部分的設(shè)計(jì)建模都能夠應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，沒有什么限制，所有企業(yè)都能通過虛擬技術(shù)進(jìn)行建模。

1.2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用使得機(jī)械設(shè)計(jì)更加便捷

傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)都是通過紙質(zhì)的畫設(shè)計(jì)圖，通過設(shè)計(jì)者利用大量復(fù)雜的公式，圖形進(jìn)行計(jì)算，從而推算出各個(gè)零部件的尺寸，設(shè)計(jì)枯燥繁瑣，還更加容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。最關(guān)鍵的是，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和資源建立最初的設(shè)計(jì)模型以后，才能判斷設(shè)計(jì)是否合理標(biāo)準(zhǔn)。而且一些產(chǎn)品的材料，契合程度都無法從最初的設(shè)計(jì)中得到結(jié)論。一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤，還需要再重新進(jìn)行計(jì)算核對(duì)。這樣又浪費(fèi)了大量的時(shí)間，使得設(shè)計(jì)過程更加繁瑣，并且耗費(fèi)了企業(yè)的資源，使得企業(yè)在最佳的時(shí)間錯(cuò)過了生產(chǎn)，讓企業(yè)失去了核心競(jìng)爭(zhēng)力。然而，有了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，我們就可以直接通過電腦，直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的推算，準(zhǔn)確度大大的提升。這樣的方式也減輕了設(shè)計(jì)者的負(fù)擔(dān)，提升了其工作效率。并且在設(shè)計(jì)中，能夠建立立體的模型，節(jié)約了企業(yè)的成本。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以使設(shè)計(jì)者通過構(gòu)件材料，外觀，摩擦，契合程度更好的審視自己的設(shè)計(jì)，出現(xiàn)錯(cuò)誤能夠馬上修改。這樣為企業(yè)節(jié)約出了大量的生產(chǎn)時(shí)間。產(chǎn)品生產(chǎn)出來，便可以搶先一步搶奪市場(chǎng)資源，提高競(jìng)爭(zhēng)力。

1.3虛擬技術(shù)可以更好地進(jìn)行后期數(shù)據(jù)的處理與分析

在得到許多重要的數(shù)據(jù)以后，虛擬技術(shù)可以將這些數(shù)據(jù)做成圖形或者動(dòng)畫，通過比對(duì)，這些數(shù)據(jù)就會(huì)比我們傳統(tǒng)的將數(shù)據(jù)排列一起更加直觀，更加生動(dòng)。而且利用互聯(lián)網(wǎng)的強(qiáng)大資源，我們甚至可以比對(duì)近十年的數(shù)據(jù)。直觀的數(shù)據(jù)比對(duì)讓我們能夠更好的認(rèn)識(shí)自己企業(yè)的許多方面，從而企業(yè)可以清楚的認(rèn)識(shí)自己的劣勢(shì)，進(jìn)而增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

2機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)

2.1在機(jī)械制造中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用主要是指通過三維動(dòng)態(tài)模型對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的工藝特點(diǎn)、加工制造方法等進(jìn)行模擬，進(jìn)而分析實(shí)際制造過程中可能會(huì)出現(xiàn)的問題，及時(shí)消除現(xiàn)有生產(chǎn)流程中存在的安全隱患或質(zhì)量問題，避免此類問題導(dǎo)致機(jī)械制造效率受到影響。在這一技術(shù)的作用之下，機(jī)械故障率及維修成本都將能得到有效降低，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大幅度壓縮機(jī)械生產(chǎn)成本的目的，提升此類產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。除此之外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也能對(duì)軸部件的裝配過程進(jìn)行模擬，進(jìn)而展示出產(chǎn)品的全壽命周期，指導(dǎo)相關(guān)工作人員提前對(duì)這一部件在應(yīng)用過程中可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，從根本上保障機(jī)械制造的成功率，避免不合格的產(chǎn)品出現(xiàn)。

2.2虛擬產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)

概念設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)中創(chuàng)新性思維的具體表現(xiàn)，又是一種理想化的物質(zhì)形式。在機(jī)械設(shè)計(jì)和制造的過程中，為了保證產(chǎn)品起始設(shè)計(jì)構(gòu)思的準(zhǔn)確性，需要捕捉產(chǎn)品的基本形態(tài)，而虛擬產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)恰恰可以滿足這一要求。虛擬概念設(shè)計(jì)是用虛擬技術(shù)為用戶提供了多種輸入方式，使用戶利用手勢(shì)、語(yǔ)言等方式隨時(shí)更改自己的形態(tài)建模，并且通過三維空間設(shè)計(jì)讓用戶可以直觀地觀察產(chǎn)品設(shè)計(jì)情況，從而達(dá)到用戶滿意的效果。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的過程中，使用戶可以清晰地表達(dá)出自己所要設(shè)計(jì)的思路，讓人們對(duì)這一系統(tǒng)產(chǎn)生一種直觀性的交互感受。這種特性極大地降低了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)投放市場(chǎng)的風(fēng)險(xiǎn)，為該技術(shù)在今后的實(shí)際應(yīng)用中提供了有效的保障。

2.3虛擬設(shè)計(jì)

虛擬設(shè)計(jì)指的是設(shè)計(jì)人員通過設(shè)計(jì)的虛擬產(chǎn)品，對(duì)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行分析、研究、檢查，看是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品更加完善。通常虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括虛擬環(huán)境生成器和外圍設(shè)備兩部分組成，虛擬環(huán)境生成器是虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主體，包括計(jì)算機(jī)基本軟硬件、軟件開發(fā)工具和其他設(shè)備，相當(dāng)于一個(gè)包括各種數(shù)據(jù)庫(kù)的高性能圖形工作站，可根據(jù)用戶需求在工具軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)的支持下，設(shè)計(jì)出所需的、多維的、適人化的情景和實(shí)例。虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)交互技術(shù)主要集中在視覺、聽覺、觸覺三方面，主要通過這三個(gè)方面的輸入和輸出設(shè)備來完成。目前主要應(yīng)用兩種虛擬現(xiàn)實(shí)的設(shè)計(jì)方法。一個(gè)通過現(xiàn)有的CAD系統(tǒng)產(chǎn)生模型將其轉(zhuǎn)換成虛擬現(xiàn)實(shí)軟件支持的格式，再將模型輸入到虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中，從而完成虛擬產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。另一個(gè)是通過VR—CAD系統(tǒng)將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入CAD虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)環(huán)境，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，這種方式不僅保證了產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)境的穩(wěn)定性，又保證產(chǎn)品在虛擬技術(shù)的支持下高精度、高效率地完成。比如通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以檢查運(yùn)動(dòng)構(gòu)件工作時(shí)的協(xié)調(diào)關(guān)系，可能出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)干涉，對(duì)軸、齒輪等零件的強(qiáng)度、剛度、耐磨和耐沖擊性能進(jìn)行檢測(cè)，確保協(xié)調(diào)、可靠的工作性能?？梢哉f，在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中加入虛擬技術(shù)，有效保證了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率和準(zhǔn)確性，減少了資金和材料的消耗，為企業(yè)生產(chǎn)研發(fā)提供有效保障。

3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的未來前途

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為工業(yè)制造的新一輪轉(zhuǎn)型提供了良好的發(fā)展機(jī)遇。在未來，它勢(shì)必與更多的核心技術(shù)相結(jié)合，運(yùn)用在更多的領(lǐng)域中。它的未來前途，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①對(duì)不同相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)跨界融合，實(shí)現(xiàn)工業(yè)技術(shù)的進(jìn)一步創(chuàng)新;②進(jìn)一步推進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)智能硬件設(shè)備技術(shù)的普及;③對(duì)其生產(chǎn)和培訓(xùn)方式進(jìn)行改良，擴(kuò)大其的運(yùn)用范圍，實(shí)現(xiàn)其在智能制造、高端仿真及培訓(xùn)方面的應(yīng)用;④運(yùn)用于一些特殊的領(lǐng)域，如在外科手術(shù)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)虛擬模擬手術(shù)，使手術(shù)的智能化和微創(chuàng)化程度進(jìn)一步得到提高。在軍事領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)仿真化的模擬訓(xùn)練與實(shí)地訓(xùn)練，提高訓(xùn)練的效率;⑤廣泛地運(yùn)用于人們的生活中，特別是與數(shù)字媒體相結(jié)合，使人們獲取信息更加方便。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文主要對(duì)機(jī)械概念設(shè)計(jì)階段、實(shí)際設(shè)計(jì)階段、制造階段中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用辦法進(jìn)行了深入探討，在后續(xù)發(fā)展過程中，相關(guān)設(shè)計(jì)人員及生產(chǎn)廠家則應(yīng)更進(jìn)一步將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用重視起來，在這一技術(shù)的輔助之下提前對(duì)設(shè)計(jì)及制造過程中可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，避免實(shí)際設(shè)計(jì)方案存在缺陷或制造過程出現(xiàn)安全問題，最終達(dá)到提升機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量、壓縮生產(chǎn)成本、保障生產(chǎn)效率的目的，確保機(jī)械產(chǎn)品都能在實(shí)際應(yīng)用過程中發(fā)揮出預(yù)期作用。

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